细乳液聚合制备有机-无机杂化纳米微胶囊

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微胶囊是一种具有特殊结构和形态的物质。根据要求在其内部可封装功能化合物,制成具有缓释功能的高分子材料。目前大部分微胶囊的壳层都是以聚合物或聚合物杂化、无机材料(如SiO2和TiO2)、无机-聚合物交替为壳,如何将高分子材料和无机材料通过化学反应使之进行微观杂化,使微胶囊的壳层兼具有机无机材料的优点,又显示出新的性能,具有巨大的潜在应用价值。本文结合原位聚合封装非溶剂烷烃法、苯乙烯(St)与含有特殊官能团Si-OR的甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯(MPS)聚合的杂化方法,利用细乳液聚合分散技术,在正辛烷/单体亚微液滴上通过乙烯基自由基共聚和硅氧烷的水解-缩合反应,无需去核过程,就一步合成了有机-无机杂化微胶囊。将细乳液聚合与传统乳液聚合进行对比,发现液滴成核有利于微胶囊的形成,而胶束成核和均相成核不能形成微胶囊,从而提出了细乳液聚合制备微胶囊的可能性。细乳液聚合的主要场所是稳定的单体亚微液滴,生成的聚合物不溶于正辛烷/单体混合液滴。通过对热力学判据铺展系数Si和单位面积吉布斯自由能值G的理论计算,聚合物在液滴表面发生了相分离,并对正辛烷进行包覆,形成微胶囊。MPS的加入和乳化剂SDS在临界胶束浓度以下时都有利于微胶囊的形成。实验结果也证实了微胶囊的形成。研究了单体加料顺序和细乳液聚合工艺条件对微胶囊形态的影响。结果表明:超声分散后加入单体,得到数量较少的微胶囊,且粒子形态不均一。当[SDS]=1.33g/L时,粒径分布呈单峰分布,且聚合过程中的粒径基本上保持初始亚微液滴的大小,TEM图上为微胶囊形态;当[SDS]=6.77g/L时,粒径分布呈双峰分布,TEM图上显示的粒子分布较为复杂。实验发现,以KPS引发剂、十六醇为共稳定剂进行细乳液聚合时,存在均相成核和液滴成核两种机理,由此得到了与成核机理相对应的双峰(50nm和400nm)分布且形态不同(实心粒和微胶囊)的粒子。以十八醇为共稳定剂得到的粒子形态和十六醇相似;用油溶性引发剂取代水溶性引发剂KPS时,也能在单体液滴内引发聚合而形成微胶囊。傅立叶红外光谱分析结果表明,在pH=7.0、MPS/St=0.3的条件下,单体乙烯基C=C特征吸收峰(1200cm-1、1634cm-1)和MPS中Si-OR的特征吸收峰(821cm-1、1087cm-1)消失或转移,说明同时发生了自由基共聚合和水解-缩合反应,从而形成有机-无机杂化结构。同时也证明自由基共聚反应和水解-缩合反应是一对耦合反应。而随MPS/St比值的增大和pH=4.0、9.18条件下,MPS更倾向于发生水解-缩合反应,支化交联程度大大增加。实验研究了细乳液聚合的动力学特征和Si-OR的水解-缩合动力学。结果发现,细乳液聚合不存在传统乳液聚合的恒速阶段。当增大HD/SDS比值时,聚合速率增大,成核期缩短。以十六醇为共稳定剂的细乳液聚合成核期较十六烷长。对于SDS和KPS体系,乳化剂对聚合速率的影响大于引发剂的影响,可以表示为dX/dt~[SDS]0.375[KPS]0.132。当采用KPS、AIBN、BPO三种引发剂时,其表观水解速率常数分别为kh=2.22×10-3min-1、7.01×10-3min-1、7.89×10-3min-1。当MPS/St=0.3、0.6、1.0时,表观水解速率常数分别为kh=2.22×10-3min-1、2.32×10-3min-1、2.45×10-3min-1,但随着MPS/St比值的增加,凝胶率增大,缩合程度增加。pH=4.0和pH=9.18对自由基共聚速率的影响不大,超声分散结束后,大部分MPS已发生水解,pH=4.0下的凝胶率更大。
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