微胶囊的制备与释放——高化实验报告

微胶囊的制备
2011011743 分1 黄浩
一、实验目的
1. 了解悬浮聚合的特点和反应机理
2. 掌握悬浮聚合的工艺特点及配方中每个组分的作用
3. 了解微胶囊技术的应用和制备原理
4. 掌握利用双重乳液法制备微胶囊
二、实验原理
1. PS聚合机理：
自由基机理。

使用苯乙烯为单体，AIBN为引发剂（热引发剂）。

不选用离子型聚合的原因，是因为引发剂较难获取，整个实验的进行时间较长，不易在实验课中完成。

2. PS聚合实施方法：
悬浮聚合。

悬浮聚合是指油溶性单体、引发剂在溶有分散剂的水中，借助于搅拌作用分散成细小液滴进行的聚合反应。

根据聚合物在水中的溶解情况，可合成不同形态的悬浮聚合物，若聚合物不溶于单体，则产物呈不透明、不规整的颗粒状，如氯乙烯等单体的聚合；若聚合物溶于单体，则可得到透明的珠状产品，因此又可称为珠状聚合，如苯乙烯等单体的聚合。

悬浮聚合的优点是体系粘度低，聚合热易扩散，聚合反应温度易控制，聚合产物分子量分布窄，而且聚合产物为固体珠状颗粒，易分离，干燥，而且杂质含量比乳液聚合要低，后处理简便。

悬浮聚合中，在每一个被分散的小液滴中，恰似一个本体聚合的微反应器，其聚合速度和平均相对分子质量以及产物的性质，都与在相同条件下本体聚合所得到的相仿。

不过其毕竟是在非均相的体系中进行，它的全部反应过程是处于亚稳态的。

因此搅拌速度和分散剂的种类及用量是控制所得聚合物颗粒形态和大小的主要因素。

目前悬浮聚合法主要用来生产聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯以及聚乙酸乙烯酯等。

本实验也可以使用溶液聚合和乳液聚合，乳液聚合对于搅拌的要求比较小，但得到的分子量较大，而且颗粒小、杂质较多。

因为本次做的PS要用做微胶囊，因此分子量不能太高，
否则溶解较困难，在几万左右比较合适。

3. 聚合方程式：
*
*
4. 微胶囊制备原理：
微胶囊制备采用的是双重乳液法。

双重乳液是乳状液进一步分散在另一种连续相中的复杂体系，可以分为W/O/W和O/W/O两种类型，制备方法多是两步法，即先制备一种单一乳状液，再将该乳状液分散到另外一种溶剂中。

本实验先用疏水性乳化剂在较强的分散条件下制备成W/O型乳液，再用亲水性乳化剂将W/O型乳液进一步分散在水中形成W/O/W 型双重乳液。

双重乳液的组成非常重要，因为不同的表面活性剂以及油相的性质和浓度都会影响双重乳液的稳定性。

内相的乳化剂一般用量较大，其质量分数一般占内相乳液的10％～30％，内相使用高分子乳化剂是一种较佳的选择，可以降低用量。

外相的乳化剂浓度较低，为0.5%~5%。

此外，影响双重乳液的稳定性的因素还有各个组分的含量，搅拌强度等。

5. 微胶囊释放原理：
在制备过程中，由于二氯甲烷的挥发，微胶囊上有许多微小孔洞，这既使得内部药剂能从孔洞中渗出、同时又在很大程度上减缓了药剂释放速率。

因此如果用去离子水洗涤微胶囊，药剂释放是微量的，而如果用自来水洗涤，Ca、Mg等金属离子会与水杨酸络合，从而将药剂带出。

在实验中，为了定量检测微胶囊中的水杨酸含量，我们选用了FeCl3溶液，一方面它可以与水杨酸络合，从而将微胶囊释放，另一方面，络合物还有特殊的紫色，从而可以用分光光度计来检测释放出来的水杨酸浓度，最后推知胶囊中的药剂总量。

三、实验背景
1.PS
苯乙烯是最容易如何的单体之一，聚苯乙烯是历史悠久、品种繁多、用途广泛的热塑性塑料，为非晶态结构，机械性能一般，能溶于芳烃、卤代烷、醚，但不溶于醇，其最大缺点是质脆、内应力大，因此常用其他单体共聚改性。

聚苯乙烯用注模、压制、挤出等方法制成各种工业用品，如仪表外壳，仪器零件，高效绝缘制品，薄膜和日用品，聚苯乙烯泡沫塑料
是优良的防震、防湿、保冷、隔音材料。

2.微胶囊
微胶囊技术在食品、医药、化妆品等方面具有广泛的应用。

在药物种类日益繁多的今天，采用原有制剂技术有时无法满足临床要求，因此微胶囊作为一种理想的缓释控释、靶向剂型，近年来发展非常迅猛，在医药领域的应用也日益广泛，已有30多种药物，如抗肿瘤药、抗菌药、心血管药物、激素类药物和诊断用药等采用了微胶囊技术。

此外，将活性细胞或生物活性物质包埋，如胰岛素、血红蛋白、疫苗等，也是目前此领域的研究热点。

在新型的化妆品中，有许多化妆品添加剂用微胶囊包覆，使产品性能更加优越。

微囊通常不穿透皮肤，通过扩散或破坏胶囊可释放活性成分；纳米胶囊中包裹的功效成分，如V A 或V E可以按某一速率恒速作用于皮肤组织；脂质体可以象生物细胞一样在其内部贮存水溶性物质，用来传递水分起到保湿的作用。

另外还有微乳液、多重乳液、多孔微球和液晶等载体负载功能性物质，赋予化妆品优异的性能。

四、实验试剂
五、实验步骤
下图是悬浮聚合所得的半透明珠粒：
微胶囊实验忘记照相了……
六、注意事项
1. 在聚合过程中，一定要很好地控制稳定的搅拌速度，使珠粒稳定均匀，切不可忽快忽慢，防止珠粒相互粘结变形，搅拌棒要放低一些。

2. 反应结束后，要先冷却到室温，再将混合物倒入水中。

3. 在后处理阶段，表面飘浮的是不合格的产品，这样的产品内部含有气泡。

但在静置的时候不要心急，等待细小颗粒充分沉降。

4. 胶囊的制备过程中，搅拌速度不可过快，否则会影响乳液的稳定性。

而且在滴加W/O 乳液时，W/O乳液仍要保持搅拌，否则可能会分相，而且乳液滴加速度不要过慢。

5. 胶囊的形成过程中，温度不可过高，否则二氯甲烷的挥发速度过快，也会影响乳液的稳定性，以及后期的释放。

6. 在3h之后，用滴管取半毫升双重乳液，用手捏小细粒，如果小细粒质硬，则为合格产品，可直接倒出；若仍为柔软细粒，则应升温至40℃，将二氯甲烷充分挥发。

七、思考题
PS悬浮聚合：
1. 试讨论影响悬浮聚合的各种因素。

答：影响悬浮聚合的因素，除了典型自由基聚合的影响因素外，还有搅拌、分散剂和油水比
a.搅拌速度：由于分散剂无法完全提供将单体分成小液滴所需的表面能，因此在悬浮聚合中必须进行搅拌，一般而言，搅拌越快，液滴越小，搅拌越慢，液滴越大。

如果搅拌过慢，则可能发生粘性粒子的聚并，非常危险，因此悬浮聚合对于搅拌的要求比较高。

b.水油比：水油比即为分散相和分散质的质量比，水的用量增加，散热更加容易，反应更加均一，得到的聚合物性能更均匀，但同时设备利用率也会降低。

c.分散剂：分散剂帮助单体形成液滴，并在液滴表面形成保护膜，防止聚合过程中液滴聚并。

分散剂的用量需适中，若分散剂过少，则分散性太差，单体液滴不稳定，若分散剂过多，则聚合物残留杂质增加，而且也会增加成本。

此外，分散剂的HLB应在8~18之间，该类型的分散剂亲水性比亲油性强，可以做水包油型乳剂，如果HLB太小，则体系会成为W/O型乳液，就谈不上悬浮聚合了。

2.悬浮聚合中哪些物质可用作分散剂？为什么这些物质可起分散作用？
答：分散剂主要有脂肪酸类、脂肪族酰胺，无机盐粉末，高分子低聚物等。

在悬浮聚合中，分散剂吸附于单体液滴的表面，这一过程的推动力是体系化学势的降低，通过降低表面张力来稳定界面能。

脂肪酸、脂肪酰胺、高分子型的分散剂都有两亲性基团，因此在单体液滴表面形成吸附层，从而稳定单体液滴，并防止液滴聚并，但仍需通过大力搅拌来提供能量，否则液滴仍会聚并。

而无机盐粉末只能起到机械隔离作用，在工业上使用较多，因其成本低、且易除去。

3.如果用聚乙烯醇作分散剂，其醇解度的不同对分散性能有何影响？
答：如果PVA醇解度过高，则主链上的羟基太多，分子内氢键作用力很大，使得PVA 自身蜷缩、不易伸展，从而分散效果差，不能很好地包裹单体液滴。

而如果醇解度过低，那么它的水溶性太差，则会增强亲油性，可能造成悬浮液转化为W/O型，单体液滴无法稳定存在。

4.试讨论有机和无机分散剂的差异。

答：在第2题已经涉及过了。

它们的分散机理不同：有机分散剂是通过两亲性基团吸附在液滴表面，稳定表面能，并防止液滴聚并；无机分散剂则是吸附在液滴表面，起着机械隔离作用。

5.根据实践体会，你认为珠状聚合的操作中，应该特别注意哪些问题？
答：对于悬浮聚合而言，搅拌速度是比较重要的，搅拌速度过低则单体液滴不稳定，同时液滴太大，而搅拌过快虽然体系稳定，但产品颗粒较小，这两者的分子量应该也有差别，应该根据实际需要来选择合适的搅拌速度。

此外，加料顺序也应该注意，正确的顺序是：加水-加分散剂-略升温-加单体引发剂混合溶液-再升温。

先加分散剂的原因是使分散剂充分溶解在水中，以使得后续的分散步骤更加均一；而先升温的原因是提高分散剂的分散能力，使得分散效果更好，如果先加单体和引发剂再一步升温，可能分散效果不够好；而单体和引发剂先混合的原因，则因为悬浮聚合是非均相聚合，如果分次加入，很可能造成不同液滴中引发剂的浓度不同，甚至体系分为三相——水相、油相、引发剂固相。

微胶囊制备与释放：
6.说明双重乳液法制备胶囊的原理和稳定机理。

答：双重乳液是乳状液进一步分散在另一种连续相中的复杂体系，可以分为W/O/W和O/W/O两种类型，制备方法多是两步法，即先制备一种单一乳状液，再将该乳状液分散到另外一种溶剂中。

本实验先用疏水性乳化剂在较强的分散条件下制备成W/O型乳液，再用
亲水性乳化剂将W/O型乳液进一步分散在水中形成W/O/W型双重乳液。

其稳定机理，除了要有分散剂作为界面稳定剂外，中层即油层的粘度很重要，因油层有一定粘度，芯层的水相才不会因为搅拌而溢出、与外层水相混合，油层的粘度给内外水相的混合架设了一个能垒，类似于活化能，当然分散剂也起到了能垒的作用，分散能力越强、油相粘度越大，能垒越高，双重乳液稳定性更强。

7.具体说明测定水杨酸钠释放量的方法，为何将胶囊置于三氯化铁溶液中？
答：置于三氯化铁溶液中有两个原因，一是因为水杨酸钠与三氯化铁会发生络合反应，使芯层的水杨酸钠可以被这一化学反应推动力“吸”出，即释放，而用去离子水洗涤是不会洗出太多水杨酸钠的；二是因为上述的络合物有鲜明的颜色，紫色，即释放量可以用分光光度计定量测量。

而水杨酸钠释放量的测量方法，即先用一组10%FeCl3溶液与不同浓度的水杨酸钠溶液配成混合液，然后测定其吸光度，做出水杨酸钠浓度-吸光度曲线，然后将胶囊放入一定量的10%的FeCl3溶液中，一段时间后测定其清液的吸光度，对比上述曲线即可得到水杨酸钠的浓度，最后结合溶液体积，即可知道水杨酸钠的释放量。

8.通过实验，你认为双重乳液法有何优缺点？
答：优点是包覆的膜材料可选择余地大，囊壁厚、结实，且不破坏芯物质的化学活性。

但我认为缺点可能是分散剂用量较大，而且制备时间较长、双重乳液不稳定等。

八、小组数据分析
1. 水杨酸钠-FeCl3的吸光度曲线
此实验我们小组未做，故使用了其他小组的实验数据。

将不同量的水杨酸钠溶于10%的FeCl3溶液中，所得溶液的吸光度与水杨酸钠（络合+游离）总浓度如下表所示：
因为吸光度与水杨酸-Fe络合物的浓度呈线性关系，A=kLc，假设水杨酸钠的游离浓度可以忽略不计，则络合物浓度与水杨酸钠的总浓度呈正比，因此用excel作图并可将吸光度-水杨酸总浓度的关系拟合为正比例函数，得：
因此，10%的FeCl3溶液的吸光度A与水杨酸钠总浓度c的关系为：A=1.5435c，浓度单位是mmol/L，我们如果测定出胶囊释放溶液的吸光度，就可以据此得到水杨酸钠的浓度和总量，最后可平均得到每克胶囊的释放量。

2. 胶囊释放溶液的吸光度数据
将0.2g胶囊置于20ml10%的FeCl3溶液中释放，一段时间后测定所得溶液清液的吸光度如下，结合上述得到的公式，可得水杨酸钠的浓度、总量和每克胶囊的释放量，如下表所示：
由上表可见，同样实验调节得到的微胶囊，释放量却不一样，而且方差也很大，其原因可能有三：一是由于我们8人的释放时间不同，而胶囊释放是有时间延迟效应的；二是由于取样随机性比较大，同样实验者的不同的微胶囊的包覆情况不同；三是在微胶囊合成步骤，虽然我们的投料量相同，但使用的PS分子量、乳液搅拌速度和二氯甲烷的蒸发速度都不同，使得不同实验者的胶囊粒径、孔径不同，包覆和释放情况也不同。

九、实验小结
本次实验是整个高化实验课的最后一次实验，也是综合性最大的一个实验，里面既涉及了高分子的合成，也涉及了高分子的特殊成型操作，更有无机化学的分析方法。

本实验先使用悬浮聚合合成PS，由于悬浮液的不稳定性，因而搅拌速度的控制是最重要的工艺；再用PS溶液制备W/O/W型乳液，这也是一个不稳定体系，许多同学在向水中滴加W/O 乳液时停止了该乳液的搅拌，致使出现了分层；最后是用FeCl3来释放水杨酸钠并测定其含量，但在上午释放时，分光计示值过大，奇怪的是，用胶囊的去离子水浸泡液却没有现象，说明应该不是胶囊未洗干净的缘故，我猜测是由于我的胶囊释放速度过快导致的，因为下午做实验的时候，我在释放微胶囊后立刻进行了测定，便得到了较为“正常”的数值。

其实正常二字对于科研而言是没有意义的，任何的实验结果都不是权威，既然证明了不是胶囊未洗干净，那么问题只是胶囊本身，我猜测这与胶囊的微结构有关，可能是二氯甲烷蒸发速度不合适，导致孔径较大，或者我的W/O/W乳液形成的比较好，使得包覆量较大，等等。

后来我想了想，胶囊量应该再取得更小些，上午如果再换0.1g的胶囊进行实验，或许就能得到较好的实验结果。

十、参考文献
1.《高分子化学》，唐黎明、庹新林编著，清华大学出版社
2.《高分子化学实验与技术》，杜奕编著，清华大学出版社
3.《W_O_W法制聚苯乙烯微胶囊的研究》，张明祖、倪沛红、严年喜，苏州大学学报
4.《微胶囊与微胶囊技术》，余若冰、彭少贤、郦华兴，现代塑料加工应用。