CN110918013B

CN110918013B - 一种制备任意级配微胶囊的方法

Info

Publication number: CN110918013B
Application number: CN201911202405.2A
Authority: CN
Inventors: 徐东升; 陈围
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: CN110918013A

Abstract

本发明公开了一种制备任意级配微胶囊的方法。通过确定不同转速微胶囊分布的影响，进一步通过计算得到不同转速下的搅拌时间，实验了任意级配微胶囊的制备。对本发明的一些实例，可以一次制备得到任意级配的微胶囊。制备得到的微胶囊级配可以更好地满足不同结构基体内部孔隙修复的需要。

Description

一种制备任意级配微胶囊的方法

技术领域

本发明涉及一种微胶囊的制备方法，特别涉及一种制备任意级配微胶囊的方法。

背景技术

结构内部裂缝产生后难以用人为的手段进行修复，所以如何能让裂缝进行自我修复成了一个被人关注的重要工程问题。

2001年美国Illinois大学White等人于Nature杂志上首次把微胶囊化作为理想的载体，用于环氧树脂基体中的裂缝修复，并且有不错的修复效果。这一方法的成功，引起了了其他专业领域对微胶囊应用的兴趣。土木工程中一些结构内部出现裂缝难以修复这一难题得以缓解。因此国内外有许多学者研究如何将微胶囊这一技术应用到实际工程中来，探究微胶囊能在工程结构中起到修补裂缝的作用和修复的效率为多少。上述研究许多都是讲微胶囊直接加入结构基体中，而未考虑微胶囊自身的粒径和基体内部的孔隙的特性分布是否匹配。然而水泥固化沙或混凝土中，普遍存在不同大小的孔隙，单一粒径的微胶囊在基体中的存活率较低，修复效果并不佳。基于裂缝的特性，使用不同粒径的微胶囊级配，有望获得更好的修复效果。

原位聚合法制备微胶囊工艺相对简单，且能够大批量生产。因此微胶囊一般使用原位聚合法制备得到，原料包括壁材、芯材、乳化剂、pH调节剂等。微胶囊的壁材选择一般树脂类，因其性能比较稳定，且价格较为便宜，其成囊后壁材强度适中。芯材一般选择环氧树脂和双环戊二烯，因芯材需要一定的流动性，且固化后形成的化学产物要有一定的稳定性和能过长期保存的特点。常见的囊壁材料有脲醛树脂等。用原位聚合法制备脲醛树脂微胶囊的工艺通常是先在弱碱性条件下合成水溶性的尿素-甲醛预聚物，如二羟甲基脲等，然后将预聚物溶液加入到内相的乳化液中，在酸性条件下使预聚物在内相表面发生缩聚反应并固化形成微胶囊囊壁。现有研究表明，pH值、催化剂、酸化时间和反应温度等条件对微胶囊包埋率、表面形态等特性均有的影响。

如杨毅,王亭杰,裴广玲,et al.一步法制备脲醛树脂微胶囊过程的研究[J].高校化学工程学报,2005(03):57-62.通过直接原位聚合法制备了以有机溶剂为内相的脲醛树脂微胶囊。考察了系统改性剂、pH值、反应时间等条件对微胶囊化过程和微胶囊形貌的影响。结果表明,以PVA作为系统改性剂,在pH值为2.5或更低的条件下,制备的微胶囊具有光滑的囊壁,但强度较低；而以PAA作为系统改性剂,在pH值为3.5的条件下,制备的微胶囊具有良好的光滑度、透明度和强度。分析了一步法中脲醛树脂微胶囊的形成过程。分析表明,体系中的相界面特性对微胶囊化过程有重要影响,要制备具有良好形貌和强度的微胶囊,需要在适当的系统改性剂条件下,控制反应速度,使体系发生平缓和充分的液液相分离。

又如柴云,刘祥萱,王煊军,et al.改性酚醛环氧树脂F-51自修复微胶囊的制备[J].表面技术,2016,45(10):141-147.通过活性稀释剂TMPEG改性具有较好耐温性的酚醛环氧树脂F-51,以原位聚合法,采用非离子表面活性剂复合乳化的方法制备脲醛树脂自修复微胶囊。运用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察微胶囊的分布状况及轮廓形貌,激光粒度分析仪测定微胶囊的粒径值,引入Gauss拟合研究粒径分布。主要讨论乳化剂的选择、用量、原料比、搅拌转速等条件对微胶囊性能的影响,研究最佳合成工艺；利用OM和SEM观察单个微胶囊的形态,结合光衍射原理判断微胶囊芯壁构成；红外光谱仪(FT-IR)探讨其官能团组成,差示扫描量热仪(DSC)测定微胶囊芯材的反应活性,测试室温条件下微胶囊的贮存效果,并由同步热分析仪(TA)测量微胶囊的热失重情况。结果采用OP-10/JFC复合乳化剂,研制出聚脲甲醛包覆酚醛环氧树脂F-51自修复微胶囊,当用量为芯材质量分数的8.0％,原料比为0.8:1,搅拌速率为1600r/min时,产率最高达82％,粒径分布相对集中,粒径平均值为107μm。OM中光衍射现象明显,在FT-IR特征曲线出现相应特征吸收峰,微胶囊研磨后可固化反应,室温下贮存100d,失重率不到3.0％,且在250℃范围内可以保持完整囊-芯结构。

然而因为不同的转速产生的剪切力不同，当剪切力变化时，生成的微胶囊结构会破坏，导致现有的原位基本只能得到在一种合成转速下进行，得到只有一种粒径分布的微胶囊颗粒，无法获得不同的级配，特别是无法根据需要制备得到所需级配的微胶囊，只能通过复配的方式得到所需级配的微胶囊。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备任意级配微胶囊的方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种制备任意级配微胶囊的方法，包括如下步骤：

1)将壁材预聚体混合液、O/W型芯材乳化液混合均匀，分批加入催化剂和水，得到反应液；

2)在单位时间内，将反应液分别以不同搅拌速度合成得到的微胶囊，检测确定所述单位时间内不同转速下微胶囊粒径在不同区间的加权比重系数；

3)基于不同转速下微胶囊粒径在不同区间所占比例，计算目标级配微胶囊在不同搅拌速度下的搅拌时间系数，基于所述搅拌时间系数与所述单位时间确定不同转速下的搅拌时间；

4)采用相同的壁材预聚体混合液、O/W型芯材乳化液混合均匀，分批加入催化剂和水，得到反应液，按计算结果确定不同搅拌速度下的搅拌时间进行相应的搅拌，不同搅拌速度下的搅拌时间之和等于所述单位时间；

5)搅拌完毕后，后处理得到目标级配微胶囊。

在一些实例中，根据所需级配确定所述反应液在不同转速下搅拌时间的计算方法如下：

式中，K_ij为一种转速下合成的微胶囊粒径在每一个区间加权比重系数，X_j为该转速下的搅拌时间系数，Y_j为所需粒径的比重。

在一些实例中，微胶囊粒径区间为(0～50]、(50～100]、(100～200]、(200～300]、(300～400]、(400～500]、(500～600]、(600～700]、(700～800]μm。

在一些实例中，所述搅拌速度为150rpm、250rpm、350rpm、450rpm、600rpm、800rpm。

在一些实例中，所述壁材选自脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛。

在一些实例中，所述芯材为环氧树脂、双环戊二烯、硅酸钠、聚硫醇；优选为E-51环氧树脂、双环戊二烯。

在一些实例中，在目标级配微胶囊的制备过程中，搅拌前加入适量壁材预聚体固化剂。

在一些实例中，所述壁材为脲醛树脂，所述固化剂为间苯二酚。

在一些实例中，所述芯材为E-51环氧树脂。

在一些实例中，反应制备微胶囊的初始pH为2～3。

在一些实例中，所述后处理包括洗涤、干燥。

本发明的有益效果是：

本发明的一些实例，可以一次制备得到任意级配的微胶囊。

本发明的一些实例，制备得到的微胶囊级配可以更好地满足不同结构基体内部孔隙修复的需要。

附图说明

图1是本发明一些实例制备得到的微胶囊的SEM图；

图2是本发明一些实例制备得到的微胶囊光学显微镜照片。

具体实施方式

一种制备任意级配微胶囊的方法，包括如下步骤：

5)搅拌完毕后，后处理得到目标级配微胶囊。

可以根据实际需要，对粒径区间划分对应的区间。在一些实例中，微胶囊粒径区间为(0～50]、(50～100]、(100～200]、(200～300]、(300～400]、(400～500]、(500～600]、(600～700]、(700～800]μm。当成，上述区间也可以根据需要合并或进一步划分为其他互不重叠的区间。

可以根据实际需要，确定不同的转速。不同的转速优选连续调节，以避免剪切力突变影响结果。在一些实例中，所述搅拌速度为150rpm、250rpm、350rpm、450rpm、600rpm、800rpm。

壁材可以根据实际的需要进行选择。在一些实例中，所述壁材选自脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛等本领域常用的壁材。

芯材可以根据实际的需要进行选择。在一些实例中，所述芯材为环氧树脂、双环戊二烯、硅酸钠、聚硫醇；优选为E-51环氧树脂、双环戊二烯等常见的芯材。

在一些实例中，在目标级配微胶囊的制备过程中，搅拌前加入适量壁材预聚体固化剂。通过加入固化剂可以使微胶囊的结构可以更快稳定。

在一些实例中，所述芯材为E-51环氧树脂。

为便于更好地包裹芯材，可以根据已有技术或通过预实验确定初始的pH。在一些实例中，反应制备微胶囊的初始pH为2～3。

在一些实例中，所述后处理包括洗涤、干燥等常规处理工艺。

下面结合实例，进一步说明本发明的技术方案。

一种可应用于结构内部裂缝修补脲醛树脂微胶囊，主要材料为尿素和37％甲醛为微胶囊壁材原料，其中n(尿素):n(甲醛)＝1:2，E-51环氧树脂为芯材，3％-5％乳化剂(参照芯材质量)，56％-60％去离子水。其他材料：乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯醇，其中m(十二烷)：m(聚乙烯醇)＝2:1，其中碱性pH调节剂为三乙醇胺，酸性pH调节剂为氯化铵。壁材固化剂为间苯二酚。

不同搅拌速度对粒径分布影响的确定：

1)将尿素和质量分数为37％的甲醛溶液加入到500mL三口瓶中，待尿素全部溶解后，用三乙醇胺调节溶液pH＝8.0-9.0后，在60℃-70℃恒温水浴下用400-450r/min的转速回流搅拌1h，得到透明粘稠脲醛树脂预聚体；

2)称取质量为芯材质量的1.5％的乳化剂，称取的环氧树脂E-51、去离子水、聚乙烯醇和十二烷基苯磺酸钠(环氧树脂与去离子水按质量比为2：3混合，取0.5％的聚乙烯醇与1％的十二烷基本磺酸钠作为乳化剂)，加入去离子水80g-120g，在高速分散均质机上以800r/min的速度分散30min，形成O/W型乳化液，乳化过程中加入1～2滴正辛醇，此处正辛醇为消泡剂；

3)将预聚体与芯材乳液混合，充分搅拌使其溶解于乳液的分散介质水中，分批加入催化剂NH₄Cl，缓慢调节溶液pH值为3.0-4.0，并再加入适量去离子水，以溶液不粘稠为宜，搅拌速度150、250、350、450、600和800rpm，65-70℃下恒温反应3h，反应完毕用2％碳酸钠溶液调节溶液pH值为7.0，自然冷却至室温，即得微胶囊溶液；

4)将微胶囊溶液洗涤、过滤，最后干燥，得到微胶囊。

将利用激光粒度仪进一步统计其微胶囊在每一个转速下在不同粒径区间所占比例，结果如表1所示。

表1、不同转速下微胶囊粒径在不同区间所占比重

将以上的粒径范围划分为6个区间,分别为0-50、50-100、100-200、200-300、300-400、400-500和＞500μm，x_i为对应每一个转速，例x₁对应150rpm在三个小时之内所工作时间比例，x₂对应250rpm，以此类推。若想得到每一个粒径区间分别为yi，yi为每个粒径区间所想的得到比重，则需要建立以下6个方程式：

7x₁+0x₂+2x₃+17x₄+19x₅+43x₆＝y₁ (1)

12x₁+11x₂+8x₃+17x₄+57x₅+49x₆＝y₂ (2)

20x₁+42x₂+33x₃+22x₄+23x₅+8x₆＝y₃ (3)

26x₁+28x₂+31x₃+22x₄+1x₅+0x₆＝y₄ (4)

18x₁+11x₂+16x₃+12x₄+0x₅+0x₆＝y₅ (5)

17x₁+8x₂+11x₃+10x₄+0x₅+0x₆＝y₆ (6)

解除未知数x_i，x_i在微胶囊合成的三小时内所占的比重，则为每一个转速所对应的工作时间,则就可以制备任意级配的微胶囊，每一个转速所对应的的时间为T_i＝x_i×3。

在制备微胶胶囊的过程中需要在囊壁包裹囊芯的时候，也就是酸性反应阶段的时候，需要缓慢的将pH降低到3左右，这个阶段的酸化过程需要持续1.5h到2h左右，其中水温也需要缓慢的加热到70℃左右，之后加入间二苯酚固化剂，在70℃水温继续固化微胶囊囊壁一个小时。得到的微胶囊才会很稳定，不易破碎。

由于微胶囊在某一制备体系下和某一转速下合成的其粒径形态是很稳定的，所以依然可以通过激光粒度分析仪测出每一种转速下合成的微胶囊粒径在每一个区间加权比重系数k_ij，联合所需要得到的每一区间比重y_i，则可以建立以下方程式：

通过解出(7)，也可以得到所需任意级配微胶囊，其中i代表转速个数，j代表粒径区间个数。

实施例1

1)将20g尿素和13.5g质量分数为37％的甲醛溶液，n(尿素):n(甲醛)＝1:2加入到500mL三口瓶中，待尿素全部溶解后，用三乙醇胺调节溶液pH＝9后，在70℃恒温水浴下用450r/min的转速回流搅拌1h，得到透明粘稠脲醛树脂预聚体；

2)称取28g的环氧树脂E-51、去离子水、(环氧树脂与去离子水按质量比为2：3混合，称取质量为芯材质量的3％的乳化剂，(1/3聚乙烯醇与2/3的十二烷基本磺酸钠作为乳化剂)，加入去离子水135g，在高速分散均质机上以800r/min的速度分散30min，形成O/W型乳化液，乳化过程中加入1-2滴正辛醇，此处正辛醇为消泡剂；

3)将脲醛树脂预聚体与芯材乳液混合，充分搅拌使其溶解于乳液的分散介质水中，分批加入催化剂NH4Cl，缓慢调节溶液pH值为3.0，并再加入适量去离子水，以溶液不粘稠为宜，加入1g左右固化剂间苯二酚，设置150、250、350、450、600和800rpm搅拌速度分别工作T1、T2、T3、T4、T5和T6，在70℃下恒温反应3h；

4)最后，用2％碳酸钠溶液调节pH值为7.0，自然冷却至室温，即得微胶囊溶液，溶液经静置后分为两层，上层为水相层，下层为微胶囊沉积物，将该溶液用去离子水清洗3～4遍并抽滤，于空气中干燥，即得微胶囊粉末产品。

图1和图2分别是制备得到的微胶囊SEM图和光学显微镜照片，从图中可以看出不同粒径的微胶囊均具有很好的包裹效果。

检测结果显示微胶囊的实际粒径分布与计算结果具有优异的符合性，两者的结果基本保持一致，偏差在5％以内。

Claims

1.一种制备任意级配微胶囊的方法，包括如下步骤：

5)搅拌完毕后，后处理得到目标级配微胶囊。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据所需级配确定所述反应液在不同转速下搅拌时间的计算方法如下：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微胶囊粒径区间为（0～50］、（50～100］、（100～200］、（200～300］、（300～400］、（400～500］、（500～600］、（600～700］、（700～800］μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述搅拌速度为150rpm、250rpm、350rpm、450rpm、600rpm、800rpm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：所述壁材选自脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述芯材为环氧树脂、双环戊二烯、硅酸钠、聚硫醇。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在目标级配微胶囊的制备过程中，搅拌前加入适量壁材预聚体固化剂。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述壁材为脲醛树脂，所述固化剂为间苯二酚。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述芯材为E-51环氧树脂。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：反应制备微胶囊的初始pH为2～3。

11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述芯材为E-51环氧树脂或双环戊二烯。