微膠囊的制備與應(yīng)用

微膠囊的制備與應(yīng)用

微膠袋用于紡織印花技術(shù)的核心是將染料作為芯材制成微膠袋。染色時直接將染料微膠囊投入染浴,利用纖維、染浴和膠囊中染料的濃度差,使染料不斷釋放、吸附和上染纖維,實現(xiàn)無助劑染色。利用微膠囊隔離和緩釋的作用,不僅染色均勻性能得以較好的保證,還可以達到染料的“零”排放和纖維的免水洗等目的,實現(xiàn)清潔生產(chǎn),廣受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。1微膠囊的主要功能和技術(shù)應(yīng)用微膠囊具有改善和提高物質(zhì)外觀及其性質(zhì)的能力,微膠囊化成為許多工業(yè)領(lǐng)域中的一種有效的商品化方法,具體功能主要分為幾個方面。1.1微膠囊的固體特征將液態(tài)物質(zhì)或氣態(tài)物質(zhì)微膠囊化后,可以改變物質(zhì)的狀態(tài),得到微細的粉狀物質(zhì),在外形及使用上具有固體特征,但其內(nèi)部仍然是液體或氣體,仍具有原來液體或氣體的性質(zhì);可以改變物質(zhì)的質(zhì)量和體積,物質(zhì)的表觀密度經(jīng)微膠囊化后可以變小,也可制成含有空氣或空心的微膠囊而使體積增大;可以改變物質(zhì)對所處介質(zhì)的親和性,改變物質(zhì)的性能,常用的方法是將疏水性藥物用親水性壁材微膠囊化,使其變得親水。1.2切釋放方式在人為控制的條件下,微膠囊中活性組分的釋放可采用立即釋放、延時釋放等各種釋放方式;將一些藥物或活性物質(zhì)制成微膠囊后緩釋,不但方便口服或注射,更重要的是能使藥物緩慢釋放,使藥效持久,從而減少服用次數(shù)和服用量,減少生理副作用。1.3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)囊壁可以將囊內(nèi)外物質(zhì)隔離,阻止活性物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在醫(yī)藥中,可將藥物與其他敏感物質(zhì)隔離,如紅霉素遇酸易變質(zhì),微膠囊化后可在一定時間內(nèi)避免與胃液接觸,從而使其保持活性。1.4減少光熱敏性易揮發(fā)、易氧化、光敏性和熱敏性的物質(zhì)經(jīng)微膠囊化后可避免直接與光、熱或空氣接觸,抑制其揮發(fā)、氧化,降低光(熱)敏性。有些物質(zhì)很容易受氧氣、溫度、水分、紫外線等環(huán)境因素的影響,通過微囊化使囊心物與外界環(huán)境相隔離。在食品、化妝品和洗滌劑行業(yè)中經(jīng)常將香料、香精微膠囊化,以降低其揮發(fā)性,保持長久散發(fā)香氣。1.5氨節(jié)激素類化療劑硫酸亞鐵、阿司匹林等藥物包囊后可以通過控制向消化系統(tǒng)的釋放速度來減輕腸胃副作用。長期服用氨節(jié)青霉素對人體有嚴重的副作用,微膠囊化可彌補這一缺陷;抗癌藥物化療劑一般用甲基乙二醛,但對人體毒性大,微膠囊化后可迅速從體內(nèi)排出,降低副作用。對于制藥工業(yè)來說,可采用微膠囊技術(shù)來制造靶制劑,達到定向釋放的效果1.6微膠囊化可以取代其味味微膠囊化可以用于掩飾某些化合物令人不愉快的味道?？股鼗前奉愃幬锟辔短?微膠囊化可掩蓋其苦味。氨基酸有維持機體生長發(fā)育的氨平衡功能,能治療肝病及乙基砷、苯中毒,但其奇特的臭味使人難以接受,微膠囊化后,就可掩蓋其臭味。將有色澤和氣味的中草藥液微膠囊化后,可以掩蔽服用時的不良味道。1.7微膠囊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛微膠囊化后可隔離各種成分,阻止活性成分之間的反應(yīng),可將2者一起保存。當(dāng)微膠囊破碎以后,2者就能進行反應(yīng),可以達到某些特殊的目的。對物質(zhì)進行微膠囊化,不僅可改善物質(zhì)的使用性能,還可提高物質(zhì)的使用率,獲得常規(guī)工藝不能達到的特殊效果。因此,微膠囊技術(shù)被廣泛用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化工和紡織等工業(yè)中。微膠囊其實質(zhì)是固體、液體或氣體的微小包裹體,加工或使用過程中,在外部壓力、摩擦力、pH、酶、溫度、光等刺激下,微膠囊破裂或者通過微膠囊壁產(chǎn)生擴散作用,使包裹內(nèi)的物質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中以供使用。微膠囊技術(shù)為紡織品的染色、印花、化學(xué)后整理開拓了廣闊的發(fā)展空間。尤其是微膠囊化染料,不僅可以制造出色彩斑斕的紡織品,解決染色上的泳移現(xiàn)象,更為重要的是,采用微膠囊技術(shù)可以有效地解決紡織印染中存在的一些問題,如降低成本、提高染料利用率,有利于廢水凈化和實現(xiàn)無助劑免水洗染色2分散染料沉淀過濾整理工藝分散染料是一種疏水性強、水溶性小的非離子型染料,主要用于滌綸和滌棉織物的印染加工。為使分散染料均勻地分散于染色介質(zhì)中,其制備和使用過程中常需借助多種助劑。表面活性劑的存在使大量染料滯留在染色設(shè)備內(nèi)壁、纖維表面和染色廢水中,導(dǎo)致染色廢水的色度、COD、BOD和堿度偏高,增加了染色廢水的處理難度。采用微膠囊分散染料對滌綸纖維進行染色無需另加助劑。微膠囊的壁可看作一種半透膜,在染色條件下,水的表面張力很低,易滲透進入微膠囊內(nèi),溶解其中的分散染料。在擴散推動力的作用下,溶解的分散染料分子穿過膠囊壁向外擴散進入染浴。單分子的分散染料在滌綸纖維表面吸附并向纖維內(nèi)部擴散完成染著。由于分散染料的溶解度很小,染浴中染料濃度極低,而勻染性良好。同時,染色體系中不含表面活性劑,不存在增溶作用,染色結(jié)束后,織物表面的浮色量遠遠小于傳統(tǒng)染色體系,不需還原清洗和皂洗,既環(huán)保又節(jié)能節(jié)水。經(jīng)沉淀過濾后,染色殘液的色度、COD、BOD均能達到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn),且染色廢水可無條件回用于染色、前處理及后整理工序,對節(jié)約水資源、保護人類生態(tài)環(huán)境、促進紡織行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。分散染料微膠囊染色可采用常規(guī)染色設(shè)備,無需染色助劑,染色后免水洗,是一項無污染的清潔生產(chǎn)新技術(shù)。此外,該染色方法勻染性佳,且由于具有隔離性能,可有效防止染料對非織造布的沾污,不會產(chǎn)生色斑,染色后通過沉淀或過濾使微膠囊與被染物分離。分散染料微膠囊具有耐高溫特性、一定的機械強度以及隔離和緩釋性能。20世紀(jì)70年代,日本Matsui公司發(fā)表了分散染料最適合微膠囊化的觀點,已開發(fā)出微膠囊染料并應(yīng)用于滌綸、腈綸、尼龍和羊毛等纖維的染色。傳統(tǒng)染色加工用水量大,近年來,許多研究者都在開發(fā)非水系染色。微膠囊染色是非水系染色的一種新型工藝,是將染料制成微膠囊后,通過染料升華而發(fā)生氣相轉(zhuǎn)移和固著。例如,可通過制成磁性染料微膠囊,在磁力場作用下使微膠囊先吸附到纖維表面,然后通過加熱升華,使染料上染并固著纖維,殘留的微膠囊囊壁和其他組分則通過物理方法從纖維上脫落。在整個染色過程中無需用水,真正實現(xiàn)無水染色。這種微膠囊主要是用丙烯酸類樹脂作壁材,易升華的染料和強磁性粉末作芯材,用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ稚ⅰ⒕酆隙瞥伞?.1染色滌綸織物色度首先,半制品進缸,微膠囊分散染料用水?dāng)噭蚝蟮谷胼o助裝置,添加少量冰醋酸,接著按傳統(tǒng)染色工藝升溫開始染色,升溫至130℃保溫30min,關(guān)閉輔助裝置通路,繼續(xù)保溫運行20min,冷卻后出缸。經(jīng)測試,染色滌綸織物色澤均勻,主要染色牢度均達到或優(yōu)于常規(guī)工藝。染色廢水(高溫時取)有輕微色度,冷卻后色度明顯降低,靜置12h經(jīng)過濾后,目測呈無色。染色廢水經(jīng)適當(dāng)處理可全部回用。同時,新染色工藝又省去了還原清洗、皂洗、熱水洗和冷水洗幾個后處理工序,可節(jié)約大量的染色后處理用水。此項工藝的基本原理是利用微膠囊優(yōu)良的緩釋功能與分散染料極小的溶解度組成染料供應(yīng)源,使溶解成單分子狀態(tài)的染料在滌綸纖維表面吸附,擴散和染著,從而實現(xiàn)均勻染色,表面的浮色極少,不必還原清洗、皂洗和水洗,與傳統(tǒng)染色需后處理形成鮮明的對比。2.2微膠囊化分散染料的發(fā)展染色無需添置專用設(shè)備;洗滌、染色廢水簡單處理后可回用;從源頭控制污染的產(chǎn)生,大大降低治污的難度和成本。分散染料微膠囊對滌綸無助劑免水洗的技術(shù)應(yīng)用為實現(xiàn)染整行業(yè)清潔生產(chǎn)開辟了一條新途徑,屬于國內(nèi)外首創(chuàng)。從環(huán)境友好的角度來看,分散染料微膠囊技術(shù)給紡織行業(yè)帶來了福音。但微膠囊化分散染料作為一種新型系列染料,在大規(guī)模生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)染料的應(yīng)用技術(shù)需要系統(tǒng)化理論的支撐、大量的試驗數(shù)據(jù)積累、染料微膠囊產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化等。因此,這項技術(shù)投入到大規(guī)模的印染生產(chǎn)中應(yīng)用還有大量的工作需要去完成。3微膠囊同浴染色微膠囊技術(shù)在非織造布中的應(yīng)用主要是利用了它的3個性能:(1)隔離性能。一些具有光敏、熱敏或生物性的材料制成芯材包埋后,在需要釋放的時候,利用光、熱、壓力及生物作用等手段破壞壁材,即可釋放出芯材;(2)緩釋性能。芯材通過囊壁逐步滲透揮發(fā),延長了作用時間;(3)發(fā)泡性能。微膠囊處于一定溫度時,芯材溶劑氣化,壁材被膨脹,便可達到發(fā)泡的目的,這種性質(zhì)主要應(yīng)用于發(fā)泡印花以及隔音非織造布。近年來,許多從業(yè)人員都在研究、開發(fā)非水系染色,而染料微膠囊是有效的途徑之一。一些染料經(jīng)微膠囊化后,由于微膠囊殼的阻隔作用,可使原來不能同浴的染化料進行同浴染色,這樣可以簡化工藝流程,節(jié)能、省時、省工。例如,毛/腈一浴法染色。毛纖維一般采用酸性陰離子染料,腈綸用陽離子染料,一般不能同浴染色,如運用微膠囊技術(shù),把其中一種染料微膠囊化后,就可進行同浴軋染,至蒸化破囊時各自選擇相應(yīng)的纖維分別上染。保險粉和懸浮體還原染料一浴法染色,常規(guī)懸浮體軋染工藝流程:懸浮體軋染→預(yù)烘→烘干→軋還原液→蒸化。染料微膠囊非水系染色有2種方法:(1)用有機溶劑等介質(zhì)代替水制成微膠囊,然后通過一定的加工方法,使微膠囊中的染料轉(zhuǎn)移到纖維或織物上,并上染和固著。(2)不用溶劑,制成染料微膠囊后,通過染料升華,發(fā)生氣相轉(zhuǎn)移和固著。這種微膠囊主要是用丙烯酸類樹脂作壁材,受熱易升華性染料和強磁性粉末作芯材,用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ稚⒕酆隙瞥伞Ｓ捎谶€原工藝條件較難控制,常引起得色不勻,采用微膠囊保險粉能改正這一缺點。用染料微膠囊進行染色加工仍處于試驗階段,尚未大規(guī)模推廣。但作為非水系染色的一種改進工藝,它的前景是廣闊的,既可以減少染色加工中的耗水量,也可以減少染色廢水處理的負擔(dān)。利用磁場作用的染料微膠囊非水系染色法是日本公布的一項專利技術(shù)。使用染料微膠囊的非水系染色法是在氣相染色法、磁力作用染色法及靜電染色法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著印染高能耗及國家環(huán)保和節(jié)能減排相關(guān)法規(guī)的貫切實施,高溫高壓溢流分散染料染色在生產(chǎn)中也在加快改革創(chuàng)新,以生態(tài)觀念開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備,抓住節(jié)能這個主題,注重生產(chǎn)中每個環(huán)節(jié)的生態(tài)問題4微膠囊用于紡織印染的加工4.1抗紫外線纖維微囊紫外線吸收劑能強烈地吸收聚合物敏感的紫外光,并能將能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的熱能形式放出,紫外線吸收劑能有效地吸收波長為290~410nm的紫外線,而很少吸收可見光,它本身具有良好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性,是一類能選擇性地強烈吸收對聚合物有害的紫外線而自身具有高度耐光性的有機化合物。使用紫外線吸收劑處理織物后,不僅使織物具有較強的吸收紫外線的能力,對人體產(chǎn)生良好的保護作用,而且還可提高染料的耐日曬色牢度。但是,有一些紫外線吸收劑對纖維沒有親和力,容易揮發(fā)和被洗去,如將其制成微膠囊后使用,則可大大提高使用的耐久性。將紫外線吸收劑、甲基含氫硅氧烷以及辛酸亞錫溶解在二氯乙烷中后,于室溫慢慢滴入(高速攪拌下)水中,然后升溫至40℃保溫2h.可制得壁材為硅氧烷樹脂、芯材為2-羥基-4-辛氧基二苯酮的三氯乙烷溶液的微膠囊。將上述微膠囊溶液施加于織物后,經(jīng)過軋壓使微膠囊破裂,再經(jīng)烘干和150℃焙烘2min,使紫外線吸收劑擴散進入纖維內(nèi)部即可。4.2化學(xué)消毒法:主要有3個方面以往有3種機理使紡織物具有防毒功能:(1)用不透氣和不透濕的橡膠等高分子化合物加工成涂層織物,毒氣雖然難透過織物,但水氣也不能透過,穿著很不舒適,目前已很少應(yīng)用。(2)利用吸附作用,由含有活性炭的泡沫或無紡布組成,利用活性炭極好的吸附毒氣的性質(zhì)達到防毒的目的。但活性炭吸附毒氣以后存在著解吸的問題,不能破壞毒劑。(3)利用氯酰胺類化合物對化學(xué)毒劑起鈍化作用,但是氯酰胺類化合物處理的織物在潮濕的條件下易水解釋放出次氯酸鹽,會引起嚴重的皮炎,而且這種織物會逐漸失去消毒功能,需要定期加以重新處理。化學(xué)消毒劑制成微膠囊處理織物后,上述缺點都可以克服。化學(xué)法的優(yōu)點在于可以有效地包覆疏水性物質(zhì)或疏水性大單體,且原料多樣,可以制備不同類型的微膠囊,主要包括細乳液聚合、懸浮聚合、原位聚合、界面聚合及乳液聚合等。將反應(yīng)性化學(xué)消毒劑包裹在半滲透聚合物的壁材中做成微膠囊,反應(yīng)性化學(xué)消毒劑是不能滲透和通過壁材薄膜的,若有選擇性地讓有毒化學(xué)用劑透過進入到微膠囊內(nèi),使反應(yīng)性化學(xué)消毒劑在微膠囊內(nèi)部和有毒化學(xué)用劑進行反應(yīng),可以達到消毒的目的。反應(yīng)性化學(xué)消毒劑不僅不會對人體皮膚產(chǎn)生有害的刺激作用,而且還可通過樹脂整理等方法牢固地固著在織物中,不會被熱、濕和光所分解。這種含有化學(xué)消毒劑微膠囊的織物或服裝有廣泛的應(yīng)用前景,特別在軍事和工業(yè)上制成防毒衣,防毒效果好,而且透氣透濕,穿著舒適,織物的消毒功能可長久保持。4.3進微膠囊的方法微膠囊使活化溶劑或反應(yīng)性催化劑與膠粘劑基料隔離。不論是固體還是液體都可用很小的“細微”膠囊包裝。當(dāng)需要粘接時,通過加熱或壓力使微膠囊破裂釋放出包裹的溶劑,立刻產(chǎn)生有粘接性的膠粘劑。除了溶劑之外,少量的增塑劑和增粘劑也可包封在微膠囊里。膠囊是由明膠制成的,能溶于水,但不與溶劑反應(yīng)。熱活化膠粘劑是微膠囊化的另一種形式,將發(fā)泡劑與溶劑一起混入微膠囊中,當(dāng)加熱時發(fā)泡劑蒸發(fā)使微膠囊破裂,釋放出既可是全部的膠粘劑,也可是膠粘劑產(chǎn)生粘性的溶劑。粘合劑的種類很多,而且每種粘合劑都或多或少因某些組分使穩(wěn)定性降低,制成微膠囊后可大大提高穩(wěn)定性和便于使用。4.4漂白劑微膠囊化漂白劑一般都是穩(wěn)定性較差的氧化劑,在漂白的開始階段,由于濃度高、分解速度快,不僅會造成漂白劑的浪費,而且還容易造成漂白織物的過度損傷。在自動水洗機中凈洗織物時也常需加入少量漂白劑,由于漂白劑與干燥的織物一起加到自動水洗機中,漂白劑與織物緊密接觸,當(dāng)機器內(nèi)注入水時,織物局部表面形成高濃度的漂白劑,容易遭到過度的氧化損傷,有時還會出現(xiàn)小的破洞。為了控制漂白劑的釋放,提高它的穩(wěn)定性和利用率,減少織物局部損傷,對漂白劑進行微膠囊化是有效的措施之一。漂白劑微膠囊化的目的是減慢它的釋放速度,而不是完全阻止它的釋放。壁材在水中應(yīng)該會發(fā)生溶脹或逐漸溶解,使漂白劑在漂白或水洗過程中保持最佳速度釋放出來,所以,選擇壁材應(yīng)根據(jù)漂白或水洗條件而定5染浴和染色工藝當(dāng)前,世界各國都存在水資源枯竭問題,節(jié)約用水,減少污水排放具有重要意義。多年來,染色科技工作者圍繞節(jié)水問題做了不少有益的嘗試,如小浴比染色、非水溶劑染色、超臨界二氧化碳染色等。20世紀(jì)90年代,東華大學(xué)一個研究小組利用微膠囊的獨特性能,研究開發(fā)不需助劑的分散染料染色技術(shù),初步形成了一套分散染料對滌綸等合成纖維的無助劑、免水洗染色新工藝。該工藝達到了真正的清潔染色要求,先后有多家染廠協(xié)助試驗,已成功地解決了產(chǎn)業(yè)化中遇到的重大問題,初步完成了中試生產(chǎn)試驗。以傳統(tǒng)的液流式高溫染色機為主體,加裝一個微膠囊萃取機旁路,把所用的微膠囊染料置入該萃取機旁路中,染色時部分染浴通過該旁路,在此與微膠囊顆粒充分混合、接觸,把微膠囊內(nèi)的分散染料溶解出來并輸入染缸與主體染浴混合,進而完成染料對纖維的吸附、上染,這個過程重復(fù)進行約30~60min;達到預(yù)期的染色深度即關(guān)閉該旁路,此時染缸內(nèi)即不再有染料補充,繼續(xù)在染缸中運行織物約5~15min,以使染浴中和纖維表面存留的染料大部分進入纖維以去除浮色;降溫、排液、出布烘干。染浴排入貯存池進一步冷卻、過夜使浴中溶解之染料再沉析,過濾待用;同時,清除旁路中的微膠囊并清洗網(wǎng)芯待用;用過的染料膠囊即作為粉狀固體廢物,或填埋,或焚燒。在染拼色時,把組分染料微膠囊按比例投入旁路混合器中,在那里各組分染料微膠囊借助于水力處于充分混合的狀態(tài),使各組分染料微膠囊都有均等的萃取機會。在新的染色工藝中,因無助劑的存在,纖維表面僅有不超過單分子吸附層的染料,與傳統(tǒng)工藝相比,染色結(jié)束后纖維表面的浮色要少得多,染色后水洗的任務(wù)輕。研究證明,不管染深色還是淺色,染色后只要輕度水洗,就可達到4~5級的色牢度,這就給免除染色后的水洗工序提供了可能。除了涂料染色、涂料印花和熱轉(zhuǎn)移印花,在一切的染色工藝中繁復(fù)的水洗工序總是必不可少的,水洗則是耗水和污水的重點之一,是多年來困擾印染行業(yè)的難題。微膠囊染色技術(shù)提供了免除水洗的可能性,可能是徹底改變?nèi)旧に噷λw造成污染的一個關(guān)鍵性步驟浮色就是僅停留在纖維表面、未進入纖維并與纖維結(jié)合的染料分子。多年來,水洗被當(dāng)作去除浮色、提高色牢度的唯一方法。然而,在染色條件下,若斷絕染料來源,則已經(jīng)吸附在纖維表面,甚至染浴中剩余的單分子染料會繼續(xù)向纖維內(nèi)部轉(zhuǎn)移,因為極性的水環(huán)境是驅(qū)趕系統(tǒng)中染料分子(浮色