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【中心議題】
【解決方案】
微膠囊技術指將固體顆粒、液體微滴或氣體作為膠囊的芯材料,在其外形成一層連續而薄薄的包囊的過程。微膠囊是由囊芯材料和囊壁材料組成的,其中囊芯可以是液體、固體或氣體,囊壁可以是無機材料和有機材料,但最常用的是高分子材料,如水溶性聚合物、油溶性聚合物、熱固型聚合物、熱塑型聚合物、聚脲、聚胺、脲甲醛樹脂、纖維素及其衍生物、聚乙烯醇等。傳統的微膠囊制備方法從原理上大致可分為化學方法、物理方法和物理化學方法3類。
1 化學法
根據微膠囊化時,制備囊壁所用材料的原料不同、聚合方式的不同,可以分為界面聚合法、原位聚合法和交聯聚合法。
1.1 界面聚合法
在界面聚合法制備微膠囊的工藝中,囊壁是通過兩類單體的聚合反應而形成的。參加聚合反應的單體至少是兩種,其中必須存在兩類單體:一類是油溶性的單體;另一類是水溶性的單體。它們分別位于芯材液滴的內部和外部,并在芯材液滴的表面進行反應,形成聚合物薄膜。可以使用的壁材有聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚碳酸酯等。
1.2 原位聚合法
在原位聚合法制備微膠囊的工藝中,并不是把反應性單體分別加到芯材液滴和懸浮介質中,而是單體或引發劑全部加入連續相中,即單體成分及催化劑是全部位于芯材液滴的內部或外部。在整個體系中,單體在單一相中是可溶的,而聚合物是不溶的,所以聚合反應在芯材液滴的表面上發生。在液滴表面上,聚合單體產生相對低分子量的預聚體,當這個預聚體尺寸逐漸增大后,沉淀在芯材的表面,由于交聯及聚合的不斷進行,最終在芯材液滴表面形成固體的膠囊外殼。可以使用的壁材有苯酚-甲醛樹脂、蜜胺-甲醛樹脂、尿素-甲醛樹脂等。P.L.Foris研究了以尿素和甲醛為原料進行原位聚合,得到了一種透明而堅固的微膠囊。B. Comiskey等并將此用于電子墨水微膠囊的制備。
1.3 懸浮聚合法
前面所述的界面聚合法及原位聚合法均是以單體為原料,并經聚合反應形成囊壁的。而懸浮交聯法與上述的兩種方法不同,它是以聚合物為原料,即先將線型聚合物溶解形成溶液,然后,當線型聚合物進行懸浮交聯固化時,聚合物迅速沉淀析出并形成囊壁。如聚乙烯醇、明膠、瓊脂、蠟等。
2 物理化學法
主要是相分離法,其主要特點是通過改變條件使溶解狀態的成膜材料從溶液中聚沉出來,并將囊心包裹形成微膠囊。其中最有代表性的是凝聚相分離技術,即利用改變溫度,或在溶液中加入無機電解質、成膜材料的非溶劑,或創造條件誘發兩種成膜材料間相互結合等方法,使壁材溶液產生相分離。相分離法根據分散介質分為水相分離法和油相分離法。水相分離法又按被相分離出來的聚合物的數量分為復合凝聚法和簡單凝聚法。此外,還有干燥浴法、熔化分散冷凝法等。
3 物理法
物理法是利用物理和機械原理的方法制備微膠囊具有設備簡單、成本低、易于推廣,有利于大規模連續生產等特點。主要有鍋包法、空氣懸浮成膜法、噴霧法、包結絡合法等。B.Comiskey等就是利用噴霧干燥的方法在二氧化鈦的表面獲得了一層聚乙烯膜,來降低二氧化鈦顆粒的密度,使其與分散介質匹配。
用于制備微膠囊的方法很多,對于電子墨水顯示技術,常用的囊心材料是液體,其中以界面聚合法和原位聚合法、相分離法應用最廣。無論采用什么方法都包括兩個相同的步驟,即膜的
形成和膜的固化。膜的形成,首先要把被包封的物料乳化、分散,再以這些細粒(微滴)為核心,使聚合物成膜材料在其上沉積、包覆,即形成微膠囊。固化的方法有化學反應、溶劑萃取或揮發、冷卻等。微膠囊直徑大小由制備過程的攪拌速度、所用乳化分散劑的類型和用量來控制,壁厚可通過皮芯比來控制。為了提高微膠囊的致密性,人們嘗試了制備多層微膠囊。目前存在的主要問題是微膠囊的粒徑分布和囊壁的粘連。
微膠囊技術的關鍵在于選擇滿足一定特性要求的包囊工藝和囊壁材料。評價微膠囊性能的參數有:粒徑分布和囊壁的厚度、機械、擴散、電學和光學性能、與囊心的化學相容性等。此外,囊壁還應該具有低電導、透明、單分散、致密等性能。
微膠囊分散在某種溶劑中(如ultraviolet-curable urethane)即可制得電子墨水。此溶劑主要用來分散和保存微膠囊,一是防止微膠囊之間粘連和團聚,二是可直接用來“打印”電子紙。
電子墨水封裝在透明導電薄膜內并與塑料晶體管薄層驅動電路壓在一起即可實現電子墨水顯示。
