NaCl-EC微膠囊的制備及緩釋性能研究*

宋乃建，楊 品

（渭南師范學院 化學與生命科學學院，陜西 渭南 714000）

（College of Chemistry and Life Sciences,Weinan Normal University,Weinan 714000，China）

科研與開發

NaCl-EC微膠囊的制備及緩釋性能研究*

宋乃建，楊 品

（渭南師范學院 化學與生命科學學院，陜西 渭南 714000）

以乙基纖維素（EC）為壁材，NaCl為芯材，聚乙烯（PE）為添加劑，采用油相分離法制備了NaCl-EC微膠囊。最佳條件為：選用乙基含量為48%～49.5%，黏度為200cP的EC，濃度為2.4%，NaCl與EC的用量比為1∶5，PE用量為0.45%，攪拌速率為450r·min-1，采用水浴緩慢降溫方式。篩選出最佳工藝條件下制備的粒徑在80～120目的微膠囊，研究了其在25℃下的釋放性能。囊芯釋放百分率以2.03%～56.47%之間，按零級動力學方程進行，64h后累計釋放量為70.45%。

EC；水溶性芯材；油相分離法；微膠囊；緩釋

（College of Chemistry and Life Sciences,Weinan Normal University,Weinan 714000，China）

Abstract:Sodium chloride （NaCl）-ethyl cellulose （EC） microcapsules were prepared by the oil-phase separatingmethod with EC aswallmaterial,NaCl as corematerial and polyethylene（PE）as additives.The optimal conditions were as follows:the EC,with the ethyl content of 48%~59.5%and viscosity of 200cP,was chosen and prepared with the consistency of 2.4%;the ratio of NaCl to EC was 1∶5;the dosage of PE was 0.45%;the stirring speed was 450r·min-1;and water bath was used for slow cooling.The microcapsules,prepared at the optimal process conditionswith the diameter of passing through 80~120 mesh sieve were picked out for the research of the performance of sustained-release at 25℃of themselves.Itwas indicated that the zero order kinetics equation was followed by the releasing process of capsules core with the releasing percentage of 2.03%~56.47%,and 70.45%were released in 64h.

Key words:ethyl cellulose；waterborne cores；oil phase isolationmethod；microcapsule；sustained-release

微膠囊是指把固體、液體或氣體包埋在一個微小的、密封的囊中作為芯材，在特定條件下，以可控的方式釋放出芯材的科學技術。微膠囊技術的研發與應用開始于二十世紀30年代、50年代美國NationalCash Regiser公司利用這一技術研制出了無碳復寫紙，并首先實現產業化。由于微膠囊具有保護物質免受環境影響、掩蓋不良味道、改變物質狀態、降低毒性、控釋緩釋等獨特的性能，因此，人們對其研究越來越多，近些年來，微膠囊技術得到了迅速的發展，已被廣泛應用于造紙、紡織、涂料、醫藥、食品、化妝品及農牧業等[1]眾多領域。目前，國內油溶性芯材微膠囊化的技術比較成熟，而水溶性芯材的研究相對較少，只有少數產品實現了產業化，如FeSO4、阿斯巴甜、檸檬酸等[2]。

制備微膠囊的技術很多，需要根據材料性質、粒徑要求、釋放模式、應用范圍等因素進行選擇和組合，對于水溶性芯材的包裹，常用方法有原位聚合法，油相分離法、噴霧干燥法和噴霧凍凝法等[3]。EC是一種半合成的高分子材料，是纖維素的衍生物，也是水溶性芯材常用包膜材料，它具有良好的成膜性，不溶于水，化學穩定性好，耐冷、熱、強堿、烯酸，力學強度高，制成的膜透明、有彈性、無毒、且具有生物降解性。因此，本文以EC作為壁材，采用油相分離法，研究NaCl-EC微膠囊的制備工藝條件，并探究NaCl-EC微膠囊的囊心釋放過程和緩釋效果。

1 實驗與測定

1.1 藥品及儀器

NaCl（天津市盛奧化學試劑有限公司）、EC（國藥集團化學試劑有限公司）、PE（河北振恒護欄粉末涂料有限公司）、環己烷（廣東光華科技股份有限公司）、AgNO3（上海申博化工有限公司）、K2CrO4（天津市富宇精細化工有限公司）、蒸餾水等，均為分析純。

AUY-220型電子天平、PF-101型恒溫水浴鍋、JJ-1型精密增力電動攪拌器、SHZ-D（III）循環水式真空泵、WGL-230B電熱鼓風干燥箱、SXL-1016型程控箱式電爐、PM6000型光學顯微鏡、Quanta-200型掃描電子顯微鏡、DDS-11A型電導率儀、DJS-1C電導電極、篩子（80和120目）等。

1.2 實驗原理及過程

1.2.1 實驗原理 本實驗采用的油相分離法原理，是基于溫度引發相分離和聚合物引發相分離相結合的方法。EC高溫時溶解于環己烷中，溫度降低，溶解度下降，常溫下幾乎不溶于環己烷，產生凝聚相，發生相分離，使EC在NaCl表面凝聚沉積。PE為引發相分離的聚合物，溶解在環己烷，對EC起非溶劑作用，依據高聚物提純原理，來促進壁材聚合物的相分離，將NaCl包裹成微膠囊。

1.2.2 實驗過程

圖1 NaCl-EC微膠囊制備工藝流程Fig.1 Technological process of NaCl-ECmicrocapsule preparation

將EC、PE以及50mL的環己烷混合于三口燒瓶中，固定好反應裝置，開啟電動攪拌機，將EC-PE-環己烷組成的混合體系在恒溫水浴中加熱至80℃回流，使EC和PE完全溶解。向混合均勻的體系中加入研磨了20min的NaCl6g，控制攪拌速率，繼續攪拌回流30min，使芯材的微細顆粒均勻的分散于該體系溶液中，然后于水浴中緩慢降溫，使EC的溶解度下降，逐漸在NaCl表面凝聚析出，從而形成了NaCl-EC微膠囊。冷卻至室溫使膠囊固化，減壓抽濾并用環己烷清洗3次，在40℃干燥箱中干燥，樣品備用。

1.3 測定方法

同時進一步完善外匯儲備體系，積極落實藏匯于民的核心思想。優化外匯儲備制度，由商業銀行、企業以及個人共同承擔匯率風險。從進一步緩解人民幣對外升值的壓力

1.3.1 NaCl-EC微膠囊包覆率測定 準確稱取1.2g樣品，用蒸餾水沖洗數次后干燥。設置電爐參數，在800℃下灰化1h，然后向灰分中加入20mL的蒸餾水，攪拌使NaCl完全溶解，過濾，濾渣反復清洗，濾液定容于100mL的容量瓶，準確移取10mL，用AgNO3標液滴定Cl-，得到實際包裹的NaCl的量。

1.3.2 NaCl-EC微膠囊形態結構表征 借助顯微鏡和SEM對微膠囊粒徑大小，包覆情況與外觀結構進行觀測與比較。

1.3.3 電導率法測定微膠囊的釋放速率 將最佳工藝下制備的微膠囊用水沖洗數次，洗凈表面殘留的NaCl，干燥后準確稱取2.4g，倒入恒溫杯，再向杯中移入200mL的蒸餾水，電磁攪拌，在25℃下記錄不同時間時溶液的電導率值，求出NaCl的釋放百分比，繪制釋放曲線圖。

2 結果與討論

2.1 EC粘度和用量的確定

EC是非離子型的纖維素醚，纖維素分子的失水葡萄糖基上的氫原子被乙基取代數不同，其軟化點和溶解度也不同，本實驗選用乙氧基含量為48%～49.5%的EC。油相分離法產生的凝聚相，必須具備液體的性質，能夠穩定地在芯材周圍環繞流動[4]，其表面張力應小于芯材的表面張力，以便完全將其吞沒。實驗研究表明隨著EC黏度的增大，其表面張力也不斷增大，當黏度過大時，EC不易在NaCl表面完全潤濕，而發生自身的黏連，使NaCl微膠囊的包覆效果變差。通過對黏度分別為 20～30、50、100、200和220cP的EC進行試驗和對比，以200cP為宜，得到的NaCl微膠囊分散性好，裸露少、形狀均勻。

確定其它條件不變，將不同量的EC溶解于環己烷中，形成濃度不同的混合體系，制備了包覆率不同的微膠囊，實驗結果見表1。

表1 EC用量和包覆率的關系T ab.1 Relationship of EC dosage and coating rate

2.2 PE用量的確定

PE作為制備NaCl-EC微膠囊的重要相凝聚促進劑，促使微膠囊的形成，同時對微膠囊的粒徑分布、緩釋與屏蔽作用的效果有顯著的影響。該聚合物的相對分子質量不宜過大，在9000～10000最為合適[5]，此外，對相凝聚促進劑規格和用量有嚴格的要求，范國梁等[6]對十幾種不同規格和密度的PE進行了研究，發現它們的溶解性能及分散效果差異明顯，種類與用量選擇不當會出現晶核包裹不好或微膠囊聚集為大團粒的極端情況。本實驗使用低密度高壓聚乙烯，試驗了不同濃度下微膠囊的包覆情況，結果見圖2。

圖2 PE用量和包覆率的關系Fig.2 Relationship of PE dosage and coating rate

由圖2可知，PE用量增加，微膠囊的包覆率提高，但用量過大時，體系黏度增大，出現EC及微膠囊自身粘結現象，反而使包覆率下降，NaCl的突顯性增強。因此，選擇PE的用量為0.45%。

2.3 攪拌速率的確定

在微膠囊的制備過程中，攪拌速率影響著體系的均勻化程度，NaCl的分散效果，進而影響微膠囊的粒徑大小，形狀結構，包覆效果等，因此，實驗需要確定有效的攪拌速率。通過SEM，對不同攪拌速率下的微膠囊進行觀察，結果見圖3的a～c所示。

圖3 不同攪拌速率下的SEM圖Fig.3 SEM under different sturring rate

實驗得到：攪拌速率增加，混合物體系變得更加的均勻，有利于達到過飽和狀態析出的EC快速、均勻的沉積在NaCl的表面，速率達到一定的程度時，還能防止芯材、壁材、以及膠囊之間的相互粘結凝聚。450r·min-1時形成的微膠囊粒徑小、形狀均勻，分散性好，包覆完全，芯材的突顯性小，速度過高則不會有更多的影響，反而造成能源的浪費，所以攪拌速率450r·min-1為宜。

2.4 溫度的確定

NaCl的微膠囊化，是根據EC的溶解度和溫度的密切關系實現的。降溫的過程，即EC析出沉積在NaCl表面形成膜的過程，所以降溫的速度顯著影響NaCl微膠囊化的過程。多次試驗表明，若環己烷溶液的混合體系溫度下降過快，EC的析出速度快，會在NaCl表面迅速沉積，形成的膜不均勻，包裹不完全，而且容易造成EC自身的團聚，形成空心的微膠囊。相反，若體系降溫的速度緩慢，EC的析出速度慢，能夠緩慢均勻的沉積在NaCl表面，NaCl裸露少，突顯性小。因此，試驗時將混合體于水浴中，使其自然緩慢降至室溫。

2.5 NaCl微膠囊的釋放性能研究

微膠囊浸入水中，會發生這樣的過程：環境中的水透過微膠囊的壁材進入到微膠囊核心中；核心中的囊心溶解形成水溶液；溶解的囊心水溶液由膠囊內高濃度區擴散到囊外不含或含很少囊心的水相中，發生滲透擴散。水進入微膠囊和NaCl溶解到水中的過程都是很快的，對囊心釋放速率的影響不大，而第3步囊心向外擴散的速率決定了囊心的緩釋速率，這一步為速率控制步驟。

對最佳工藝條件下制備的NaCl-EC微膠囊過篩，篩選出粒徑處于80～120目之間的樣品，于25℃下測定不同時間時的電導率值，在前8h，每隔1h測定一次，8h后，每隔8h測定一次，繪制累計釋放曲線，如圖4中的a、b所示。

圖4 NaCl-EC微膠囊累計釋放曲線圖Fig.4 Accumulated releasing curve of NaCl-ECmicrocapsule

由圖4（a）的累計釋放曲線可將此微膠囊的緩釋分為以下3個階段：第一階段，延遲釋放階段。此階段的釋放量很小，幾乎不向外釋放，發現1h后僅釋放了0.13%，但此過程相對時間很短，2h以后釋放量隨時間變化基本穩定；第二階段，零級釋放階段，也為穩定釋放階段，即相同時間段內累計釋放量基本相同。根據物理化學動力學理論，若一個反應過程的速率與反應物濃度的零次方成比例，即和反應物濃度無關，則此過程為零級反應。由圖4（b）可知，釋放時間處于3～40h之間（或釋放量在2.03%～56.47%之間）時，釋放百分比和時間成線性關系，和囊心濃度無關，囊心溶液濃度保持固定的飽和溶液濃度狀態，因此，此階段為零級釋放過程，釋放速率方程式可表示為d q/d t=k，k為直線的斜率；第三階段，后期釋放階段。自40h以后，累計釋放百分比增加速度減慢，這是因為微膠囊囊心中的NaCl固體開始全部溶解，濃度不再保持飽和溶液濃度，濃度梯度開始下降，囊壁內外的濃度差減小，擴散的推動力減弱，從而釋放速度減慢，當囊壁內外濃度的濃度差相等時，釋放結束。

3 結論

采用油相分離法使NaCl微膠囊化的方法是可行的，最佳工藝條件為：EC的黏度為200cP，用量為2.4%，EC和NaCl的質量比為1∶5，PE的用量為0.45%，攪拌速率為450r·min-1，緩慢降溫固化，采用該工藝條件制備的微膠囊包覆率好，結構大小較為均勻，NaCl的突顯性小。對此工藝下的微膠囊進行緩釋研究發現，囊心釋放百分率以2.03%～56.47%之間按零級動力學方程進行，64h以后的累計釋放量為70.45%，證明微膠囊化使NaCl在一定的時間內起到了緩釋作用。但是在實驗的過程中，發現此方法也存在許多的不足之處，比如油相分離法屬于物理化學法，制備出的微膠囊粒徑較大，過程難以控制；使用的溶劑有毒；壁材不耐紫外線，易被氧化等。因此，針對實驗存在的這些缺點，要實現NaCl包裹的產業化，以后還需要在選材與方法上作進一步的優化和改進研究。

［1］梁治齊.微膠囊技術及其應用［M］.北京:中國輕工業出版社,1999.168-361.

［2］郭穎,許時嬰.碳酸氫鈉的微膠囊化［J］.無錫輕工大學學報,2001,20（6）:612-614.

［3］程正偉,包宗宏.固體芯材微膠囊制備技術研究進展［J］.高分子通報,2010,23（4）:55-61.

［4］宋健,陳磊,李效軍.微膠囊化技術及應用［M］.北京:化學工業出版社,2001.171.

［5］井樂剛,趙新淮.維生素C微膠囊的制備及應用的研究進展［J］.化工進展,2006,25（11）:1256-1260.

［6］范國梁,渠榮遴,周維義,等.水溶性維生素微囊包裹研究［J］.天津大學學報,1996,29（4）:592-597.

Study on preparation and sustained-release of sodium chloride-ethyl cellulosem icrocapsules*

SONG Nai-jian，YANG Pin

O636.11

A

1002-1124（2012）07-0011-04

2012-05-18

渭南師范學院研究生項目（09YKZ013）

宋乃建（1979-），男，河南商丘人，碩士研究生，講師，研究方向：化工生產及過程控制。