颗粒包覆在药物等活性组分的封装领域具有重要作用^[1-3]。近年来针对高能炸药降感的需求,含能材料的包覆钝化在军事领域中具有很大的应用前景^[4-7]。微球具有高效的包封和释放能力,并且可以通过多种成分调整微球球壳的特性,从而拓宽了其潜在的应用范围。单分散的球形微粒因其易于加工、流动性高和易于装填等优点,受到了来自生物医药、化妆品工业、军事化学品等领域研究者们的广泛关注^[8-10]。传统上,为了将有效组分封装于微球中,通常需要两个过程,使用机械搅拌或喷雾干燥等方法,产生高度可变的剪切力混合制备乳液,然后通过外部或内部交联反应或者相分离形成微球^[11,12]。然而,由这些方法制造的微球在结构和形态上通常是多样化的。因此,这些方法阻碍了微球在后续规模化生产中的应用。

液滴微流控技术^[13-15]克服了这一难题,可以制备具有可控尺寸和结构的单分散乳液或颗粒。同时,通过引发聚合、溶剂蒸发、相变分离等不同的壳固化手段,可以简便地从乳液模板中制造出微球。由于微球核层和壳层的成分选择性较高,这为微球中的组分包覆提供了极好的平台^[14]。但是,用于产生双重乳液甚至是多重乳液模板的微流控芯片制备复杂,调控困难,具有较高的技术壁垒,很难实现高通量生产,且乳液需进一步固化成微球,浪费时间,限制了其工业化发展^[16,17]。乙基纤维素(EC)作为常见的赋形剂,在微乳液滴的相分离过程中发挥重要作用,有助于实现更佳的固化效果。它优异的疏水性使其能够在p-NBA和PS两者之间形成稳定的界面,从而增强它们之间的相容性,并提高微球的稳定性。此外,随着溶剂的挥发,EC会过饱和并结晶析出,形成一种网络骨架。这个骨架为p-NBA的结晶提供了异质位点,有助于在有限的球形物理空间中结晶^[10,18,19],从而有利于提高p-NBA结晶后的球形度和单分散性,进一步增强微球的质量。因此,乙基纤维素可作为本研究的赋形剂。

鉴于此,本研究提出了一种新的策略,基于简单结构的微流控芯片,利用两相流剪切制备出单分散的含有包覆层材料聚苯乙烯(PS)和封装组分对硝基苯甲醛(p-NBA)和乙基纤维素(EC)的匀质微液滴,结合溶剂诱导液-液相分离和溶质析出结晶固化,一步完成具有包覆功能的核壳结构微球的制备。这将为高球形度有效组分的封装提供了一种简便方法。利用该方法成功进行了高能炸药3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的模拟物p-NBA的包覆。此外,该方法还会在药物加工,电子工程以及微球反应器等许多领域得到应用。

• 1.1 试剂与仪器

  对硝基苯甲醛、聚苯乙烯(通用型Ⅱ、M_r=300000～350000)、乙基纤维素、聚乙烯醇(PVA-210),均为分析纯,阿拉丁化学试剂公司; 乙酸乙酯、二氯甲烷,均为分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司; 去离子水为实验室超纯水机自制。

  Eclipse Ti2-U型荧光倒置显微镜,日本Nikon公司; SU5000型扫描电子显微镜,日本日立HITACHI公司; Scientz-10NIA型冷冻干燥机,宁波新芝生物科技有限公司; Dataphysics型视频光学接触角测量仪,德国DATAPHYSICS公司; P-1000型微电极拉制仪,美国Sutter公司; MF-900型玻璃毛细管锻针仪,日本Narishige公司; KS 3000 ic型恒温摇床,德国IKA公司。

• 1.2 模拟物和包覆层的选择

  在含能材料领域,采用性质相近、价廉易得的惰性材料作为含能材料的替代物进行工艺预研是降低安全风险和试验成本的有效手段^[20]。在本研究中选择了与DNTF具有相似理化性质的材料来模拟对含能材料的包覆和钝化过程。与高能炸药DNTF相比,对硝基苯甲醛(p-NBA)也不溶于水,易溶于醋酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂且溶解度相差不大。此外,二者熔点十分接近,并且在常温下都是结晶固体。因此,选择p-NBA作为DNTF的模拟物。聚苯乙烯(PS)与DNTF具有良好的相容性,并且PS还具有良好的化学稳定性。因此,本研究采用PS作为微球的包覆层材料。

• 1.3 核壳结构微球的制备

  将聚乙烯醇(PVA)加入水中,配制为质量分数3%的PVA水溶液,经80℃加热搅拌使其形成澄清透明的溶液,作为连续相。将一定量的PS、p-NBA和EC溶于乙酸乙酯/二氯甲烷(体积比为3:1)的混合溶液中,加热搅拌,直到3种物质完全溶解,形成黄色澄清透明的溶液,用作分散相。进而在玻璃毛细管微流控芯片中利用两相流的剪切生产出微液滴。随后,将生成的微液滴接收在盛有水的玻璃培养皿中,使其发生相分离和结晶固化,最终形成具有包覆功能的核壳结构微球。最后,将微球分离并用去离子水洗涤5次,除去微球上残留的PVA,冷冻干燥后备用。制备具有核壳结构微球的过程如图1所示。

  

  图1 制备具有核壳结构微球的过程
  Fig.1 The process of preparing microspheres with core-shell structure

• 2.1 核壳结构微球的形貌及结构分析

  在核壳结构微球的制备过程中,首先利用玻璃毛细管微流控芯片来调控两相流的流速,在剪切力的作用下成功制备出含有PS、p-NBA和EC的实心微液滴,不同时间条件下微球结构和尺寸的变化如图2所示。

  

  图2 不同时间条件下微球结构和尺寸的变化
  Fig.2 Changes in the structure and size of microspheres at different times

  由图2可知,这些微液滴在水相中接收后,由于乙酸乙酯和二氯甲烷含量少且微溶于水,并随着这两种溶剂的挥发及向水溶液中的扩散,导致液滴中的p-NBA达到过饱和并开始结晶析出。在赋形剂EC的作用下,这些结晶逐渐向液滴内部聚集,最终形成球状聚集体。同时,在相分离的作用下,PS会向液滴表面聚集,最终结晶析出并固化成为外壳,形成以p-NBA为核层、PS为壳层的核壳结构微球。此外,随着结晶固化的进行,微球的直径由132μm左右缩小至92μm左右,实现了对微球尺寸在百微米级别的精确调控。

  为了进一步研究核壳微球的结构和形貌特征,使用扫描电子显微镜(SEM)对这些微球进行了表征,表征结果如图3所示。由图3(a)可知,生成的微球尺寸大小均一。此外,通过观察切割后微球断面的SEM图[图3(b)～(e)],进一步证实了核壳结构的成功形成。对比微球核层与单独结晶的p-NBA的形貌结构[图3(f)],发现它们都呈现出多孔的特征,而PS作为壳层则紧密包覆在外部。这表明所采用的制备方法能够有效地将p-NBA封装在PS壳层微球内部。

  

  图3 核壳结构微球和p-NBA微球的SEM图(a)尺寸均一的微球;(b)～(e)刀片切碎的微球;(f)p-NBA结晶颗粒
  Fig.3 SEM images of core-shell microspheres and p-NBA microspheres(a)uniformly sized microspheres;(b)—(e)blade chopped microspheres;(f)crystalline particles of p-NBA

• 2.2 赋形剂EC对p-NBA结晶成球的影响

  对于相分离和结晶固化制备具有包覆功能的核壳结构微球,微液滴中PS、p-NBA和EC的含量配比是最重要的影响因素。作为DNTF的模拟物,p-NBA在核壳微球中的质量占比越大,爆炸威力越强。但是,在使用纯p-NBA没有赋形剂EC的存在时,p-NBA无法结晶成球,如图4所示。由图4可知,使用含有质量分数8%的p-NBA的乙酸乙酯/二氯甲烷(体积比为3:1)作为分散相,生成的微液滴结晶固化形成的是具有不规则形状和高度分散的微粒。这主要是因为微液滴中赋形剂的结晶固化可以形成近似球形骨架,能为p-NBA提供结晶位点和有限的物理空间,从而促进其形成球状结晶。

  

  图4 p-NBA结晶固化后形成不规则形状微粒的光学显微镜和SEM图
  Fig.4 The optical microscope and SEM images of irregularly shaped particles formed by crystallization of p-NBA

  为了能够辅助p-NBA结晶成球,在含有p-NBA的体系中引入赋形剂EC。对微球及p-NBA进行XRD测试,结果如图5所示。由图5可以发现,在赋形剂EC存在的情况下,p-NBA的出峰位置未发生变化,这表明p-NBA的晶体结构保持不变。然而,峰的强度却减弱了,这暗示了核壳结构微球的壳层将p-NBA包裹在内部。由于这种包裹作用,部分信号被减弱,从而导致峰的强度减弱。而微液滴中的EC随着溶剂的挥发会过饱和结晶析出并形成网络骨架,为p-NBA的结晶成核提供异质成核位点,促进其在有限的球形物理空间中结晶,有利于促进p-NBA的结晶性,提高p-NBA结晶后的球形度和单分散性。然而,当EC的含量过高时,会降低模拟物p-NBA在核层中所占的比例,进而换成DNTF后,会使爆炸威力降低。相反,EC含量过低会使p-NBA难以形成尺寸均一的球形结晶。这种微妙平衡的调控对于实现理想的结晶效果至关重要。

  

  图5 微球及p-NBA的XRD谱图
  Fig.5 XRD spectra of microspheres and p-NBA

  在不改变PS(通用型Ⅱ)含量的前提下,研究了p-NBA和EC质量比对微球结构的影响,如图6所示。

  

  图6 不同质量比的EC/p-NBA形成的微球
  Fig.6 Microspheres formed by different mass ratios of EC/p-NBA

  从图6(a)和(b)可以看出,当EC和p-NBA的质量比为3:25和1:10时,p-NBA结晶呈现出较高的球形度。然而,当质量比降至3:50时,EC难以迅速控制p-NBA晶体转变为球形,导致p-NBA向液滴外部移动,无法在微球中心结晶,最终形成了类似于Janus结构的微球,如图6(c)所示。当EC和p-NBA的质量比继续降低时,EC对p-NBA的结晶影响能力已不足以促使其形成球形结晶,最终导致p-NBA析出形成形状和大小不一的针状晶体[见图6(d)]。这一结果进一步验证了赋形剂在整个体系中所发挥出的关键作用。此外,在实际应用中,为了进一步提高包覆有DNTF的微球的爆炸威力,可以考虑使用含能材料硝基纤维素(NC)作为赋形剂,替代本研究所使用的赋形剂EC。

  进一步研究了EC/p-NBA质量比为3:50时的结晶成球条件,如图7所示。

  

  图7 EC/p-NBA质量比为3:50时结晶成球条件
  Fig.7 Conditions of crystallization into microspheres with EC/p-NBA at mass ratio of 3:50

  由图7(a)可知,在微球静止状态下结晶固化时,微球呈现Janus结构而非核壳结构。然而,如果将收集到的微球置于摇床中以50r/min震荡2min,使微球均匀晃动起来,观察到微球仍能形成核壳包覆结构[见图7(b)]。这一现象可能是由于震荡过程增强了微球表面与环境的接触,促使溶剂蒸发和传质过程加速,进而加快相分离并促成快速结晶固化。同时,在微球收集和固化过程中,微球之间可能会发生粘连,尤其是当壳层还未完全固化时。轻微的晃动有助于保持微球分散,减少因粘连造成的微球损坏,并有助于形成形状规则的核壳结构微球^[21]。

• 2.3 PS含量对包覆效果的影响

  微球的壳层厚度是评估其性能的重要参数之一。较厚的壳层可以提供稳定的机械性能,减少破碎的风险,并且有利于运输和加工。然而,过厚的壳层会降低DNTF的爆炸威力。相反,过薄的壳层容易导致微球破碎,难以有效包覆DNTF,从而大大降低降感效果。基于高能炸药DNTF的包覆钝化效果和包覆量双重条件,探究了PS(通用型Ⅱ)的含量对包覆效果的影响,不同质量分数的PS对微球结构的影响如图8所示。

  

  图8 不同质量分数的PS对微球结构的影响
  Fig.8 Effect of different mass fractions of PS on the structure of microspheres

  从图8中可以发现,在PS质量分数为25%时,所制备的核壳结构微球能够维持良好的球形并且表面平整无皱缩; 当PS质量分数降至15%时,虽然壳层出现了一定程度的皱缩,但仍能实现对p-NBA的包覆; 然而,当PS质量分数降至8%时,微球会发生破碎,无法完成对p-NBA的包覆。这说明在PS质量分数为25%时,液-液相分离过程最优,微液滴展现出了较好的结构稳定性,在相分离固化过程中能更好地维持液滴的球形结构。球形的核壳结构较皱缩的核壳结构来说,可在外力作用下更好地保持其固有的形状和表面的完整性,具有一定的抗变形性能。并且,随着PS含量的增加,壳层厚度也相应增加,这进一步加强了壳层的结构刚性^[22]。此外,较厚的壳层有效地隔绝了核层的p-NBA与外部环境,从而可增强微球的整体稳定性。

  为了能够在PS壳层含量低的情况下仍可以实现对p-NBA核的有效包覆,改进了制备具有包覆结构微球的配方,通过选择更大相对分子质量(M_r=30000～350000)的PS作为壳层材料来提高包覆层的机械性能和弹性性能。经实验验证,当包覆层PS质量分数为8%,EC和p-NBA质量比为1:10时制备的微球结构较为稳定及均一。

  对所制备的核壳结构微球进行红外光谱测试,结果如图9所示。由图9可知,p-NBA中羰基(C═O)的特征吸收是一个关键指标,通常位于1700～1750cm^-1的波数区间。通过观察谱线图中a和b可以注意到,在1700cm^-1处两者都展现了明显的吸收峰,这一现象表明p-NBA的存在。对比谱线a和c,在1000～1300cm^-1的范围内也观察到了吸收峰,这通常与EC中的酯基特征吸收相对应,从而表明EC的存在。由于EC在微球中的含量相对较低,导致在谱线a中吸收峰不够明显。通过对比谱线a与d中的出峰位置,可以进一步确认PS的存在。

  

  图9 微球、p-NBA、EC和PS的红外光谱图
  Fig.9 FT-IR spectra of microspheres, p-NBA, EC and PS

  为了进一步研究核壳结构微球的形成条件,引入了平衡液滴理论与实验结果进行验证,如图10所示。

  

  图10 平衡液滴形成核壳结构微球的示意图
  Fig.10 Diagram of equilibrium droplets forming core-shell microspheres

  液滴的平衡主要由各相间的界面张力(γ)决定。由界面张力计算扩散系数(S)的方程式如下:

  S_NBA=γ_W-PS-(γ_PS-NBA+γ_W-NBA)(1)

  S_W=γ_PS-NBA-(γ_W-NBA+γ_W-PS)(2)

  S_PS=γ_W-NBA-(γ_PS-NBA+γ_W-PS)(3)

  只有当扩散系数满足S_NBA和S_W小于0,S_PS大于0,液滴才能达到平衡状态,从而实现结晶固化形成核壳结构。为了进一步验证这一理论,利用接触角测量仪测量了制备高球形度核壳结构微球的最佳条件,即EC和p-NBA质量比为1:10,PS质量分数为8%时的界面张力,测试结果见表1。

  表1 界面张力测试结果
  Table 1 Results of interfacial tension test

  

  由于乙酸乙酯和二氯甲烷互溶,处于一相,无法使用接触角测量仪测出界面张力,但二者之间的界面张力应该很小,属于低界面张力(NA)。由此计算出相应的扩散系数,且符合液滴平衡条件,进一步证明该理论应用于本研究中制备包覆有含能材料的核壳微球的可行性。

(1)采用液滴微流控技术和相分离相结合的方法,在结晶析出和物系分离的作用下,成功地一步制备了具有p-NBA核层和PS壳层的核壳结构微球,用于模拟高能炸药DNTF的包覆钝化。通过调控p-NBA、EC以及PS的含量配比,得到不同结构和形貌的微球。

(2)赋形剂EC结晶析出形成的网络骨架为p-NBA的结晶成核提供异质成核位点,对p-NBA的结晶成球和尺寸形状调控起到重要作用。

(3)PS作为聚合物包覆层,含量越高壳层越厚,但过厚的壳层会降低封装DNTF的爆炸威力。基于DNTF的包覆钝化效果和包覆量双重条件,在使用大相对分子质量PS(M_r=300000～350000)情况下,EC和p-NBA质量比为1:10,PS质量分数为8%,是包覆含能材料微球的最佳制备条件。