微胶囊技术及其在纺织品中应用进展yd15416

刘元军1 王雪燕1 宋秉政2 1.西安工程大学，陕西西安710048；2.东华大学， 上溉200051

收稿日期：2012-04-26

基金项目： 西安工程大学研究生创新基金资助项目(chxl21 005)

作者简介：刘元军(1986-)，女，山东青岛人，西安工程大学在读研究生，主要从事固色剂的制备及其应用。

原载:染整技术2012/11;1-5

【摘要】介绍了微胶囊及微胶囊技术的方法和原理，简要陈述了微胶囊技术在纺织品中的应用，井对其进一步发展作了展望。

【关键词】微胶囊技术；纺织品；应用；进展

【中图分类号】TS 190.2 文献标识码：A 文章编号：1005-9350(20l2)11-0001-05

微胶囊并不是一项新技术，早在1930年，美国Nationnal Cash Register Co.公司就研究过微胶囊技术[1]。微胶囊技术的商业化是在1954年，用于无碳复写纸。在1950年，美国成功地开发出一系列具有一定规模的微胶囊包埋设备， 广泛应用于食品的微胶囊加工。到20世纪80年代中期，微胶囊技术已经在医药、农业和化工等方面得到了广泛的应用[2]。鉴于微胶囊化带来的巨大优越性， 目前越来越多的科学工作者正把微胶囊技术应用于更为广泛的领域中，例如应用于纺织品中。美国IBM公司首席科学家曾说过：纳米技术将成为21世纪信息时代的核心。微胶囊技术也将成为21世纪的另一闪光点。目前，影响微胶囊技术发展的主要因素是壁材的开发。随着人们对微胶囊认识的不断深入，随着新材料、新设备的不断出现，微胶囊技术的研究、开发及其应用将会取得更大的发展[3-4]。

1 微胶囊的基本特性

微胶囊是由天然或合成高分子材料制成的包有某些物质的微小容器。包在内部的物质称为芯、核或填充物，而外面的囊壁称为皮、壳或保护膜。被包封物与囊壁为分离的两相，这是微胶囊的特征。微胶囊不但可以包封固体粉末、液体材料，若采用特殊的制各方法甚至可包封气体。

1.1 微胶囊的大小

微胶囊的大小一般为2-200 µm，理论上可制成在0.01-10 000 µm的微胶囊。囊壁的厚度一般为0.5-150 µm，0.5 µm以下的壁厚亦可生产。按质量计算，芯材在微胶囊中所占的比例一般在15％～95％，但在不少应用场合不需要很高的比例。

1.2 微胶囊的形状

微胶囊可呈现各种形状，如球形、粒状、肾形、谷粒形、豇豆形、絮状和块状。囊壁可以是单层结构也可是多层结构。微胶囊可以是单层结构也可是多层结构。微胶囊的各种结构如图1 [5]。

图1 微胶囊的各种形态

仅以一种液态物质为芯材的微胶囊呈球状，如果成膜材料的量足够，含有多种芯材的微胶囊也呈球状。芯材如果是固体或晶体，那么微胶囊形状可能是不规则的。

1.3 微胶囊的功能

广义地说，微胶囊的功能具有提高物质表观和性质的能力。更确切地说，微胶囊能够储存微细状态的物质，并在需要时释放出来。微胶囊亦能转变物质的颜色、形状、质量、体积、溶解性、反应性、耐久性、压敏性、热敏性及光敏性。

1.4 微胶囊技术应用的目的

它可以使工业上不少重要的目标得以实现，主要表现为：将液体或分散体转变成固体，分隔开相互反应的化合物，增进对环境的保护(降低挥发性、易燃性和毒性)，可以延长或控制物质的释放，提高储存稳定性，掩盖口味或气味，稳定乳化液和扩散液，亦可作微量化学的反应器。

2 相变微胶囊的芯材和壁材

2.1 相变微胶囊芯材

现在己发现的相变材料(Phase-Change Material，PCM)种类在6 000种以上 ，可分为无机盐相变材料和有机相变材料。

2.1.1 无机水合盐类

无机水合盐类具有较大的熔融热，是无机相变储能材料的重要一类。主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类。

应用较多的结晶水合盐类主要有碱土金属卤化物、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐和醋酸盐等。无机水合盐相变材料优点颇多，如较高的相变焓、较高的导热率、较小的体积变化率以及较低的价格等。无机水合盐类相变材料的缺点是会出现相分离和过冷现象，这种现象虽有办法解决但都不是很彻底，是其在应用过程中一个致命的弱点。

2.1.2 有机类

目前，有机类固一液相变储能材料主要有脂肪烃类、脂肪酸类及脂类、盐类、醇类以及其他有机类。有机类相变材料的优点是无腐蚀性，融化和凝结能重复实现，化学性能稳定。其缺点是相变焓相对较低，热传导率也较低，熔点低，溶解热较小且易挥发，密度小，易燃，所以通常用于低温场合。作为有机高分子的石蜡，它的化学组成为多种烷烃的混合物。其中直链烷烃正构型烷烃占多数，约60％，也有少数是异构烷烃和环烷烃。石蜡类的熔点不是一个温度点，而是一个温度范围，因此，石蜡的熔解温度可以和系统的工作温度很好的配合。另外，最近的研究表明：石蜡具有较高的相变热，再经过一系列的升降温试验后，石蜡也能表现出良好的稳定性，不过，石蜡的热导率较低、易燃，而且易发生黄变现象，但考虑到其优异的综合性能，石蜡还是一种不错的芯材选择对象。

2.2 相变材料壁材

微胶囊选用的壁材必须符合国家卫生标准，不与被包裹的物质起反应。如果芯材是亲油性的，宜选用亲水聚合物作壁材；如果芯材为亲水性的物质，则选取非水溶性的合成高分子材料作为壁材。同时，包覆材料本身的性能也是要考虑的因素，如渗透性、稳定性、溶解性、粘度、电性能、吸湿性及成膜性 。目前，报道较多的壁材是天然材料、半合成材料和高分子材料。其中高分子材料如三聚氰胺甲醛及脲醛树脂， 其稳定性和成膜性好， 但生物兼容性比较差，另外易造成环境污染， 如果要广泛应用，需要首先解决此类问题。而壳聚糖、海藻酸盐等天然多糖资源丰富、制备简单、价格便宜且生物兼容性好，环保无污染，极具研发潜力。

3 微胶囊化方法及原理

依据囊壁形成的机制和成囊条件，微胶囊化方法大致可以分为3类，即化学法、物理法以及物理化学法。

3.1 化学法

3.1.1 界面聚合法

界面聚合法的原理是将2种活性单体分别溶解在互不相溶的溶剂中，当一种溶液被分散在另一种溶液中时，2种溶液中的单体在相界面处发生聚合反应而成囊。

3.1.2 原位聚合法

原位聚合法是单体成分及催化剂全部位于芯材液滴的内部或者外部，发生聚合反应而微胶囊化。

3.1.3 锐孔法

界面聚合和原位聚合法均是以单体为原料，并经聚合反应形成囊壁。而锐孔法则是因聚合物的固化导致微胶囊囊壁的形成，即先将线性聚合物溶解形成溶液，当其固化时，聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因为大多数固化反应即聚合物的沉淀作用，是在瞬间进行并完成的，故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到固化剂中之前预先成型，锐孔法可满足这种要求， 这也是该法的由来。

3.2 物理法

3.2.1 喷雾干燥法

喷雾干燥法是将芯材分散于囊壁材料的稀溶液中，形成悬浮液或乳浊液。将此分散液送到含有喷雾干燥的雾化器中，分散液被雾化成小液滴，液滴中所含溶剂迅速蒸发而使壁材析出成囊。

3.2.2 空气悬浮法

空气悬浮法是应用流化床的强气流将芯材微粒(滴)悬浮于空气中，通过喷嘴将调成适当粘度的壁材溶液喷涂于微粒(滴)表面，提高气流温度使壁材溶液中的溶剂挥发，则壁材析出成囊。

3.2.3 真空蒸发沉积法

真空蒸发沉积法以固体颗粒作为芯材，壁材的蒸汽凝结于芯材的表面而实现胶囊化。

3.2.4 静电结合法

静电结合法是先将芯材与壁材各制成带相反电荷的气溶胶微粒， 而后使它们相遇，通过静电吸引凝结成囊。

3.2.5 溶剂蒸发法

溶剂蒸发法是将芯材、壁材依次分散到有机相中，然后加到与壁材不相溶的溶液中，加热使溶剂蒸发，壁材析出而成囊。

3.2.6 包结络合物法

包结络合物法利用β-环糊精中空且内部疏水部亲水的结构特点，将疏水性芯材通过形成包结络合物而形成分子水平上的微胶囊。

3.2.7 挤压法

挤压法是一种在低温条件下生产微胶囊的技术，原理是将在一种液化的碳水化合物介质中的芯材与壁材混合物经过模孔，用压力将其挤进壁材的凝固浴，壁材析出并硬化成囊。

3.3 物理化学法

3.3.1 水相分离法

水相分离法是由胶体间电荷的中和以及亲水胶粒周围水相溶剂层的消失而成囊的方法。水相体系中的相分离法可分为复凝聚法、单凝聚法、盐凝聚法和调节pH聚合物沉淀法。复凝聚法指在壁材分散相中含有2种以上的亲水胶体，通过调节介质pH等，使带异性电荷的2种胶体之间因电荷中和而溶解度降低，引起相分离而产生凝聚：单凝聚法是以1种高分子材料为胶囊囊壁材料，将囊芯物分散到囊壁材料中，然后加入凝聚剂， 由于水与凝聚剂结合，致使囊壁材料的溶解度降低而凝聚出来，形成微胶囊；盐凝聚法是指把1种电解质加到聚合物的水溶液中，因引起相分离而微胶囊化；调节pH聚合物沉积法是利用在碱性或酸性条件下，某些聚合物变得不溶解的性质来实现微胶囊化的。

3.3.2 油相分离法

油相分离法的原理是向囊壁材料的聚合物的有机溶剂溶液中，加入一种对该聚合物为非溶媒的液体，引发相分离形成微胶囊。

3.3.3 干燥浴法(复相乳化法)

干燥浴法的基本原理是将芯材分散到壁材的溶剂中，形成的混合物以微滴状态分散到介质中，随后，除去连续的介质而实现胶囊化。

3.3.4 熔化分散冷凝法

溶剂蒸发法是将芯材、壁材依次分散到有机相 时，熔化分散冷凝法是当壁材(蜡状物质)受热将芯材分散在液态中，并形成微粒(滴)。当体系冷却时，蜡状物质就围绕着芯材形成囊壁，从而产生微胶囊。

4 微胶囊技术的发展和在纺织品中的应用现状

4.1 微胶囊技术的发展[10]

在无碳复写纸应用中，无色染料经过化学方法进行微胶囊化处理，使其成为小于2O µm的细胞，然后将其涂在纸下边，并在其外层涂无色试剂，当微胶囊颗粒受到钢笔或铅笔的压力而破裂时，与试剂发生反应产生颜色，这种复写纸在l981年的产量为500 000 t，并有继续增长的势头。

美国一科学家对微胶囊技术也作过早期研究，开发了一种机械方法，将液态或固态物质包在一种在室温下为固态的壁材中，研制出微胶囊化桔油。美国一大学药学博士发明了药片的包衣和制粒工艺——气流悬浮技术，即将壁材喷在悬浮的微粒表面。后来，这一技术演变成现在大量使用的流化床制粒系统，广泛应用于食品的微胶囊加工。

到20世纪80年代中期，微胶囊技术已经在医药、农业和化工等方面得到了广泛的应用。目前，越来越多的科学工作者运用微胶囊技术来改善物质传递体系的运行。国外，尤其是日本，每年申报的有关微胶囊技术的专利就达上百件。同国外相比，我国的微胶囊技术还处于起步阶段，微胶囊主要以进口为主， 因此，还需要进一步开发微胶囊技术的应用场合及基础理论的研究。随着微胶囊技术的纵深发展， 出现了一种静电喷雾法制备微胶囊的技术，这种方法制备的微胶囊的粒径较均匀且为纳米级——纳米微胶囊。由于纳米微胶囊具有独特性质，使它的应用领域更为广泛。

4.2 微胶囊化技术在纺织品中的应用现状

4.2.1 缓释智能微胶囊

缓释体系的研究主要应用于药物和香味释放，微胶囊技术的发展为缓释功能的应用提供了很大的发展空间。用微胶囊包覆可释材料，施于被应用的织物材料上，在加热或受辐射条件下，微胶囊体积膨胀，壁壳上有许多微型小孔，囊壁上的微孔扩大， 由封闭或半封闭体系变为开放体系，通过包裹膜孔扩散向外释放所包裹的物质： 当外界环境变回原来的条件时，微胶囊体系相应的恢复到原来的封闭状态而减慢芯材释放，产生受控制的性能而达到自适应外部环境的效果。现阶段，芳香胶囊已经逐渐应用到服装、床单、手帕、袜子、围巾等多种纺织品上。同时，在微胶囊中加入外用药成分制成智能内衣，也深受皮肤病患者的欢迎[11]。

4.2.2 蓄热调温微胶囊

蓄热调温微胶囊是将相变材料包囊在微小球体中，相变物质随着外界环境温度的变化发生相变以吸收热量和释放热量。将蓄热调温微胶囊应用到织物表面，可主动地、智能地控制周围的温度，保持人体正常体温，为人体提供舒适的“衣内微气候”环境，使人体始终处于一种舒适的状态。蓄热调温纤维和纺织品可用于普通服装、运动服装、职业服装、室内装饰、床上用品、鞋袜以及医疗用品[12]。

4.2.3 智能变色微胶囊

智能变色微胶囊即将变色材料进行微胶囊包覆，通过树脂均匀涂在基布上或直接共混于纤维的母粒中。当智能变色纺织品受到光、热、水分或辐射等外界刺激后即可做出响应， 可逆的改变纺织品的颜色。现阶段，应用最多的主要为温敏变色和光敏变色2种纺织品[13]。

4.2.4 功能整理微胶囊纺织品

微胶囊技术也广泛应用于纺织品功能整理加工，可获得常规整理无法得到的效果。包括阻燃、防缩、拒水拒油、抗静电、柔软、抗菌、杀虫及某些特殊的处理。将功能整理剂包覆于微胶囊内，然后将微胶囊混入纺丝液或将纤维囊加到合成纤维内部，共混后进行纺丝即可制得有阻燃、除臭、抗菌、杀虫、抗紫外线、抗氧化的功能性纤维[14]。另外，将一些功能性药物封入纤维内部而制得有杀菌除臭纤维之称的技术，可以说是微胶囊技术的延伸。目前，功能整理胶囊纺织品已经广泛用于家居用品和保健服装。

5 微胶囊的研究热点

在实际应用中，单一有机或无机相变微胶囊总是存在着不尽如人意的地方，研究人员便想出了各种各样的方法克服这些不足，如将同类或者不同类的相变材料按比例混合、共熔，或者加入某些物质，利用化学方法对相变材料进行改性等。用这些方法得到的相变材料称为复合相变材料，进而制得复合相变微胶囊。复合相变材料能很好地解决单一相变材料所存在的问题，拓宽了相变微胶囊的应用范围，是近年来研究的热点。

6 参考文献

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