等离子体聚合中空颗粒的包封与渗透特性

摘要

我们采用等离子体增强化学气相沉积法，在多种材料的纳米级颗粒上沉积了厚度从几纳米到数百纳米的薄膜。随后通过刻蚀去除核心材料，形成中空纳米壳层，其渗透性由壳层厚度控制。我们表征了这些涂层对小分子溶质的渗透性，并证明这些屏障能够实现核心物质在数天内的持续释放。

摘要

在本实验方案中，通过等离子体增强化学气相沉积法合成核-壳纳米结构。我们采用异丙醇在不同固体基底（包括二氧化硅和氯化钾）上进行等离子体聚合，形成非晶态阻隔层。该技术具有良好的通用性，可用于处理粒径范围从37 nm至1微米的纳米颗粒和纳米粉末，所沉积薄膜的厚度可在1 nm至100 nm以上之间调节。通过溶解核层，我们可以研究物质透过薄膜的渗透速率。在这些实验中，我们通过包覆KCl纳米晶体并随后监测包覆颗粒在水中悬浮液的离子电导率，测定KCl在阻隔膜中的扩散系数。该过程的主要研究兴趣在于溶质的包封及其延迟释放。壳层厚度是控制释放速率的独立变量之一，对释放速率具有显著影响：当壳层厚度为20 nm时，释放时间为6小时；而当壳层厚度为95 nm时，可实现长达30天的长期释放。释放曲线呈现典型特征：溶解开始后的最初5分钟内快速释放（释放量达最终总量的35%），随后进入缓慢释放阶段，直至所有核层材料完全释放完毕。

方案

1. 沉积用二氧化硅纳米颗粒的制备

1. 从干燥的二氧化硅粉末开始，首先去除大块聚集体，以制备用于涂覆的样品。
2. 用乙醇（190 proof 纯度）清洗二氧化硅颗粒（直径为 200 nm，购自 Gel-Tec Corp.），并将样品置于通风橱中，直至所有水分随乙醇完全挥发。
3. 将颗粒通过一系列金属筛网（美国标准 #100-400）进行筛分，以打散任何残留的团聚物。
4. 将颗粒和一个小的磁力搅拌子放入管式反应器中，如图 1所示。颗粒应置于等离子体区域内。
5. 通过在两个法兰之间放置一个 O 型圈来密封玻璃反应器，一个法兰位于玻璃管末端，另一个位于连接泵的管道末端。
6. 在法兰周围安装不锈钢卡箍环，并用手拧紧卡箍周围的螺钉。

2. 真空系统的准备

1. 填充液氮捕集阱，然后等待捕集阱表面冷却。等待5分钟。
2. 在鼓泡器中加入异丙醇，并将其连接至等离子体反应器。
3. 通过在金属管上放置橡胶O形圈并拧紧螺母，密封鼓泡器与管道的连接处，直至连接部位完全密封。

3. 等离子体沉积过程

1. 将鼓泡器置于温度为 34±2 °C 的水浴中。
2. 打开氩气流量控制器，并将设定值设为 6.00 s....

讨论

纳米颗粒包覆技术面临的最大挑战之一是实现包覆层与基底之间的相容性化学性质^1,2。本文所述方法的优势在于其不依赖特定材料。等离子体聚合物在多种基底上均表现出优异的附着力，包括硬质金属（图2(c)）、二氧化硅（图2(c)）、硅以及软性材料（如聚合物），且无需任何特殊表面改性处理^3,4,5。该技术另一优势在于不受核心颗粒尺寸限制，可轻松适用于纳米至微米尺度的颗粒。包覆层厚度由沉积时间控制，可方便地从几纳米调节至数百纳米。此外，通过选择不同的有机前驱体，可进一步调控包覆层的性质。例如，可通过合理选择前驱体来调节包覆层的疏水性⁶。该工艺中仍需进一步改进的一个方面是包覆均匀性的提升。我们估计，在等离子体处理的颗粒中，约有70%实现了完全包覆，其余30%则仅部分包覆。设计并构建一种新型反应器，使等离子体在整个处理过程中完全包围颗粒，有望改善这一问题。

....

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
二氧化硅颗粒	Geltech Inc.
氯化钾（晶体）	EMD Chemicals Inc.
异丙醇（99.9%）	Sigma-Aldrich
氢氟酸（48-51%）	VWR
管道和法兰	Swagelok		直径为 ¼ 英寸和 1 英寸
粗抽泵	Edwards
液氮阱	A&N Corporation