Article de méthode

Préparation de particules de polystyrène creuses et Microcapsules par polymérisation radicalaire de gouttelettes de Janus consistant en hydrocarbures et huiles de fluorocarbone

DOI :

10.3791/56922

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25 janvier 2018

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1Department of Industrial Chemistry, Faculty of Engineering, Tokyo University of Science

Dans cet article

Résumé

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Un protocole pour la fabrication de particules de polymère creux et microcapsules par polymérisation radicalaire en utilisant des émulsions consistant en styrène, perfluoro -n-octane et le SDS aqueux solution (dodécylsulfate de sodium) est présentée.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dans cet article, nous avons démontré une méthode pour produire des particules creuses et microcapsules en utilisant les gouttelettes d’huile composé d’hydrocarbures (styrène) et huile de fluorocarbone (perfluoro -n-octane, PFO) en solution aqueuse agent tensio-actif (dodécylsulfate de sodium, Solutions de SDS). Fluorocarbone huiles sont non miscibles avec des huiles d’hydrocarbures, les deux huiles sont séparés. Émulsions sont préparées par agitation des mélanges de solution SDS styrène/PFO/aqueux à 80 ° C. Le type d’émulsions et de la morphologie des gouttelettes dans les émulsions sont observées en microscopie photonique et microscope à balayage confocal fluorescence. Il se trouve que les gouttelettes d’huile avec des morphologies de type Janus consistant en styrène mutuellement non miscible et PFO sont formés dans des solutions aqueuses de SDS. Particules de polystyrène sont fabriqués par polymérisation radicalaire des mélanges ternaires de styrène/PFO/aqueux solution SDS à 80 ° C. Les morphologies du polystyrène sont confirmées par microscopie électronique à balayage et numérisation des observations en microscopie électronique à transmission. Ces observations montrent la préparation de particules de polystyrène creux avec un seul trou sur la surface. À notre connaissance, cette méthode est une nouvelle stratégie à l’aide de l’IMMISCIBILITE des huiles d’hydrocarbures et fluorocarbone. Les particules creux peuvent également être appliquées à la préparation des microcapsules.

Introduction

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Alors que les particules sphériques de polymères ont été largement utilisées dans diverses applications industrielles, il est bien connu que des particules de Fossette, hémisphères, disques et ellipsoïdes, ont été préparés par polymérisations ensemencés1,2, 3, photo-polymérisation des gouttelettes de monomère non sphériques à l’aide de microréacteur avec géométries spécifiques4,5, auto-organisation en utilisant la reprécipitation des polymères6et la déformation des polymères sphérique particules de mécanique externe force7,8. En particulier, les particules de polymère creux avec micromètre-taille ont été fabriquées par évaporation d’un solvant bon de particules sphériques polymère gonflé par le solvant9,10 et polymérisation à l’aide d’émulsions multiples 11 , 12.

Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’utilisation d’IMMISCIBILITE mutuel des huiles d’hydrocarbures et de fluorocarbures dans la fabrication de particules de polymère. Agents tensio-actifs hybrides ont une chaîne hydrocarbonée et une chaîne de fluorocarbures dans la molécule. Nous l’avons signalé précédemment, les propriétés uniques des surfactants hybrides qui ne sont pas respectées en agents tensio-actifs classiques13,14,15. Nous avons également étudié des émulsions à l’aide d’hydrocarbures, l’huile de fluorocarbone et solution aqueuse de surfactant, qui sont mutuellement non miscibles16. Cependant, il y a très peu d’études sur les émulsions17. Ces études ont décrit la morphologie des gouttelettes d’huile composé d’hydrocarbures et d’huile de fluorocarbone en solution aqueuse de surfactant.

Ici, nous montrons un protocole détaillé de la fabrication de particules de polymère creux par polymérisation radicalaire en utilisant les gouttelettes d’huile en émulsion consistant en hydrocarbures, du pétrole de fluorocarbone et solutions (SDS) de dodécylsulfate de sodium aqueux. Nous proposons une nouvelle stratégie, qui est différente des méthodes classiques, pour la préparation des particules de polymère non sphériques. Cette méthode peut tout simplement fabriquer les particules de polymère creux en peu de temps. Par ailleurs, le protocole de la préparation de microcapsules à travers les particules de polymère creux est affichée.

Protocole

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ATTENTION : Veuillez porter une blouse, des gants et des lunettes de sécurité et lire les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Toutes les matières achetées ont été utilisés sans davantage de purification.

1. préparation des émulsions consistant en mélanges de Solution aqueuses styrène/PFO/SDS

  1. Pour préparer 5 mM de la solution aqueuse de SDS, dissoudre 14,5 mg de SDS dans 10 mL de haute pureté H2O.
    NOTE : Haute pureté H2O a été utilisé (résistivité (R) = 18 MΩ cm, tension superficielle (γ) = 72,0 mN m-1 à 25 ° C).
  2. Un flacon en verre 10 mL avec une barre de remuer, ajouter 1,5 g de styrène, 0,6 g de PFO et 0,9 g de 5 mM de la solution aqueuse de SDS.
    Remarque : Dans l’analyse des observations de microscopie confocal fluorescence, ajouter 2,6 mg de coumarine 102 et 0,062 mg de calcéine au mélange.
  3. Remuer le mélange pendant 60 min à 1 150 tr/mn sous la température ambiante et ensuite augmenter la température à 80 ° C.
  4. Agiter le mélange pendant 60 min à 1 150 tr/min et 80 ° C.

2. fabrication de particules de polymère en utilisant des émulsions composé de styrène/PFO/Aqueous-SDS Solution mélanges

  1. Ajouter 3,9 mg de peroxodisulfate de potassium, 2 mg de pyrène, 1,5 g de styrène, 0,6 g de PFO et 0,9 g de 5 mM de la solution aqueuse de SDS pour un flacon de verre de 10 mL avec une barre de remuer et scellez-la avec un septum en caoutchouc.
  2. Désoxygéner le mélange par bouillonnant azote gazeux à travers une aiguille de seringue pendant 30 min.
    ATTENTION : Coulent lentement l’azote gazeux pour ne pas générer une grande quantité de mousse.
  3. Pour préparer l’émulsion, remuer le mélange pendant 60 min à 1 150 tr/min et la température ambiante et ensuite augmenter la température à 80 ° C.
  4. Agiter le mélange pendant 30 min à 1 150 tr/min et 80 ° C.
  5. Transférer la partie nuageuse (1,8 mL) dans la solution résultante (3 mL) dans l’éprouvette, puis ajoutez 30 % de solution d’éthanol aqueux pour interrompre complètement la réaction de polymérisation.
  6. Soniquer (puissance : 130 W, fréquence : 4,2 kHz) pendant 10 min laver des particules de polymère qui en résultent et puis centrifuger pendant 10 min à 2300 x g.
  7. Pour obtenir des particules de polymère, prélever le surnageant de l’éprouvette.
  8. Ajouter 3 mL d’eau pour les solides qui en résulte dans l’éprouvette. Soniquer (puissance : 130 W, fréquence : 4,2 kHz) pour 10 min et centrifuger pendant 10 min à 2300 x g. prélever le surnageant de l’éprouvette.
  9. Répéter la procédure de lavage (étape 2.8) jusqu'à ce que la mousse n’est pas généré de la solution surnageante. Évaporer l’eau pour obtenir le solide de particules de polymère creux.

3. préparation des microcapsules utilisant les particules de polymère creux

  1. Ajouter 1 mg de particules de polystyrène creuses (étape 2,9) et 4 mL d’eau pour un flacon de verre de 10 mL avec une barre de remuer.
  2. Soniquer (puissance : 130 W, fréquence : 4,2 kHz) pendant 10 min disperser les particules creuses dans l’eau.
  3. Ajouter 0,1 mL de toluène à l’eau les particules dispersées et puis remuez pendant 1 h à 100 tr/mn sous la température ambiante. Transférer le liquide dans un tube à essai.
    ATTENTION : Si la rotation par minute augmente, la morphologie des particules se déformera.
  4. Centrifuger le liquide pendant 10 min à x 2300 g pour isoler les microcapsules la forme. Prélever le surnageant de l’éprouvette.

Résultats

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Lumière et les observations de microscopie de fluorescence confocale à balayage ont été réalisées pour déterminer la morphologie et la composition des gouttelettes dans les émulsions consistant en styrène, PFO et 5 mM SDS soluté (Figure 1). Microscopie électronique (MEB) et les observations en microscopie électronique (tige) transmission à balayage a montré la formation de particules creuses et microcapsules (Figure 2).

La DIC et les images de microscopie confocal fluorescence d’émulsions constitués de mélanges ternaires de styrène/PFO/SDS soluté indiquent que la phase continue est une solution aqueuse SDS, parce que la fluorescence verte correspondant à calcéine a été observée chez la phase continue, et donc, sont forment des émulsions de type huile dans l’eau (Figure 1 a et 1 b). Ces images montrent également que les gouttelettes d’huile se composent de styrène et de PFO, qui sont mutuellement non miscibles. La DIC et les images de microscopie confocal fluorescence des émulsions contenant coumarine 102 révèlent qu’une gouttelette PFO est située à l’interface entre l’eau et une goutte de styrène. Les mélanges ternaires de styrène, PFO et une solution aqueuse de SDS à émulsions de forme 5 mM contenant Janus huile gouttelettes, qui se composent de styrène et de PFO.

Les images de SEM et de la tige des particules de polymère fabriqués par polymérisation radicalaire des émulsions de solution aqueuse de SDS styrène/PFO/5 mM montrent la préparation de particules de polystyrène non sphériques creuses avec un trou sur la surface (Figure 2 a et 2 b). le taux de formation, le diamètre et la taille de l’orifice des particules en polystyrène creuses sont évalués en observant 200 particules par le biais de SEM et de la tige. Le diamètre en moyenne estimé à partir des observations de SEM est 1,3 µm. La taille est compatible avec le diamètre des particules polymères estimée à partir des mesures de diffusion dynamique de la lumière. Le taux de formation est d’environ 100 %. La taille moyenne de l’orifice et le volume du trou dans les particules creuses sont de 0,8 µm ± 0,4 et 0,9 ± 0,4 µm3, respectivement. Par conséquent, les particules de polystyrène creuses munie d’un trou de 0,8 µm ont été fabriqués par polymérisation radicalaire des gouttelettes de Janus contenant du styrène dans les émulsions.

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Figure 1. Morphologies de gouttelettes en émulsion consistant en styrène, PFO et 5 mM de soluté SDS. (a) contraste interférentiel différentiel (DIC) et (b) images de microscopie confocal fluorescence des émulsions contenant aqueux fluorescent calcéine. (c) DIC (d) confocal fluorescence microscopy images et des émulsions contenant liposolubles coumarine fluorescente 102. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Figure 2. Morphologie des particules de polystyrène creuses et microcapsules fabriqués en utilisant des émulsions consistant en solution SDS aqueuse styrène, PFO et 5 mM. (a) des images de souches SEM et (b) des particules en polystyrène creuses. (c) SEM et d images tige de microcapsules. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

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Les émulsions contenant des gouttelettes de Janus du styrène et PFO ont été obtenues au-dessus de 10 % en poids de la fraction massique de concentration aqueuse de SDS et toute fraction de poids du styrène et FOP. Lorsque les diverses fractions-poids des émulsions contenant des gouttelettes de Janus ont été polymérisées pendant 30 min, les particules de polystyrène creux peuvent être obtenus pour toute composition. Ces résultats indiquent que le protocole a montré ici est simple. En outre, le diamètre, la taille de trou et volume de trou des particules en polystyrène creuses peuvent de télécommander par le temps de polymérisation dans la méthode décrite ici.

Nous vous suggérons le mécanisme suivant pour la fabrication des particules en polystyrène creuses. Les gouttelettes d’huile de Janus consistant en styrène et PFO forment dans les émulsions O/W contenant des mélanges de solution SDS aqueux, styrène et PFO à 80 ° C. Des gouttelettes PFO sont situés à la surface des gouttelettes de styrène. KPS, initiateur de polymérisation, étant soluble dans la phase aqueuse, la polymérisation progressera à l’interface de la solution aqueuse/styrène de SDS. Styrène dans les émulsions ternaires était polymérisé au polystyrène à 80 ° C, tandis que PFO, n’ayant aucun groupe polymérisable, sont demeurés dans les émulsions à cette température. Après que la polymérisation est terminée, un trou sur la particule en polystyrène a été formé par l’enlèvement d’un FOP. Par conséquent, les particules de polystyrène de coupe-type creux ayant un trou sur la surface étaient fraction massique atany fabriqué de styrène et de PFO et de tous les temps de polymérisation.

Ajoutant une petite quantité de toluène aux particules de polystyrène creux fabriqués par polymérisation radicalaire pendant 90 min permet de sceller les trous sur les particules de polystyrène creuses. Ce phénomène est conforme à celui rapporté par Hyuk et coll.9. La méthode capsulation peut contenir un matériau aqueux dans les particules.

Dans cet article, nous avons démontré une méthode de fabrication de particules de polymère creux à l’aide de gouttelettes d’huile Janus consistant en styrène et PFO, qui sont mutuellement non miscibles. La méthode de préparation des particules de polymère non sphériques a déjà été étudiée en raison de leur utilisation potentielle dans diverses applications. Cette stratégie à l’aide de gouttelettes d’huile Janus des hydrocarbures et des huiles de fluorocarbone s’appliquera à la fabrication de particules de polymère non sphériques de divers types de système de livraison de monomère et de drogue.

Déclarations de divulgation

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Nous n’avons rien à divulguer.

Remerciements

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Nous n’avons aucun remerciements.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Matériel
Dodécylsulfate de sodium, 95,0 %Wako Pure Chemical Industries, Ltd.192-08672
Styrène, 99,0 %Tokyo Chemical Industry Co. Ltd.S0095
Perfluorooctane, 99 %Fluorochem Ltd.8706
Coumarine 102, 97.0 %Tokyo Chemical Industry Co. Ltd.C2267
CalceinDojindo Molecular Technologies, Inc.C001
Peroxodisulfate de potassium, 98,0 %Kanto Chemical Co., Inc.32375-30
Pyrène, 97.0 %Wako Pure Chemical Industries, Ltd.167-05302
Éthanol, 99,5 %Kanto Chemical Co., Inc.14033-00
Toluene, 99,5 %Kanto Chemical Co., Inc.40180-00
NomEntrepriseNuméro de catalogueComments
Equipment
Scanning Electron MicroscopeHitachi High-Technologies CorporationS-4800
Scanning Transmission Microscope électroniqueHitachi High-Technologies CorporationS-4800
Nettoyeur à ultrasonsBranson Ultrasonics, Emerson Japan, Ltd.Modèle 3510
CentrifugeuseAS ONE CorporationCN-1050

Références

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