- 课题背景
微胶囊是指利用天然的或合成的高分子材料将固体、液体或气体包于其中，形成直径在1至1000mu;m范围的核壳结构[1]。不同领域对于微胶囊的尺寸不尽相同。微胶囊可以呈现多种形态，如球形、粒型、肾型、谷粒型、絮状或块状等，取决于原料与制备方法。常见的微胶囊制备技术[2]主要有相分离法、溶剂提取法、乳化溶剂挥发法、喷雾干燥法和超临界法。利用这些方法在制备微胶囊时，或需高压、高能耗，或需不断地机械搅拌、超声震荡来实现液滴的分散，由于外力的不稳定性，通常易导致得到的液滴粒径分布、内部包裹吸收剂含量等均匀性欠佳。
微流控技术是一种精确操控微尺度(尤其指亚微米尺度)流体的技术，是近年发展起来的制备单分散性微胶囊的新方法[3]。2004年美国Business 2.0杂志在一篇封面文章中，把微流控技术列为“改变未来的七种技术之一”。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”专辑，从不同角度阐述了微流控技术的研究历史、现状及应用前景，并在编辑部的社评中指出：微流控技术可能成为“这一世纪的技术”。这些里程碑式的工作，使得学术界和产业界看到了微流控芯片发展成为一种重大科学技术的潜在能力。基于微流控芯片制备微胶囊的过程，首先是形成液滴，然后液滴在芯片外部通过紫外光照聚合形成微胶囊，所以欲制得所期待的微胶囊，最为重要的是控制液滴的粒径形成[4]。在微流控芯片中可以通过调节各相流速最终形成单分散性好、粒径、形态均一且稳定的微粒，芯片中液滴形成微胶囊的过程较为简单。
低共熔溶剂是指由一定化学计量比的氢键受体（如季铵盐）和氢键给体（如酰胺、羧酸和多元醇等化合物）组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。由Abbott等人于2003年首次报道。低共熔溶剂的物理化学性质与离子液体非常相似，因此也有人把它归为一类新型离子液体或离子液体类似物。其在气体吸收、电化学、纳米材料合成、有机合成以及药物缓释等方面的应用中呈现出良好的发展前景，本论文中以低共熔溶剂对于CO2的吸收作为研究前提。与传统的离子液体相比，低共熔溶剂保持传统离子液体的优点，同时吸收容量更大，更为关键的是无毒、合成过程步骤简单且价格低廉[5]。低共熔溶剂也有着传统离子液体类似的缺点即黏度大，故相应的传质阻力大，亦会抑制CO2的吸收速率。将低共熔溶剂微胶囊化，可在不影响吸收容量的同时获得固态吸收剂的优点——高比表面积。利用比表面积的增加来抵消黏度对吸收速率的不利影响，从而大幅提升CO2吸收速率。壳体材料包裹低共熔溶剂形成微胶囊，还可有效减小溶剂对设备的腐蚀问题。另因壳体材料多是防水的，这样亦可防止水混入低共熔溶剂（水会降低CO2吸收容量），即减少了后续解吸时的加热能耗，以及保证了胶囊中低共熔溶剂的纯度。然而在用传统方法制备微胶囊时，通常易导致得到的液滴粒径分布、内部包裹吸收剂含量等均匀性欠佳，但就微胶囊吸收剂吸收CO2过程而言，微胶囊的粒径均一度及微结构的相似度又是影响实际操作效果的重要因素，同时对于精确考察吸收剂吸收CO2性能与粒径分布间的关系亦至关重要，因此笔者的指导老师钱红亮老师提出在设计并制备合适壳体材料的基础上，利用微流控技术制备包裹低共熔溶剂且尺度均一的微胶囊。本论文着重对微胶囊的微结构表征及其与制备工艺的关系进行研究。
- 要解决的问题
壳体材料能否包裹低共熔溶剂，是能否成功制备微胶囊的前提条件。低共熔溶剂和壳体材料间分清晰的界面、在低共熔溶剂存在的情况下壳体材料必须能自我包裹、且能在紫外光下固化，是壳体材料能否包裹低共熔溶剂的三大原则。因此，如何从分子层面设计反应路线，探索与低共熔溶剂匹配的壳体材料的制备机制是需要解决的关键科学问题。
- 可行性分析
理论依据可行：低共熔溶剂除有离子液体低挥发性的优点外，同时吸收CO2容量更大，更为关键的是无毒性、合成过程步骤简单且经济。从2003年发现低共熔溶剂至今，已有大量论文和专利研究低共熔溶剂吸收CO2。本项目在已有研究基础上，针对目前低共熔溶剂应用的难题（黏度大导致吸收CO2速率慢），利用微胶囊具有尺寸效应、极大的比表面积以及强有力的界面结合作用，开展低共熔溶剂均一微胶囊制备、表征及其强化沼气提纯过程界面效应研究。
研究方法和技术可行：目前美国劳伦斯利物莫国家实验室的Aines教授成功利用硅油作为壳体材料，制备出包裹30wt%碳酸钾溶液的微胶囊，发现其吸收速率是没有包裹前的碳酸钾溶液的10倍，同时解吸只需要在100℃下进行，吸收解吸循环80次后，发现吸收速率基本没变化。而低共熔溶剂在吸收CO2速率方面远远超过碳酸钾溶液，只要深入研究壳体材料和低共熔溶剂的相容性等，探索制备工艺与微胶囊尺寸和微结构的关系，就可成功制备出包裹低共熔溶剂的微胶囊，获得比碳酸钾溶液微胶囊更大的吸收速率。本项目也是已有研究工作的深入，本课题组主要成员长期从事微胶囊的制备和生物甲烷过程热力学的研究。目前主持1项国家自然科学基金青年基金、1项江苏省博士后项目均与生物甲烷过程有关，而参与的1项国家自然科学基金面上项目与界面效应有关。
综上所述，本项目所提出的理论依据及研究方法与技术均可行，研究队伍构成合理，结合前期进行的研究工作，完成本项目的研究内容是完全可能的。
- 研究方法和内容
采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）等现代分析技术对微胶囊的表面微结构、表面形貌以及晶体结构等参数进行表征。研究微胶囊成形过程中壳体材料类型、分散相浓度等条件对微胶囊微结构 （主要包括微胶囊表面的形貌和连续性、微胶囊内低共熔溶剂和壳体材料尺寸、晶体类型等）的影响。通过对微胶囊微结构形成过程与控制方法的研究，确定微胶囊的成囊机理，优化制囊方法和制囊条件，制备出高质量的低共熔溶剂微胶囊。
- 工作计划
2月28日—3月17日：完成文献查阅、开题报告等前期工作。
3月18日—5月10日：完成研究工作。
