多元丙烯酸酯泡沫微球的制备

　　直接驱动惯性约束聚变(ICF)实验研究中,为了提高能量增益,需要尽量降低靶丸的密度,提高燃料的浓度。泡沫材料具有多孔、高比表面积的特点,作为一种可以获得能量高增益的靶型正引起越来越多的关注,并开始作为低温冷冻靶应用于ICF实验中[1-5]。常用于ICF实验的泡沫微球要求密度低(20~200 mg·cm-3),蜂窝尺寸小(0.8~2.0μm),原子序数元素低(C,H,O,N),能够浸润液体氘氚,易加工成型,化学纯度高,空间密度分布均匀。多元丙烯酸酯泡沫材料作为一种广泛应用于ICF实验中的特殊材料,具有密度在10~800 mg·cm-3范围内可调,蜂窝尺寸分布于1.0~5.0μm,仅含有C,H,O三种低原子序数元素等特点。D.Schroen-Carey[6]等人曾使用热引发聚合方式制备了多元丙烯酸酯泡沫微球。但由于制备过程中需要温度保持在70℃左右,导致水/油/水三相密度匹配失调,同时,过长的聚合时间(约1 h)带来更多的乳液破乳现象,最终导致微球成活率不高。解决这一问题可在溶液中添加光引发剂,使多元丙烯酸酯单体的聚合反应在常温条件下进行[7],同时通过增加光照时间,增强光照强度缩短聚合反应时间(约3 min)。

　　本文采用三喷嘴乳粒发生器,通过配制内层为水,中间层为多元丙烯酸酯溶液,外层为水的聚合物乳液,在紫外光照条件下实现了丙烯酸酯微球在室温条件下的快速制备,并对微球的粒径、壁厚、蜂窝尺寸进行了表征。

　　1　实　验

　　本文采用的三喷嘴乳粒发生器是在密度匹配乳液技术[8]的基础上设计开发的。为了制备出粒径为1.5~4.0 mm的多元丙烯酸酯微球,三喷嘴乳粒发生器需要设计适当的尺寸:其内层套管为金属钢针(内径0.25 mm,外径0.40 mm)输送内层水相,中间层套管为玻璃毛细管(内径0.80 mm,外径1.20 mm)输送油相,金属钢针嵌套在其中,外层套管为空心玻璃管(内径8.00 mm,外径10.00 mm)输送外层水相,玻璃毛细管嵌套在其中。当内层水相通过一个金属钢针尖端进入玻璃毛细管尖端流出的油相时,会在管口处形成油包水的泡状液滴。随着内层水相和中间层油相体积的不断增加,油包水液滴重力加大,此时,应在玻璃毛细管外部再套加一个空心玻璃管,并且注入外层水相作为流动相。当流动相的剪切作用大于乳液和毛细管间的粘滞作用时,平衡被打破,油包水液滴就会从管口脱离进入连续相。进入连续相之后,由于不同相的液体(油相和水相)之间不能互溶,为了降低表面能,液滴一般以球形状态存在。当水/油/水三相溶液密度一致时,就会形成稳定的乳液。根据以上原理,设计了三喷嘴乳粒发生器,如图1所示。

　　本实验中,油相溶剂是甲苯(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯)和邻苯二甲酸二丁酯(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯)的混合物,调节二者的比例,使得混合溶剂的密度与内层水相(双蒸水,20℃时密度0.997 7 g·cm-3)的密度相匹配。在混合溶剂中,根据目标密度不同选择添加不同量的多元丙烯酸酯单体(三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA),ACROS公司,直接使用)和光引发剂安息香甲基醚(添加量为单体质量的1%,ACROS公司,直接使用)。为了降低形成油包水液滴的表面张力,在油相中加入表面活性剂司班80(添加量为单体质量的1%,天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯)。充分搅拌后,通入N2气一定时间以除去溶解在溶液中的氧气。实验中的外层水相为质量分数为5%的聚乙烯醇(PVA)的水溶液。5%的聚乙烯醇可以阻止成型的油包水液滴团聚在一起,起到空间稳定作用,有利于提高微球的成活率。