一种以二氧化硅为载体的DCOIT缓释纳米胶囊及其制备方法与应用

一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明涉及一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊及其制备方法与应用，属于纳米胶囊制备技术领域。


背景技术：

2.海洋生物污损给全球海洋导航、海洋通信和海洋资源的开发利用带来了严重问题。多年来，已经实施了多种防污策略来预防和控制生物污染过程，如机械清洗、电解海水和刷涂防污涂料等。其中，刷涂含有防污剂的防污涂料是最方便和应用最广泛的处理方法。传统防污剂通常包括有机汞、有毒铅和氧化亚铜，对海洋环境和人类健康构成严重威胁。因此，开发环保杀菌剂、提高杀菌剂的利用率，一直是船舶防污涂料领域重要的研究课题。
3.20世纪90年代，美国rohm&hass公司成功研制出一种化学名为4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮(dcoit)的化合物，并将其注册商标号为sea-nine211开始投放市场。dcoit为白色至淡黄色粉末，不仅具有低毒、长效、广谱的杀菌灭藻特性，而且具有在环境中快速降解，在生物体内积聚作用小的特点。在1996年和1997年分别获得“presidential green chemistry challenge”奖和“化工环境优胜奖”，被誉为环保型杀菌剂。但与其它种类的杀菌剂类似，在使用初期，dcoit含量高，释放速度快，释放浓度远高于抑制海洋污损生物附着的有效浓度；而在使用后期，dcoit含量低，释放速度慢，难以达到抑制生物附着的要求。微胶囊具有实现芯材缓慢释放的独特优势，因此，为了dcoit在使用过程中得到充分利用，达到长效防污效果，研制dcoit微胶囊具有重要意义。
4.关于以二氧化硅为载体进行载药纳米胶囊的制备也有不少文献及专利报道。例如，中国专利文献cn108676615a将薰衣草香精与正硅酸乙酯、硅烷偶联剂在反应釜中混合形成油相；向所述的油相中加入水与乙醇形成的水相，再加入乳化剂并进行搅拌；向所述乳液中加入碱性催化剂，使其进行反应，反应完成后即得到薰衣草缓释香精。中国专利文献cn104548105a公开了一种以增溶有疏水性物质的表面活性剂胶束为模板的封装有疏水性物质的中空二氧化硅微胶囊及其制备方法。将表面活性剂加入到乙醇溶液中搅拌均匀；然后加入硅源和疏水性物质的混合物，再加入碱液作为硅源水解缩合的催化剂，调节ph室温反应；将所得产物离心，水洗后低温干燥，即得封装有疏水性物质的中空二氧化硅微胶囊。此类专利使用了不同的二氧化硅前体和合成条件来制备以二氧化硅为载体的纳米胶囊，虽然能够实现将芯材在一定程度的包覆，但存在以下问题：(1)制备过程需要添加额外的表面活性剂及酸或碱催化剂，制备条件要求苛刻，增加了额外的生产成本。(2)步骤是分多步进行，反应时间长，不易进行纳米胶囊的工业化生产。(3)制备的纳米胶囊包封率低，封装效果欠佳，不能控制防污剂的长期、稳定地释放。
5.因此，研发一种工艺简单、易于实现、低成本、利于工业化生产、包埋率和载药量高、缓释效果优异的dcoit纳米胶囊的制备方法具有重要的意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊及其制备方法与应用。本发明的方法能够改善纳米胶囊的包埋率与载药量，提高dcoit杀菌剂在使用过程中的利用率；并且本发明所制备的dcoit纳米胶囊球形度规整、包埋率和载药率高，可有效减缓药物在使用初期中存在的爆释现象，具有良好的dcoit缓释效果。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊，所述纳米胶囊包括芯材和壁材；所述芯材为dcoit的二甲苯溶液；所述壁材为有机改性二氧化硅，由氨基烷氧基硅烷和烷氧基硅烷在油水界面自催化反应而成。
9.根据本发明优选的，所述纳米胶囊的微观形貌为：粒径为500-800nm的纳米球。
10.上述以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤：
11.(1)在搅拌条件下，将氨基烷氧基硅烷滴加至去离子水中，得到氨基烷氧基硅烷水溶液；
12.(2)将dcoit和烷氧基硅烷溶解于二甲苯中得到混合液；搅拌条件下，将混合液缓慢滴加至氨基烷氧基硅烷水溶液中，经搅拌反应，所得反应液经分离、洗涤、干燥得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
13.根据本发明优选的，步骤(1)中，氨基烷氧基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷或3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或两种以上的组合；优选的，氨基烷氧基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷(aps)。
14.根据本发明优选的，步骤(1)、(2)中，所述搅拌的速率为500-1250rpm。
15.根据本发明优选的，步骤(1)中，氨基烷氧基硅烷和去离子水的体积比为1:50-100。
16.根据本发明优选的，步骤(2)中，烷氧基硅烷为正硅酸四乙酯、甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷或二乙基二乙氧基硅烷中的一种或两种以上的组合；优选的，所述烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷(mtms)。
17.根据本发明优选的，步骤(2)中，烷氧基硅烷和二甲苯的体积比为0.2-2:1，优选为0.25-1.5:1。
18.根据本发明优选的，步骤(2)中，dcoit的质量和二甲苯的体积比为0.1-0.5:1g/ml。
19.根据本发明优选的，步骤(2)中，混合液中烷氧基硅烷和步骤(1)氨基烷氧基硅烷水溶液中氨基烷氧基硅烷的体积比为1-3:1。
20.根据本发明优选的，步骤(2)中，所述反应的温度为15℃-45℃；所述反应的时间为6-24h。
21.根据本发明优选的，步骤(2)中，所述分离为使用离心机分离出纳米胶囊；所述洗涤为使用水洗涤3-5次；所述干燥为在30-50℃下干燥12-24h。
22.根据本发明优选的，步骤(2)中，滴加速率为0.5-2ml/min。
23.上述以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的应用，作为功能性化学品添加剂，用于防止真菌和细菌生长；优选的，所述纳米胶囊作为添加剂应用于涂料、橡胶、塑料、润滑
油或木材中。
24.本发明的技术特点及有益效果如下：
25.1、本发明制备二氧化硅dcoit缓释纳米胶囊的过程中将芯材dcoit溶于二甲苯中做油相，有效减少dcoit向水相中扩散的机率，提高了微胶囊的包埋率。并且本发明区别于法、微乳液模板法、水热合成、pickering乳液聚合等制备纳米胶囊的通用方法，本发明利用氨基烷氧基硅烷和烷氧基硅烷，优选甲基三甲氧基硅烷(mtms)和3-氨丙基三甲氧基硅烷(aps)在油/水界面上的自催化反应将芯材dcoit封装在有机硅纳米胶囊中，并且该过程不需要额外的表面活性剂和催化剂，制备工艺简单，制备条件易于实现，成本较低。
26.2、本发明壁材的形成过程包括：(1)氨基烷氧基硅烷溶解在水中时，氨基将首先质子化，此时带正电荷的质子化氨基烷氧基硅烷显示出两亲的性质；(2)当烷氧基硅烷和dcoit二甲苯的混合液逐滴添加到氨基烷氧基硅烷水溶液中，质子化的氨基烷氧基硅烷分散在油相小液滴界面处；(3)氨基的质子化将导致体系的ph值升高，为氨基烷氧基硅烷和烷氧基硅烷在水-油界面的水解和缩合提供了碱性环境，此时的dcoit油滴充当球形软模板；(4)随着反应时间的延长，油相中氨基烷氧基硅烷和烷氧基硅烷不断消耗，壳的厚度不断增加，从而形成含有dcoit油相的有机改性二氧化硅囊壁。
27.3、本发明方法中需要控制氨基烷氧基硅烷及烷氧基硅烷的加料顺序和加料方式，若互换添加顺序或起初一起加入反应体系中等，所得纳米胶囊的包埋率以及载药量降低。本发明的纳米胶囊制备过程中，反应的氨基烷氧基硅烷及烷氧基硅烷的添加量对于所得纳米胶囊的包埋率以及载药量至关重要，需要控制二者的比例在本发明范围之内，上述比例过高或过低，所得微胶囊的包埋率以及载药量降低。本发明氨基烷氧基硅烷及烷氧基硅烷的种类对所得微胶囊的包埋率以及载药量也具有一定的影响。即本发明制备方法作为一个整体，共同作用实现本发明的效果。
28.4、本发明制备得到的二氧化硅dcoit缓释纳米胶囊为白色或棕白色粉末状均匀球体，表面致密，无明显缺陷，平均粒径500-800nm，更容易在涂层中均匀分散；二氧化硅dcoit纳米胶囊药物包埋率为45-55％，具有较好的包埋率与载药量；壁材的抗渗能力强，具有良好的缓释性能，可有效减缓药物在使用初期中存在的爆释现象；并且本发明得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊的耐热性，壁材的力学性能优异，在230℃之内热稳定性良好。
29.5、本发明的二氧化硅dcoit纳米胶囊工艺原料来源广泛，价格低廉；并且本发明的二氧化硅dcoit纳米胶囊制备工艺简单，反应历程短，利于工业化生产；本发明所得纳米胶囊不仅可用于海洋防污涂层，还可应用于橡胶、塑料、纤维、润滑油、木材行业等各工业领域，拓宽了纳米胶囊的使用范围。
附图说明
30.图1为实施例1制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的sem图；其中，a为纳米胶囊聚集体形貌图；b为破裂的纳米胶囊形貌图。
31.图2为实施例1制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊、dcoit和空白纳米胶囊的红外谱图。
32.图3为实施例1制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊、dcoit和空白纳米胶囊的tg曲线。
33.图4为实施例1制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊和dcoit原药在不同温度下的缓释曲线。
具体实施方式
34.下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
35.实施例中所用原料如无特殊说明，均为常规原料，可市购获得；实施例中所用方法，如无特殊说明，均为现有技术。
36.实施例1
37.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
38.(1)在1000rpm的机械搅拌下，将0.5ml的aps滴加进50ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
39.(2)将0.25g dcoit和1ml的mtms溶解在1ml二甲苯中，1000rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为25℃，搅拌反应12小时。
40.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
41.本实施例制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的sem图如图1所示。由图1a可看到干燥后的纳米胶囊保持了较为平滑完整的结构，几乎没有发生破裂，说明在干燥过程中，纳米胶囊壁结构可较好地保护内部的dcoit成分，从而保持纳米胶囊的球形结构，纳米胶囊粒径约为600-700nm。图1b为少数破碎的纳米胶囊的扫描图片，从中可以看出纳米胶囊具有明显的中空结构，形成了微胶囊结构。
42.本实施例制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊(载药纳米胶囊)、dcoit和空白纳米胶囊(空白纳米胶囊的制备如本实施例所述，所不同的是步骤(2)中不加入dcoit)的红外谱图如图2所示，从图2中可以看出，dcoit纳米胶囊的光谱中出现了壁材和芯材的特征峰，证明制备得到的纳米胶囊成功地将dcoit包覆。
43.本实施例制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊(载药纳米胶囊)、dcoit和空白纳米胶囊(制备方法同上)的tg曲线如图3所示，从图3中可以看出，微胶囊在230℃之内质量损失较小，说明微胶囊可以在一定程度上保持dcoit的稳定性，但高温(超过230℃)条件下也会破坏微胶囊的壁材结构，致使dcoit的分解。综上所述，微胶囊的加工温度不宜高于230℃。
44.本实施例制备的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊、dcoit原药的释放曲线如图4所示。从图4中可以看出，dcoit原药具有较快的释放速率，从16h后的释放趋势判断此时已基本释放完全。本实施例制备的纳米胶囊的释放速率远远小于dcoit原药，有效减缓药物在使用初期中存在的爆释现象，具有良好的缓释效果。纳米胶囊中dcoit在20、30、40℃下的累积释放分别达到42.79％、48.56％和56.85％；这是由于随着温度的升高，dcoit分子的布朗运动加快，释放量增加；此外，壳材料膨胀后壳层上的孔隙增大及裂纹数量增加，进一步导致了dcoit释放速率的加快。综上所述，纳米壳体为dcoit提供了一道屏障，延长了dcoit的释放时间，有较好的缓释效果。
45.本实施例得到的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的包埋率(纳米胶囊中dcoit的质量与dcoit添加量的比值)为47.37％，载药量(纳米胶囊中dcoit的质量与纳米胶囊质量的比值)为27.50％；在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
46.实施例2
47.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
48.(1)在750rpm的机械搅拌下，将0.25ml的aps滴加进25ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
49.(2)将0.25g dcoit和0.25ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，750rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为15℃，搅拌反应6小时后恢复至室温。
50.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
51.本实施例得到的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的包埋率为44.42％，载药量为26.30％；在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
52.实施例3
53.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
54.(1)在1250rpm的机械搅拌下，将0.75ml的aps滴加进75ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
55.(2)将0.25g dcoit和1.5ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，1250rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为35℃，搅拌反应18小时后恢复至室温。
56.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
57.本实施例得到的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的包埋率为47.47％，载药量为26.53％；在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
58.实施例4
59.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
60.(1)在750rpm的机械搅拌下，将1.00ml的aps滴加进50ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
61.(2)将0.25g dcoit和1.5ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，750rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为45℃，搅拌反应12小时后恢复至室温。
62.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
63.本实施例得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊的包埋率为43.70％，载药量为25.66％；在在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
64.实施例5
65.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
66.(1)在500rpm的机械搅拌下，将0.5ml的aps滴加进25ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
67.(2)将0.25g dcoit和0.75ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，500rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为25℃，搅拌反应24小时后恢复室温。
68.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
69.本实施例得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊的包埋率为46.99％，载药量为26.66％；在在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
70.实施例6
71.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
72.(1)在1000rpm的机械搅拌下，将0.25ml的aps滴加进25ml去离子水中，滴加时间为1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
73.(2)将0.25g dcoit和0.75ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，1000rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为35℃，搅拌反应6小时后恢复至室温。
74.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
75.本实施例得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊的包埋率为48.17％，载药量为27.18％；在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
76.实施例7
77.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
78.(1)在1000rpm的机械搅拌下，将0.5ml的3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷滴加进50ml去离子水中，滴加时间为1min，得到3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷的水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷显示出两亲性质。
79.(2)将0.25g dcoit和1ml的二甲基二甲氧基硅烷溶解在1ml二甲苯中，1000rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为25℃，搅拌反应12小时。
80.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到有机改性二氧化硅包覆dcoit的缓释纳米胶囊。
81.本对比例相较于实施例1显示得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊有部分破损(破损量大于实施例1)且包覆效果不佳，包埋率为34.23％，载药量为16.89％。
82.实施例8
83.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
84.(1)在1000rpm的机械搅拌下，将0.5ml的aps滴加进50ml去离子水中，滴加时间为
1min，得到aps水溶液。此步骤中由于氨基发生质子化，此时带正电荷的质子化aps显示出两亲性质。
85.(2)将0.25g dcoit和2ml的mtms溶解在1ml二甲苯中，1000rpm的搅拌条件下，缓慢滴加进aps水溶液中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为25℃，搅拌反应12小时。
86.(3)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊。
87.本实施例得到的以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的包埋率为35.42％，载药量为20.22％；在200℃之内的质量损失较少，热稳定性良好。
88.对比例1
89.一种以二氧化硅为载体的dcoit缓释纳米胶囊的制备方法，包括步骤如下：
90.(1)将0.25g的dcoit、0.5ml的aps以及1.0ml的mtms溶解在1.0ml二甲苯中，在1000rpm的机械搅拌下，缓慢滴加进50ml去离子水中，滴加时间为2min，形成水包油乳液，将反应体系的温度调整为25℃，搅拌反应12小时。
91.(2)然后使用离心机将纳米胶囊从混合物中分离出来，随后用蒸馏水洗涤3次，在40℃的电热鼓风干燥箱中干燥12小时，得到有机改性二氧化硅包覆dcoit的缓释纳米胶囊。
92.本对比例相较于实施例1显示得到的二氧化硅dcoit纳米胶囊粒径分布不均且包覆效果不佳，即包埋率为37.12％，载药量为19.44％。
93.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例与相应的对比例，是发明人花费了大量的时间多次实验出的结果。熟悉本领域的技术人员显然无需创造性劳动就可以对这些实施例做出各种改进和润饰。因此，凡是本领域中的技术人员在不脱离本发明下得到的技术方案均应该在本发明的保护范围之内。