电子墨水微胶囊的制备方法

【中心议题】

•     *电子墨水微胶囊的概念
•     *电子墨水微胶囊的制备方法

【解决方案】

•     *化学法
•     *物理化学法
•     *物理法

微胶囊技术指将固体颗粒、液体微滴或气体作为胶囊的芯材料,在其外形成一层连续而薄薄的包囊的过程。微胶囊是由囊芯材料和囊壁材料组成的,其中囊芯可以是液体、固体或气体,囊壁可以是无机材料和有机材料,但最常用的是高分子材料,如水溶性聚合物、油溶性聚合物、热固型聚合物、热塑型聚合物、聚脲、聚胺、脲甲醛树脂、纤维素及其衍生物、聚乙烯醇等。传统的微胶囊制备方法从原理上大致可分为化学方法、物理方法和物理化学方法3类。

1　化学法

根据微胶囊化时,制备囊壁所用材料的原料不同、聚合方式的不同,可以分为界面聚合法、原位聚合法和交联聚合法。

1.1　界面聚合法

在界面聚合法制备微胶囊的工艺中,囊壁是通过两类单体的聚合反应而形成的。参加聚合反应的单体至少是两种,其中必须存在两类单体:一类是油溶性的单体;另一类是水溶性的单体。它们分别位于芯材液滴的内部和外部,并在芯材液滴的表面进行反应,形成聚合物薄膜。可以使用的壁材有聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚碳酸酯等。

1.2　原位聚合法

在原位聚合法制备微胶囊的工艺中,并不是把反应性单体分别加到芯材液滴和悬浮介质中,而是单体或引发剂全部加入连续相中,即单体成分及催化剂是全部位于芯材液滴的内部或外部。在整个体系中,单体在单一相中是可溶的,而聚合物是不溶的,所以聚合反应在芯材液滴的表面上发生。在液滴表面上,聚合单体产生相对低分子量的预聚体,当这个预聚体尺寸逐渐增大后,沉淀在芯材的表面,由于交联及聚合的不断进行,最终在芯材液滴表面形成固体的胶囊外壳。可以使用的壁材有苯酚-甲醛树脂、蜜胺-甲醛树脂、尿素-甲醛树脂等。P.L.Foris研究了以尿素和甲醛为原料进行原位聚合,得到了一种透明而坚固的微胶囊。B. Comiskey等并将此用于电子墨水微胶囊的制备。

1.3　悬浮聚合法

前面所述的界面聚合法及原位聚合法均是以单体为原料,并经聚合反应形成囊壁的。而悬浮交联法与上述的两种方法不同,它是以聚合物为原料,即先将线型聚合物溶解形成溶液,然后,当线型聚合物进行悬浮交联固化时,聚合物迅速沉淀析出并形成囊壁。如聚乙烯醇、明胶、琼脂、蜡等。

2　物理化学法

主要是相分离法,其主要特点是通过改变条件使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉出来,并将囊心包裹形成微胶囊。其中最有代表性的是凝聚相分离技术,即利用改变温度,或在溶液中加入无机电解质、成膜材料的非溶剂,或创造条件诱发两种成膜材料间相互结合等方法,使壁材溶液产生相分离。相分离法根据分散介质分为水相分离法和油相分离法。水相分离法又按被相分离出来的聚合物的数量分为复合凝聚法和简单凝聚法。此外,还有干燥浴法、熔化分散冷凝法等。

3　物理法

物理法是利用物理和机械原理的方法制备微胶囊具有设备简单、成本低、易于推广,有利于大规模连续生产等特点。主要有锅包法、空气悬浮成膜法、喷雾法、包结络合法等。B.Comiskey等就是利用喷雾干燥的方法在二氧化钛的表面获得了一层聚乙烯膜,来降低二氧化钛颗粒的密度,使其与分散介质匹配。

用于制备微胶囊的方法很多,对于电子墨水显示技术,常用的囊心材料是液体,其中以界面聚合法和原位聚合法、相分离法应用最广。无论采用什么方法都包括两个相同的步骤,即膜的

形成和膜的固化。膜的形成,首先要把被包封的物料乳化、分散,再以这些细粒(微滴)为核心,使聚合物成膜材料在其上沉积、包覆,即形成微胶囊。固化的方法有化学反应、溶剂萃取或挥发、冷却等。微胶囊直径大小由制备过程的搅拌速度、所用乳化分散剂的类型和用量来控制,壁厚可通过皮芯比来控制。为了提高微胶囊的致密性,人们尝试了制备多层微胶囊。目前存在的主要问题是微胶囊的粒径分布和囊壁的粘连。

微胶囊技术的关键在于选择满足一定特性要求的包囊工艺和囊壁材料。评价微胶囊性能的参数有:粒径分布和囊壁的厚度、机械、扩散、电学和光学性能、与囊心的化学相容性等。此外,囊壁还应该具有低电导、透明、单分散、致密等性能。

微胶囊分散在某种溶剂中(如ultraviolet-curable urethane)即可制得电子墨水。此溶剂主要用来分散和保存微胶囊,一是防止微胶囊之间粘连和团聚,二是可直接用来“打印”电子纸。

电子墨水封装在透明导电薄膜内并与塑料晶体管薄层驱动电路压在一起即可实现电子墨水显示。