微胶囊的研究进展及其在特种纸领域的应用

楼炳轩，张秀梅

（浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州 310018）

微胶囊是21世纪的新兴技术，在医学[1]、营养学[2]、纺织印染[3-5]等方面有着很多的应用。根据微胶囊的生产制造方法以及微胶囊被添加在纸基材料中的研究，微胶囊在特种纸领域上具有广泛的应用前景。微胶囊可分芯材和壁材，芯材属于被包裹物质，而壁材属于包裹芯材的物质。微胶囊是一种粒径在1～1 000 μm，可控大小、形状的表面改性技术。该技术形成的微胶囊有着保护、阻隔以及缓释的作用。微胶囊技术结合纸基材料，在香味纸、阻燃纸、抗菌纸、无碳复写纸、除垢纸、光敏纸和磁记录纸等方面已有较多的研究开发利用[6]。微胶囊化技术可以通过对填料的表面改性，提高香精材料缓释性能，增加材料间的相容性[7]。本文对微胶囊的制造技术的发展及在特种纸领域的用途进行了探讨。

1 微胶囊的制备方法概述

制作微胶囊的材料分为芯材和壁材。微胶囊模型如图1所示。其中，壁材主要以高分子材料为主，高分子材料具有成膜性良好且具有适当的阻隔性、溶解性、硬度等条件。壁材一般多使用可交联的大分子材料，如明胶、壳聚糖、聚酰胺、三聚氰胺等材料[8-11]。芯材则为不同的功能性材料。例如，张腊等人应用红磷作为微胶囊芯材和甲基磷酸二甲酯进行复配，制备了复合阻燃剂阻燃硬质聚氨酯塑料[12]。王爱琼等人应用薰衣草香精作为芯材，制备香精微胶囊[13]等。

微胶囊是21世纪的高新技术，有着近200种制造方法[14]。目前，应用与生产的工艺主要可以分为三大类，有物理机械法、物理化学法、化学法，如图2所示。

图1 微胶囊模型

图2 微胶囊制备方法

还有一种方法是以生物细菌的细胞壁为壁材，将芯材通过注射的方式填入细胞壁内，得到可降解的环保微胶囊[15]，应用于纸基材料中，制备得到可降解的纸膜等产品。芯材通过适合的技术方法与壁材相结合，形成大小、形状、表面性质均可控的微粒，即微胶囊。应用微胶囊化技术，以无机材料为芯材，使用高分子材料壁材进行包裹，可以使无机材料在高分子材料中的相容性提高，并在高分子材料中有着更好的分散性，并且芯材不同时可以赋予高分子材料不同的特性。为高分子材料添加香味、阻燃、压敏和热敏等方面的特性，从而得到飘香纸、阻燃纸和无碳复写纸等特种纸。

2 微胶囊在特种纸领域中的应用

微胶囊化作为一种新型的生产工艺，制备得到的微胶囊在缓释性、密封性、光敏性和热敏性等方面相较于普通材料有着更好的表现，微胶囊化还可以实现以液体为芯材，通过壁材对芯材的包裹将液体材料变为固态粉末。塑料聚合物在生产加工的过程中需要添加很多的无机组分的填料，填料添加占比的多少会影响纸张的性能。无机组分常作为填料添加进入纸张的生产过程中，而无机组分在与大分子的纸基材料相容性较差，通过微胶囊的包覆无机组分，以高分子材料作为壁材，无机组分作为芯材，可提高无机组分在制备时与纤维素、木质素的相容性、分散性。在特种纸领域，微胶囊还有可以应用在阻燃纸、飘香纸、抗菌纸和无碳复写纸等领域。

2.1 微胶囊在阻燃纸中的应用

大多纸基材料热稳定性较弱，极限氧指数（Limiting Oxygen Index，简称LOI）较低，在受高温影响下容易起火，这使得纸基材料的应用范围受到限制。应用微胶囊化技术，微胶囊可以包裹填料，提高填料的热稳定性。研究通过微胶囊包裹聚磷酸铵（Ammonium Polyphosphate，简称APP）阻燃剂作为填料添加，能提高塑料包装整体的热稳定性[16]。Zi-Yue M O等人应用三聚氰胺甲醛树脂微胶囊化聚磷酸铵制备阻燃纸，提高纸张的LOI，并达到阻燃的标准[17]，如图3所示（图中“极限氧气浓度”是指聚合物在氧和氮混合气体中当刚能支撑其燃烧时氧的体积分数）。

图3 聚磷酸铵微胶囊化极限氧气浓度对比图

燃烧需要的3个条件是可燃物、氧气、温度达到燃点，燃烧的过程中会不断发出光和热，纸张燃烧的机理是高分子碳链在高温下的热解反应。纸张要达到阻燃效果，就是要阻隔燃烧过程产生的热或者在燃烧时能放出阻燃性气体，抑制或是阻止热解反应的继续。这可以通过添加阻燃物质实现。纸张属于碳基材料，其成分中的纤维素、木质素都是易燃物质，常用到红磷、氢氧化镁、氢氧化铝等阻燃物质作为填料添加，提高纸张的LOI。目前阻燃技术正向着低烟、低毒、环保的方向发展。

微胶囊技术与阻燃纸相结合，复配氢氧化铝和红磷制备得到阻燃微胶囊、微胶囊化聚磷酸铵能够达到的极限氧指数较红磷、氢氧化铝、聚磷酸铵更高。因此，可以通过更少量阻燃剂的添加达到阻燃效果。填料阻燃剂添加量的减少，增加了纤维素在纸张中的占比，提高了纸张的强度与质量。

2.2 微胶囊在飘香纸中的应用

香精微胶囊是以香味物质为芯材，通过微胶囊工艺的制造方法，制得的香味微胶囊。香精微胶囊有着缓释的特性，能够在很大程度上延长香精制品的香味释放期，提升香精产品的性能[18-19]。塑料制品在热熔挤出生产过程中，需要200℃以上的高温，在这个条件下，香精会挥发大部分分子。而微胶囊化香精材料可以很好地提高香精材料的热稳定性。通过微胶囊化香精材料，提高了香精的耐热性，使得香精在生产过程中的损耗降低，减少了香味塑料在生产过程中的成本。通过微胶囊的缓释特性，延长香精散发香味的时间，提高飘香纸包装的利用时长，也可以通过添加更少量的微胶囊化香精材料达到添加香精材料的效果。

飘香纸配合包装设计来提升感官体验，对于产品销量上的提升有着很大的作用[20]。图4显示了消费者购买意向影响因素[数据来源：pro carton协会（欧洲纸盒和纸板制造商协会）]。

通常使用的礼品、礼盒包装，是通过包装的颜色、

图4 消费者购买意向影响因素

气味、造型设计来达到提升产品档次的效果。飘香纸能够散发添加的香型香味，引起人体的嗅觉系统的关注，香味包装的主要特性是能够唤起人脑中对于气味的回忆。传统添加花香香型就是通过气味唤起人们对花朵的感官感受，刺激大脑皮层中的多巴胺分泌，让人有一种愉悦的感受，从而提升产品的竞争力[21]。在商品包装上应用飘香纸，给商品添加一层独特的香味，在消费者重复购买商品时，可以通过香味唤起消费者对于商品的感官，达到增强客户黏性的目的。微胶囊技术可以将液体物质转化为粉末状固态物质，应用到飘香纸中，能够像液体香精材料添加到纤维素之间，使得添加到纸张中香型选择更加多样。并且微胶囊缓释的效果也能够使得飘香纸的使用时长得到延长，提高产品的利用效率。

2.3 微胶囊在无碳复写纸中的应用

传统的复写纸是由上层纸、涂碳层、下层纸复合而成。而无碳复写纸是由上层纸、微胶囊、显色剂、下层纸复合而成[22]。无碳复写纸的应用非常广泛，目前在电脑打印、企业发票、收据等领域有着很大的市场。微胶囊在无碳复写纸中的应用技术已经很成熟，无碳复写纸实质是一种压敏纸，在感受到压力时微胶囊破裂，微胶囊包裹的成分与下层的显色剂接触，从而使字迹在纸张上显现出。微胶囊是一种微包装结构，微胶囊内可加入不同材质的油墨，可加入荧光防伪油墨、彩色油墨、热敏油墨等。

无碳复写纸中应用的微胶囊技术的关键在于微胶囊的粒径控制[23]，现大多无碳复写纸中微胶囊粒径在4～10 μm。适合大小的粒径可以在微胶囊受到笔尖压力的同时破裂，不会因为压力过大或过小，对纸张的使用造成影响。因为无碳复写纸防伪特性优良，现今其主要发展方向为防伪方向。无碳复写纸的压敏特性不止在防伪方向，在新型包装设计等很多新领域也可进行拓展[24]。

2.4 微胶囊在其他特种纸中的应用

微胶囊技术目前主要有无碳复写、阻燃、香味这3个应用方向。除了这些，还可以制备磁性微胶囊，俄罗斯一家联合企业研制出一种微胶囊化的磁性粒子，可将磁性微胶囊添加进入纸张当中，复合形成磁记录纸。该磁性粒子具有高磁性、力学性能好等特点，该技术可扩展应用到聚合物微胶囊化的铝粉、石墨、玻璃纤维等材料方向[25]。微胶囊技术在抗菌方向的应用是，应用肉桂精油微胶囊，通过涂布浸渍等方法将微胶囊添加到纸张上，制备得到抗菌纸[26]，微胶囊通过将细菌中的酶失活来抑制细菌的生长繁殖，达到延长食物保质期的目的。微胶囊包裹起泡加入纸张中时可以降低纸张的密度，制备得到低密度纸。此外，微胶囊的应用范围除特种纸领域外在医学中的缓释药物微胶囊、食品领域的香味添加剂、化工等领域也得到了广泛应用[27-28]。

3 结语

微胶囊技术作为新兴技术在很多领域都得到了研究和应用。在特种纸领域，可以应用到阻燃、复写、香味、抗菌等产品上。通过微胶囊化材料，改善材料的阻隔性、微粒大小、微粒形态等特性，并能够将液态材料转换成固态材料。微胶囊技术在特种纸上有着越来越多的应用，在目前市场上，特种纸应用微胶囊技术制备工艺还并不常见。随着微胶囊技术的应用不断发展，使用微胶囊化材料和技术给产品带来性能上的提高、成本降低的作用将会不断凸显，这也将不断推进企业的技术革新。在应用方向上，飘香纸香味包装在我国还较为少见。而产品的包装设计花样繁多，各种不断夺人眼球的设计都是为了提升产品在终端市场的竞争力，而飘香纸能够给产品赋予独特的香气，搭配外包装设计，将会给包装市场、特种纸市场的发展带来新的驱动力。本文通过总结微胶囊的制备工艺，以及微胶囊技术在特种纸领域现有应用，为微胶囊技术在特种纸领域的深入研究应用提供参考，探索不同生产工艺、不同材料的微胶囊与特种纸领域的结合应用。