用于Karstedt催化剂的新型复合微胶囊：一种基于有机胶的潜伏性绿色微胶囊，可在中等温度下固化硅橡胶

《Polymer》：Novel composite microcapsule for Karstedt catalyst: a latent green one based on organic gum for curing silicone rubber at medium temperature

微胶囊技术用于环保改性铂催化剂体系，通过GE/OSA-GA复合壁材实现催化剂缓释与低温固化。研究优化了1:1 GE/OSA-GA配比和1:2核心-壁材比例，在pH4.1、40°C制备条件下获得高效封装微胶囊，固化温度降至60°C且保持橡胶机械性能，解决传统催化剂高温、有色及批次不稳定问题。

　　本研究针对传统加成固化硅橡胶体系中存在的问题，如高温固化（100–200°C）、产品颜色退化以及固化过程控制不足等，提出了一种基于微胶囊技术的新型绿色改性策略。通过采用复合凝聚技术，成功开发出一种创新的微胶囊系统，该系统以明胶（GE）和辛烯琥珀酸酐修饰的阿拉伯胶（OSA-GA）作为壳层，以Karstedt催化剂作为核心。壳层的组成提供了双重优势：一方面能够有效防止催化剂与基质之间的预反应，从而将常温下的储存时间从40分钟延长至20小时；另一方面，基于壳层的特定软化温度（60°C），显著降低了固化温度。研究系统地探讨了工艺参数对微胶囊形态和功能的影响，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）验证了微胶囊具有稳定的核-壳结构和优异的热响应性能。该微胶囊系统能够在60°C的条件下实现硅橡胶的固化，同时保持其机械性能，且不引入有毒物质。研究为开发环保、常温稳定的硅橡胶体系提供了有效的策略，并具有重要的应用价值。

硅橡胶作为一种兼具无机和有机成分的高分子弹性体，其固化和交联技术在加工效率和适用场景的适应性方面起着决定性作用。硅橡胶因其优越的变形抗性、良好的抗振性、较长的使用寿命、不可燃性以及非毒性和环保燃烧产物等特性，被广泛应用于建筑、航空航天、汽车、医疗、国防和电子设备等多个领域。目前，工业上常用的硅橡胶交联工艺主要包括过氧化物交联、紫外固化、缩合交联和加成交联等。其中，过氧化物交联通常需要高温条件，更适合耐热体系；紫外固化虽然能够实现相对较快的交联速率，但存在对设备的依赖性和光引发剂迁移的风险；而缩合交联则伴随着醇类副产物的释放，这可能导致产品体积收缩和界面缺陷。相比之下，基于铂催化氢硅化反应的加成型体系由于零副产物生成和常温固化的特点，在生物医用设备和柔性电子等高精度领域展现出显著的技术优势。然而，该体系也面临固化过程难以控制的问题，这主要是由于铂催化剂（如Karstedt催化剂）活性过高，因此需要通过物理隔离或化学抑制剂进行调节。

尽管抑制剂的存在可以延长催化剂的储存时间，但需要高温解离，限制了其在低温条件下的应用；同时，铂催化剂与壳层形成的深色复合物会影响产品的外观，限制了其应用范围。此外，这些抑制剂通常存在纯化困难和批次稳定性差的问题。因此，近年来随着对可控固化硅橡胶体系需求的增加，微胶囊技术作为一种有前景的策略，被用来解决传统催化剂的局限性。已有相关研究探索了使用如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）或聚己内酯（PCL）等壁材对催化剂进行微胶囊化。通过微胶囊化，催化剂不仅能够控制固化过程，还能有效简化单组分硅橡胶的工业流程并降低能耗。

随着硅橡胶技术的发展，硅橡胶材料越来越多地用于针织面料、棉布和莱卡弹性面料上的装饰图案和标志。这些产品通常要求较低的成型温度（通常低于100°C），因此微胶囊化铂催化剂的壁层需要具有较低的软化点，以确保在温度上升至60–70°C时催化剂能够快速释放。然而，传统的壁材如聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS）通常需要更高的温度（>100°C）才能破裂并释放催化剂，而PCL则可能因生物降解性导致核心物质泄漏。此外，传统的溶剂蒸发法可能会引入有机溶剂残留，进一步影响固化过程。因此，开发一种既能实现常温稳定性，又能在低温条件下快速响应的新型催化体系成为迫切需求。理想的体系应满足以下特点：壁层具有较低的软化点，以便在温和条件下释放催化剂；微胶囊具有致密的结构，以确保储存稳定性；同时，该体系应与高粘度硅橡胶系统兼容，并且不会影响最终产品的光学性能；此外，微胶囊在制备过程中不应有任何有机溶剂残留的泄漏。

本研究采用Karstedt催化剂作为核心材料，以明胶（GE）和辛烯琥珀酸酐修饰的阿拉伯胶（OSA-GA）作为复合壁层，通过凝聚法成功制备了铂催化剂微胶囊。在实验中，通过调控GE与GA及OSA-GA的混合比例以及体系的pH值，研究了其对复合凝聚过程的影响。GE、GA和OSA-GA的电荷特性随pH值的变化而变化，其中GA和OSA-GA具有主链的负电荷，而GE在pH值低于其等电点时具有正电荷。因此，电荷相互作用可以促进形成致密的包覆层。此外，研究中使用了单宁酸（TA）作为无毒的固化剂，以替代传统的戊二醛体系，确保材料的生物相容性。同时，系统地研究了GA/GE和OSA-GA/GE双壁体系的优化工艺，以提供可能的机制。此外，还探讨了微胶囊在单组分硅橡胶体系中的常温延迟特性和固化动力学。该研究将促进有机硅材料在精密电子封装、柔性电子等领域的应用。

在材料方面，实验所用的GE（CP级）和GA（BR级）来源于中国医药集团化学试剂有限公司，辛烯琥珀酸酐修饰的阿拉伯胶（OSA-GA，CP级）由天津佳益贸易有限公司提供，冰乙酸（CP级）购自西陇化工试剂有限公司，单宁酸（USP级）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。Karstedt催化剂（5000 ppm，Pt）、氢化硅油（氢含量：0.36）和乙烯基硅油等材料也被用于实验。这些材料的选择不仅考虑了其化学性质，还兼顾了环保性和生物相容性，以满足新型微胶囊体系的需求。

在实验过程中，研究了GE与GA及OSA-GA的混合比例以及体系pH值对复合凝聚过程的影响。在众多影响凝聚过程的参数中，核心与壳层的比例（GE/GA和GE/OSA-GA）对封装效率起着决定性作用；同时，系统电荷密度的精确控制对于避免过度凝聚和进一步导致沉淀至关重要；此外，pH值可能直接影响壁层的电荷状态。在本研究中，通过实验分析GE、GA和OSA-GA的电荷特性随pH值的变化情况，优化了其混合比例，以实现最佳的微胶囊化效果。实验结果表明，通过合理调控pH值和材料比例，能够有效提高微胶囊的稳定性和功能。

此外，研究还探讨了微胶囊在单组分硅橡胶体系中的常温延迟特性和固化动力学。通过实验分析，发现微胶囊在常温下能够保持较长的储存时间，而在特定温度条件下（如60–70°C）能够迅速释放催化剂，从而实现快速固化。这一特性使得微胶囊系统在实际应用中具有较高的灵活性和可控性。同时，通过FTIR、SEM和TGA等分析手段，验证了微胶囊具有稳定的核-壳结构和优异的热响应性能，进一步证明了其在硅橡胶固化中的有效性。

在实验结果中，发现使用GE与OSA-GA以1:1的质量比构建复合壁层，核心材料与壁层的质量比为1:2，体系pH值为4.1，制备温度为40°C，壁层总浓度为1%时，能够获得最佳的微胶囊化效果。这一工艺不仅消除了对乳化剂的需求，简化了制备流程并降低了成本，还确保了微胶囊在常温下的稳定性和在特定温度下的快速响应能力。此外，实验还表明，该微胶囊系统能够有效保持硅橡胶的机械性能，同时避免有机溶剂残留的泄漏，进一步提升了其在实际应用中的可行性。

本研究的成果为开发新型、环保的硅橡胶固化体系提供了重要的理论支持和技术路径。通过微胶囊技术，能够有效解决传统加成固化体系中催化剂活性过高导致的固化过程难以控制的问题，同时避免高温固化对产品颜色和性能的负面影响。此外，该微胶囊系统能够在较低的温度条件下实现硅橡胶的固化，从而降低能耗并提高生产效率。研究结果表明，该体系不仅适用于高精度领域，如生物医用设备和柔性电子，还能够拓展至更广泛的工业应用，如建筑、汽车和电子设备等领域。

综上所述，本研究通过微胶囊技术成功开发了一种新型、环保的硅橡胶固化体系。该体系能够有效控制固化过程，延长常温储存时间，降低固化温度，同时保持硅橡胶的机械性能和光学性能。实验结果表明，该体系在实际应用中具有较高的稳定性和可控性，能够满足不同应用场景的需求。此外，研究还为未来硅橡胶材料的开发提供了新的思路，即通过合理设计微胶囊结构和壁层材料，实现更高效的固化过程和更广泛的应用前景。通过本研究的探索，有望推动有机硅材料在更多领域的应用，并为环保型材料的开发提供新的方向。