利用多壁碳纳米管和疏水性二氧化硅纳米颗粒对聚（甲基丙烯酸甲酯）微胶囊进行热性能和机械性能的增强

《Journal of Molecular Liquids》：Thermal and mechanical enhancement of poly (methyl methacrylate) microcapsules using multi-walled carbon nanotubes and hydrophobic silica nanoparticles

PMMA微胶囊通过嵌入碳纳米管和二氧化硅纳米粒子增强壳结构，采用溶剂蒸发法，FT-IR和EDX证实有效包埋，SEM显示纳米改性改善形貌，纳米压痕显示硬度提升375%-800%。

　　PMMA微胶囊作为一种广泛应用的智能材料载体，因其透明性、化学稳定性和优异的机械性能而受到关注。然而，在实际应用中，其外壳往往难以承受较高的温度或压力，导致核心材料的意外释放，从而影响其功能性和可靠性。为了解决这一问题，本研究通过溶剂蒸发法将多壁碳纳米管（CNT）和疏水性二氧化硅纳米颗粒（SNP）嵌入PMMA微胶囊的外壳中，以提高其结构强度和热稳定性。实验结果表明，这种纳米修饰策略显著增强了微胶囊的机械性能和热阻抗能力，使其在高温或高压环境下仍能保持良好的性能，从而更适合用于封装高活性、热敏性的核心材料，而不会引发不必要的化学反应。

微胶囊的外壳结构是决定其性能的关键因素之一。在制造过程中，如果外壳不够坚固，可能会在外部力的作用下发生破裂，或者在高温下发生热分解，导致核心材料失效。例如，在热固性自修复材料的生产中，自修复基质的放热固化反应可能会使外壳变形，进而影响其功能。同样，在将微胶囊分散到高粘度基质中时，外部力可能对微胶囊造成破坏，影响其应用效果。因此，如何提高微胶囊外壳的机械和热稳定性，成为当前研究的重要方向。

为了增强微胶囊的性能，研究人员已经尝试了多种方法。例如，Wu等人通过将修复剂封装在混合石墨烯氧化物/聚合物外壳中，提高了微胶囊的机械强度。此外，他们还设计了三层壳结构，以增强微胶囊的均匀分散性、水阻性和机械强度。这种多层设计通过疏水性内层和亲水性外层的结合，提高了微胶囊的储存稳定性。Chen等人则采用双层结构，通过无机二氧化硅层和有机聚合物外壳的结合，提高了微胶囊的热和机械稳定性。Liu等人使用溶剂蒸发法制造了树脂/二氧化硅杂化壳微胶囊，并通过光固化处理提高了其性能。这些研究表明，纳米材料的引入可以显著改善微胶囊的性能，但同时也带来了新的挑战，例如材料相容性问题和加工成本的增加。

在当前的研究中，PMMA微胶囊因其优异的性能而被广泛使用。然而，其在高温或高压环境下的稳定性仍需进一步提升。为此，本研究采用溶剂蒸发法，将CNT和SNP作为纳米修饰剂引入PMMA微胶囊的外壳中。通过调整核心/外壳比例，以及CNT和SNP的添加量，研究人员评估了这些修饰剂对微胶囊结构和性能的影响。实验结果表明，减少核心/外壳比例可以显著提高微胶囊的硬度和热稳定性，而添加2%的CNT或SNP则进一步增强了其机械性能。此外，SNP的引入还促进了多核心微胶囊的形成，从而提高了微胶囊的热和机械稳定性。

在实验过程中，研究人员采用了多种分析手段来评估微胶囊的性能。例如，通过重力分析和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，验证了纳米修饰剂的封装效果。扫描电子显微镜（SEM）和场发射SEM（FE-SEM）用于研究纳米修饰剂对微胶囊形态的影响，而能量色散X射线分析（EDX）则确认了核心材料和纳米修饰剂的存在。热重分析（TGA）进一步表明，减少核心/外壳比例或添加SNP可以显著提高微胶囊的热稳定性，使其在高温环境下不易发生热分解。纳米压痕实验则显示，添加2%的CNT或SNP可以显著提高微胶囊的硬度，分别达到175%和800%的提升。

本研究的创新点在于采用多壁碳纳米管和疏水性二氧化硅纳米颗粒作为纳米修饰剂，通过溶剂蒸发法实现其在微胶囊外壳中的均匀分布。这种策略不仅提高了微胶囊的机械性能，还增强了其热稳定性，使其能够承受更高的温度和压力。此外，SNP的引入还促进了多核心微胶囊的形成，从而提高了微胶囊的整体性能。这些发现表明，多核心PMMA微胶囊在封装高活性、热敏性的核心材料方面具有显著优势，可以有效防止核心材料的意外释放，同时避免不必要的化学反应。

在实际应用中，微胶囊的外壳结构需要具备良好的适应性，以确保在不同环境下的稳定性和功能性。例如，在药物输送系统中，微胶囊的外壳需要能够控制药物的释放速度，以满足治疗需求。而在热储存系统中，微胶囊的外壳需要能够承受高温环境，同时保持良好的热稳定性。因此，提高微胶囊的机械和热稳定性，是实现其在多种应用中的关键。本研究通过引入纳米修饰剂，成功提高了微胶囊的性能，使其能够满足更高的应用要求。

此外，纳米修饰剂的引入还可能对微胶囊的其他性能产生影响。例如，CNT和SNP的添加可能会影响微胶囊的透明度、化学稳定性和储存寿命。因此，在研究过程中，研究人员需要综合考虑这些因素，以确保微胶囊在实际应用中的性能。通过调整纳米修饰剂的添加量和核心/外壳比例，研究人员可以优化微胶囊的性能，使其在保持机械和热稳定性的同时，不影响其他关键属性。

本研究的实验结果表明，纳米修饰剂的引入可以显著提高PMMA微胶囊的机械和热稳定性。例如，减少核心/外壳比例可以提高微胶囊的硬度，而添加2%的CNT或SNP则进一步增强了其机械性能。此外，SNP的引入还促进了多核心微胶囊的形成，从而提高了微胶囊的整体性能。这些发现为未来微胶囊材料的开发提供了新的思路，同时也为实际应用中如何提高微胶囊的性能提供了理论支持。

在研究过程中，研究人员还发现，纳米修饰剂的添加可能会对微胶囊的封装效率和核心含量产生一定影响。例如，当添加2%的SNP时，封装效率和核心含量分别降低了33%和21.6%。这表明，虽然纳米修饰剂能够显著提高微胶囊的性能，但其添加量需要适当控制，以避免对封装效率和核心含量造成负面影响。因此，在实际应用中，研究人员需要找到一个平衡点，使得微胶囊在保持良好性能的同时，不影响其封装效率和核心含量。

本研究的实验结果还表明，纳米修饰剂的引入可以改善微胶囊的形态和分布。例如，通过扫描电子显微镜和场发射SEM的分析，研究人员观察到添加纳米修饰剂后，微胶囊的形态变得更加均匀，分布也更加合理。这表明，纳米修饰剂的引入不仅能够提高微胶囊的性能，还能够改善其结构，使其在实际应用中更加稳定和可靠。

综上所述，本研究通过引入多壁碳纳米管和疏水性二氧化硅纳米颗粒，成功提高了PMMA微胶囊的机械和热稳定性。这些纳米修饰剂的添加不仅改善了微胶囊的结构，还提高了其在高温和高压环境下的性能。此外，实验结果还表明，纳米修饰剂的添加可能会对封装效率和核心含量产生一定影响，因此需要在实际应用中合理控制其添加量。这些发现为未来微胶囊材料的开发提供了新的思路，同时也为实际应用中如何提高微胶囊的性能提供了理论支持。