玻璃化转变温度对纳米颗粒气溶胶液滴最终形貌的影响

《Journal of Colloid and Interface Science》：Effect of glass transition temperature on the final morphology of nanoparticle-laden aerosol droplets

　　

# 摘要

喷雾干燥微粒的最终形貌是决定其化学和物理性质的关键因素，而这些性质对于制药、化妆品和食品制造至关重要。众所周知，蒸发液滴的干燥动力学以及用于产生气溶胶液滴的进料溶液的组成都会影响干燥颗粒的形貌。本文研究了含有定制双嵌段共聚物纳米颗粒的水溶液液滴中，改变成核嵌段的玻璃化转变温度对干燥颗粒形貌的影响。采用聚合诱导自组装（PISA）技术直接制备球形纳米颗粒的水溶液胶体分散体系，其动力学直径约为73至86 nm，玻璃化转变温度范围为?30至93 °C。为研究单个悬浮气溶胶液滴（平均半径 = 28–36 μm），采用静电动力天平监测其在相对湿度（RH）0至55%下的蒸发动力学。利用下落液滴柱在相同条件下干燥液滴，并采用扫描电子显微镜考察纳米颗粒核心的蒸发动力学和玻璃化转变温度如何影响其最终形貌。采用原子力显微镜可视化纳米颗粒的表面形貌并评估其界面力学性能。相对湿度降低会导致蒸发速率增加，并使最终干燥微粒出现更高程度的屈曲。对于稀水溶液分散体系，纳米颗粒对气溶胶蒸发动力学没有影响，但低于环境温度的玻璃化转变温度会导致更柔软的干燥微粒，表现出更大程度的变形。

# 引言

颗粒形貌是喷雾干燥中的关键参数，因为它决定了产品的粉末性质。这在制药和农用化学品加工以及食品制造中尤为重要[1]–[6]。对最终颗粒形貌的控制可以实现喷雾干燥材料化学和物理性质的优化[7]、[8]。例如，干燥颗粒的大小和形貌决定了其比表面积、孔隙率和密度[9]、[10]。这些参数直接影响溶解速率、团聚程度和分散性、粉末流动性[11]–[14]以及密度（例如吸入药物制剂优选低密度颗粒）[15]–[17]。原则上，气溶胶辅助自组装可以提供对最终形貌的良好控制[1]、[18]。尽管单液滴干燥实验和理论模型可以为喷雾干燥过程提供关键见解，但此类研究通常使用附着或悬挂液滴进行[19]–[21]。遗憾的是，其最终形貌可能受液滴表面非均匀蒸发通量的影响，这不能反映自由球形液滴的干燥过程[22]。此外，大多数研究聚焦于毫米级液滴[23]、[24]，而使用喷雾干燥器通常得到微米级液滴[10]、[25]。本研究通过对悬浮单微米级液滴的研究来解决这些局限性。

众所周知，可以通过控制气溶胶液滴的蒸发动力学来改变形貌[26]。蒸发会引起溶质和/或分散胶体颗粒的表面富集，这可能导致最终液滴形貌从均匀球形转变为屈曲形状[27]。屈曲程度通常可以用无量纲参数Peclet数（Pe）来解释，它描述了液滴表面退缩速率与液滴内溶质或纳米颗粒扩散速率之间的平衡（见公式1）：

Pe = K/Di = KkBT/6πηr

其中K为蒸发速率，Di为纳米颗粒（或溶质）的扩散系数。扩散系数采用Stokes-Einstein方程计算，其中kB为玻尔兹曼常数，T为液滴绝对温度，η为水的黏度，r为纳米颗粒平均半径。假设蒸发速率恒定，可以采用液滴的湿球温度作为T的估计值[26]。

当Pe ? 1，即蒸发速率远大于纳米颗粒扩散速率时，会发生表面富集[27]；这导致气-水界面附近纳米颗粒浓度富集。在这种情况下，纳米颗粒被毛细力拉拢，发生压缩并形成一个壳层。当它们足够接近时，van der Waals力也会促进壳层形成[28]、[29]。微粒直径和壳层厚度受Peclet数影响；较大的Pe使纳米颗粒表面富集更早发生在蒸发过程中，导致形成较薄的壳层和较大的微粒半径[26]。相反，较低的Pe值会形成较小的厚壁微粒。如果Pe足够低，则只形成实心球[30]、[31]。在初始壳层形成后，剩余溶剂继续从新生微粒内部蒸发，随着气相与界面之间毛细压升高，内部压力下降。最终，这会对壳层产生压缩应力，如果该应力高于壳层材料的机械强度，就会诱发变形。这就是文献中常报道的凹陷、屈曲、环形和爆裂形貌的来源[1]、[23]、[30]、[32]。

以往对含水纳米颗粒自由气溶胶液滴（而非附着或悬挂液滴）蒸发的研究主要聚焦于干燥条件和纳米颗粒尺寸如何影响最终微粒形貌。这些最终结构在此称为"超颗粒"（supra-particles）[26]、[30]、[33]。例如，在稀二氧化硅纳米颗粒水溶液分散体系（0.10–0.60% w/v）中，Archer等人证明纳米颗粒的初始浓度不影响干燥动力学。相反，气相温度和相对湿度有显著影响，影响最终形貌[26]。提高温度或降低相对湿度都会增加Pe，从而提高观察到的最终形貌的屈曲程度。此外，可以通过调节纳米颗粒尺寸来改变Pe，这会影响扩散系数。较大的纳米颗粒直径会降低Di，增加Pe，并应对应更明显的干燥超颗粒屈曲。然而，我们已证明增加纳米颗粒尺寸实际上会减少屈曲程度，因为壳层上的毛细应力较低[30]、[33]。因此，重要的是保持纳米颗粒直径恒定，以避免任何可能的尺寸效应对超颗粒形貌的影响。因此，本研究采用尺寸分布相对较窄且动力学直径大致恒定的明确定义的纳米颗粒。

Bamboriya和Tirumkudulu研究了纳米颗粒尺寸和硬度对干燥超颗粒形貌的影响[32]，他们考察了在超疏水表面上干燥的含有微米级聚苯乙烯或二氧化硅球的一系列附着液滴。在这种情况下，颗粒的玻璃化转变温度（Tg）被证明会影响最终超颗粒形貌[32]。然而，二氧化硅和聚苯乙烯具有相对较高的玻璃化转变温度，分别为100 °C和1207 °C，因此是硬而脆的材料。因此，此类实验并未系统地推广到相对柔软的材料，特别是Tg值低于干燥温度的材料[23]、[24]、[31]、[34]。

本研究中，采用对比动力学静电动力天平（CK-EDB）和扫描电子显微镜（SEM）考察悬浮皮升级液滴的蒸发动力学及其最终超颗粒形貌。实验在相对湿度（RH）0至55%范围内进行。特别是，考察了改变纳米颗粒核心的Tg对最终超颗粒形貌的影响。更具体地说，制备了四种动力学直径相当（约80 nm）的纳米颗粒，Tg值范围为?30 °C至93 °C。这四种样品提供了玻璃化转变温度和机械强度对水气溶胶液滴干燥过程中纳米颗粒堆积和壳层形成影响的直接对比。

# 分节片段

## 材料

乙醚、DMF、丙酮和二氧六环（ACS级别）购自Fisher Scientific（英国），未经进一步纯化直接使用。除另有说明外，所有化学品均按收到状态使用。N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAC；96%）、2-（十二烷基硫碳酰硫硫代）-2-甲基丙酸（DDMAT；>99%）、4,4'-偶氮双（4-氰基戊酸）（ACVA；>98%）、n-丁基丙烯酸酯（BA；99%）和苯乙烯（Sty；99%）购自Sigma Aldrich（英国）。2,2'-偶氮双[2-（2-咪唑啉-2-基）丙烷]二盐酸盐（97%）。

## 高分子/纳米颗粒合成

采用2-（十二烷基硫碳酰硫硫代）-2-甲基丙酸对N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAC）进行聚合。向小瓶中装入2-（十二烷基硫碳酰硫硫代）-2-甲基丙酸（300 mg，0.82 mmol，1当量）、DMAC（5.70 g，57.6 mmol，70当量）、ACVA（57.6 mg，0.21 mmol，0.25当量）和二氧六环9.2 mL）。然后将小瓶密封并通过三次冻-泵-冻循环除氧。将小瓶置于铝制加热块中（预热至70 °C）以引发聚合。4小时后……

## 具有不同玻璃化转变温度的双嵌段共聚物球体的合成与表征

首先，采用RAFT溶液聚合并使用2-（十二烷基硫碳酰硫硫代）-2-甲基丙酸（DDMAT）制备非离子型水溶性聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAC68；Mn = 7.0 kDa，Mw/Mn = 1.17）前体。合成方案详见实验部分（图S1和表1）。然后进行苯乙烯（Sty）和n-丁基丙烯酸酯（BA）的RAFT水乳液共聚（图1）。这种二元共聚单体混合物使Tg能够……

# 结论

我们研究了相对湿度和纳米颗粒玻璃化转变温度对含双嵌段共聚物纳米颗粒水气溶胶液滴的蒸发动力学和最终形貌的影响。如文献先前报道，使用较高相对湿度对蒸发动力学有显著影响：将相对湿度从0%增加到50%使蒸发速率降低了一半。成核嵌段的玻璃化转变温度对蒸发……（原文截断）

# CRediT作者贡献声明

Sorrel K. Haughton：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念构思。Panagiotis G. Georgiou：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念构思。Lukesh K. Mahato：撰写—审阅与编辑，验证，监督，概念构思。Robert L. Harniman：撰写……（原文截断）

# 利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的经济利益/人际关系：Jonathan Reid报告得到工程与物理科学研究委员会的资金支持。Sorrel Haughton报告得到工程与物理科学研究委员会的资金支持。Lukesh Mahato报告得到工程与物理科学研究委员会的资金支持。Fraser Crawford报告……（原文截断）

# 致谢

S.K.H.、L.K.M.、F.C.和J.P.R.感谢EPSRC（EP/W022206/1）的资金支持。S.K.H.和F.C.还感谢EPSRC气溶胶科学博士生培训中心提供资助（EP/S023593/1）。P.G.、S.V.和S.P.A.感谢EPSRC的资金支持（EP/W022214/1）。R.L.H.感谢BBSRC提供的先进原子力显微镜平台（BB/Z515802/1），该平台汇聚了前沿生物科学、工程、环境和物理科学。

Sorrel K. Haughton | Panagiotis G. Georgiou | Lukesh K. Mahato | Robert L. Harniman | Spyridon Varlas | Fraser Crawford | Steven P. Armes | Jonathan P. Reid