[发明专利]聚苯乙烯中空微球的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚苯乙烯中空微球及其制备方法和应用。更具体地说，本发明涉及采用封装法制备聚苯乙烯中空微球及其在钻井工业中的应用。

背景技术

中空微球型材料由于其特殊的中空结构而具有独特的化学和物理性质，近几年正越来越多地引起人们的关注，成为材料领域的研究热点。截止目前，无机材料、聚合物材料、金属氧化物材料和半导体材料（氧化镓、氮化镓）等均已被国内外科研工作者尝试制备成中空微球型材料，这些材料呈现出与相应实心材料不同的特殊功能。这些具有特殊特性的中空微球型材料有望应用于微反应器、药物输送、控制释放、光催化、酶包覆、光子晶体等方面。此外，由于中空微球型材料密度低、有效面积大、具有隔热、吸音和光遮盖性能，因此可以作为密度减轻剂、树脂添加剂和空间填充剂等，广泛应用于造纸、石油开采、建筑涂料和生物医药等行业和领域。

无机中空微球通常以无机材料作为外壳，通过高温溶解和喷雾法、模板法等方法制得，目前研究较多的有碳、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、羟基磷灰石等中空微球。无机中空微球除具有密度低的特点外，还具有硬度高、强度高、耐腐蚀、热稳定性好等突出优点，具有良好的应用前景。其中玻璃中空微珠已经有成熟的工业化产品，如美国Potters公司和比利时Glaverbel公司、Pittsburgh Corning公司、美国3M公司等，都可以大量生产中空玻璃微珠。玻璃中空微珠为薄壁白色中空球体，主要成分为碱石灰、硼硅酸盐玻璃，密度范围可从0.10g/cm3到0.70g/cm3，抗压强度最高可达124MPa，而且，随着玻璃微珠生产技术的发展，中空玻璃微珠可承受的强度会更高。

聚合物中空微球壳层结构以有机聚合物为主，它的抗温、抗压能力主要与所用的壳层材料有关，目前文献报道的壳层种类主要有酚醛树脂、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。这种中空微球由于壁材本身特性所致，具有一定的可变形性，与无机中空微球相比，聚合物中空微球具有脆性小、韧性强的特点，因此聚合物中空微球材料具有更好的耐磨、抗剪切性能，在动态条件下破碎率低，这对于需要在动态环境下使用具有重要意义，例如石油钻井、石油固井等。21世纪以来国内外科研工作者对聚合物中空微球进行了大量的研究和报道，但整体而言由于聚合物中空微球仍然存在着制备过程繁琐、球体粒径控制难度大、空心球壳厚度和相组成难以有效精确控制等问题，目前大多数仅限于实验室研究阶段，还没有成熟的工业化产品。

本发明的主要内容是利用改进的封装法制备聚苯乙烯有机中空微球。封装法又称乳化-固化法，是目前国内文献中制备聚苯乙烯中空微球最常用的方法。它的原理是采用三相溶液：第一水相(W1)：纯水或纯水+表面活性剂；油相(O)：聚苯乙烯+有机溶剂或者是苯乙烯单体和交连剂及引发剂混合而成的均匀溶液；第二水相(W2)：纯水+分散剂。采取适当的方式制备出W1/O/W2三重乳液。在一定的条件下，随着油相中有机溶剂逐渐扩散到W2相或蒸发，或单体聚合，油相浓度逐渐增大直至最后完全固化，形成聚苯乙烯球壳。这样就形成壳层为聚苯乙烯，内部包裹水的微球，真空抽滤，洗涤，真空干燥除去封装水，即可得到聚苯乙烯中空微球。张林等以聚苯乙烯为成球材料，采用封装法制备出直径为100～300μm、壁厚为2～8μm、球形度≥95%、同心度≥90%、表面粗糙度≤300nm的聚苯乙烯中空微球（张林，崔保顺，周兰等.微封装法制备空心塑料微球.强激光与粒子束，1995，7（1）：151-156）。Tsuji R和Ogushi Y采用封装法制备了可用做ICF靶的聚苯乙烯中空微球，直径大约为520μm（Tsuji R,Ogushi Y.Fabrication of polystyrene hollow pellet with high Z microparticles on inner surface for measurement of temperature and density in ICF plasma.Fusion Engineering and Design,1997,34-35:811-814）。