学术研究报告：水包油型Pickering乳液及其多孔材料应用研究

作者及发表信息
本研究由Bo Pang、Huan Liu、Peiwen Liu、Xinwen Peng和Kai Zhang合作完成，发表于《Journal of Colloid and Interface Science》第513卷（2018年3月1日），页码629-637。

学术背景

本研究属于胶体与界面科学领域，聚焦于利用生物基材料稳定Pickering乳液（一种由固体颗粒而非传统表面活性剂稳定的乳液）。传统Pickering乳液多依赖无机或合成聚合物颗粒，但基于可持续生物高分子（如纤维素）的乳化剂研究较少，尤其是针对水包油（W/O）型高内相乳液（HIPEs）的稳定化。研究目标是通过硬脂酰化微晶纤维素（Stearoylated Microcrystalline Cellulose, SMCC）实现W/O型HIPEs的稳定，并进一步将其作为模板制备疏水性多孔泡沫材料，用于油水分离等应用。

研究流程与方法

1. SMCC的合成与表征

• 步骤：通过异相反应将微晶纤维素（MCC）与硬脂酰氯（Stearoyl Chloride）在吡啶催化下酯化，制备SMCC。反应条件为100°C、1小时，产物经多次洗涤纯化。
  
• 表征实验：
  
  • 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：确认硬脂酰基（C=O键1745 cm⁻¹）的引入。
    
  • 扫描电镜（SEM）：显示SMCC在干燥状态下因疏水链聚集形成的块状结构。
    
  • 热重分析（TGA）：SMCC的热稳定性（5%失重温度305°C）显著高于MCC（275°C）。
    
  • 动态光散射（DLS）：SMCC的平均粒径为161.8 nm，多分散指数（PDI）0.276，表明尺寸分布较宽。
    

2. Pickering乳液的制备

• 方法：
  
  • 一步法：直接混合SMCC的甲苯分散液与水，均质化（6000 rpm, 90秒），制备中等内相乳液（MIPEs）。
    
  • 两步法：先形成MIPEs，再逐滴加水至高内相（>80%），制备HIPEs。
    
• 关键参数：SMCC浓度（0.5–3 wt%）、油相类型（甲苯、环己烷、苯乙烯）、水油体积比（1:1至3:1）。
  
• 乳液类型验证：通过“滴液测试法”确认W/O型乳液。
  

3. 多孔泡沫材料的制备

• 模板法：以苯乙烯/二乙烯基苯（DVB）为油相，SMCC稳定的HIPEs为模板，通过热引发聚合（70°C, 20小时）制备聚苯乙烯（PS）泡沫。
  
• 结构表征：SEM显示泡沫孔结构随内相体积分数（75–89%）变化，高内相（89%）时形成开放孔结构。
  

4. 油水分离性能测试

• 吸附实验：PS泡沫对二氯甲烷（DCM）的吸附容量达9.77 g/g，且经5次循环后性能稳定。
  

主要结果

1. SMCC的疏水性：静态水接触角为108.2°，显著高于MCC（27.5°），证实其适合稳定W/O乳液。
   
2. 乳液稳定性：SMCC浓度仅需0.5 wt%即可稳定乳液，HIPEs内相体积分数最高达89%。两步法是制备HIPEs的必要条件。
   
3. 泡沫结构调控：内相体积分数影响孔结构——75%时为闭孔，89%时形成开孔与孔壁通道，增强吸附能力。
   
4. 应用性能：PS泡沫对有机溶剂（如DCM）的吸附效率高，且可重复使用。
   

结论与价值

1. 科学价值：首次利用SMCC实现W/O型HIPEs的稳定，填补了生物基颗粒稳定高内相乳液的空白。
   
2. 应用价值：所制备的多孔泡沫在油水分离领域潜力显著，尤其适用于水下有机溶剂回收。
   
3. 方法创新：两步乳化法为高内相乳液制备提供了新策略，且SMCC的合成工艺简单、可扩展。
   

研究亮点

1. 材料创新：SMCC结合了纤维素的可再生性与疏水改性后的界面活性。
   
2. 工艺优化：通过两步法突破传统一步法无法制备HIPEs的限制。
   
3. 多功能应用：乳液模板法可扩展至其他多孔材料（如催化剂载体、组织支架）。
   

其他价值

研究还发现，SMCC的结晶区在酯化后保留（FTIR中3280 cm⁻¹峰），表明其表面改性未破坏内部结构，为后续功能化设计提供了基础。