一种层式材料制备工艺的探究

徐辉祥，罗鑫，罗金刚，田钦华，葛维娟

（西安培华学院，陕西西安 710125）

真空冷冻干燥技术是在一定温度下使产品中的水分结成固态冰，并通过加热操作直接转化为水蒸气，该技术可去除原料中95%～99%的水分，从而获得所需要的干燥产品[1]。利用冷冻干燥方法干燥的产品具有疏松多孔的特点，形似多孔材料[2]。近年来，层式材料大量出现，然而多数多层复合敷料各层之间是通过缝合或相互粘结而成的，特别是通过胶粘剂粘合的复合层式材料，因胶粘剂性能上的局限，粘接强度有限，且使用过程中需配备专门的施胶设备，从而限制了其大量推广和使用[3]。本文提出了一种利用冷冻干燥技术制备层式材料的工艺，进而为研发新型多层、多功能材料的实现提供新思路。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

YP102N电子天平，西安斯坦利生物科技有限公司；LGJ-40G普通真空冷冻干燥机，北京四环起航科技有限公司；BCD-539wt超低温冰箱，海尔（Haier）；UPR-Ⅱ-20L超纯水制备装置，四川优普超纯科技有限公司；HH-2电热恒温水浴锅，上海博珍仪器设备制造厂。

明胶，化学纯，西安天正药用辅料有限公司；聚乙烯醇，分子量4 000，分析纯，西安聚信化工有限公司；羧甲基纤维素钠[5]，分析纯，西安聚信化工有限公司；色素，天津正远化工有限公司；液氮，陕西秦唐新时代气体有限公司；超纯水，实验室自制；一次性注射器，5 mL；玻璃平皿，60 mm。

1.2 实验方法

1.2.1 水溶性层式材料构建原理

层式冷冻法是在利用冷冻干燥的基础上改变传统的工艺流程，主要对样品干燥前进行处理，通过构建层式模型，再进行冷冻干燥得到层式材料。其层式模型构建原理如图1所示。将高分子材料制备成一定浓度的溶液，预冻后加入第1层材料待其冷冻坚固后取出，在一定条件下加入第2层材料，两层材料在接触后接触层会发生一定程度的互溶，因此经冷冻干燥后层与层之间会紧密连接。为了减少第1层材料与平皿底部接触产生的冻痕问题，在平皿最底部预先冻一层薄冰，故干燥后材料会悬空在平皿中且疏松多孔。

图1 层式材料构建原理

1.2.2 水溶性层式材料构建方法

（1）溶液配制：将0.5%的明胶溶液、5%聚乙烯醇-羧甲基纤维素钠溶液混合，加入不同颜色的色素予以区分，放入-18 ℃冰箱中预冻30 min左右，使样品溶液整体未凝固成固体冰，但内部有部分冰晶，表面有一层不成形的冰。

（2）冰层构建：取经处理后的直径为60 mm玻璃平皿，加入超纯水4 mL，放入低温冰箱-18 ℃冷冻3 h以上，使低层冰冻实，防止冰层与材料互溶。

（3）层式构建：将冻有冰层的平皿取出，在冰层上面加少量液氮，待液氮挥发后快速加入3.5 mL预冻的材料溶液，并使其均匀覆盖在冰面上。然后将平皿放入-18 ℃低温冷冻冰箱中，冷冻2 h以上。在重复上述操作便可制成2层、3层的材料。

（4）干燥阶段：将平皿物料室温度在-15～0 ℃时将放在搁板上→当冷阱温度在0 ℃时，真空泵打开，样品进入冷冻干燥阶段，干燥结束取出材料。

1.3 样品观察

待样品干燥结束后，取出，肉眼观察样品在平皿中的悬空状态，然后将样品用锋利的小刀切开形成平整的断面，观察层与层之间的分层、连接程度及材料内部的孔隙度。

2 结果与分析

2.1 干燥样品侧切面形态

图2为5%聚乙烯醇-羧甲基纤维素钠经层式冷冻干燥后的样品切面侧视图，可以清晰看见材料分层明显，层与层之间连接紧密。由于在器皿中加有冰层，经干燥后冰升华离去在材料中留下大量疏松多孔的结构，所以在材料中可以看见有大量的疏松小孔。

如图3为0.5%的明胶溶液干燥后侧视图，可以清晰地看见干燥后材料悬空在器皿中（如图4），且底部构型完整、均匀、无突起、无黏连，避免了传统方法干燥后材料贴在器皿上、底部有冻痕且不易分离的问题。

图3 0.5%明胶三层材料干燥样品侧切面形态

图4 0.5%明胶三层材料干燥后样品悬空状态

2.2 制备过程注意事项

（1）本实验所用的材料需要用水溶解，因此该工艺适用水溶性材料。

（2）在实验过程中，为了工艺研究方便，不同层都用了相同的材料。该工艺在实际应用过程中，可以根据实际需求，不同层采用不同功能的材料，也可以配制成不同的浓度，从而控制材料的孔隙度。

（3）在实验过程中，发现在进行冰层构建时用超纯水，冰层结构不理想，有突起的冰块，且有细小的裂缝，对实验结果有所影响。但通过反复实验发现在冷冻时如果不盖盖子，冰层构型会相对完整，干燥后对实验影响小。对此可将冰层做成稀NaCl溶液，构建相对完整的冰层，但干燥后NaCl会保存在材料里面，材料吸湿性增加，韧性减小，效果不理想。

（4）在实验过程中，进行构建速冻模型时，加入的液氮量不宜过多，否则会使下一层产生裂缝，影响实验结果。待液氮将要挥发完全时，快速加入预冻的材料溶液，过慢会出现两层互溶现象，影响层式的构建。

（5）加入的材料和水不宜过多，否则干燥过程效率较低，并影响材料的透气性，故在进行构建时最好加超纯水4 mL，加材料溶液3～4 mL，最终成型的材料大约3～5 mm厚，干燥后2～4 mm厚。

（6）实验过程中，加入色素的目的是使构建的层式材料的分层易于观察，对实验结果没有影响。

（7）实验过程中，为了解决两层互溶问题，采用了加入NaCl降低冰点的方法，干燥后的材料如图5所示，其干燥后与用液氮（如图3所示）所制得的材料相比，结构更松软，但吸水性强，在室内放置容易吸收空气中的水分，变成一层薄薄的糊状紧贴在平皿底部。因此，最后使用液氮冷却构建速冻模型，使干燥后的材料成型好、韧性好、疏松多孔且分层明显。

图5 0.5%明胶-NaCl材料干燥俯视图

3 结论

利用冷冻干燥技术构建水溶性层式材料的新工艺简便易行，干燥后的层式材料均一，疏松多孔似海绵状，且分层明显，层与层之间连接紧密，有望通过进一步研究，应用于医药制剂中作为载药贴剂材料[4-5]，或者服装制造和口罩防护用品等领域，为新型多层多功能材料的研究提供新思路。