（有机化学专业论文）聚n异丙基丙烯酰胺水凝胶微球的合成.pdf

摘要 p n i p a m 水凝胶微球最常用的合成方法为沉淀聚合，但是对于各种反应条件 对微球的影响并没有系统的研究过，微球的形成机理也很少有文献报道。本文在 不同的搅拌速度、温度、引发剂的用量、交联剂的用量和反应物的浓度下合成了 不同的p n i p a m 水凝胶微球，研究了上述条件对微球的影响，并研究了微球的形 成过程。在此基础上研究了高、低温两阶段合成p n i p a m 的水凝胶微球的方法， 并将带有双键的牛血清白蛋白( b s a ) 引入p n i p a m 水凝胶微球中，为引入不耐高 温的生物分子( 例如：蛋白质、抗原、抗体等) 奠定实验基础。 在高温条件下，搅拌速度影响微球粒径的均一性，速度越快均一性越差，在 2 0 0r m i n 时能得到均一性较好的微球；随着温度的升高合成的微球的平均粒径逐 渐变小，但是微球的均一性下降；随着引发剂用量的增加微球的平均粒径先变大 后变小，其均一性随引发剂用量的增加而降低；随着交联剂用量的增加微球的粒 径逐渐变小，微球的密度逐渐变大；使用不同浓度的n i p a m 单体合成了3 5 0n m 9 5 0n m 范围内的微球，随着单体浓度的变大，微球的平均粒径也逐渐变大，而 且微球的密度也逐渐变大；微球的形成过程是微球粒径逐渐长大和微球密度逐渐 变大两个方面同时进行的。 采用高、低温两阶段的方法，在不同高温反应时间下合成了4 0 0n m - 6 0 0n m 的p n i p a m 的水凝胶微球。将带有双键的b s a 引入微球中，并讨论了不同用量的 b s a 对微球的影响，由实验得知随着b s a 的增加微球的平均粒径逐渐变大。 实验研究了高温和高、低温两阶段两种方法合成的p n i p a m 水凝胶微球粒径 随温度的变化，先通过目测的方法确定p n i p a m 水凝胶微球的l c s t 在3 2 左 右，再通过d l s 测得微球的平均粒径随温度升高的变化曲线。 关键词： n 异丙基丙烯酰胺，水凝胶微球，粒径，机理，牛血清白蛋白 a b s t r a c t t h em o s tc o m m o n l ym e t h o df o r t h es y n t h e s i so fp n i p a mm i c r o g e l si s p r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n ，b u tt h ee f f e c to fv a r i o u s c o n d i t i o n so nt h em i c r o g e l sf i n d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mw a sf e wr e p o r t e d i nt h i sp a p e r ，d i f f e r e n tp n i p a m m i c r o g e l sa td i f f e r e n ts t i r r i n gr a t e ，t e m p e r a t u r e ，i n i t i a t o rd o s a g e ，c r o s s l i n k e rd o s a g e a n dm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n sw e r es y n t h e s i z e d t h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sc o n d i t i o n si n m i c r o g e l sa n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fp n i p a mm i c r o g e l sw e r es t u d i e d b a s e d o nt h e s es t u d i e s ，t h eh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r et w o s t a g ef o rt h es y n t h e s i so fp n i p a m m i c r o g e l sw e r ea l s os t u d i e d ，a n dt h eb o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) w h i c hc o n t a i na d o u b l eb o n dw a si n t r o d u c e di n t ot h ep n i p a mm i c r o g e l s l a yt h ef o u n d a t i o n e x p e r i m e n tf o ri n t r o d u c i n gt h eb i o l o g i c a lm o l e c u l e s ( f o re x a m p l e ：p r o t e i n ，a n t i g e n ， a n t i b o d i e s ，e t c ) w h i c hd on o ts t a b i l i t ye x i s ta th i g ht e m p e r a t u r ei n t ot h ep n i p a m m i c r o g e l s s t i r r i n gr a t ea f f e c t st h em i c r o g e l su n i f o r m i t yu n d e r t h eh i g ht e m p e r a t u r e a st h e s t i r r i n g r a t ei n c r e a s e d ，t h eu n i f o r m i t yo ft h em i c r o g e l sw a sp o o r e r t h eb e a e r u n i f o r m i t yo ft h em i c r o g e l sw a so b t a i n e da t2 0 0r m i n a st h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e d ，t h em e a nd i a m e t e ro fm i c r o g e l sg r a d u a l l ys h r i n k i n g ，b u tt h eu n i f o r m i t yo f m i c r o g e l sd e c r e a s e d a st h ed o s a g eo fi n i t i a t o ri n c r e a s e d ，t h em e a nd i a m e t e ro f m i c r o g e l sf i r s tb e c o m eb i g g e r , a n dt h e nb e c o m es m a l l e r t h eu n i f o r m i t yo fm i c r o g e l s b e c o m e sl o w e rw i t hi n c r e a s i n go fi n i t i a t o rd o s a g e a st h ed o s a g e o fc r o s s l i n k e r i n c r e a s e d ，t h em e a nd i a m e t e ro fm i c r o g e l sb e c o m e ss m a l l e ra n dt h ed e n s i t y o f m i c r o g e l sb e c o m e sl a r g e r a td i f f e r e n tm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n s ，t h em i c r o g e l sf r o m 3 5 0a n lt o9 5 0n mw e r es y n t h e s i z e d a st h ed o s a g eo fm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e d ，t h em e a nd i a m e t e ra n d t h ed e n s i t yo ft h em i c r o g e l sg r a d u a l l yb e c o m el a r g e r t h e r ea r et w oa s p e c t sa tt h ef o r m a t i o no fm i c r o g e l s o n ei st h ed i a m e t e ro fm i c r o g e l s g r a d u a l l yb e c o m el a r g e r , a n o t h e ri st h ed e n s i t yo fm i c r o g e l sg r a d u a l l y b e c o m el a r g e r u s i n gh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r et w o - s t a g em e t h o d ，t h em i c r o g e l sf r o m4 0 0 n n l t o6 0 0n ma td i f f e r e n th i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o nt i m ew e r es y n t h e s i z e d t h ed i f f e r e n t b s ad o s a g e sw h i c hc o n t a i nad o u b l eb o n dw e r ei n t r o d u c e d i n t ot h ep n i p a m m i c r o g e l s a st h ed o s a g eo fb s a i n c r e a s e d ，t h em e a nd i a m e t e ro fm i c r o g e l sb e c o m e s l a r g e r t h e m e a nd i a m e t e ro ft h em i c r o g e l sw h i c h s y n t h e s i z e db yh i g ht e m p e r a t u r ea n d h i g ha n dl o wt e m p e r a t u r et w o s t a g ew i t ht e m p e r a t u r ec h a n g e sw a ss t u d i e d t h el c s t o fp n i p a mm i c r o g e l sa r o u n d3 2 b y t h ev i s u a lm e t h o d sw a sd e t e r m i n e d ，a n dt h e m e a nd i a m e t e ro fp n i p a m m i c r o g e l sw i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n gt h r o u g ht h ed l s w a sm e a s u r e d k e y w o r d s ：n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，m i c r o g e l s ，d i a m e t e r ，m e c h a n i s m ，b o v i n e s e r l ma l b u m i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匙戋趣、 签字日期：九力g 年d 月l 丞日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤垄盘生有关保留、使用学位论文的规定： 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 忽永强 导师签名： 签字日期：淅留年d 月 o r 日签字i ! i i i ： 加j 矽d 睁c ，6 月西日 第一章文献综述 1 1 温敏性水凝胶 1 1 1 水凝胶 第一章文献综述弟一旱义陬综尬 水凝胶可定义为能够在水中溶胀并保持大量水分而又不溶解的交联聚合物。 由于水凝胶具有良好的亲水性和生物相容性，故已广泛地应用于卫生巾、尿布、 生理卫生用品等方面。在生物医学领域，水凝胶可用作烧伤涂敷物、药物传输体 系、补齿材料、生物分子和细胞的固定化载体等。在环境保护方面，利用一些水 凝胶具有高吸水性的特点制成保水剂，可用于沙漠治理、土壤改良、水土保湿等 方面。由此可见水凝胶具有广泛重要用途的一类高分子材料。 水凝胶有各种分类方法，最常见的分类方法有四种：根据水凝胶对外界刺激 的响应情况，可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶两大类；根据水凝胶网络键合 性能，可分为物理凝胶和化学凝胶；根据合成材料的不同，分为合成高分子水凝 胶和天然高分子水凝胶；根据水凝胶网络上是否带有电荷及带有什么性质的电荷 可以分为四类：中性的、阴性的、阳性的和两性的聚电解质水凝胶。 水凝胶的合成方法主要分为物理方法和化学方法。物理方法是通过诸如静电 作用、氢键、链的缠绕等形成的凝胶，通常称为物理凝胶。这种凝胶是非永久性 的，也称之为假凝胶或热可逆凝胶。化学方法是由化学键交联形成三维网络聚合 物，通常称为化学凝胶。 1 1 2 温敏性水凝胶 在聚合物水凝胶中，温敏性水凝胶是近年来研究中的一个热点问题。所谓温 敏性水凝胶，即它对环境的温度变化能产生响应，当周围环境温度发生变化时， 水凝胶自身的性质随之改变。 温敏性水凝胶具有一定比例的疏水基团( 如：烃基) 和亲水基团( 如：c o n h 2 ， c o o h ) 。低温时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键与水分子结合， 凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减弱，而高分子链中疏水基团间的相 互作用加强，凝胶逐渐收缩。当上升到一定温度后，疏水作用成为主要作用力， 高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生相变，溶胀率急剧下降。此温度称为 低临界溶解温度( l c s t ) 。 第一章文献综述 1 1 3 温敏性水凝胶的分类 温敏水凝胶的分类方法有很多，按其溶胀机理可以分为两类：低温溶胀型和 高温溶胀型。前者在升温条件下凝胶收缩，后者则在升温条件下凝胶溶胀。+ 1 1 3 1 低温溶胀型水凝胶 1 9 8 4 年，t a n a k a 等人【l 】发现，聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 在较小的温度 范围内可表现出明显的疏水性和亲水性变化。p n i p a m 的低临界溶解温度( l c s t ) 在3 2 左右。如果在几毫升水中滴入几滴p n i p a m ，随着温度的升高，水凝胶 收缩，其溶胀比急剧下降，这种水凝胶称为低温溶胀型水凝胶。它又可以分为三 类：非离子型低温溶胀水凝胶、离子型低温溶胀水凝胶和非交联型低温溶胀水凝 胶。 非离子型低温溶胀水凝胶 经n ，n 亚甲基双丙烯酰胺( b i s ) 交联后的p n i p a m 溶胀比在3 3 附近发生突 变，高于3 3 时收缩到原体积的3 0 ，而低于3 3 时凝胶溶胀。一个同样有交 联的聚甲基乙烯醚水溶液组成的凝胶，在3 7 可以进行迅速的、可逆的溶胀和 收缩。由于聚合物中不存在离子，所以是非离子型低温溶胀水凝胶。许多学者【2 】 认为这种敏感性是由于疏水相互作用造成的，当温度升高时，疏水相互作用增 强，致使凝胶收缩；反之当温度降低时，疏水相互作用减弱，凝胶溶胀。 离子型低温溶胀水凝胶 离子型低温溶胀水凝胶包括阴离子型、阳离子型以及两性低温溶胀水凝胶三 种。 阴离子型低温溶胀水凝胶目前对阴离子型热敏水凝胶的研究已很多。阴离 子主要是羧酸负离子，用丙烯酸钠或甲基丙烯酸钠与n i p a m 进行共聚可以制得。 王昌华【3 】用丙烯酸( 3 磺酸钾) 丙酯作为阴离子单体，与n i p a m 在少量交联剂 b i s 存在下共聚，制备了一类敏感温度可控制在人体温度( 3 7 ) 附近，溶胀比可 达3 0 以上的新型低温溶胀型水凝胶。一般阴离子单体含量增加，溶胀比增加，敏 感温度升高，从而可以从阴离子单体的用量来调节溶胀比和敏感温度。f r e l a t s l 4 j 等人用n i p a m 与甲基丙烯酸钠共聚制成了一种性能优良的阴离子低温溶胀型水 凝胶，用于分离不同分子量的化合物，对聚环氧乙烷( m w = 6 0 0 ，0 0 0 ) 的分离效果 可达9 2 。 阳离子型低温溶胀水凝胶这是一种新开发的水凝胶。b e r g b r e t 5 】最近报道了 一种智能催化剂，它是环氧乙烷一环氧丙烷三元嵌段共聚物与r h + 形成的热敏水 凝胶。当反应温度低于l c s t 时，催化剂溶胀，活性得以显示；当反应温度高于 l c s t 时，聚合物产生相分离，催化剂活性消失，它可使剧烈放热的反应平稳进 2 第一章文献综述 行。与阴离子型低温溶胀水凝胶相似，少量阳离子的加入可增大水凝胶的溶胀比， 并可通过加入阳离子的量来调节敏感温度。 两性低温溶胀水凝胶该种水凝胶是由含阴阳两种离子单体共聚制得的，它 的收缩过程具有不对称性，即改变相同摩尔的阴离子或阳离子单体时，阳离子引 起的体积收缩要比阴离子大。最近报道的以n i p a m 、丙烯酰胺2 甲基丙磺酸钠、 n ( 3 一二甲基胺) 丙基丙烯酰胺制得的两性水凝胶，其敏感温度随组成的变化在等 摩尔比时最低，约为3 5 ，而正离子或负离子的摩尔比增加均会使敏感温度上 升。 非交联型热敏水凝胶 一些水溶性高聚物如聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇醋酸乙烯酯共聚体、聚环氧乙 烷、p n i p a m 等的水溶液，当温度升高时，聚合物从水中析出。这主要是因为在 温度较低时，水和聚合物之间形成氢键，使聚合物溶于水；而当温度升高时，氢 键被削弱，使聚合物从水中析出。聚乙烯醇、聚羧酸和聚酰胺的水溶液制成的水 凝胶都属于这一类1 6 j 。 1 1 3 2 高温溶胀型水凝胶 这种水凝胶的溶胀比在某一温度附近随温度升高发生突变式增加，当温度降 低时，其溶胀比又降低。h i r a s a 等1 7 8 j 用y 一射线照射含热诱导相分离微区的轻度 交联的聚乙烯甲醚( p v m e ) ，能在2 8 左右的水中发生相转移而收缩。p v m e 凝 胶的伸缩行为随着溶剂的种类、组成或溶剂浓度的不同而不同，一般因阴离子种 类而异。例如在s 0 4 2 。、c i 。中凝胶收缩，而在l 中凝胶伸长。p v m e 长度改变的时 间常数一般为1s 级。在3 8 时1c m 3 的凝胶伸长和收缩的响应时间分别为1 0s 和 6 0s 。这类凝胶除了能对温度变化产生体积变化外，还有吸水性、分子亲水性和 疏水性以及透明度的变化。利用它的吸水性，可用于污泥的脱水，利用亲水性和 疏水性的变化可用来制成热可逆性吸附剂等。另外，经过共价交联的聚丙烯酰胺 存放一段时间后，在4 2 丙酮一水混合溶剂中，随着温度升高，在2 5 附近溶胀 比发生突变，并增至约l0 倍。 1 2 温敏性水凝胶微球 1 2 1 温敏性水凝胶微球的合成方法 目前制备水凝胶微球方法主要有：乳液聚# t 9 j 、反相微乳液聚合【1 0 1 和阴离子 共聚【1 1 】。不同的方法可制备不同尺寸的微球。为得到多功能的水凝胶微球，又可 通过接枝、共聚等方法对其进行进一步修饰。 第一章文献综述 乳液聚合分为两种：无皂乳液聚合和加乳化剂乳液聚合。无皂乳液聚合是在 乳液聚合的基础上发展起来的聚合技术。在无皂情况下，连续相必须有较高的介 电常数( 如水) 和离子型引发剂( 如：过硫酸盐) ，聚合过程中形成的带电的聚 合物链充当表面活性分子对增长的粒子起稳定作用。使用此方法可制备表面带亲 水性功能基团的微球，也可制备核壳型疏水性一亲水性微球。如使用丙烯酰胺 ( h a m ) 、甲基丙烯酸- n ，n 一二甲氨基乙酯( d m a e m a ) 、甲基丙烯酸2 一羟基乙酯、 丙烯酸、4 硝基苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、苯乙烯磺酸钠、4 乙烯基吡啶 等可以在微球表面导入c o n h 2 、- n ( c h 3 ) 3 、o h 、c o o h 、- n 0 2 、缩水甘油基、 磺酸基、吡啶基等。 在加乳化剂乳液聚合中残留乳化剂( 如：十二烷基磺酸钠) 的除去比较困难， 而在无皂乳液聚合中可以通过多次离心等方法很容易的将未反应的物质除去。无 皂乳液聚合的典型特征是成核期比较短，粒子分布窄。因为乳液聚合时所添加的 乳化剂在微球的实际应用时往往会给产品带来不良的影响，后来发现在聚合时加 入少量的亲水性单体替代乳化剂，聚合反应也会快速进行。 1 2 2 无皂乳液聚合反应的增长机理 1 2 2 1 两阶段模型 s o n g 等人【l2 】在齐聚物胶束成核的理论基础上提出了两阶段模型。在该体系 中，无皂乳液聚合的成核期包括齐聚物胶束形成和粒子增长、聚并两个阶段。反 应初期，临界链长较长，随着齐聚物浓度不断增加，临界链长不断下降，齐聚物 胶束形成的速率增加，这一阶段定义为第一成核期，该阶段的特征为临界链长为 变数；在第二成核期，临界链长保持为一恒定值，在此阶段，生成高相对分子量 聚合物，导致乳胶粒表面的电荷密度大大降低，稳定性降低，发生粒子间的聚并， 聚并到一定程度的乳胶粒体积增大，稳定性提高，使粒子间的聚并速率下降，最 终乳胶粒数目达到恒定值，至此成粒结束。 1 2 2 2 三阶段成粒模型 张茂利1 3 】等人对无皂乳液聚合的成核和成粒机理的研究做了许多工作，提出 了三阶段机理，认为在体系中无皂乳液聚合是成核一凝聚一增长共同作用和相互竞 争的结果，该理论较好地解释了无皂乳液聚合体系单分散粒子的形成过程。 第一阶段：成核一凝聚阶段，特征是体系粒密度迅速增加，而粒径变化较小。 均相成核生成的初始微粒，因表面电荷密度很低，易凝聚形成具有较高表面电荷 密度的初级粒子。聚合初期成核过程很快，凝聚也很快，凝聚而成的初级粒子又 相当稳定，所以聚合初期生成的初级粒子可以累积，使粒子密度增加。乳胶粒形 4 第一章文献综述 成后，吸收单体和自由基聚合粒径增大，表面电荷密度降低，乳胶粒子变得不稳 定，易发生粒子之间的聚并。同时，新生成的原始微粒和初级乳胶粒也可能与已 存在粒子聚并。初级粒子积累到某一粒子数，粒子的增长和聚并作用开始变得显 著，粒子数开始下降，标志第一阶段结束。 第二阶段可以称为成核一凝聚，增长一聚并共存阶段。这一阶段开始的特征是 体系粒子数密度开始快速下降，直到初级粒子消失时标志着第二阶段结束。乳胶 粒的增长和聚并作用占优势时，粒子密度开始快速下降，但这时微粒的成核过程 尚未结束，初级粒子还在不断生成。所以体系中既有初级粒子又有粒径较大的粒 子，重均粒径增长较快，数均粒径变化较小，粒径分布明显变宽。这是成核一凝 聚，增长一聚并共存的过度阶段。当新粒子的生成速率和聚并速率相等时，成核 过程结束。 第三阶段为增长一聚并阶段。成核过程的结束也是第三阶段的开始，一直到 反应结束，逐渐生成单分散性较好的胶粒。成核过程结束后，大小粒子同时快速 增长，增长导致粒子表面电荷密度降低，稳定性下降，造成新的聚并。聚并导致 粒子表面电荷密度和稳定性增加，两者导致粒径增大，较小粒子在增长过程中的 优先聚并导致粒径分布逐渐趋向均一，最终得到单分散性较好的胶粒。聚并使聚 合后期粒子数变化趋缓，但仍在不断减小。 1 3p n i p a m 水凝胶微球 1 3 1p n i p a m 水凝胶微球的合成 p n i p a m 水凝胶微球，具有多种响应性( 温度0 4 t 5 ，p h l l 6 - 1 8 1 和离子强度1 9 】 等) 。已经有很多文献报道了其在许多方面的应用，例如：分离和纯化蛋白【2 岫2 1 ， 药物传递【2 3 - 2 7 1 ，医疗诊断和催化1 2 8 - 3 0 1 等，成为近些年研究的热点。 n 异丙基丙烯酰胺是丙烯酰胺衍生物的单体，为白针状固体，分子式 c 6 h l l n o ，分子内有亲水的酰胺基和疏水的异丙基，其均聚物具有l c s t 等良好 的特性。其聚合物在3 2 以下呈水溶性，3 2 以上呈水不溶性。p n i p a m 在水 溶液中具有独特的热行为，即随着水溶液温度的升高，其溶解性下降，到某一温 度时会发生相分离而产生沉淀，但当降低温度时，它又可逆地恢复到原来低温下 的状态。一 p n i p a m 同时具有亲水、疏水基团，如图1 1 所示。p n i p a m 在3 2 以上 是疏水的，会从水溶液中沉淀出来。利用此性质在高于此温度下进行反应，并在 搅拌的情况下可以得到一定大小的微球。 第一章文献综述 1 叫厂c h ，i j 面、 (卜一 世目 亲水基团 疏水基团 图iip n i p a m 亲水、疏水基团 f i gi - it h eh y d r o p h i l i ca n dh d r o p h o b i cg r o u p so fp n i p a m 1 3 1 1 均质p n i p a m 水凝胶微球的合成 1 9 8 6 年，p e h o n 川首次合成了p n i p a m 的水凝胶微球。在6 0 7 0 温度 范围内，并在氯气的保护下通过无皂乳液聚合制得了p n i p a m 的水凝胶微球。 此反应中用的交联剂是n n 一亚甲基双丙烯酰胺( b i s ) 引发剂是过硫酸钾( k p s ) 。 讨论了反应物浓度、反应温度、交联度等对微球形成的影响。通过t e m 对微球 进行了表征，如图l 一2 所示微球大小大约是5h m ，微球的粒径很均一，分散性 很好。但是通过t e m 无法测得微球在湿态下的大小，因此样品必须在铜嗣上干 燥后才能做测试。p e l t o n 3 “在另一篇文章中着重讨论了微球在不同温度时粒径的 大小。p n i p a m 的水凝胶微球的粒径从1 0 的7 8 8n m 收缩到5 0 的3 8 0t i m 。 如图i 3 所示，微球在3 i 粒径大小发生，较大的变化，此温度正好是其l c s t 。 圈1 2p n i p a m 的t e m 照片 f i g1 2 t h e t e mo f p n i p a m 图1 3p n i p a m 在不d 温度下的平均粒径 f i g 】- 3m e a nd i a m e t e ro f p n l p a m 这个简单的聚合过程可以产生非常均匀的粒子。它们被过硫酸钾引发剂产生 一e r一ul一eut 第一幸文献综述 的硫酸根的静电力所稳定。但是仍然需要仔细的控制反应条件，如果配料中有太 多的b i s 交联剂或者不纯的单体则可能带来不稳定的悬浮液。 q i a n 等t ”1 制得了中空的p n i p a m 微球，先在不交联的情况下制得一定大小的 微球，然后在反应过程中加入交联剂b i s 继续反应。最后制得了微球内部是未交 联的p n i p a m ，外部是交鞋的p n i p a m 。将制得的微球放入去离子水中让其内部 未交联的p n i p a m 自然的除去，其过程如图1 4 所示。用t e m 对徽球结构进行了 表征，图1 5 中b 为没有除去未交联的p n i p a m 的t e m 照片，c 为除去未交联的 p n i p a m 的t e m 照片可以根清楚的看到其中空结构。 嚣一= ：“： ! ，囊 虱纛 圈1 4 中空的p n i p a m 微球的合成路线图l - 5 微球的_ i e m 照片 f i g1 - 4 p n i p a m h o l l o w m i c r o s p h e r c sf i gi - 5t e m i m a g e s o f t h e m i c m s p h e r e s 用无皂乳液聚台制备小的微球是很困难的，因为根难有足够的表面电荷密度 来维持粒子的稳定。m c p h e e 等1 3 4 1 使用了十二烷基磺酸钠( s d s ) 来做乳化剂制各 了小尺寸的水凝胶微球。实验结果表明粒子的直径与s d s 的用量成反比，如图1 6 所示。 l o l l 懵o sm d i i r l m 图1 - 6 s d s 浓度与微球粒径的关系 f i g1 - 6 t h e m l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e e o n 咖l r a t i o no f s d s a n d t h e d i a m e t e ro f m i e r o s p h e r e s | ：孓 一ec；，e!ol窖一 第一章文献综述 a n d e r s s o n 掣”】也研究了s d s 用量对微球大小、分散性和结构的影响。实验 表明，较高用量s d s 可以合成出稳定的、结实的、分散性好的p n i p a m 水凝胶微 球。乳化剂的引入可以帮助控制水凝胶微球的尺寸，但是也带来了困难一它们很 难再被除掉了。 1 312 核壳结构水凝胶微球的合成 壳核结构的凝胶是在乳胶粒子核外面包裹了凝胶层而构成的。它可以同时具 有核和壳层的性质。比如核决定光散射行为( 浊度) 而壳层决定胶体的稳定性。 第一个制备出核壳结构温敏水凝胶微球的是p e l t o n l 3 6 1 ，他报道了一步法制备 p s t 核p n i p a m 壳的水凝胶微球。在文章中他提到了，无论开始使用n i p a m 单体 和苯乙烯单体反应，还是p n i p a m 聚合物和苯乙烯单体反应，得到的结果是非常 相似的。这说明n i p a m 的聚合速度相对苯乙烯来说要快的多，因此在苯乙烯单 体几乎没有反应的时候大部分n i p a m 单体己经转化为了聚合物。 m a k i n o 3 7 改进y p e l o t n 的实验方案，他使用两步法制备这种壳核水凝胶微 球。首先把苯乙烯单体和n i p a m 单体一起聚合，第二步再加入另外的n i p a m 单 体，使用非离子型水溶性引发剂引发聚合来扩展壳层。 z h u $ i l n a p p e r 3 s 使用另一种两步法来制备p s t n i p a m 壳核粒子。他们把苯乙 烯单体和p n i p a m 溶液一起放置于室温下，在氧化还原引发剂的作用下生成了 p s t c o - n i p a m 共聚物，此时聚合物仍然溶于水，然后再加入剩余的苯乙烯单体 反应来生成乳液。 t a k e u c h i 等【3 9 】用了一种大分子单体来制备壳核粒子。该分子拥有大约有2 4 个 n i p a m 单元的长链和一个甲基丙烯酰胺的端基。这种大分子单体和苯乙烯单体， 还有十二烷基磺酸钠一起在7 0 下聚合，得到了p s t 为核p n i p a m 为壳的粒子。 十二烷基磺酸钠是必要的，因为7 0 时p n i p a m 已经不能起到稳定乳胶粒子的作 用。这种大分子单体方法的吸引人之处在于，它可以在粒子表面形成一种大分子 刷的结构。 l y o n 等a t 4 0 】制备了单分散的p n i p a m c o a a c 水凝胶微球，该颗粒直径在 2 1 0 n t o 左右，温度和p h 双重敏感。然后通过离心将这些纳米颗粒组装成晶体紧密 堆积阵列。该小纠4 l 】合成并表征了温度和p h 双重敏感的核壳结构水凝胶微球， 他们制备的核壳微球有两种，一种是以p n i p a m 为核，p n i p a m a a c 为壳，另一 种以p n i p a m a a c 为核，p n i p a m 为壳。另外还制备了直径大约为2 0 0n m 的 p n i p a m 微球【4 2 1 。该小纠4 3 】还将孔雀绿共价结合至u p n i p a m 水凝胶微颗粒，制备 了光敏感的水凝胶微球。 b r a d l e y 等【删制得了聚乙烯吡咯烷酾i p n i p a m 的核壳结构的微球，此微球 第一章文献综述 含有p h 响应的聚乙烯吡咯烷酮的核和温度敏感性的p n l p a m 壳。并研究了此微球 对阴离子表面活性剂的吸收和释放。因聚乙烯吡咯烷酮的核带有正电荷，通过静 电吸引的作用可以吸收阴离子的物质。 r e t a m a 等删在7 0 下乳液聚合的方法制得了n i p a m 和丙烯酸钠的共聚物， 通过几天的透析后滴入f e c l 3 - 6 h 2 0 和f e c l 24 h 2 0 混合物，最后形成了含有6n m 磁 性f e 2 0 3 的水凝胶微球。由于磁性f 0 2 0 3 的加入改变了水凝胶微球的溶胀性能和 l c s t ，实验表咀其l c s t 在3 6 4 0 。此磁性f e 2 0 3 水凝胶微球可应用于药物 的靶向传送系统。 k i m 4 6 1 等通过高温乳液聚合制得了粒径5 5 0n m 左右的n i p a m 和丙烯酸的共 聚物，通过透析除去未反应的单体及其他物质。通过t h p c 将h a u c l 4h 2 0 引入水 凝胶微球变为金纳米粒子，其粒径在6 0 1 5 0 l l m 之间。图】7 为其反应示意图， 图i - 8 为含有金纳米粒子水凝胶微球的s e m 照片，可以清楚的看到金纳米的结构。 n i p a m 8 1 5 + - - - - - - + a c 焉詈熬 圈1 7 在水凝胶微球中形成金纳米的反应 f i g 1 - 7 t h e p r e p a r a t i o n o f g o l d n a n o p a r t i e l e s m t h eh y d r o g e l m i c r o s p h e r e s 图】8 水凝肢微球中金纳米的s e m 照片 f i gl 8s e m i m a g e o f g o l dn 卸o p a r t i c l e s i n t h eh y d r o g e l m i c r o s p h e r e s 9 第一章文献综述 1 3 2p n i p a m 水凝胶微球合成机理的研究 x w u l 47 】等讨论了不同温度下n i p a m 和b a 的转化曲线，如图1 9 所示。不管 在7 0 还是5 0 下b a 的消耗速度都要比n i p a m 的快，可以推测微球的密度是不 均匀的，但在7 0 下的均匀程度要比5 0 好得多。在7 0 下反应3 0m i n 后，反 应物已经消耗了百分之九十以上，而在5 0 下需要更长的时间( 1 0 0m i n ) 。微球 粒径随反应的进行逐渐变大，7 0 下的反应在1 h 后基本上不再长大，如图1 1 0 所示。 f i m a c b o nt i m e ( m i n ) 图1 97 0 c 和5 0 c - f b a ( i ) 和n i p a m ( o ) 转化曲线图1 1 0 温度对微球粒径的影响 f i g 1 - 9b a ( i ) a n dn i p a m ( ) c o n v e r s i o na s f u n c t i o no f r e a c t i o nt i m ea t7 0 a n d5 0 f i g 1 - 10t h ei n f l u e n c eo fp o l y m e r i z a t i o n t e m p e r a t u r e so nt h ea v e r a g ep a r t i c l ed i a m e t e r s x i a o 4 8 j 等通过乳液聚合制得了p n i p a m c o p s t 微球，并系统讨论了微球粒径 及分散性的影响因素。图1 1 1 为引发剂量对凝胶微球粒径及单分散性的影响。当 引发剂用量从0 2g 增加到0 4g 时，微球的粒径略有上升。这是因为引发剂用量的 增加会导致引发剂产生的自由基数目增加，在反应初期引发形成的活性链也增 加，有利于相互缠结形成较大的生长核，从而生成较大的微球。随后，当引发剂 用量从0 4g 继续增加到0 6g 时，颗粒粒径随引发剂用量增加而迅速减小，而且在 引发剂用量增加到0 6g 时颗粒的粒径分布系数显著变大。这是因为引发剂量较少 时引发剂产生的自由基较少，颗粒相互碰撞而使链终止的机会少，生成的微粒能 “平等、完整”地长大，于是颗粒粒径分布系数小；但当引发剂用量较大幅度 地增加时，自由基碰撞的机会大大增加，使得微粒不能正常长大，造成微球粒径 普遍减小，同时使得粒径分布范围较宽，即粒径分布系数大。 图1 1 2 为搅拌速度对凝胶微球粒径及单分散性的影响。由图可以看出随着搅 拌速度的增加微球的粒径变小，但是其单分散性升高。因为作者采用的是无皂乳 液聚合，乳液的形成需要依靠机械搅拌，所以搅拌速度的增加导致流体剪切力增 加，乳滴变小，生成的凝胶微球也相应地变小。但是随着搅拌速度的增加乳滴相 互碰撞的几率增加，在成核后期导致某些乳滴之间相互团聚，生成不均匀的微粒， 1 0 o o d o o o o 5 o 5 o 5 a 2 2 1 蕾毫o。8i 13口曩舌旦口n】露 第一章文献综述 造成粒径分布范围变宽。 0 5d 6 【l 囝l 1 1 引疑剂用量对徽球粒径及单分散性 的髟响 f i gi - 1 1e f f e c to f i n i t l a t o r d o s a g e o b t h e m e a n d i a m e t e r a n d p m l 口o f m i c r o e o h e m s 1 m o7 0 0l m 8 t a b f o m l 图1 1 2 搅拌速度对微球粒径及单分散性 的影响 f i g1 - 1 2e f f e c t o f s f i n l n gr m eo n t h e m e a i l d i a m e i e r a n d m o n o d i s p e r s i t yo f m i e r o s p h e r e s z h a n $ 等1 4 9 a 成t p n i p a m - c o d m a e m a 微球，并通过动态光散射( q e l s ) 和t e m 对微球进行了分析。并比较了两种测试方法的差别。如图1 1 3 所示，随着 时问的进行，微球的粒径都是逐渐变太的，而且t e m 测得的粒径要比动态光散射 测得的粒径要小得多。因为t e m 要求样品在干态下进行测试的，所以要比在湿态 下的微球的粒径小。 + 每1 f 0 e l s z o抽4 0 00m 1 c “晰n l 帅d p c 铡 图1 - 13 反应过程中不同时间微球粒径的大小 f 瞻l - 1 3 t h e p m t i e l es i z e m d i f f e r e n t t i m eo f t h er e a 击o l l 一-1e嚣e-8一te5 o n n 0 o n o蚰耵船舱鲫皋j船丝删 一ett；_兽c4差 lflo 他器*籀 一l一#fi；l 田 一es童t，叠 第一章文献综述 1 4p n i p a m 水凝胶微球的应用 1 4 1 制备响应性光于晶体 周谧删通过无皂乳液聚合制得了p n i p a m 和p n i p a m c o a a c ，通过疏水诱 导的方法制得了不同颜色的光子晶体。通过改变高温下沉积的时间来控制光子晶 体的颜色。图 一1 4 是在8 0 下沉积的光子晶体。随着高温下沉积时间的延长，光 子晶体颜色的变化是：红绿一蓝。 囝圈，嬲 4 0 m 】n 7 0 m i n】0 0 r a i n 图i 1 4h ：同沉积时问的p n i p a m c o a a e 凝胶光子晶体光学照片 f i g1 - 1 4t h ep h o t o g r a p h so f t h ep n i p a m c o a a ch y d r o g e lp h o t o n i cc r y s t a l sw i t hd i f f e r e n t s e d i m e n t a t i o n t i m ea t7 0 k a w a g u c h i l5 1 课题组用沉淀聚合制备t p n i p a m 微n ，井利用自然溶剂挥发 的方法自组装得到蛋白石结构的光子晶体。在制各此光子晶体的过程中讨论了浓 度对沉积的影响如图i 1 5 ，对于o3 6c m 2 的沉积面积来说浓度为67 x l o 。州的乳 液可得到颜色鲜艳的光子晶体，过高或偏低的浓度都不利于晶体的获得。 团一画 图1 15 薄膜晶体的光学照片，各液滴的浓度分别为17x l o 。，( b ) 67 1 0 。，( c ) 13x 1 0 1 州 f i g1 - i5p h o t o g r a p h so f a t h i n f i l m