（高分子化学与物理专业论文）单分散功能聚合物微球的合成及其组装行为的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，聚合物微球在固相有机合成，分离分析，药物控制释放，生物医 学，涂料添加剂等领域得到了广泛的应用，因此人们对各种材料、各种结构的 微球进行了广泛的研究和开发。其中单分散聚合物微球及核壳型微球，由于其 特殊的物理化学性能得到了广泛的关注。本论文较系统地研究了单分散核壳型 聚合物微球和单分散聚合物微球的制备以及聚合物微球间的组装性能。 本论文的第一章简要介绍了单分散聚合物微球的合成方法、形成机理、表 征手段以及微球的用途。重点介绍了沉淀聚合法和蒸馏沉淀聚合法合成一系列 单分散聚合物微球的技术。 论文的第二章利用蒸馏一沉淀聚合法在不添加任何稳定剂的情况下制备了含 有活性羟基的单( 窄) 分散聚合物微球。含有羟基的单体甲基丙烯酸羟乙酯 ( h e m a ) 与二乙烯基苯( d v b 一8 0 ) 或者乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) 共聚，采 用a j b n 作为引发剂在纯乙腈中蒸馏沉淀聚合。研究了交联剂种类和用量对聚合 物微球形态的影响。同时通过聚合物羟基与氯乙酰氯反应后测定氯含量，来计 算微球中可利用的活性羟基含量。 在第三章中以蒸馏沉淀聚合法制备了p ( e g d m a 一从) 和 p ( e g d m a c o v p y ) 微球，研究了两种微球通过吡啶基团与羧酸基团之间的氢键 的自组装，形成核一冠型聚合物复合物。讨论了二者之间质量比、环境p h 值和 溶剂对组装后聚合物复合物形态的影响，并通过f t i r 对组装产物进行了红外表 征。 在第四章以蒸馏沉淀聚合法制备了6 0 交联度的p ( d v b 一- h e m a ) 微球用 氯乙酰氯酯化羟基后，通过微球表面的活性氯引发苯乙烯单体进行原子转移自 由基聚合制备聚合物微球的壳层结构，试图通过酯键的裂解研究a t r p 接枝的过 程，但是未得到有效的裂解产物，可能是由于疏水的聚苯乙烯链阻碍了极性的 摘要 碱到达酯键的反应部位。 关键词：单分散聚合物微球核冠型聚合物复合物异相凝聚自组装氢键 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y m e rm l c r o s p h e r e s t hi n t e m a is t i u c t u r e sa r ea t t r a c t l v et o raw l d en u m b e ro f a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gs u p p o n i n gp h a s e sf 6 rs e p a r a t i o ns c i e n c e ，b i o m e d i c a ld e v i c e s ， c o a t i n ga d d i t i v e s ，a i l dc o d 扫o l l e dr e l e a s er e s e r v o i r s i na c c o r d a i l c ew 汕t h ee x p a j l s i o n o ft h e i r 印p l i c a t i o n ，t 1 1 ep r e c i s ec o n t r o lo fp m p e n i e so ft 1 1 ep o l y m e rc o l l o i d sh a s b e c o m em o r ei m p o n a l l t t h ep r e p a r a t i o nm e t h o d ，c h a m c t e r i z a t i o na 1 1 da p p l i c a t i o n so f c o r e s h e l lm i c r o s p h e r e sa 1 1 dm o n o d i s p e r sp o l y m e rm i c r o s p h e r e sw e r ei n 廿o d u c e di n c h a d t e r1 i nc h 印t e r2 ，n a r r o w o rm o n o d i s p e r s ep 0 1 y m e rm i c r o s p h e r e sw “ha c t i v e h y d m x y lg m u p sw e r ep r e p a r e db yd i s t i l l a t i o n 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 ni nt h e a b s e n c eo fa 1 1 ys t a b i l i z e lt h em o n o m e rh y d r o x y e t l l y lm e t h a c r y l a t e ( h e m a ) w a s c o p o l y m e r i z e d 、v i me i t l l e rc o m m e r c i a ld i v i n y l b e n z e n e ( d v b ) ( c o n t a i n i n g8 0 o f d v bi s o m e r s ) o re t h y l e n e g l y c o l d i m e t l l a c r y l a t e ( e g d m a ) a sc r o s s l i n k e rb y d i s t i l l a t i o n 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 nt e c h n i q u e州t h2 ，27 - a z o b i s i s o b u t y r o n l e ( a i b n ) a si n i t i a t o ri n n e a ta c e t o i l i t r i l e t h ee f f b c t so ft 1 1 ec r o s s l i n k e ra n dt h e c r o s s l i n k i n gd e g r e eo nt h em o 叩h o l o g ya 1 1 dt h el o a d i n go ft l l ea c t i v eh y d r o x y l 伊o u p o f t h er e s u l t a n tm i c r o s p h e r e sw e r ei n v e s t i g a t e d n a l l o s i z e d p o l y ( e 血y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e c d a c r y l i ca c i d ) ( p o l y ( e g d m a c o - a a ) )n a i l o s p h e r e s w e r e e 妇f e c t i v e l y s e l f _ a s s e m b l e do n p 0 1 y ( e m y l e n e g l y c o l c d 一4 一v i n y l p y r i d i n e ) ( p o l y ( e g d m a c o v p y ) ) s u r f a c e st o f o h n t h ec o r e c o m n as 衄l c t u r ew i t hr a s p b e n y - l i k ep o l y m e rc o m p o s i t eb yah y d r o g e nb o n d i n t e r a c t i o nm e c h a i l i s m 血r o u 曲t h ea m n i t yc o m p l e xb e t w e e n 山ec a r b o x y l i ca c i d g r o u pa n dp y r i d i n eg r o u p t h ec o n t r o lo fc o v e r a g eo fp o l y ( e g d m a c o a a ) m i c r o s p h e r ec o r o n ao nt l l es u r f a c eo fp o i y ( e g d m a c o v p y ) m i c r o s p h e r e sw a s s t u d i e di nd e t a i lv i aa d j u s n l l e n to ft h en a t u r eo ft h em a s sr a t i ob e “v e e nt h ec o r ea n d c o r o n a t h ee 丘b c t so fp ha n du s e ds 0 1 v e n to nm em o r p h o l o g yo ft h es e l f a s s e m b l e d 1 1 i c o r e c o r o n ap 0 1 y m e rc o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h en a t u r eo ft h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ec o r ea n dc o m n ap o l y m e rp a n i c l e sw a si d e n t i f j e da sh y d r o g e n - b o n db y f t _ i r s p e c t r o s c o p y p o l y ( d i v m y l b e n z e n e 一- h y d m x y e t l l y lm e m a c r y l a t e ) ( p o l y ( d v b 一一h e m a ) ， m i c r o s p h e r e s( c r o s s l i n k i n gd e g r e e w a s 6 0 ) w e r e p r e p a r e db y d i s t i i l a t i o n 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 t h e a c t i v e h y d m x y lg m u p i n山e m i c r o s p h e r e sw e r ee s t e r m e dw i t hc h i o r o a c e t ) r lc h l o r i d e ，t 1 1 e na t o mt r a n s f e rr a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) w a sm i a t e d b yt h ea c t i v e c h l o r i d ei nm es u 墒c eo fm e m i c r o s p h e r e sw i t hs t y r e n ea sm o n o m e r t of o mt h es h e l lp a no f t h em i c m s p h e r e s t h e s p l i to f 血ee s t e rb o n d sw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ep r o c e s so fa t r p ，h o w e v e rt l l e a n e m p tw a sn o ts u c c e s s 如ls i n c eh y d r o p h o b i cp o l y s 即e n ec h a i nm i g h tp r e v e n tt h e b a s ef 而m 印p r o a c l l i n gt 1 1 ee s t e rs i t e k e y w o r d s ： m o n o d i s p e r s ep o l y m e rm i c r o s p h e r es ， c o r e c o m n a p 0 1 y m e r ； h e t e r o c o a g u l a t i o n ；s e l f - a s s e m b l e ；h y d r o g e n - b o n di n t e r a c t i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：丐季 护。年rb r 日 经指导教师同意本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 ，内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) z 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 年月日 第一章前言 第一章前言 近年来，聚合物微球在固相有机合成吧分析分离口引，药物控制释放m 1 ， 生物医学旧】，涂料添加剂8 1 等领域得到了广泛的应用，因此人们对各种材料、 各种结构的微球进行了广泛的研究及开发。其中单分散微球及核壳型微球，由 于其特殊的物理化学性质得到了广泛的关注和研究，这里将主要介绍单分散核 壳微球，及单分散纳米微米级功能微球的合成及应用方面的研究内容。 1 1 单分散微球 自1 9 5 5 年美国里海大学乳液聚合物研究所v 觚d e r h o 岱和b m d f j r d 公布他 们制备高度均一粒径的聚苯乙烯微球的方法 9 】以来，单分散高聚物微球的制备已 成为高分子科学的一个新的研究领域。目前多功能、高性能高聚物微球的合成 备受人们关注，并取得了一定的成果，已开发制各出一系列具有不同分子量、 不同结构、不同表面特性及功能的单分散高聚物微球。粒径单分散高聚物微球 因其具有比表面积大、吸附性强，以及表面反应能力高等特异性能，作为功能 高分子材料，在标准计量、生物化学、免疫医学、分析化学、化学工业、情报 信息、微电子领域以及某些高新技术领域有着广泛的应用 1 0 _ ”】。 1 1 1 单分散聚合物微球的特性 小的粒径和体积 由于交联的凝胶微球整体近似一个大分子，其体积变化的驰豫时间与微球 直径的平方成正比，小粒径高分子微球可以对外界环境有敏锐的反应，所以可 以作为高反应率的微型反应器【1 6 。 第一章前言 比表面积大 在微球表面完全光滑的情况下，1 9 直径为0 1 “m 的微球表面积可以达到 6 0 m 2 。大的比表面积可以提高更多的吸附、脱附及化学反应的位点，使微球具 有更高的反应性能。 均一性 单分散微球的均一粒径使其具有很高的敏锐性，稳定性和可重复性等优点。 例如用于药物释放，可以获得稳定的释放速度。 多样性 聚合物微球可以通过物理方法或者化学方法制备，可以通过不同的方法制 得不同粒径、表面性质、组成、表面结构和形态的微球。我们可以根据需要来 设计和制备不同的聚合物微球。 1 1 2 单分散微球的制备 1 1 2 1 物理方法 聚合物微球可以由物理和化学两种方法制得。在物理方法中，可以通过乳 化一溶剂蒸发，相分离，和喷雾脱水等方法制备天然高分子微球1 7 。常见的高分 子如聚酰胺和聚酯可以通过结晶或者凝聚过程成球18 1 。将尼龙溶解在0 溶剂中 并升温至e 温度以上再快速冷却可得到单分散的尼龙微球19 1 。但此类方法所得 微球一般分散较宽很难达到单分散。 1 1 2 2 化学方法 与物理方法相比化学方法可以制备的微球具有更好的多样性，可通过不同 的化学方法和单体制备得到多种微球。在这里我们主要介绍化学法制备微球的 方法。 第一章前言 1 1 2 2 1 悬浮聚合法 普通悬浮聚合法 在普通悬浮聚合中，液相单体在水溶性悬浮剂和强力搅拌的共同作用下， 被分散成o 1 5 m m 直径的液体颗粒，油溶性引发剂在液滴内引发聚合，制备所 得微球粒径为1 0 0 1 0 0 0 姗，且为多分散性。 s p g ( s h i r a s up o r o u sg l a s s ) - 悬浮聚合法 s p g ( s 1 1 i r a s up o r o u sg l a s s ) - 悬浮聚合法是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种制 备单分散微球的新方法 2 0 之”，s p g 膜是以a 1 2 0 3 一s i 0 2 为骨架的具有均匀微孔构 造的材料，加工成一定的厚度和形状，即称为s p g 膜。通过制备条件的改变， 可以获得不同孔径的s p g 膜。s p g ( s h i r a s up o r o u sg l a s s ) 一悬浮聚合法是分散相在 压力的作用下透过微孔膜的膜孔而在膜表面形成液滴，在沿膜表面流动的连续 相的冲刷作用下，液滴的直径达到某一值时就从膜表面剥离，从而形成悬浮液， 反应装置如图1 1 所示。s p g 膜法可以很容易的控制微球的粒径得到l 一1 0 0 u m 的 单分散微球，但是反应装置造价过高，同时为了达到分散的目的，也必须使用 大量的稳定剂或者分散剂，影响微球的进一步使用。 哆 图l1s p g 膜乳化实验装置图 1 s p g 膜 2 压缩氮气 3 单体容器 4 反应器 5 磁力搅拌 6 7 加热控温装置 第一章前言 1 1 2 2 2 乳液聚合法 常规乳液聚合 常规乳液聚合是指单体被乳化剂分散在水介质中进行的聚合。对乳液聚合 的研究始于2 0 世纪2 0 年代，3 0 年代见于工业生产【2 3 】。常规乳液聚合可以制备 粒径0 0 6 o 5 岬的分布较窄的微球2 4 。2 7 。乳液聚合与其他聚合方法相比具有突 出的优点：( 1 ) 聚合体系在聚合过程中始终处于流动性良好的状态，因此自由 基聚合放出的反应热可通过水相传递出去；( 2 ) 聚合速率比通常的本体聚合高 得多；( 3 ) 聚合产物以乳胶形式生成，因而操作容易，而且产物直接可以以乳 胶形式使用：( 4 ) 聚合过程和产物乳胶均以水相为介质，因此安全和环境问题 较少泌2 9 1 。但同时乳液聚合方法及聚合产物也有与生俱来一些缺点：例如，由 于产物含有表面活性剂和引发剂分解产物，且很难除去，因此乳液聚合产物无 法用于需要高纯度的领域。乳液聚合微球由于粒径较小，且含有乳化剂也很难 由体系中分离得到固体粉末，所以乳液聚合产物一般都是可以直接应用的，尤 其在工业方面，如粘合剂及各种添加剂等。 反相乳液聚合 反相乳液聚合是指把水溶性单体在乳化剂的作用下分散到非极性有机溶剂 中，用油溶性或水溶性引发剂引发的聚合。通过此方法可以制得多种单分散的 亲水性乳胶粒微球。 c h e n 等。”以k p s ( 过硫酸钾) 为引发剂研究了a m ( 丙烯酰胺) 的反相乳液 微凝胶合成及其动力学。结果表明，使体系稳定的最低乳化剂浓度与所采用的 有机溶剂有关，交联剂n ，n 一亚甲基双丙烯酰胺的存在，有利于体系的稳定和微 凝胶的形成。因此，从聚合机理看反相乳液聚合就是粒子分散得较小的反相悬 浮聚合。 微乳液聚合 第一章前言 微乳液是由水、乳化剂和助乳化剂组成的各向同性、热力学稳定的透明或 半透明胶体分散体系，其分散相( 单体微液滴) 直径一般在1 0 5 0 n m 范围，界面 层厚度通常为2 5 n m ，由于分散相尺寸远小于可见光波长，因此微乳液一般为 透明或半透明的【3 l 】。根据体系中油水比例及微观结构，微乳液聚合可分为反相 微乳液聚合i 珏33 1 、正相微乳液聚合【3 4 _ 3 5 1 和双连续相微乳液聚合37 1 。微乳液聚 合由于乳化剂含量高，单体含量低，对产品性能和实际应用并不理想。因此， 提高微乳液体系的固含量以及寻求新的乳化体系一直是研究的热点。 无皂乳液聚合 无皂乳液聚合是在传统乳液聚合的基础上发展起来的一项聚合反应新技 术，它是指在反应过程中完全不加或仅加入微量乳化剂( 其浓度小于临界胶束浓 度c m c ) 的乳液聚合过程 3 8 】。不加常规的乳化剂可以得到表面洁净、单一分散， 粒径在o 5 一l u m 的乳胶粒，同时消除了乳化剂对环境的污染。无皂乳液聚合克服 了传统乳液聚合的弊端，可以通过粒子设计使粒子表面带有各种功能基团，广 泛用于生物、医学、化工等领域。因此，无皂乳液聚合越来越得到人们的关注【3 9 】。 1 1 2 2 3 分散聚合 分散聚合是2 0 世纪7 0 年代初由英国i ci 公司的研究者们最先提出，分散 聚合实质上是一种特殊的沉淀聚合”o 训】。它是将单体、引发剂、稳定剂等溶解 在反应介质中，形成一均相体系，开始聚合时最初形成的聚合物溶于介质，当 聚合物链长达到一定程度后，便从反应介质中沉析出来，稳定地分散于介质中， 形成类似于聚合物乳液的分散体系，而且聚合物粒子的粒径分布很窄，可得到 粒径单分散的聚合物微球。用于分散聚合的单体较广，目前研究得最多的是苯 乙烯4 2 4 3 】和甲基丙烯酸甲酯单体及其衍生物。也有采用氯甲基苯乙烯作为单 体直接在微球表面引入功能基4 ”，然后进行胺化而制备碱性的单分散聚合物微 球的报道。 第一章前言 分散介质【4 6 1 在分散聚合中有着特殊的重要意义，它必须能够溶解单体、引 发剂和稳定剂，但不溶解聚合物。近年来人们较多地研究了极性介质中的分散 聚合，常用介质主要是低碳数的脂肪醇体系，现在研究最多的是乙醇和水体系， 在该体系中可以得到粒径4 u m 的大粒径单分散粒子。 在分散聚合中稳定剂是分散聚合成败的关键成分。常用分散剂主要有羟丙 基纤维素、聚n 乙烯基吡咯烷酮【4 8 9 1 、聚丙烯酸1 5 0 】及聚乙二醇【5 l 】等双亲性化 合物。这些物质之所以能起稳定作用，主要是由于这些物质能接枝到聚合物分 子链上，并定位于颗粒表面，起位阻稳定作用。 分散聚合引发剂范围较广，无论是水溶性的、还是油溶性的，只要溶于所 选介质，且半衰期合适，均可引发聚合。分散聚合的理论研究目前尚处于发展 阶段，关于分散聚合胶粒的形成和增长机理研究尚不充分，目前人们主要倾向 两种机理，即齐聚物沉淀机理和接枝共聚物沉淀机理总之，关于分散聚合的 理论研究尚有待于进一步深入。 1 1 2 2 4 种子溶胀聚合 种子溶胀法就是先利用低皂或无皂乳液聚合或分散聚合等方法制成小粒径 单分散高聚物粒子为种子，用单体、交联剂以及惰性组分进行溶胀，使颗粒变 大，然后再进行聚合，从而制得大粒径单分散高聚物微球的方法。目前人们已 用种子溶胀法制得了一系列l “m 1 0 0 “m 不同粒径的高聚物微球。种子溶胀 法根据具体实施方法的不同，又可分为常规溶胀法、逐步溶胀法、两步溶胀法 和动力学溶胀法等 5 3 】。常规溶胀法微球吸附单体量有限，溶胀后聚合粒径的增 长也小5 4 。5 5 1 ：逐步溶胀法中每一步都可能产生新的小粒子，致使逐步溶胀法很难 得到单分散的高聚物微球。 1 1 2 2 5 沉淀聚合 6 第一章前言 以上方法虽然都可以制备单分散微球，但都存在一定的缺点，如需要稳定 剂或乳化剂( 乳液聚合，分散聚合，悬浮聚合) ，需特定的装置( s p g 膜法) ， 设备( 放射聚合中的放射源) ，操作繁琐难于控制( 种子溶胀聚合) 等。所以在 制各微米级( 1 一1 0 微米) 的单分散微球的实验中以上方法都存在很大的缺点。 1 9 9 3 年s t 6 v e r 在研究中发现，双键单体d v b 5 5 在有机溶剂乙腈中，在低 单体浓度下，在没有任何乳化剂和稳定剂的情况下，经简单摇动加热，就可以 得到单分散的聚合物微球。反应过程中，单体聚合得到的聚合物由溶剂中沉淀 出来，反应体系由均相变为非均相，高聚物聚集成核并逐步增大成为单分散微 球【5 7 。由于不使用任何乳化剂和稳定剂所得微球表面洁净，并且球形规整。此 后s t 6 v e r 在这方面作了大量的研究将d v b 一5 5 与不同的单体如氯甲基化苯乙烯 【5 8 】，马来酸酐 5 9 】，( 甲基) 丙烯酸酯及其衍生物【6 0 】等单体合成了多种功能化的微 球。同时在反应体系中引入致孔剂( 甲苯) 制备得到了单分散多孔微球6 ”，此 种微球带有纳米级微孔并且高交联，能够耐很高的柱压，同时苯环还可以进一 步的官能化，在色谱填料方面有很大应用。 s t 6 v e r 以d v b 一5 5 和四甲基苯乙烯为单体，以正庚烷丁酮为共溶剂体系， 仅通过改变交联剂用量和溶剂的配比，就得到了微凝胶、超凝胶、单分散微球、 可溶性聚合物等不同的过渡形态的聚合物6 2 1 。这一研究在微球的控制合成及微 球的形成机理等方面做出了探索性的实验。 蒸馏沉淀聚合 在s t 6 v e r 的研究基础上，本课题组研究发现在没有任何稳定剂存在的情况 下，仅单体( d v b 8 0 ) 、溶剂( 乙腈) 和引发剂( a i b n ) 通过简单的蒸馏，将 部分溶剂由体系中蒸出，就可以得到单分散的d v b - 8 0 微球。同时我们将此方法 扩展到d v b 一8 0 与其他单体共聚，并且将沉淀聚合单体由单纯的油溶性单体扩展 至亲水性单体，所得微球粒径扩展至亚微米级( 几百纳米) 和纳米级( 几十至 第一章前言 1 0 0 纳米左右) ，极大地扩展了沉淀聚合制备微球的范围。这种聚合方法装置简 单，反应过程容易控制，反应过程中大部分溶剂可通过蒸馏直接回收，具有广 泛的应用前景【6 3 】。我们将在以后的章节详细的介绍这一实验方法。 沉淀聚合的机理 到目前为止沉淀聚合的机理还不是很清楚，s t 6 v e r 及s c h o e 等人做了一些 工作6 4 删，提出了一些设想及实验证明。s t 6 v e r 将成球过程分为成核和微球的增 长两个阶段。 成核阶段：如图1 _ 2 所示，d v b 5 5 在聚合过程中形成高枝化聚合物，由于 乙腈是单体( d v b 一5 5 ) 的良溶剂，但对于高枝化聚合物溶解度有限。当聚合物 分子量达到一定值后由溶剂中沉出，聚合物相互聚结成核，这就是成核期。一 个短暂快速的成核阶段是沉淀聚合制备单分散微球的必要的条件。 斥竺- f 嚆 o 唾 囟煮i 少嚆j b 呜 生 n u c h t l o n 一g r 0 砌一 增长阶段：红外显示沉淀聚合所得微球含有大量的残余双键，为了验证微 球的增长机理，s 6 v e r 将制得的微球经加氢氢化或者烷基化将双键破坏掉后，然 后再加入溶剂单体引发剂进一步反应，并与未处理的微球作为对照。研究发现 未处理的微球粒径均匀增大保持很好的单分散性，而双键被破坏掉的微球中出 现大量的小粒子。因此推断如图i - 3 所示，在聚合过程中，微球表面双键由溶液 中捕获单体或者可溶性聚合物，使微球逐步增大。当双键被破坏之后微球由溶 第一章前言 液中捕获寡聚物能力降低，寡聚物自聚成核，造成生成很多的小粒子。 参i 名， “ a 、r e a c t i v es u r f a c e f 延 b 、i n e r ts u r f h c e 图1 3 沉淀聚合增长过程示意图 稳定机理：如上所述，反应过程中微球表面不停地由体系中捕获可溶性或 高度溶胀的寡聚物。因此在聚合的任何阶段，微球表面都存在一层部分交联的 且可溶胀的高枝化的凝胶层。考虑到体系中未加任何稳定剂，但所得为单分散 微球，推测这一表面凝胶层起到了体积排斥稳定微球的重要作用，阻止了微球 之间的团聚现象。当沉淀聚合在一种临界或者近0 溶剂( 如乙腈) 中进行时， 过渡的凝胶层逐渐的沉积塌陷，同时通过表面双键捕获单体和寡聚物生成新的 凝胶层。这一过渡凝胶层起到了主要的稳定作用。 到目前为止沉淀聚合的成熟机理还没有完善，只处于实验推理阶段，还有 大量的工作要做。 1 1 3 微球结构的研究和表征 研究聚合物微球结构的实验手段有多种，成像观察直观、简捷：对粒子表 面成分进行分析；测定粒子的粒径及其分布；研究粒子中的界面相；研究粒子 的化学组成等等，皆可以得到粒子结构的信息。 爱 一 + 爱 第章前言 1 1 3 1 成像法 1 ) 光学显微镜 光学显微镜的最高分辨率为o 2 “m ，比人眼的分辨率1 0 0 “m 提高了许多。 大部分微米级微球可直接通过光学显微镜直接观察照相，得到微球的宏观形态 方面的信息，将光学显微镜与计算机系统相连接经数据处理，可直接得到微米 级微球粒径及分布方面的统计数据。光学显微镜0 2 u m 的分辨率是成像过程中 可见光的衍射差决定的，所以，放大倍数局限在1 0 0 0 倍左右。随着科学技术的 进步，这一倍率的观察已经不能满足人们研究的需要。光学显微镜仅能从宏观 角度对微球进行观察，不能够得到微球的微观形态学方面的信息。 2 ) 扫描电子显微镜( s c a n l l i n ge l e c t m nm i c r o s c o p e ) 扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束，用此电 子束在样品表面进行逐行扫描，电子束激发样品表面发射二次电子，二次电子 被收集并转换成电信号，在荧光屏上同步扫描成像。由于样品表面形貌各异， 发射二次电子强度不同。对应在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前扫描 电子显微镜的分辨率已经达到了2 m 左右。 扫描电镜与x 射线能谱配合使用，使得在看到样品的微观结构的同时，还 能分析样品的元素成分及在相应视野的元素分布。因此，扫描电镜不仅是对光 学显微镜的简单延伸，而是一个从结构到成份分析同时实现的更加有用的分析 仪器。因此，在研究物体超微结构及其性能方面，它已经成为不可或缺的分析 手段。 3 ) 透射电镜技术 观察粒子形态和内部结构最常用的是透射电子显微镜( t e m ) 。透射电镜是以 电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片 上进行观察。透射电镜的分辨率为0 1 0 2 m ，放大倍数为几万几十万倍。 第章前言 对于小粒径微球可以将微球样品分散于一定溶剂中，并将液滴滴加到铜网上直 接观察。如想获得微球内部形态信息则必须将分离出的粒子包埋到特殊的环氧 树脂中进行超薄切片观察。但是该方法要求粒子与衬底、不同组分之间要有较 好的反差，因此提高粒子的衬度和聚合物之间的反差是必要的。提高反差最常 用的方法是染色，如用四氧化锇等进行染色处理【6 ”。但是并不是所有的聚合物 都能被染色。提高反差的另一种方法是提高粒子的密度( 增加交联程度) ，但是 会影响粒子的大小和形态。样品在观察过程中，在真空状态下受到高能电子束 的轰击，粒子的形态和粒径有一定的改变【6 8 】。 4 ) 原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ) 原子力显微镜是利用固定在微悬臂上的微探针与样品接近，当微探针与样 品接近到一定程度时，产生同距离有关的相互作用力。在微探针的扫描过程中， 样品表面的起伏将引起相互作用力的变化，保持这个力的值不变，则微探针的 扫描结果就是表面形貌。在表面观察过程中，x y 方向的分辨率可以达到o 1 n m 、 z 方向的分辨率可以达到0 0 1 n m 。可见原子力显微镜，不仅分辨率高，还能给 出纵向高程差。经过短短十几年的发展，它已被用来探测各种表面力、纳米机 械性能、对生物过程进行现场观察；还被用来将电荷定向沉积、对材料进行纳 米加工等。用原子力显微镜( a f m ) 研究微球的结构具有许多优点，它能得到粒子 的三维图像，保持亚纳米级的分辨率，可定量确定粒子表面的粗糙程度并能获 得许多热力学数据。与t e m 和s e m 不同的是，它可以在空气或液体介质进行 观察，因此避免了粒子因干燥而产生的变形【6 6 6 9 1 。 1 1 3 2 粒径及分布的测定法 1 1 3 2 1 粒度分析仪 粒度分析仪如圆盘粒度分析仪、激光粒度分析仪可以直接测定粒子的粒径， 第一章前言 粒经分布等统计数据。但此方法测定时，对样品的分散性要求较高，微球必须 在分散相中完全分离开来，部分样品测试时会出现多个粒子的团聚或者几个粒 子同时经过测试孔道，会造成很大的偏差。 1 1 3 2 2 光散射法 光散射是指一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向观察到的一 种光辐射现象。光散射仪队接收到的散射光进行统计分析，从而得到粒子粒度 的分布。其中最常用的就是小角激光光散射测定粒子的分布。w a i 【70 1 、 d i n g e n o u t s 和b e y e r 【7 2 l 等人分别用小角中子散射( s a n x ) 和小角x 射线散射 ( s a x s ) 研究微球的结构。此外动态光散射能准确测定乳胶粒子及粒径分布，也 可以用来进行结构表征和研究。 1 1 3 2 3 微球粒径及其分布的统计表征 粒径及分布是表征微球的重要指标，通常所说的粒径是指某种平均粒径， 微球体系平均直径的表示方法有很多种。粒径分布宽度指数( 又称多分散型指 数，单分散型指数，均一性指数) 通常用u 来表示，并将u r 时， 大球表面当作平面处理，当2 r r 1 0 时，大球表面当作球面处理) ，根据大球与 融化后小球是否浸润，分别讨论了小球融化后完全覆盖大球表面时小球之间的 第一章前言 临界距离。并以聚吡咯和s i t i 0 s o 。为大球，不同的聚甲基丙烯酸酯为小球对模 型计算的结果进行了证实。 a b 图1 7a ：异相凝聚法制各核壳型聚合物复合物的示意图；b ：在8 0 0 c 加热以交联p s t 微 球为核的p ( s t - c o - b a - c o - m a p d s ) 聚合物复合物颗粒，在不同时间取样p a n i c l e s a t 加热时间 ( a ) ：o h ，( b ) ：10h ，( c ) ：2 oh ，( d ) ：3oh 【1 1 8 】 第一章前言 在生命系统中，大分子之间的相互作用扮演着重要的角色，如酶的催化和 蛋白质的合成。这种作用对反应结果起主要决定作用。w a l t 等人【1 1 9 1 以异相凝聚 技术通过化学或生物作用控制微粒组装的结构。他们以表面氨基化的粒径为 3 一1 0 岬的硅胶微球与戊二醛反应后，与表面氨基化的粒径1 0 0 一2 0 0 n m 的p s 微 球通过化学作用进行组装；又以表面氨基化的硅胶微球与戊二醛反应后，与表 面b i o t i n s s e 化的p s 微球球通过生物技术进行组装。将组装后的复合物加热至 p s 微球的玻璃化转变温度以上，使p s 微球熔化，在硅胶球表面展开，形成核一 壳型结构，示意图如图1 8 。以这两种方法为驱动力进行微球之间的组装，与以 静电力作为驱动力的自足装相比具有如下优点：第一、可参加组装的物质范围 较广，即使要组装的两种颗粒带同种电荷，也可组装；第二、这种组装的稳定 性比电荷作用要强。这种核壳型复合物有广泛的应用前景，如传感器、色谱柱 固定相和药物释放等方面。 第一章前言 寓：。警漱 b j o i i n s s e s - 争 争岫 h “p h h h ， e j 。“ n “p 叫f m d h 州? j q 0 “击n 图18 通过戊二醛化学作用和生物特异性作用形成的复合物颗粒m 】 氢键在基本的生命活动中起重要作用，如蛋白质识别和d n a 重组。它同样 广泛的应用于形成聚合物体系的超分子序列 他o 1 2 3 1 。氢键作用作为主要驱动力被 广泛应用于聚电解质问形成多层薄膜旧。26 1 。由于薄膜的层与层之间存在静电排 斥作用，其组装结果对p h 值变化比较敏感。这种特点使聚电解质依靠氢键作用 形成的多层薄膜结构具有广泛的应用前景，如用于药物释放中可以控制氢键薄 膜分解的速率。 我们曾报道了具有不平坦表面的具有草莓结构的聚合物复合物颗粒，由 p ( e g d m a - 一a a ) 纳米级微球在p ( d v b 一s t m p y c i ) 微球表面，通过羧酸基团和 擎 删 一 等，罨 露 第一章前言 吡啶基团的电荷补偿作用，发生异相凝聚形成1 2 7 】。在这里，我们制备了 p ( e g d m a c o - a a ) 和p ( e g d m a c d v p y ) ，通过氢键作用发生异相凝聚，形成具 有不平坦表面的类似草莓形态的核一冠型聚合物复合物颗粒。这种结构由于其 独特的性质，可能会在化学、生物学、药物学等方面存在广泛的应用。 1 3 研究课题的提出 由于单分散微球及核壳型微球具有很多独特的性质并得到了广泛的应用， 为此本研究拟采用蒸馏一沉淀聚合法合成单分散微球，为在固相有机合成载体， 控制药物释放材料，色谱柱填料，催化剂载体等研究和开发方面做一些基础性 工作。首先，分别采用二乙烯基苯与乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，以甲基 丙烯酸羟乙酯为共聚单体，通过蒸馏沉淀聚合法合成表面带有活性羟基的窄分 散微球。通过分子探针测定表面活性羟基的含量。 由于聚合物之间以及聚合物与无机微球之间的自组装受到了广泛关注，我 们试图在聚合物微球之间的自组装驱动力模型方面进行研究。以氢键为驱动力 使微球间发生异相凝聚进行自组装，形成具有不平坦表面的类似草莓形态的核 一冠型聚合物复合物颗粒。这种结构由于其独特的性质，可能会在化学、生物 学、药物学等方面存在广泛的应用。 第一章前言 参考文献 1 s h u n l w o r 七hsj ，a 1 1 i nsm ，s h a m apk f u n c t i o n a l i s e dp o l y m e r s ：r e c e n td e v e l o p m e n t sa n d n e w a p p l i c a t i o n si ns y n t h e t j co 唱a n l cc h e m i s 仃ys y n t h e s i s ，1 9 9 7 ，1 2 17 1 2 3 9 2 】l iwh ，h a m i e l e cae ，s t 6 v e rhd hn o v e lp o l y s t y r y lr e s i n sf o rs i z ee x c l u s j o n c h r o m a t o g r a p h xj p o l y m s c i ，p a na ：p o l y m c h e m ，19 9 4 ，3 2 ，2 0 2 9 2 0 3 8 3 】m agh ，f u k u t o m it n a z a l ( is t h em o d 讯c a t i o no fp o r o u sc h r o m a t o g e ls u r f a c ef o ri i q u i d c h m m a t o g r a p h yb yp o l y ( 4 一v i n y l p y n d i n e ) m i c r o g e l s j a p p l p o l y m s c i ，1 9 9 7 ，4 7 ， 1 2 4 3 1 2 5 3 4 a r s a d yrm i c r o s p h e r e sa n dm i c r o c a p s u l e s ，as u r v e yo fm a n u f a c t u n gt e c h n i q u e sp a r t 1 1 ： c o a c e r v a t i o n p o l y m e n g s c i ，1 9 9 0 ，3 0 ，9 0 5 9 1 4 5 】s c h e rhb ，r o d s o nm us p a t e n t5 1 6 0 5 2 9 ，i s s u e dn o v 3 r d ，1 9 9 2 6 o k u b om ，n a k a g a w ats t r i l c m r eo fw o m i c r o e m u l s j o nt e m p l a t e dp o l y m e rn e t 、v o r k s c o l l o i dp o l y m s c i ，1 9 9 4 ，2 7 5 ，5 3 0 - 5 3 6 7 k a w a g u c h jh f u n c t i o n a lm i c m s p h e r e s p m g p o l y m s c i 2 0 0 0 ，2 5 ，】17 1 - 1 2 1 0 8 m c d o n a l dcj ，b o u c kkj ，c h a u p tab ，e ta l e m u l s i o np 0 1 y m e r i z a t i o no f v o i d e dp a r