（材料加工工程专业论文）磺化聚苯乙烯制备多孔聚合物微球的机理研究.pdf

摘要 摘要 由于在药物的储存和可控释放、有效封装活性物质( 例如蛋白质等) 、选择 分离、催化载体、粒子交换、传感器、电流变学、太阳能电池、模拟光合作用和 光学应用等方面的潜在应用，多孔聚合物微球的制备备受材料学家的关注。随着 对胶体表面、界面化学的理论认识的深入，以及乳液形态控制技术和自组装技术 的发展，将单分散的乳胶微球在油水界面自组装形成三维有序包裹体，进而得到 多孔微胶囊的方法成为制备聚合物多孔微球的新方法。 本论文对磺化聚苯乙烯( s p ) 微球以不同条件分散，在油水界面的自组装行为 首次进行了较全面、系统的研究。发现在不同条件下以不同的机理自组装，形成 形貌各异的多孔微球。建立起以s p 微球为模板，辐射乳液聚合为手段，一步制 各形貌多变、尺寸可控的多孔微球的简单、高效的新方法。主要研究结果如下： 1 将s p 微球先分散在油相单体m m a 中，再与水相混合配制成乳液。经过6 0 c o y 射线辐射聚合，得到多孔聚合物微球。通过光学显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 对乳液形成过程及最终多孔聚合物微球的形貌观察，以及对乳液静置分层过程的 宏观观测分析，确定了多孔微球是通过多重乳液机制形成的。s p 微球首先在 m m a 单体中溶解，形成两亲性的磺化聚苯乙烯分子链，并在油水两相中分配， 加水乳化后形成稳定的w o w 型多重乳液。此多重乳液经辐射引发单体聚合， 其中的水份挥发后形成最终的多孔结构。由此机理出发，我们在水中加入可聚合 功能单体，可进一步制备出功能化的多孔聚合物微球。 2 将s p 微球先分散在水中，再与油相单体混合制成乳液。经过6 0 c oy 射线 辐射聚合，得到笼状的多孔聚合物微球。通过o m 、s e m 对乳液形成过程和乳液 静置不同时间后聚合得到的多孔聚合物微球形貌的分析，证实此笼状聚合物微球 的形成是通过先分散于水中的s p 微球在油水界面自组装形成p i c k e r i n g - 孚l 液；而后 被单体溶胀，并导致p i c k e r i n g - 孚l 液解体，溶胀的s p 微球重新分散在水中形成3 d 模板。与此同时，由于磺酸根的亲水性引起球表面的水向s p 微球内部渗透，单 体聚合后，水份挥发，形成了笼状的多孔微球。 3 在上述笼状聚合物微球形成机制的理论指导下，通过调节s p 微球的大小 和分子量，以及单体和极性溶剂的种类及其相对含量等条件，成功地实现了对聚 苯乙烯多孔微球的尺寸及孔径的可控调整。 关键词：磺化聚苯乙烯微球；多孔微球；多重乳液；p i c k e r i n g 孚l 液；笼状聚合物 微球 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i h o l l o wm i c r o s p h e r e sh a v eb e e ni n t e n s i v e l ys t u d i e da n dw i d e l yu s e d b e c a u s eo ft h e i rl o wd e n s i t ya n dh i g hs p e c i f i cs u r f a c e ，s u c hm a t e r i a l sh a v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nd r u gs t o r a g ea n dc o n t r o l l e dr e l e a s e ，e f f i c i e n te n c a p s u l a t i o n o fa c t i v e i n g r e d i e n t s ( s u c ha sp r o t e i n s ) ，s e l e c t i v es e p a r a t i o n ，c a t a l y s ts u p p o r t s ，i o ne x c h a n g e r s ， s e n s o r s ，e l e c t r o r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，s o l a rc e l l s ，m i m i c k i n gp h o t o s y n t h e s i s ，o p t i c a l a p p l i c a t i o n s ，a n ds oo n t h u st h ep r e p a r a t i o no fm u l t i h o l l o wm i c r o s p h e r e sh a sb e e n i n t e n s i v e l ye x p l o r e db y m a t e r i a ls c i e n t i s t s r e c e n t l y ，t h es e l f - a s s e m b l yo f m o n o d i s p e r s el a t e xp a r t i c l e sa te m u l s i o nd r o p l e ti n t e r f a c ea n ds u b s e q u e n t - f i x i n gw i t h ac o m p o s i t el a y e rt of o r mm u l t i h o l l o wm i c r o c a p s u l e sw a ss t u d i e dw i t ht h ef u r t h e r u n d e r s t a n d i n go nt h et h e o r i e so ft h e c o l l o i da n di n t e r f a c ec h e m i s t r ya n dt h e d e v e l o p m e n to fs e l f - a s s e m b l ya n de m u l s i o nm o r p h o l o g yc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , w ef i r s tc a r r i e do u tac o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cr e s e a r c hw o r k o nt h es e l f - a s s e m b l yb e h a v i o r so fs u l f o n a t e dp o l y s t y r e n e ( s p ) a to i l w a t e ri n t e r f a c e u n d e rd i f f e r e n td i s p e r s i n gc o n d i t i o n s i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r et w od i f f e r e n tk i n d s o fs e l f - a s s e m b l yp r o c e s s e s ，t h e r e o u tt w od i f f e r e n tm u l t i h o l l o wp o l y m e rs p h e r e sw e r e o b t a i n e d t h em e c h a n i s mo nf o r m a t i o no fm u l t i h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r eh a db e e n d i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y , w ee s t a b l i s h e das i m p l ea n de f f e c t i v er o u t et oa c h i e v et h e p o r o u sp o l y m e rm i c r o s p h e r e sw i t hv a r i o u sm o r p h o l o g i e sa n dc o n t r o l l e dp o r es i z ea t t h ep r e s e n c eo ft h es pm i c r o s p h e r ea st h et e m p l a t e t h em a i nr e s u l t so f t h i st h e s i sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s pp a r t i c l e sw e r ef i r s tl o c a t e di nm m a t h e ni tw a se m u l s i f t e dw i t hw a t e r , a n ds t a b l em u l t i p l ee m u l s i o n sc o u l db ep r e p a r e ds i m p l y a f t e ri n i t i a t i n gt h e p o l y m e r i z a t i o no fm m ab y 叫c o ) , - r a yr a d i a t i o n ，t h em u l t i h o l l o wp m m ap a r t i c l e s w e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d b a s e do nas e r i e so fs t u d i e so nt h ef o r m a t i o np r o c e s so f m u l t i p l ee m u l s i o n sa n dt h em o r p h o l o g yo ff i n a lp o r o u sp o l y m e rm i c r o s p h e r e sw i t h t h ea i do fs e m ，o m ，e t c ，am e c h a n i s mo nt h ef o r m a t i o no ft h eh o l e st h r o u g hm u l t i p l e e m u l s i o n sw a sp r o p o s e d ：w h e ns pp a r t i c l e sl o c a t e di nm m af i r s t ，t h es pp a r t i c l e s w o u l ds l o w l yd i s s o l v ei nm m at of o r mp o l y m e re m u l s i f i e rd u et oa m p h i p a t h i c m o l e c u l ec h a i n ，t h e n ，m u l t i p l ee m u l s i o n sw e r ef o r m e d w h e np o l y m e r i cm o n o m e r s w i t hf u n c t i o n a lg r o u p l s ( i t a c o n i ca c i d ) w e r ea d d e di nw a t e r , t h ef u n c t i o n a l i z a t i o n m u l t i h o l l o wm i c r o s p h e r ec o u l db ef a b r i c a t e db yt 1 1 i sm e c h a n i s m a b s t r a c t 2 s pp a r t i c l e sw e r ef i r s tl o c a t e di nw a t e r , t h e ni tw a se m u l s i f i e dw i t hm m a m o n o m e r , a n o t h e rk i n ds t a b l ee m u l s i o n ( p i c k e t i n ge m u l s i o n ) w a sp r e p a r e ds i m p l y a f t e ri n i t i a t i n gt h ep o l y m e r i z a t i o no fm m a b y6 0 c o ? - r a yr a d i a t i o n ，c a g e 1 i k e m u l t i h o l l o wp o l y m e rp a r t i c l e sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d b a s e do nas e r i e so f s t u d i e so nt h ef o r m a t i o np r o c e s so fp i c k e r i n ge m u l s i o n sa n dt h em o r p h o l o g yo ff i n a l p o r o u sp o l y m e rm i c r o s p h e r e sb yt h ea i do fo m 、s e m ，e r e ，am e c h a n i s mo nt h e f o r m a t i o no ft h ec a g e l i k em u l t i h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r ew a ss u m m a r i z e df i n a l l y ： w h e ns pp a r t i c l e sl o c a t e di nw a t e rf i r s t ，t h es pp a r t i c l e sw o u l db es w e l l e da f t e r e m u l s i f i c a t i o nb u tc a n td i s s o l v e d ，ap i c k e t i n ge m u l s i o nw a sf o r m e df i r s t l y a f t e r s o m et i m e ，t h es w e l l i n go fs pp a r t i c l e sa n dt h er e d u c i n go fo i ld r o p l e tw o u l dl e a dt o b r e a k a g eo ft h ep i c k e t i n ge m u l s i o n ，t h e n ，t h es pp a r t i c l e st o o kp l a c eas e r i e so f s w e l l e d - d i s s o l u t i o np r o c e s s ，b e c o m i n ga3 dt e m p l a t e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h eh e l p o fw a t e ro s m o t i cp r e s s u r ew h i c hi sd u et ot h eh y d r o p h i l i c i t yo fo i lp h a s ea n ds u l f o n a t e g r o u p s ，a f t e rp o l y m e r i z a t i o n ，t h ep o r o u sp o l y s t y r e n em i c r o s p h e r ew a ss u c c e s s f u l l y o b t a i n e d 3 u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h em e c h a n i s mo nt h ef o r m a t i o no ft h ec a g e l i k e m u l t i h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r e ，t h ep o r o u sp o l y s t y r e n em i c r o s p h e r ew i t hv a r i o u s m o r p h o l o g i e sa n dc o n t r o l l e dp o r es i z e sw e r es u c c e s s f u l l yo b t a i n e d t h ei n f l u e n t i a l f a c t o r so nt h em o r p h o l o g yo ft h ef i n a ll a t e xp a r t i c k e si n c l u d e st h es i z eo fs pp a r t i c l e s ， t h em o l e c u l a rw e i g h to fp sp a r t i c l e s ，t h er a t i oa n dp o l a r i t yo fp o l a rs o l v e n ti no i l p h a s e ，a n dt h eh y d r o p h i l i c i t yo fo i lp h a s e ，e t cw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h i sw o r k p r o v i d e sv e r s a t i l i t yi n t h es t u d yo ft h ep r e p a r a t i o no fm u l t i h o l l o wp o l y m e r m i c r o s p h e r ew i t hc o n t r o l l e dp o r es i z e s k e y w a o r d ：s u l f o n a t e dp o l y s t y r e n ep a r t i c l e ，m u l t i h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r e ， m u l t i p l ee m u l s i o n ，p i c k e r i n ge m u l s i o n , c a g e - l i k em i c r o s p h e r e i i i 缩略表 缩略表 a a丙烯酸m m a甲基丙烯酸甲酯 a i b n偶氮二异丁腈r i b a乙酸丁酯 b a丙烯酸正丁酯o m 光学显微镜 b p o过氧化苯甲酰p s聚苯乙烯 d v b二乙烯基苯p v p聚乙烯吡咯烷酮 e t o h乙醇s e m扫描电子显微镜 f t i r傅立叶红外光谱s d b s 十二烷基苯磺酸钠 g 辐射化学产额 s t苯乙烯 h l b亲水亲油平衡值s p磺化聚苯乙烯 h x正己烷t e m 透射电子显微镜 i a衣康酸u v 厂s 紫外可见光 l 6 蝴a 乙酸异戊酯溺乙酸乙烯酯 k p s过硫酸钾s x 射线电子能谱 i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名：袁煞 签字日期：垫z ：垂：z 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开口保密( 年) 作者签名：盘丛 签字日期： 趔z ：笸：z 翩签名：墅塑： 签字日期：幽：! ! 墨： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多孔材料的简介和发展概况 多孔材料是2 0 世纪发展起来的崭新材料体系，它包括金属多孔材料( 即常说 的泡沫金属) 和非金属多孔材料( 如泡沫塑料和多孔玻璃等) 。其显著特点是孔 道结构排列规则、大小可调及比表面积高和吸附容量大，在大分子催化、吸附与 分离、纳米材料组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。 按照国际纯粹和应用化学联合会( m p a c ) 的定义，多孔材料可以按它们的 孔径分为三类( 如表1 1 所示) ：小于2n l r l 为微孔( m i c r o p o r e ) ；2 - 5 0b i n 为介 孔( m e s o p o r e ) ；大于5 0n l n 为大孔( m a c r o p o r e ) 。有时也将小于0 7b i n 的微孔 称为超微孔 1 】。 表1 1 多孔材料的分类、孔径及代表材料【2 】 也可按照空间结构，将常见的有序多孔材料分为四类( 如表1 2 ) ：六方结 构、层状结构、蠕虫状结构和立方结构。 表1 2 多孔材料的结构分类及典型材料 2 3 多孔材料是人们最先认识的纳米材料之一。大约2 5 0 年前人们开始使用天然 分子筛；1 9 4 8 年1 9 5 5 年期间，b a r r e r $ l j m i l t o n 首次实现人工合成分子筛，分子 筛很快成为最重要的工业催化剂之一；1 9 9 2 年，m o b i l 实验室首次人工合成了 第一章绪论 m c m 4 1 s 系列分子筛，它克服了微孔分子筛无法催化大分子反应的不足，极大 地推动了分子筛研究的发展；1 9 9 8 年，y a n g 首先采用嵌段共聚物为结构导向剂， 得到了孔径高达3 0n m 的大介孔分子筛，这是人类认识和利用介孔分子筛史上的 又一飞跃 3 】。 1 9 9 3 年5 月，美国一个多孔材料研究工作组( p o r o u sm i t e v i a l se x p o ， a l b u q u e r q u e ，n e wm e x i c o ) 【4 确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上 的可能应用：高效气体分离膜；化学过程的催化膜；高速电子系统的衬底 材料；光学通讯材料的先驱体；高效隔热材料；燃料电池的多孔电极； 电池的分离介质和电极；燃料包括天然气和氢气的存储介质；环境净化的选 择吸收剂；可重复使用的特殊( h e p a 型) 过滤装置。这些应用将会对现代工 业革命产生深远影响，同时也掀起了对多孔材料的研究热潮。 1 9 9 4 2 0 0 3 年，多孔材料领域的s c i 论文共计11 7 2 1 篇，论文数量的年代分布 表明该领域的研究发展迅速，显示了强劲的增长势头( 表1 3 ) 。从1 9 9 4 年的3 8 9 篇上升蛰j 2 0 0 3 年的1 8 1 5 篇，几乎增长了4 倍。美、英、法、德、日等科技强国在 其中起着决定性的作用。同时，中国扮演着后来者居上的角色，在该领域也做出 了显著的成绩( 表1 4 ) 5 。 表1 3 多孔材料领域s c i 论文的年代分布 年份 1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 总论文数 3 8 95 3 76 4 38 5 81 0 5 6i 1 6 21 4 5 61 7 3 62 0 6 91 8 1 5 中国论文数 41 81 84 46 18 71 2 72 4 92 8 72 7 5 中国所占份额( ) 1 0 33 3 52 8 05 1 35 7 87 4 98 7 21 4 31 3 81 5 1 5 表1 4 多孔材料领域中国在国际上的地位 年份 1 9 9 4 - 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 3 论文数排名 83 引文数排名 1 06 占世界份额 4 1 6 1 2 4 4 1 2 多子l 聚合物微球的应用 多孔聚合物微球( p o r o u sp o l 3 a n e rm i c r o s p h e r e ) 是采用高分子合成手段制备 的具有多孔结构的聚合物球形颗粒，是一类结构特殊的高分子微球材料。所谓的 2 第一章绪论 高分子微球材料是指直径在纳米级至微米级，形状为球形或者其他几何体的高分 子材料或高分子复合材料。其形貌可以是多样的，包括实心、空心、多空、哑铃、 洋葱型等。高分子微球也包括微胶囊，微胶囊通常指的是微球中间有一个或多个 微腔，而且微腔内包埋了某种特殊物质。而多孔聚合物微球因可以控制的孔结构 而具有特殊的尺寸效应和界面效应，在色谱、酶固定、生物医药、离子交换、水 处理、聚合物载体、抗震阻尼、情报记录和特种涂料等方面得到了广泛应用 6 1 6 。 尤其是多孔聚合物粒子作为塑料颜料( p l a s t i cp i g m e n t ) ，具有白度及光泽性好， 遮盖力强的优点 1 7 ，1 8 】，可代替或部分代替昂贵的金红石型二氧化钛，用作高 档印刷纸张的白色遮盖颜料，因而近年来该领域的研究十分活跃。 1 3 多子l 聚合物微球的制备方法 通常多孔聚合物微球可分为微米级和亚微米级两大类。按照孔的形态可分为 开孔和闭孔结构。通过调整配方和工艺，可以制备不同性质的多孔聚合物微球。 自上世纪5 0 年代始，f a r b e nf b 1 9 ，s e i d lj 2 0 1 等和h a r a d i lj 2 1 1 等用悬浮聚合 法制备了多孔聚合物微球后，越来越多的方法应用到多孔微球的制备中。 1 3 1 悬浮聚合法 悬浮聚合技术始于1 9 0 9 年，它是通过强烈的机械搅拌作用，使不溶于水的单 体或者多种单体的混合物成为液滴状，分散于一种悬浮介质中进行聚合反应的方 法 2 2 1 。 悬浮聚合是制备多孔聚合物微球的传统方法。其体系一般有单体、交联剂、 致孔剂、引发剂和水组成。在机械搅拌力作用下，油相分散成小液滴。为提高液 滴的悬浮稳定性，通常要加入表面活性剂或分散稳定剂。单体有乙烯、丙烯、异 丁烯、苯乙烯等。交联剂有乙二醇丙烯酸酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯 等含有两个或两个以上不饱和双键的物质。致孔剂的选择要求满足 2 3 ，2 4 】： 与单体完全互溶或能完全溶于少量的非水溶剂中；不溶于水或极微溶于水； 不与单体、引发剂反应，在聚合过程中是惰性的；在聚合反应完成后易于提取。 根据致孔剂与单体的相容程度可以分为三类：良溶剂、不良溶剂和线性聚合物。 典型的致孔剂有甲苯( 良溶剂) ，正己烷、环己烷( 不良溶剂) ，聚苯乙烯( 线性 聚合物) 等。一般聚合得到的产品粒径为5 - - 1 0 01 t m ；孔容为0 1 2c m 3 g ；孔径 从ln m 至l j 31 t m 左右，分布范围较宽；比表面积从lm 2 g 至l j 5 0 0m 2 g p l - n j ；。悬浮聚 合法制备多孔聚合物微球的具体流程见图1 1 ： 第一章绪论 料巴辈竺二二r 鳓l 墨警皇竺 j 连续翔 过滤。洗涤和擒舞 i 多于l 聚台物锻球 图1 1 悬浮聚合法制备多孔聚合物微球流程图 在致孔剂的存在下，悬浮聚合中孔结构的形成可分为3 个阶段：微胶球的形 成与聚集：微胶球聚集体相互连接与固定；除去孔隙内的致孔剂，形成多孔结构 的聚合物微球 2 5 。多孔粒子的孔容、孔径与交联剂、引发剂用量以及致孔剂的 类型有关 2 6 2 8 】。交联度增大，会使孔容、孔径、比表面积增大，粒子形貌也由 平滑变成粗糙；引发剂的增加，会使孔容、孑l 径、比表面积下降，达到一最小值 后上升；分散剂用量的影响正好与此相反。致孔剂体积的增加或其溶解能力的下 降，会导致孔容增加。使用良溶剂会得n d , 孔径、大表面积的微球；而用不良溶 剂和线性聚合物作致孑l 剂，得到的孔结构是不规则大孔。这是因为良溶剂阻止聚 合物链的缠绕，得到的微胶粒结构膨松，不良溶剂得到结构紧密的微胶粒。 悬浮聚合主要有以下三个优点：用水作为反应介质，从而使聚合温度容易控 制，而且不会对环境造成污染；反应步骤简单，所得聚合物分子质量较高，交联 度及孔结构容易控制；后处理简单，生产成本低。但其缺点也很明显：即便是严 格控制反应条件，所得多孔结构微球仍具有相当大的多分散性。 o k u b om 等 2 9 】分别以甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 和苯乙烯( s t ) 共聚物、p m m a 和甲苯为致孔剂，分别通过二甲基丙烯酸乙二醇酯( e g d m a ) 和二乙烯基苯 ( d v b ) 为交联剂的悬浮聚合制备出了粒径在1 岫1 0g m 之间、具有多孔或中 空结构的p e g d m a p ( s t c o m m a ) 和p ( e g d m a d v b ) p m m a 聚合物微球。 s h e r r i n g t o i ld c 等 3 0 分别以低分子量的聚丙二醇( p p g ) 、聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) 、甲苯、p p g 和p d m s 为致孔剂，制备了p d v b 多孔微球，并系统研究 了致孔剂的种类和用量对微球结构形态的影响。 1 3 2 分散聚合法 分散聚合于2 0 世纪7 0 年代初由英国i c i 公司的研究者们最先提出。它实际上 4 甲 第一章绪论 是一种特殊的沉淀聚合，只是它析出的不是形成粉末或块状聚合物，而是聚结成 小颗粒，借助分散剂稳定地悬浮于介质中，因此分散聚合能否顺利进行以及生成 微球粒径大小均极大地依赖于分散剂和分散介质的种类和用量。采用这种方法可 以制备粒径为几微米到几十微米的单分散聚合物微球。这种方法的优点是大量溶 剂的存在使得聚合温度容易控制，而且可以通过选择合适的溶剂来调节聚合物的 分子量；同时由于体系中聚合物浓度较低，因而不易进行链自由基向大分子的转 移而形成支化或交联产物。利用分散聚合制备多孔聚合物微球的基本原理与悬浮 聚合相似，主要是在聚合物沉淀成球的过程中，伴随着致孔剂的共沉淀。聚合后 致孔剂的挥发或者除去，导致最终的孔结构。这种方法的缺点主要是所得聚合物 微球的交联度低，表面无孔或者仅有少量微孔，所以一般不直接用于多孔聚合物 微球的制备。 z h a n gs h 31 1 利用分散聚合一步法制备了单分散的多孔聚( 甲基丙烯酸缩水 甘油酯一二乙烯基苯) 聚合物微球，并详细研究了利用十八烷基季铵盐对其表面 改性后，在大环内酯物抗生素的毛细管电色谱中的应用。 1 3 3 种子溶胀法 种子溶胀法制备多孔微球的原理是：首先利用分散聚合或无皂乳液聚合等方 法制成粒径较小的单分散种子微球，然后通过一步或多步溶胀使单体和引发剂进 入到原有的种球中，使种球均匀增大，待达到溶胀平衡后再引发聚合，这样就可 以制备出多孔的聚合物微球并保持原有的单分散性。种子溶胀法通常分成三步： 溶胀；共聚；提取。对苯乙烯二乙烯基苯共聚体系的研究较多，其成 孔机理见图1 2 ：第一步溶胀，先用苯二甲酸二丁酯溶胀种子，后加入单体、引 发剂、交联剂、良溶剂或不良溶剂等再进行溶胀。溶胀后的种子是下一步共聚发 生的场所。第二步共聚中的二乙烯基苯具有较高的反应速率，在聚合反应早期形 成悬挂有乙烯基的二乙烯基苯共聚直链分子，进而形成交联微核，同时由于界面 张力的缘故，聚合物相形成微核，并进一步团聚与溶剂发生相分离。形成聚合物 相和溶剂相后，溶剂相中充满了微核与团聚体之间的空隙，继续聚合最终得到多 孑l 结构。聚合完成后，用适当方法提取致孔剂，即得到多孔聚合物微球。因为聚 合是在溶胀后的种子中发生的，种子就作为微球的模板，使得最终产品也呈现出 单分散性。 5 第一章绪论 图1 2 种子溶胀法成孔机理示意图 根据制备工艺的不同又可以分成常规溶胀法、二步溶胀法、多步溶胀法和动 力学溶胀法。 1 3 3 1 常规溶胀法 常规溶胀法也叫平衡溶胀法或一步溶胀法。o k u b om 等 3 2 首先通过分散聚 合制得直径约2g m 的单分散聚苯乙烯粒子，然后在0 下用苯乙烯氯甲基苯乙 烯或者苯乙烯二乙烯苯单体混合物溶胀2 4h ，最后进行聚合反应，最终得到粒径 约为3l x m 自, 0 聚苯乙烯微球。f e m a n d a 等 3 3 】用一步溶胀法制得了最终粒径为4 4 9 岬的多孔聚合物微球，此微球用于尺寸排阻色谱( s e c ) 具有良好的效果。o g i n o k 等 3 4 利用一步溶胀法制得粒径在4 1 岫7 5 岬的聚苯乙烯二乙烯苯多孑l 微 球，并可用于凝胶渗透色谱中作为包裹材料。常规溶胀法操作比较简单，所需时 间较短，缺点是种子微球对单体的吸收量有限，溶胀后聚合得到乳胶粒的粒径增 长较小，难以制备大粒径的单分散聚合物微球。 1 3 3 2 多步溶胀法 多步溶胀法也叫逐步溶胀法，是把种子微球用单体和引发剂乳液进行反复溶 胀、聚合，最终得到所需的大粒径微球的方法。f r e c h e t 等 3 5 利用多步种子溶胀 法合成了均一、大孔的聚( 苯乙烯二乙烯基苯) 微球，其粒径可达几十微米， 聚合过程中他们把线性聚苯乙烯作为致孔剂混合物的一个组分。从理论上讲，多 步溶胀聚合中小粒子的增长速率要高于大粒子，因此经过一连串的溶胀和聚合步 骤后，粒径的分布应趋于变窄。但如果控制不好，每一步都有可能产生新的小粒 子，所以这种方法其实不易得到单分散的聚合物微球。另外，此法耗时很长，也 6 第一章绪论 会造成颗粒间因互相碰撞而导致聚结的机会增多，使得体系的稳定性变差，导致 最终粒径分布变宽 3 6 1 。 1 33 3 动力学溶胀法 动力学溶胀法( d s m ) 是1 9 9 1 年由日本神户大学i n o k u b om 教授 3 7 1 提出 来的一种制备大粒径单分散聚合物微球的方法，这种方法和常规溶胀法一样不需 要加入溶胀剂，直接用单体对种球进行一步溶胀即可完成，但在用单体溶胀时， 需通过合适的方式向体系中慢慢加入水以改变单体在种球和介质之间的分配量， 使更多的单体进入种球，最后引发聚台。聚台结束后经过后续处理，得到多孔的 聚合物微球。研究结果表明采用这种方法，可使种球吸收本身质量5 0 0 倍的单体。 这种方法适用于各种疏水性单体的聚合，可显著提高效率。它的技术关键是控制 水均匀而缓慢地进入体系，避免出现水局部过浓，一般可采用半透膜或者水蒸气 等方式供水。 l3 3 4 二步溶胀法 二步溶胀法是2 0 世纪8 0 年代f l j u g e l s t a d 等a 3 8 ，3 9 】提出。这种方法首先用 不溶于水的溶胀剂对种子微球进行活化，使种球具有溶胀活性。然后再用单体和 引发剂等对活化种球进行溶胀。溶胀平衡后升温引发聚合，即可得到大粒径单分 散的聚合物微球经抽提等后续处理之后，可在微球内部和表面得到多孔结构， 如图l3 所示。这种方法的优点是活化后的种球对单体的吸附容量太幅度提高。 理论计算表明，经过第一步活化处理的种球的溶胀度可比常规溶胀法的溶胀度提 高1 0 0 0 倍。用此方法通过改变溶胀比( 有机相和被溶胀种球的体积的比值) 可以 直接合成1 0 0u m 以内的单分散多孔聚合物微球。 图13 二步溶雕法示意图 二步溶胀法自提出之后，就引起了研究者的极大关注。因为这种方法可以在 第一章绪论 较宽的粒径范围内制得单分散多孔微球，是制备微米级颗粒的一个好方法。但其 步骤仍较繁琐，而且第一步溶胀要求严格，这些限制了它的推广使用。因此众多 研究者在此基础上进行了改进，如h o s o y a 等 4 0 】和o g i n ok 等 4 1 以线性聚苯乙烯 为致孔剂，辅以良溶剂或非良溶剂，也可得到预期孔径和粒径分布的聚合物颗粒 并具有良好的色谱性能。 1 3 4 酸碱分步处理法 该方法也由o k u b o m 4 2 等首先提出。其基本过程示意图如图1 4 ：先通过乳 液聚合制备出1 0 0n l n 左右的乳胶粒；再用种子乳液聚合，制备出3 0 0n l i l 左右的含 有酸性或碱性基团的亚微米乳胶粒。种子乳液聚合阶段，含有酸性或碱性基团的 单体用滴加的方法加入，使单体在体系中处于“饥饿 状态，避免新粒子产生。 然后在高于其玻璃化温度( t g ) 下，进行酸碱分步处理，得到多孔亚微米球。 这种方法的关键是乳胶粒表面必须带有酸性或碱性基团。对于含有羧基的乳胶粒 子可先进行碱处理，在碱溶胀阶段，粒子体积变大，氢氧根离子进入粒子内部， 使羧基离子化。由于羧酸根离子具有亲水性，使得富含羧酸根离子的链段向粒子 表面运动，并有部分溶解在水相中。而被溶解的链段留下的孔隙被水填充，形成 多孔结构。随后再进行加酸处理时，粒子表面的羧酸根离子重新变为羧基，通过 氢键结合而形成壳层 4 3 】。这个壳层阻止了粒子的收缩，同样由于氢离子继续向 粒子内部渗透，使多孔结构得以固定下来。o k u b o m 等还用富含碱性基团的苯乙 烯一丙烯酸丁酯甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯三元共聚物进行酸碱分步处理得到 多孔微球，对成孔机理加以验证 4 4 ，4 5 】。类似的，在第一步酸溶胀阶段，碱性 基团被离子化，向粒子表面运动，并有部分溶于水相。在随后的碱处理过程中， 由于碱性基团的去离子化，而在表面形成壳层，多孔结构被固定下来。 碱 - 单体、弓l 发嗣 氲l 热弓l 发 图1 4 酸碱处理法过程基本示意图 8 第一章绪论 本法的乳胶粒表面酸基和碱性基团的含量是制备多孔结构的关键，增加它们 的含量可以提高粒子的亲水性，使得在第一步处理过程中，粒子易于溶胀。粒子 溶胀后可促进聚合物分子链段的重组，使亲水性基团易于向水相迁移【4 4 - 4 6 】。阚 成友 4 3 1 和r u c k e n s t e i n e 4 6 1 等在溶胀阶段加入了一定量的丁酮作溶胀剂，减弱 了乳胶粒中分子链间的相互作用，增加了分子链段的运动性，可以得到多孔结构。 但如果不加入丁酮则不能形成孔结构。溶液的p h 值对孔径也有显著影响。在碱 处理阶段，氢氧根离子浓度太低，不能使羧酸基完全离子化；氢氧根离子浓度太 高会增加离子强度，减弱分子链段间的斥力。在酸处理阶段，氢离子浓度太低则 会形成一个多孑l 壳层的核壳结构。 酸碱溶胀法制备聚合物多孔微球也有明显的缺点。首先是工艺复杂，核壳结 构聚合物微球的制备需要精确控制，制备过程中至少需要两步酸碱处理，且处理 条件要求严格；其次用作亲水核的单体种类有限。 1 3 5 多重乳液法 多重乳液聚合法( w i o w 乳液法) 是一种新的制备中空多孔聚合物微球的 方法。此法没有像酸碱溶胀法中的体积膨胀过程，而是直接依靠水分的挥发制备 空心结构。其过程一般如图1 5 所示：先将水溶液与含有油溶性乳化剂的单体相 混合制得w o 体系；再将此乳液在搅拌作用下缓慢滴加到溶有水溶性乳化剂的水 溶液中，从而制得w o w 多重乳液。将此体系升温进行聚合反应，即得包裹有 水相的聚合物乳胶粒子。将此乳胶粒在常温下抽真空挥发水分，即可获得具有空 心或者多孔结构的聚合物微球。用w o w 法制得有相对大的粒径的空心乳胶粒 子。 w o w 2 一一 醇d o u b l e - e m u l s i o n秭m 蚓磁嗍m i c r o s p h e r e 图1 5 利用多重乳液制备大孔微球形成示意图 多重乳液聚合法的主要影响因素是单体混合物( 油相) 的粘度。粒子的成孔 几率随油相粘度的增大而增大。油相的粘度较低时，多重乳液中油相所包覆的水 9 第一章绪论 核会由于热力学因素，存在明显的向外部迁移，使得多重乳液不稳定；当油相的 粘度增大时，这种趋势减弱，乳液的稳定性由动力学因素来控制，因而成孔几率 有所提高。另外，乳化剂体系对w o w 孚l 液的稳定性也有很大的影响。 m c d o n a l d 4 7 采用溶剂多重乳液聚合方法来制备单孔聚合物微球。首先将不 溶于水的不饱和烃单体和作为第一有机相的不溶于水的惰性烃( 如异辛烷) 与水 混合后，聚合得到了低相对分子质量的聚合物。该聚合物不溶于有机相而发生相 分离，在油水界面处形成低相对分子质量聚合物相，然后立即加入含有交联剂的 第二有机相，让交联剂与低相对分子质量聚合物交联成壳，最后得到中空聚合物 微球。实验表明，通过改变条件，聚合物微球的形态可以在中空单壁结构和多孔 结构之间进行调节。 k i m 4 8 采用w o w 体系中制备具有多孔结构的p m m a 微球。用s p a n 8 0 作为 主表面活性剂，十二烷基磺酸钠( s l s ) 和g l u c o p e n 2 1 5 ( a p g ，多肽衍生物) 作为第二表面活性剂，并以聚氨基甲酸酯( u a ，两端含有可聚合的乙烯基) 作 为增稠剂。首先通过超声分散制得m m a 的w o 乳液( 表面活性剂为s p a n 8 0 ，并 加入u a 增稠) ；然后将其滴入含有s l s 和a p g 的水中。w o 乳液表面吸附大量 s l s 和a p g 增加稳定性，进一步形成w o a v 多重乳液。加热此w o w 多重乳液引 发m m a 聚合即可以得到中空结构的微球。u a 的存在阻止了内部水核之间的聚 并，使得多重乳液稳定性增加，因此中空球的产率随着其含量增加而升高。当其 含量大于7 ( w e i g h t ) 后，可以得到多孔微球。 k i y