專利名稱：一步法合成的磁性聚合物納米微球及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有超順磁性的聚合物納米微球及其制備方法。
磁性高分子微球的研究始于70年代，它除具有高分子微粒子的特性，可通過共聚、表面改性，賦予其表面多種反應(yīng)性功能基，(如—OH、—COOH、—COH、—NH2等)，還因具有磁性，可在外加磁場(chǎng)的作用下方便地分離，國外有學(xué)者將其形象地稱為動(dòng)力粒子(dynabead)。具有超順磁性的磁性高分子微球作為新型的功能高分子材料在生物醫(yī)學(xué)(臨床診斷、酶標(biāo)、靶向藥物)、細(xì)胞學(xué)(細(xì)胞標(biāo)記、細(xì)胞分離等)和生物工程(酶的固定化)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。所謂超順磁性(superparamagnetic)即當(dāng)外加磁場(chǎng)下降為零的時(shí)候，磁性聚合物微球幾乎沒有剩磁留下。
從目前研究的情況看，磁性高分子微球一般為核/殼式結(jié)構(gòu)由金屬氧化物(如鐵、鈷、鎳等氧化物)組成核，高分子材料組成殼層；或者將高分子材料作為核，磁性材料作為殼層；除此之外，也可做成夾心結(jié)構(gòu)，即外層、內(nèi)層為高分子材料，中間層為磁性材料。
Daniel將Fe3O4(d＝0.01μm)用烴油處理，在乳化劑、引發(fā)劑存在下進(jìn)行乳液聚合，得到粒徑小于1μm的聚苯乙烯磁性微球(Daniel J C，Schubbiser J L，USP4，358，388，1982)；Iman將粒徑20μm的磁粒同St、DVB、BPO超聲處理，用改進(jìn)的懸浮聚合法聚合得到104～295μm的磁性微球(Iman M，celebbiss，ozdural A R，Reactive Polym.，1992，17325)；孫宗華等用磁性流體作為磁核，采用改進(jìn)的乳液聚合法和分散聚合法，合成得到粒徑范圍分別在0.06～10μm及100～1000μm的聚苯乙烯微球，同時(shí)，其課題組直接利用Fe3O4磁粉作為磁核，加入PEG進(jìn)行超聲處理，采用分散聚合法，制得50-600μm分布均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)的聚苯乙烯微球(丘廣明，孫宗華，化學(xué)試劑，1993，15(4)324)；Furusawa將磁粒沉積到帶功能基的高分子膠乳粒子上，然后，再用種子聚合法，得到夾心式結(jié)構(gòu)的磁性微球。引發(fā)劑的種類和乳化劑的用量是體系凝集的重要因素。電鏡結(jié)果顯示，磁性聚合物微球的表面并不平整(Ugelstad J，Mork P C，Schmid R，et al，Polym Int，1993，30157.)。
Ugelstad的研究小組在單分散，多孔聚苯乙烯微球中直接沉淀鐵的化合物。當(dāng)PH和溫度升高時(shí)，制成的鐵氧化物具有超順磁性(Superparamagnetic)，成功的制備微米級(jí)的磁性聚合物微球，并已經(jīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域(Furusawa K，Nagashima K，Anzai C，Colloid Polym Sci，1994，2721104.)。
Elaissari等用無皂聚合合成PS為核吸附磁性Fe3O4粒子，然后聚合NIPAM為殼，合成單分散的亞微米(200-400nm)的核殼結(jié)構(gòu)的磁性聚合物微球(Sauzedde F，ElaissariA，Pichot C，Colloid Polym Sci，1999，277846.)。
以上制備的方法中，都至少分成了兩步第一步是合成磁性無機(jī)微粒，然后第二步將磁性無機(jī)微粒加入聚合體系聚合形成磁性高分子微球。制備工藝比較復(fù)雜。
以上磁性聚合物微球的制備方法都只能合成200nm甚至微米級(jí)的磁性聚合物微球，迄今未見粒徑小于100nm的磁性聚合物微球的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。而且制備方法中大都采用油溶性聚合物微球的體系。
本發(fā)明提出的磁性聚合物微球，是以丙烯酰胺類和丙烯酸類等親水性單體聚合產(chǎn)生的聚合物為包裹層，以無機(jī)磁性材料鐵氧化物為核的聚合物微球，由反相微乳液聚合方法一步合成，其粒徑為20—125納米之間，磁飽和強(qiáng)度為1.0—15.0emu/g，且具有超順磁性?？梢杂孟喾崔D(zhuǎn)法將該磁性聚合物微球溶脹在水中，粒徑為80—250納米之間。由于微球的粒徑尺度為納米級(jí)，故稱該微球?yàn)榫哂谐槾判缘木酆衔锛{米微球。
上述微球的聚合物包裹層可以是均聚物，也可以是共聚物。所用的親水性單體可以是丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸納(NaAA)、馬來酸(MA)、衣康酸(IA)等之一種或幾種。
上述微球的核鐵氧化物為二價(jià)鐵鹽和三價(jià)鐵鹽。
本發(fā)明提出的上述磁性聚合物微球采用反相微乳液聚合方法一步合成，具體的制備步驟如下
形成微乳液將一定比例的丙烯酰胺類或丙烯酸類等親水性單體、高分子交聯(lián)劑和兩價(jià)鐵鹽和三價(jià)鐵鹽溶解在水中，并滴入由乳化劑和有機(jī)溶劑組成的膠束體系中，攪拌數(shù)分鐘，形成反相微乳液，呈清亮透明的黃綠色。其中乳化劑的用量占整個(gè)體系重量的15-35％，去離子水的用量占整個(gè)體系重量的2-10％，單體的用量占整個(gè)體系重量的0.2-10％，交聯(lián)劑的用量占整個(gè)體系重量的0.008-0.40％，兩價(jià)鐵鹽的用量是占整個(gè)體系重量的0.010—0.50％，三價(jià)鐵鹽的用量占整個(gè)體系重量的0.020-1.0％，其余為溶劑，整個(gè)體系的重量為100％；加入堿溶液把步驟1所制得的微乳液通氮除氧，把堿溶液緩慢滴加入微乳液，不斷攪拌逐漸形成深黑色狀的反相微乳液，保持氮?dú)鈿夥?；加熱將步驟2制得的深黑色的反相微乳液在70—95℃下加熱30—300分鐘；引發(fā)聚合將步驟3制得的反相微乳液冷卻到室溫，然后加入引發(fā)劑后，升溫至50—70℃引發(fā)體系聚合，引發(fā)劑的用量是單體用量的0.1-10％；約5分鐘后，體系開始聚合。維持體系溫度反應(yīng)1—4小時(shí)，使單體反應(yīng)完全，結(jié)束反應(yīng)。若體系采用氧化還原體系，溫度保持在25-40℃。
本發(fā)明中，所用的單體可以是丙烯酰胺(AM)，甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)，丙烯酸鈉(NaAA)，馬來酸(MA)、衣康酸(IA)等中的一種或幾種。所合成的聚合物可以是均聚物也可以是共聚物。
本發(fā)明中，所用的兩價(jià)鐵鹽可以是氯化亞鐵(FeCl2·4H2O)，或硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)等；三價(jià)鐵鹽可以是氯化鐵(FeCl3·6H2O)，或硫酸鐵(Fe2(SO4)3)。
本發(fā)明中，所用的堿溶液可以是氫氧化鈉(NaOH)，或氫氧化鉀(KOH)，或氨水(NH4OH)等。
本發(fā)明中，所用的乳化劑是陰離子型乳化劑或陽離子型乳化劑，具體以烷基酯磺鹽或烷基季銨鹽為較好，如琥珀酸二異辛酯磺酸鈉(AOT)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)等。
本發(fā)明中，所用的有機(jī)溶劑可以是長鏈烷烴或芳香類烷烴，如甲苯(Toluene)，苯(benzene)，環(huán)己烷(cyclohexane)，正庚烷(heptane)，煤油等。
本發(fā)明中，引發(fā)劑可以是熱引發(fā)劑，如過硫酸銨(APS)，過硫酸鉀(KPS)，2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)鹽酸鹽(V-50)，偶氮二異丁氰(AIBN)。
本發(fā)明若在氧化還原引發(fā)體系中進(jìn)行，改變引發(fā)劑為氧化還原引發(fā)劑，如過硫酸銨(APS)/N’，N’，N’，N’—四甲基乙二胺，或過氧化氫/抗壞血酸等。反應(yīng)在25—40℃下進(jìn)行。
本發(fā)明中，交聯(lián)劑是常用的高分子交聯(lián)劑，如N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)等。
向反相微乳液中滴加堿溶液的速率不能過快，滴加速度在10—50秒/滴為宜。
本發(fā)明所用的單體是丙烯酰胺類單體如丙烯酰胺等效果最好。
本發(fā)明所用的兩價(jià)鐵鹽和三價(jià)鐵鹽摩爾比為1∶2效果最好。
本發(fā)明中所用乳化劑以陰離子型乳化劑琥珀酸二異辛酯磺酸鈉(AOT)較好，這類乳化劑價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，來源廣泛。
本發(fā)明，氨水作為堿溶液制備的磁性聚合物微球粒徑在25-55nm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于用氫氧化鈉為堿溶液制備的微球粒徑(100-125nm左右)。乳化劑的用量可以控制磁性聚合物微球的粒徑，隨著乳化劑用量的減少，微球粒徑逐漸變大。
偶氮二異丁氰(AIBN)，2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)鹽酸鹽(V-50)等引發(fā)劑應(yīng)用于本發(fā)明熱引發(fā)體系效果較好。
過硫酸銨(APS)/N’，N’，N’，N’—四甲基乙二胺，過氧化氫/抗壞血酸等在氧化還原引發(fā)體系中效果良好。
本發(fā)明在上述投料范圍內(nèi)，聚合產(chǎn)生為一種聚合物包裹無機(jī)磁性材料的納米聚合物微球。其聚合物可以是均聚物也可以是共聚物，無機(jī)磁性材料是鐵氧化物。粒子尺寸在20—125納米之間。磁性聚合物納米微球的磁飽和強(qiáng)度為1.0-15.0emu/g，且具有超順磁性，表面平整?？梢杂孟喾崔D(zhuǎn)法將磁性聚合物微球溶脹在水中，粒徑在80-250nm之間。
目前，國際上磁性聚合物微球的研究主要側(cè)重于疏水性高分子組成的亞微米或微米級(jí)微球，比較而言，本發(fā)明用反相微乳液聚合制備的磁性聚合物納米微球具有以下特點(diǎn)(1)制備的磁性聚合物微球?yàn)榧{米尺寸，粒徑為20-125納米。(2)微球的粒徑可以由乳化劑的用量來控制。(3)高分子微球由親水性聚合物構(gòu)成。(4)制備方法操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。
實(shí)施例2將單體Am 0.09g，IA 0.01g，交聯(lián)劑MBA 0.004g，兩價(jià)鐵鹽FeSO4·7H2O0.0175g，三價(jià)鐵鹽Fe2(SO4)3·6H2O 0.0320g全部溶解在0.5g H2O中，并在超聲波的震蕩下滴加入4.0g AOT和7.5g甲苯所形成的膠束體系中。1.2mol/L NaOH溶液0.50g，AIBN 0.010mol/L。數(shù)分鐘內(nèi)形成清亮透明的黃綠色的反相微乳液。通氮驅(qū)氧30分鐘。在超聲波的振蕩下，脫氧的1.2mol/L NaOH溶液0.50g緩慢加入反相微乳液，體系顏色逐漸變黑，最后形成深黑色狀的反相微乳液。隨后體系加熱到90℃的恒溫水浴中加熱1小時(shí)。體系降到室溫后加入引發(fā)劑AIBN 0.01g，在60℃的恒溫水浴中反應(yīng)2小時(shí)，使單體反應(yīng)完全。結(jié)束反應(yīng)。體系仍然呈黑色，放置數(shù)月仍然保持穩(wěn)定。微球粒徑在110nm左右。聚合物磁性微球的磁飽和強(qiáng)度為5.8emu/g，且具有超順磁性。
實(shí)施例3將單體Am 0.10g，交聯(lián)劑MBA 0.004g，兩價(jià)鐵鹽FeCl2·4H2O 0.0125g，三價(jià)鐵鹽FeCl3·6H2O 0.0340g全部溶解在0.5g H2O中，并在超聲波的震蕩下滴加入4.0g AOT和7.5g甲苯所形成的膠束體系中。1.2mol/LNaOH溶液0.50g，AIBN0.010mol/L。數(shù)分鐘內(nèi)形成清亮透明的黃綠色的反相微乳液。通氮驅(qū)氧30分鐘。在超聲波的振蕩下，脫氧的2.0mol/L NH3·H2O溶液0.50g緩慢加入反相微乳液，體系顏色逐漸變黑，最后形成深黑色狀的反相微乳液。隨后體系加熱到90℃的恒溫水浴中加熱1小時(shí)。體系降到室溫后加入引發(fā)劑AIBN 0.01g，在60℃的恒溫水浴中反應(yīng)2h，使單體反應(yīng)完全。結(jié)束反應(yīng)。體系仍然呈黑色，放置數(shù)月仍然保持穩(wěn)定。微球粒徑在25-30nm左右。聚合物磁性微球的磁飽和強(qiáng)度為6.6emu/g，且具有超順磁性。
實(shí)施例4將單體Am 0.25g，交聯(lián)劑MBA 0.004g，兩價(jià)鐵鹽FeSO4.7H2O 0.0175g，三價(jià)鐵鹽Fe2(SO4)30.0320g全部溶解在0.5g H2O中，并在超聲波的震蕩下滴加入4.0gAOT和7.5g甲苯所形成的膠束體系中。1.2mol/L NaOH溶液0.50g，AIBN 0.010mol/L。數(shù)分鐘內(nèi)形成清亮透明的黃綠色的反相微乳液。通氮驅(qū)氧30分鐘。在超聲波的振蕩下，脫氧的2.0mol/L NH3·H2O溶液0.50g緩慢加入反相微乳液，體系顏色逐漸變黑，最后形成深黑色狀的反相微乳液。隨后體系加熱到90℃的恒溫水浴中加熱1小時(shí)。體系降到室溫后加入引發(fā)劑AIBN 0.01g，在60℃的恒溫水浴中反應(yīng)2h，使單體反應(yīng)完全。結(jié)束反應(yīng)。體系仍然呈黑色，放置數(shù)月仍然保持穩(wěn)定。微球粒徑在35-40nm左右。聚合物磁性微球的磁飽和強(qiáng)度為2.8emu/g，且具有超順磁性。
權(quán)利要求
1.一種磁性聚合物納米微球，其特征在于以丙烯酰胺類和丙烯酸類親水性單體聚合產(chǎn)生的聚合物為包裹層，以無機(jī)磁性材料鐵氧化物為核，由反相微乳液聚合法一步合成，其粒徑為20—125mm，磁飽和強(qiáng)度為1.0—15.0emu/g，且具有超順磁性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性聚合物納米微球，其特征在于包裹層所用的聚合物單體為丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸鈉、馬來酸、衣康酸的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁性聚合物納米微球，其特征在于核鐵氧化物為二價(jià)鐵鹽和三價(jià)鐵鹽。
4.一種權(quán)利要求1所述的磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)形成微乳液將一定比例的丙烯酰胺類或丙烯酸類等親水性單體、高分子交聯(lián)劑和兩價(jià)鐵鹽和三價(jià)鐵鹽溶解在水中，并滴入由乳化劑和有機(jī)溶劑組成的膠束體系中，攪拌，形成反相微乳液，其中乳化劑的用量占整個(gè)體系重量的15-35％，去離子水的用量占整個(gè)體系重量的2-10％，單體的用量占整個(gè)體系重量的0.2-10％，交聯(lián)劑的用量占整個(gè)體系重量的0.008-0.40％，兩價(jià)鐵鹽的用量占整個(gè)體系重量的0.010—0.50％，三價(jià)鐵鹽的用量占整個(gè)體系重量的0.020-1.0％，其余為溶劑；(2)加入堿溶液把步驟1所制得的微乳液通氮除氧，把堿溶液緩慢滴加入微乳液，不斷攪拌，逐漸形成深黑色狀的反相微乳液；(3)加熱將步驟2制得的深黑色的反相微乳液在70—95℃下加熱30—300分鐘；(4)引發(fā)聚合將步驟3制得的反相微乳液冷卻到室溫，然后加入引發(fā)劑后，升溫至50—70℃引發(fā)體系聚合，引發(fā)劑的用量是單體用量的0.1-10％，維持體系溫度反應(yīng)1—4小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述磁性聚合物納米微球的制備方法，若反應(yīng)在氧化還原體系中進(jìn)行，其反應(yīng)溫度為25—40℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述磁性聚合物微球的制備方法，其特征是所用的單體是丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸鈉、馬來酸、衣康酸之一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征在于所用的兩價(jià)鐵鹽為氯化亞鐵或硫酸亞鐵，三價(jià)鐵鹽為氯化鐵或硫酸鐵。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征在于所用的堿溶液為氫氧化納、氫氧化鉀、氨水之一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征在于所用的有機(jī)溶劑為長鏈烷烴或芳香類烷烴。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征是所用的乳化劑為烷基酯磺酸鹽或烷基季銨鹽。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征是反應(yīng)所用的熱引發(fā)劑為偶氮二異丁氰，或2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)鹽酸鹽，或過硫酸銨，或過硫酸鉀。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述磁性聚合物微球的制備方法，其特征是反應(yīng)所用氧化還原引發(fā)劑是過硫酸銨/N’，N’，N’，N’—四甲基乙二胺，或過氧化氫/抗壞血酸。
13.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述磁性聚合物納米微球的制備方法，其特征是反應(yīng)所用交聯(lián)劑為N’，N’-亞甲基雙丙烯酰胺。
全文摘要
本發(fā)明是一種磁性聚合物納米微球及其制備方法。在氧化還原或熱引發(fā)體系中,對(duì)丙烯酰胺類和丙烯酸類等親水性單體,加入乳化劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、不同價(jià)態(tài)的鐵鹽,控制反應(yīng)在一定的投料范圍內(nèi),在反相微乳液中一步直接合成具有超順磁性的、粒徑在20－125nm的磁性聚合物微球。粒徑大小可以由堿的種類,乳化劑的用量控制。本發(fā)明具有方法簡(jiǎn)單,原料易得,微球粒徑可控等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C08F20/06GK1328064SQ0112618
公開日2001年12月26日 申請(qǐng)日期2001年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者王雷, 鄧勇華, 阿德爾哈米特·歐拉薩, 府壽寬 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)