CN101703914B - 一种制备单分散性聚合物纳米微球的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备高单分散性聚合物纳米微球的方法。该方法采用在聚合反应体系中加入低于临界胶束浓度的表面活性剂，稳定聚合初期均相成核生成的初级粒子，并引入适量极性溶剂以提高表面活性剂在分散介质中的临界胶束浓度和增加单体在分散介质中的溶解度等创新性措施，通过低含量表面活性剂与适量极性溶剂的组合作用，有效地增加了聚合初期均相成核生成的初级粒子的稳定性、缩短聚合时间，最终制备获得粒径＜100nm、尺寸分布高度均一的聚合物微球。本发明方法区别于无皂乳液聚合与传统乳液聚合方法，制备工艺简单，易于控制，得到的聚合物纳米微球单分散性优良，各批次产品重复性好，容易实现产业化。

Description

一种制备单分散性聚合物纳米微球的方法

技术领域

本发明涉及一种制备单分散聚合物纳米微球的方法，尤其涉及一种简单高效的制备高单分散性聚合物纳米微球的方法，能够广泛应用于生物科学、医学诊断和治疗、电子与光电子科学、标准计量、色谱分析等领域。

背景技术

单分散聚合物纳米微球是指粒子形状相同、直径＜100nm、尺寸分布均一的聚合物微球。近年来，由于聚合物微球在生物科学、医学诊断与治疗、电子与光电子器件技术中的广泛应用，引起人们越来越多的重视，所涉及的制备方法也多种多样。

无皂乳液聚合是一种制备单分散聚合物微球非常有效的方法。但是，由于不添加任何表面活性剂，聚合初期形成的初级粒子极不稳定，它们相互碰撞，逐渐结合形成越来越大的粒子。随着粒径的增大，粒子的表面电荷密度也逐渐增大，直到增长到某一临界尺寸(一般＞100nm)，这些粒子的表面电荷足以稳定其自身，聚合反应才由成核阶段转向生长阶段。因此，无皂乳液聚合一般只适用于粒径＞200nm的单分散聚合物微球。分散聚合也是常用于制备单分散微球的方法。在分散聚合的开始阶段，单体、引发剂和稳定剂都溶于分散介质，形成均相体系。随着聚合反应的进行，生成的聚合物逐渐从分散介质中沉淀出来，在分散剂的保护下形成微球。但是，该方法也不适用于制备＜100nm的微球。

尽管传统乳液聚合常用于制备纳米微球，但利用该方法制备单分散微球所涉及的过程复杂、工艺难以控制。一方面，减少乳化剂用量可以缩短成核时间，但可能引发均相成核，导致生成的聚合物微球的粒径呈双峰分布。若增加乳化剂用量可避免均相成核发生，但延长了成核时间，导致微球尺寸分布变宽。微乳聚合也是制备纳米微球的常用方法，但该方法需要消耗大量的表面活性剂，并给聚合物微球的清洗带来很大的麻烦。细乳液聚合虽可以准备纳米尺度的聚合物微球，但常需要借助于高效的乳化匀质设备，且工艺难以控制，聚合物微球尺寸单分散性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，结合无皂乳液聚合和传统乳液聚合的优点并加以改进，提供一种制备单分散性聚合物纳米微球的方法。

本发明的技术方案为：将低于临界胶束浓度的表面活性剂和适量的极性溶剂与去离子水混合均匀，搅拌的过程中，加入一定量的单体，然后在一定温度下，加入一定量的引发剂引发聚合，反应一段时间后，形成高单分散、粒径＜100nm的纳米聚合物微球。通过较低含量的表面活性剂与适量极性溶剂的组合作用，避免了胶束形成，表面活性剂在聚合过程中用以保护和稳定聚合初期均相成核生成初级粒子，适量极性溶剂的添加可提高表面活性剂在分散介质中的临界胶束浓度并且增大单体在分散介质中的溶解度，从而增加成核密度，减小聚合产物粒径并且提高微球的单分散性，同时能够提高聚合速率，缩短反应时间，提高了反应效率。

本发明的具体技术方案为：一种制备单分散性聚合物纳米微球的方法，其具体步骤如下：

(1)将表面活性剂、极性溶剂和去离子水按比例混合均匀，形成分散介质体系；其中表面活性剂浓度为其临界胶束浓度的1％～90％，极性溶剂与去离子水的体积比为0∶1～10∶1；

(2)在步骤(1)形成的分散介质体系中加入体积占极性溶剂与去离子水总体积1％～20％的单体，充分搅拌混合；然后将反应体系移入60～90℃的恒温水浴中，加入质量占单体质量0.1％～10％的引发剂，在搅拌作用下，反应2～10小时，获得单分散聚合物纳米微球。

所述的表面活性剂可优选自脂肪酸盐表面活性剂、磺酸盐表面活性剂、硫酸盐表面活性剂、磷酸酯盐表面活性剂、烷基铵盐表面活性剂、季铵盐表面活性剂、或者非离子表面活性剂中的一种或一种以上的混合物。更优选为硬脂酸钠、油酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、Span、Tween或PVP等中的一种或一种以上的混合物。必须严格控制表面活性剂用量，优选面活性剂浓度为其临界胶束浓度的5％～60％。

所述的极性溶剂为可溶于水的极性有机溶剂，优选极性溶剂至少为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇、丙酮、甲苯、二甲亚砜、氯仿、乙醚、甲醛、乙醛、乙酸、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲基甲酰胺、苯胺、乙腈、吡啶、硝基甲烷、二恶烷、甲基乙基酮或甲基异丁基酮中的任意一种。极性溶剂与去离子水的体积比优选为0∶1～2∶1。

上述步骤(2)中所述的单体为乙烯基单体、丙烯酸与甲基丙烯酸系单体或共轭二烯烃单体中的一种或一种以上的混合物。优选为苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、二乙烯基苯或乙烯基吡啶等中的一种或一种以上的混合物。

上述步骤(2)中所述的引发剂为无机过氧类引发剂或水溶性氧化-还原引发体系中的一种。优选为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢-硫酸亚铁或亚硫酸钠-硫代硫酸钠中的一种。

优选步骤(2)中的搅拌速度为100～600rpm。

本发明所制备的单分散聚合物微球直径为20～100nm，分散系数1＜PDI＜1.02。

有益效果

本发明所公开的单分散聚合物纳米微球的制备方法，其特点是在聚合过程中加入了低于临界胶束浓度的表面活性剂和适量极性溶剂以增加成核数量，从而增加成核密度，减小聚合产物粒径并且提高了微球的单分散性，同时能够提高聚合速率，缩短反应时间。借助本发明所公开的制备方法，可以很容易制备直径20～100nm的高单分散性聚合物微球，分散系数1＜PDI＜1.02。并且制备工艺简单、微球大小容易控制、尺寸均一性好、各批次产品重复性好，易于实现产业化。

附图说明

图1所示为聚苯乙烯微球电镜照片。

图2所示为聚甲基丙烯酸甲酯微球电镜照片。

具体实施方式

以下对本发明的内容借助于具体实例来加以说明。以下实例提到的分散系数有如下定义：

PDI＝D_w/D_n

其中：

$D_w=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^4}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^3}$ $D_n=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i}{N}$

N是统计的微球总数，d_i是第i个微球的直径。

实施例1

在装有冷凝管的250mL三口烧瓶中，加入96mL去离子水，0.17g十二烷基硫酸钠，配成透明溶液。搅拌过程中，加入2.5mL苯乙烯。通氮气15min，加热反应体系，使温度升到70℃。然后加入含0.13g过硫酸钾的水溶液4mL，搅拌速度200rpm，反应4h后，可得到直径77nm，PDI为1.005的单分散聚苯乙烯微球。其典型的扫描电镜照片如图1所示，微球平均直径为77nm，PDI为1.005。

实施例2

在装有冷凝管的250mL三口烧瓶中，加入96mL去离子水，0.09g十二烷基磺酸钠，配成透明溶液。搅拌过程中，加入10mL甲基丙烯酸甲酯。通氮气15min，加热反应体系，使温度升到80℃。然后加入含0.09g过硫酸钾的水溶液4mL，搅拌速度300rpm，反应3h后，可得到平均直径为59nm，PDI为1.01的单分散聚甲基丙烯酸甲酯微球。其典型的扫描电镜照片如图2所示，微球平均直径为59nm，PDI为1.01。

实施例3

在装有冷凝管的250mL三口烧瓶中，加入71mL去离子水，32mL无水乙醇，0.45g十二烷基三甲基溴化铵，配成透明溶液。搅拌过程中，加入2.5mL二乙烯基苯。通氮气15min，加热反应体系，使温度升到60℃。然后加入含0.13g过硫酸铵的水溶液4mL，搅拌速度400rpm，反应2h后，可得到直径61nm，PDI为1.01的单分散聚二乙烯基苯微球。

Claims (5)

1.一种制备单分散性聚合物纳米微球的方法，其具体步骤如下：

(1)将表面活性剂、极性溶剂和去离子水按比例混合均匀，形成分散介质体系；其中表面活性剂浓度为其临界胶束浓度的1％～90％，极性溶剂与去离子水的体积比为0∶1～10∶1；其中所述的表面活性剂为脂肪酸盐表面活性剂、磺酸盐表面活性剂、硫酸盐表面活性剂、磷酸酯盐表面活性剂、烷基铵盐表面活性剂、季铵盐表面活性剂、或者非离子表面活性剂中的一种或一种以上的混合物；所述的极性溶剂至少为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇、丙酮、甲苯、二甲亚砜、氯仿、乙醚、甲醛、乙醛、乙酸、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲基甲酰胺、苯胺、乙腈、吡啶、硝基甲烷、二恶烷、甲基乙基酮或甲基异丁基酮中的任意一种；

(2)在步骤(1)形成的分散介质体系中加入体积占极性溶剂与去离子水总体积1％～20％的单体，充分搅拌混合；然后将反应体系移入60～90℃的恒温水浴中，加入质量占单体质量0.1％～10％的引发剂，在搅拌作用下，反应2～10小时，获得单分散聚合物纳米微球；其中所述的单体为乙烯基单体、丙烯酸与甲基丙烯酸系单体或共轭二烯烃单体中的一种或一种以上的混合物；所述的单分散聚合物微球直径为20～100nm，分散系数1＜PDI＜1.02，分散系数的定义如下：

PDI＝D_w/D_n

其中：

$D_w=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^4}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^3}$ $D_n=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i}{N}$

N是统计的微球总数，d_i是第i个微球的直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的单体为苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、二乙烯基苯或乙烯基吡啶中的一种或几种混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的引发剂为无机过氧类引发剂或水溶性氧化-还原引发体系中的一种。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢-硫酸亚铁或亚硫酸钠-硫代硫酸钠中的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征表面活性剂浓度为其临界胶束浓度的5％～60％；极性溶剂与去离子水的体积比为0∶1～2∶1；所述的步骤(2)中的搅拌速度为100～600rpm。

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