CN102702470B

CN102702470B - 一种在静置条件下制备微米级单分散聚脲微球的方法

Info

Publication number: CN102702470B
Application number: CN 201210184655
Authority: CN
Inventors: 孔祥正; 姜绪宝; 朱晓丽
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102702470A

Abstract

本发明涉及一种在静置条件下制备微米级聚合物单分散微球的方法，该方法是在室温下将二异氰酸酯单体与水-丙酮混合溶剂加入到反应瓶中，其中水/丙酮的质量比为20/80～60/40，二异氰酸酯类化合物占聚合体系总质量的0.5～13.0%，密封摇匀后将反应瓶静置于20～80℃的恒温水浴中进行聚合反应；聚合完成后产物经过离心分离及干燥即得微米级单分散聚脲微球。本发明仅使用一种单体，无需任何搅拌或者振荡、完全在静置条件下进行沉淀聚合，反应耗时短、单体可完全转化，微球收率高，操作简单，有利于单分散微球的规模化生产。所得微球表面洁净且含有大量胺基，可用于蛋白质的吸附与分离、酶固定和色谱分析等领域。

Description

一种在静置条件下制备微米级单分散聚脲微球的方法

技术领域

本发明涉及一种微米级单分散聚合物微球的制备方法，尤其涉及一种在静置条件下制备微米级单分散聚脲微球的方法，属于功能高分子材料领域。

背景技术

聚合物单分散微球由于在标准计量、色谱分析、酶固定、药物控释、液晶显示、光子晶体等诸多领域有重要的应用价值，已成为高分子科学领域的一个重要研究内容。制备聚合物单分散微球的传统方法有悬浮聚合、分散聚合、乳液聚合和玻璃膜乳化及后聚合技术等。所有这些方法在制备过程中均必须使用表面活性剂或稳定剂，这严重制约了聚合物单分散微球的应用，尤其是在生物和医学等领域。

沉淀聚合制备聚合物单分散微球时不需表面活性剂或稳定剂，所得微球因表面洁净而备受关注。Choe等（Macromolecular Research,2004年,卷12,页519-527）在乙腈中进行了DVB与甲基丙烯酸甲酯的沉淀聚合，发现在静置不振荡条件下所得微球大小不一，当振荡频率为20~100次/分钟、单体用量低于2%时所得聚合物微球大小均一，70℃下聚合24h单体转化率不超过80%；Irgum等（Macromolecules,2007年,卷40,页1962–1968）采用紫外光引发DVB与苯乙烯进行了沉淀共聚合，指出获得单分散微球时体系需要一定的搅拌或振荡，在振荡条件下当单体用量低于4%时可得到聚合物单分散微球，在31℃下聚合163h微球收率不超过30%；张会旗等（Macromolecules,2011年,卷44,页5893–5904）以4-乙烯基吡啶与乙二醇二甲基丙烯酸酯为单体，采用原子转移自由基沉淀聚合法制备了共聚物微球，发现在静置不搅拌时所得微球大小分布不均一，采用磁力搅拌可获得单分散的聚合物微球，但单体用量最高为1.4%，在60℃下聚合24h微球产率最高只有51%。

目前公开报道的沉淀聚合制备聚合物单分散微球都是基于自由基聚合机理，需要进行搅拌或振荡，聚合时单体用量一般都不超过2.0%，聚合时间较长，一般为12~24h，单体转化率和微球产率都较低，导致聚合物单分散微球的制备效率极低且聚合完成后体系中有大量残余单体；对聚合体系进行搅拌或振荡一般需要专门的搅拌机或振荡器，对搅拌器材质和形状都有严格要求。搅拌或振荡所需设备使生产成本增加，而且聚合过程中设备需要持续工作，耗能较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明通过与传统自由基聚合完全不同的逐步聚合机理，提供一种不需要任何搅拌或振荡、在静置条件下制备聚合物单分散微球的方法，并克服现有技术制备过程中存在的单体含量及转化率低、微球收率低、聚合时间长、残余单体难于分离等问题。

本发明的技术方案如下：

一种在静置条件下制备微米级单分散聚脲微球的方法，包括步骤如下：

在室温下，将水-丙酮混合溶剂和二异氰酸酯单体加入反应瓶中，其中，水与丙酮的质量比为20/80至60/40，二异氰酸酯单体占聚合体系总质量的0.5~13.0%，所述二异氰酸酯单体为异佛尔酮二异氰酸酯、4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯或甲基环己基二异氰酸酯；将反应瓶密封且摇动使单体分散均匀，然后静置于20~80℃的恒温水浴中进行聚合反应10～120min，体系开始变浑浊，继续反应1.5～4.0h，聚合完成；产物经过离心分离及干燥即得微米级单分散聚脲微球。

根据本发明，二异氰酸酯单体优选为异佛尔酮二异氰酸酯。

根据本发明，优选的，混合溶剂中水与丙酮的质量比为24/76~50/50。

根据本发明，优选的，二异氰酸酯单体占混合体系总质量的1.0~11.0%。

根据本发明，优选的，聚合反应温度为30~70℃。聚合反应在静置条件下进行，不需要对聚合体系进行任何搅拌或振荡。

根据本发明，优选的聚合反应进行15～100min反应体系开始变浑浊时，继续反应2h，聚合完成。

根据本发明，聚合反应结束后，将产物加入离心管中在8000～12000r/min下离心5～8min，除去上清液，将所得微球用丙酮清洗2～3次，然后于70～100℃干燥8～12h，得微米级单分散聚脲微球产品。

本发明的方法制得的聚脲微球的粒径为1~12μm，大小均一。

本发明可根据对微球粒径的需求通过调节聚合反应温度、水/丙酮质量比和单体用量控制微球粒径。

本发明方法优选的方案之一是：

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入89.0～97.0g质量比为30/70的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入3.0～11.0g的单体异佛尔酮二异氰酸酯，聚合体系总质量为100g，将反应瓶密封后置于温度为30～70℃的恒温水浴中，反应18～63min时体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。所得聚脲微球的产率为75.8～88.5%，微球的平均粒径为3.5～10.5μm，粒径的多分散系数为1.003～1.007。

本发明方法制备单分散微球时，二异氰酸酯单体的用量可达体系总质量的11%以上，聚合反应2~3h单体即可100%转化，微球产率可达88%，制备单分散聚合物微球的效率明显高于传统的自由基沉淀聚合法。本发明可以获得粒径在1~12μm范围内大小可控的单分散微球，且微球表面含有大量胺基，可应用于蛋白质的吸附与分离、酶固定和色谱分析等领域。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明的方法在静置条件下进行，聚合反应过程中不需要任何搅拌或振荡，直接将反应器静置在恒温水浴中，工艺方法简单易行、成本低、耗能少、经济实用，有利于实现单分散微球的规模化生产。

2.本发明仅使用一种二异氰酸酯单体，聚合过程中不需要任何引发剂、乳化剂或稳定剂，方法简单、原料单一，且所得微球表面含有大量胺基，可应用于蛋白质的吸附与分离、酶固定和色谱分析等领域。

3.本发明的聚合机理基于与传统自由基聚合完全不同的逐步聚合，利用异氰酸酯与水的反应通过沉淀聚合制备单分散聚脲微球，具有聚合反应速率快、聚合时间短、单体完全转化和微球产率高等特点。本发明的方法聚合反应一般需要2~3h，远低于自由基聚合中所需要的12~24h的聚合时间；在所需时间内单体转化率可100%完全转化，远高于迄今为止的所有以自由基聚合为基础的过程中可达到的50%~70%的转化率；微球产率可达88.7%，高于自由基聚合中50%~60%的微球产率。

4.本发明的方法可以明显提高获得单分散微球时体系的单体浓度，最高可占体系总质量的11~13%，远高于现有自由基沉淀聚合方法中允许使用的2.0%的单体浓度。在一个一升的反应器中，使用传统的自由基聚合方法，使用2%的单体含量，如果单体的60%可以转化为单分散微球，一次聚合最多可制得12g产品。相比之下，使用本发明的方法，在同样的反应器中，单体含量可达11.0%，按微球产率88%计算，一次可制得聚合物单分散微球97g，为自由基聚合的8倍之多。

5.本发明的方法所得微球表面洁净，聚合完成后体系中不存在残余单体，通过简单的离心即可将微球与低聚物分离，克服了现有技术中残余单体难于分离的问题。

6.本发明所得微球大小均一，微球粒径可在1~12μm范围内调节，以满足用于蛋白质的吸附与分离、酶固定和色谱分析不同领域时对微球粒径的需求。

附图说明

图1是实施例1的聚脲微球的扫描电镜照片。

图2是实施例2的聚脲微球的扫描电镜照片。

图3是实施例3的聚脲微球的扫描电镜照片。

图4是实施例4的聚脲微球的扫描电镜照片。

图5是实施例5的聚脲微球的扫描电镜照片。

图6是实施例6的聚脲微球的扫描电镜照片。

图7是实施例6的聚脲微球的红外谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

采用Hitachi S-2500扫描电子显微镜观察实施例产品聚脲微球的形貌。从电镜照片中量取不少于200个微球的粒径，根据高分子科学领域熟知的方法计算微球平均粒径(D_n)及其多分散系数(D_w/D_n)：

D_{w} = Σ_{i = 1}^{k} n_{i} {D_{i}}^{4} / Σ_{i = 1}^{k} n_{i} {D_{i}}^{3}

D_{n} = Σ_{i = 1}^{k} n_{i} D_{i} / Σ_{i = 1}^{k} n_{i}

其中，D_w为其重均粒径，D_n是微球的数均粒径，D_i是任意一组具有相同粒径微球的直径(D_i)，n_i为粒径为Di的粒子个数，k为SEM图片上测量的粒子总个数，以D_w/D_n表示微球粒径的多分散系数。

实施例1.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入98.0g质量比为30/70的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入2.0g的4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯(CAS No.:5124-30-1)单体，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为30℃的恒温水浴中，反应80min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为68.11%，微球的平均粒径为1.923μm，粒径的多分散系数为1.028，其扫描电子显微镜照片如图1所示。

实施例2.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入98.0g质量比为30/70的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入2.0g的1,6-己二异氰酸酯(CAS No.:822-06-0)单体，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为30℃的恒温水浴中，反应75min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为69.43%，微球的平均粒径为2.101μm，粒径的多分散系数为1.035，其扫描电子显微镜照片如图2所示。

实施例3.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入91.0g质量比为24/76的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入9.0g的异佛尔酮二异氰酸酯(CAS No.:4098-71-9)，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为30℃的恒温水浴中，反应85min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为88.39%，微球的平均粒径为8.425μm，粒径的多分散系数为1.007，其扫描电子显微镜照片如图3所示。

实施例4.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入97.0g质量比为30/70的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入3.0g的异佛尔酮二异氰酸酯，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为30℃的恒温水浴中，反应63min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为75.81%，微球的平均粒径为3.534μm，粒径的多分散系数为1.003，其扫描电子显微镜照片如图4所示。

实施例5.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入89.0g质量比为30/70的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入11.0g的异佛尔酮二异氰酸酯，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为70℃的恒温水浴中，反应18min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为88.46%，微球的平均粒径为10.445μm，粒径的多分散系数为1.006，其扫描电子显微镜照片如图5所示。

实施例6.

在室温下先向120mL玻璃反应瓶中加入89.0g质量比为26/74的水/丙酮混合溶剂，摇匀后再加入11.0g的单体异佛尔酮二异氰酸酯，将反应瓶密封后摇匀并静置于温度为70℃的恒温水浴振荡器中，反应25min后体系开始变浑浊，然后继续反应2h。反应结束后取一定量的试样加入离心管中，用高速离心机在12000r/min下离心5min，将上清液取出，用丙酮将微球清洗两次，然后放入85℃烘箱中干燥10h得聚脲微球。

所得聚脲微球的产率为87.65%，微球的平均粒径为11.634μm，粒径的多分散系数为1.005，其扫描电子显微镜照片如图6所示，微球的红外谱图如图7。

Claims

1.一种在静置条件下制备微米级单分散聚脲微球的方法，包括步骤如下：

在室温下，将水-丙酮混合溶剂和二异氰酸酯单体加入到反应瓶中，其中，水与丙酮的质量比为20/80至60/40，二异氰酸酯单体占聚合体系总质量的0.5~13.0%，所述二异氰酸酯单体为异佛尔酮二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯或甲基环己基二异氰酸酯；将反应瓶密封且摇动使单体分散均匀，然后静置于20~80℃的恒温水浴中进行聚合反应10～120 min时，体系开始变浑浊，然后继续反应1.5～4.0 h，聚合完成；产物经过离心分离及干燥即得微米级单分散聚脲微球。

2. 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于所述二异氰酸单体为异佛尔酮二异氰酸酯。

3. 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于所述混合溶剂中水与丙酮的质量比为24/76~50/50。

4. 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于所述二异氰酸酯单体占混合体系总质量的1.0~11.0%。

5. 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于所述聚合反应温度为30~70℃。

6 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于所述聚合反应进行15～100 min时反应体系开始变浑浊，然后继续反应2 h，聚合完成。

7. 如权利要求1所述的制备微米级单分散聚脲微球的方法，其特征在于聚合反应结束后，将产物加入离心管中，在8000～12000 r/min下离心5～8 min，除去上清液，用丙酮将所得微球清洗2～3次，然后于70～100℃干燥8～12 h，得微米级单分散聚脲微球产品。