CN105037603A

CN105037603A - 一种单分散共聚微球及其制备方法

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Publication number: CN105037603A
Application number: CN201510570095.5A
Authority: CN
Inventors: 周丽; 李海涛
Original assignee: Tianjin Bonna Agela Technologies Co Ltd
Current assignee: Tianjin Bonna Agela Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: CN105037603B

Abstract

本发明提供了一种粒径均匀且尺寸可控的单分散共聚微球的制备方法，该发明通过使用膜乳化法，将油相和水相制备成稳定乳液，然后以液滴为核进行聚合反应，制成单分散共聚微球，通过膜的孔径和施加压力的调整可控制最终得到的微球的粒径，使得产物的形态和性能易于控制，同时增加产物颗粒大小分布的均匀性和产率，且操作简单，能耗低。本发明提供一种单分散共聚微球，粒径均匀且尺寸可控，吸附能力和样品容量较高，适用样品的pH范围广，作为固相萃取填料在化合物的提取、富集和纯化方面有广泛的应用前景。

Description

一种单分散共聚微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及聚合物化学领域，具体地说涉及膜乳化法制备单分散共聚微球。

背景技术

固相萃取(SPE)是近年来发展起来的一种技术，在医药、食品、环境、精细化工等领域得到了广泛的应用。在固相萃取中，固相萃取柱填料起到非常关键的作用。单分散高分子微球具有比表面积大、吸附性强、力学性能好、耐溶剂范围广、方便回收重复利用等特点，作为固体吸附剂用于固相萃取，可有效提高理论塔板数、色谱分离效率和检测精度，改善流动性。表面或内部引入不同官能团的此类填充颗粒，可实现多种物质的分离与纯化，成为样品富集的关键材料。

专利CN201110230790.9利用溶胀共聚法制备得到N-乙烯基吡咯烷酮与二乙烯苯单分散微球，得到的产品的化学结构侧链上连有吡咯烷酮基团，该基团含有内酰胺结构，共聚微球的主链上有数量较多的亚甲基，即产品的结构中同时含有极性基团和非极性基团，使其产品对极性和非极性物质均具有较好的吸附效果，但上述发明中使用的制备方法步骤较多，费时费力，且易造成新相种球的产生，使粒径分布变宽；且在溶胀过程还易产生破碎粒子，形成所谓的聚合物致孔剂效应，对微球结构造成影响。

膜乳化技术是一种高效的乳化方法，通过无机膜微孔将分散相在外加压力的作用下，压入连续相形成乳状液。通过控制施加压力和膜的孔径，实现乳状液滴的单分散性，再通过聚合就可以得到粒径均一的微球。

专利CN200810020545.3采用膜乳化法制备得到一种粒度均一聚合物高效液相色谱填料，其合成单体为苯乙烯或乙基苯乙烯，交联剂为二乙烯苯；CN201010017686.7采用膜乳化-悬浮聚合方法制备得到一种粒度均一的高比表面积聚合物微球树脂，其合成单体为氯乙酰化苯乙烯或氯甲基苯乙烯或二者混合物，交联剂为二乙烯苯。二者均具有步骤简单、易于操控、产品粒径均一可控的特点，但均未从产品的性质方面去设计产品的反应物和制备方法，使其制备得到的产品在吸附样品的范围和吸附效果受到限制。

本发明克服现有技术的不足，提供了一种粒径均匀且可控，对极性和非极性物质都具有较好吸附效果的N-乙烯基吡咯烷酮和二乙烯苯的共聚单分散微球及其制备方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供了一种粒径均匀且可控，适用样品的pH范围广，且对极性和非极性物质都具有较好吸附效果的单分散共聚微球。

本发明另一个目的是提供了一种采用膜乳化法制备单分散共聚微球的方法，单分散性好，质量稳定，操作简单。

本发明一方面提供的一种单分散共聚微球，通过膜乳化法将共聚单体与乙烯类单体共聚得到的，粒径在10-200μm、比表面积在100-800m²/g可控。

本发明所述的单分散共聚微球，其制备方法为：

(1)配制含有乳化剂的水相：在水相中加入乳化剂和稳定剂，搅拌，使乳化剂和稳定剂溶解；

(2)配制含有乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的油相，搅拌均匀；

(3)制备乳液：施加压力，使油相通过膜压入水相中形成乳液；

(4)将步骤(3)得到的乳液进行聚合反应，得到单分散共聚微球。

步骤(1)中所述的乳化剂为阴离子型乳化剂，优选硫酸盐如十二烷基硫酸钠、磺酸盐如丁二酸二辛酯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等中的一种或两种以上的组合；所述的水相中乳化剂用量为0.05-0.20g/100mL，优选其用量为0.05-0.15g/100mL，更为优选的用量为0.08-0.12g/100mL，乳化剂用量过低时，其分子不足以覆盖整个油水界面，造成界面张力较大，液滴直径较小时即从膜表面脱落，且液滴稳定，不易结合；乳化剂用量过高时，得到的乳液比较稳定，但可能会引起泡沫增多，影响乳液质量，如乳液过于黏稠，影响后续反应。

步骤(1)中所述的稳定剂是水溶性纤维素醚或聚乙烯基吡咯烷酮，其中所述的水溶性纤维素醚优选水溶性羟烷基纤维素如羟丙基纤维素或羟丙基甲基纤维素等；所述的水相中的稳定剂用量为0.02-0.10g/100mL，优选其用量为0.04-0.08g/100mL。

步骤(2)中所述的乙烯类单体是单烯基或多烯基苯乙烯类单体，优选苯乙烯或二乙烯苯等聚合单体。

步骤(2)中所述的共聚单体，选自：N-乙烯吡咯烷酮或丙烯酸酯等共聚单体，所述的丙烯酸酯优选自甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸-2-羟基乙酯。

步骤(2)中所述的引发剂是有机过氧化物类引发剂或偶氮类引发剂中的至少一种，过氧化物类引发剂优选过氧化苯甲酰或过氧苯甲酸叔丁酯，偶氮类引发剂优选偶氮二异丁腈等。

步骤(2)中所述的致孔剂为良溶剂致孔剂或非良溶剂致孔剂中的至少一种，优选甲苯、正庚烷或液体石蜡等。

步骤(2)中所述的乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比为：20-80:10-80:0.3-1.6:10-100，优选为40-80:40-70:0.5-1.2:50-100。

步骤(3)中所述的乳液制备优选在膜乳化器中进行，施加压力优选为通入氮气引起的压力。

步骤(3)中所述膜为孔径均一的疏油性膜，可以为多孔玻璃(SPG)膜、陶瓷膜或四氟乙烯膜等，优选为SPG膜，所述膜的孔径为1-20μm，分散相的平均粒径与膜孔径正相关，所述加压的压力为0.01-0.1MPa，压力范围根据分散相透过膜的最低压力即临界压力和膜能承受的最大压力确定，通过在所述的范围内调节膜的孔径和施加压力的大小可实现微球粒径大小的可控。

步骤(3)中所述的油相与水相的比例为1:3-1:5。

步骤(4)中所述的聚合反应的反应温度为70-100℃，优选为75-95℃。

步骤(4)中所述的聚合反应的反应时间为10-20小时。

步骤(4)中所述的聚合反应优选进行搅拌，搅拌速度为100-200rpm，进一步优选为140-200rpm。

本发明制备的单分散共聚微球，粒径均匀，比表面积在100-800m²/g，粒径在10-200μm可控。

本发明提供一种单分散共聚微球的制备方法，其具体步骤为：

(1)配制含有乳化剂的水相：每100mL水中加入乳化剂0.05-0.2g、稳定剂0.02-0.1g，搅拌，使乳化剂和稳定剂溶解。

(2)配制含有乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的油相，搅拌均匀，乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比为：20-80:10-80:0.3-1.6:10-100。

(3)制备乳液：施加压力，使油相通过膜压入水相中形成乳液，所述油相和水相的体积比为1:3-1:5。

(4)将步骤(3)得到的乳液在70-100℃条件下聚合反应10-20小时，得到高分子聚合微球。

步骤(1)中所述的乳化剂为阴离子型乳化剂，优选硫酸盐如十二烷基硫酸钠、磺酸盐如丁二酸二辛酯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等；优选其用量为0.05-0.15g/100mL，更为优选的用量为0.08-0.12g/100mL，乳化剂用量过低时，其分子不足以覆盖整个油水界面，造成界面张力较大，液滴直径较小时即从膜表面脱落，且液滴稳定，不易结合；乳化剂用量过高时，得到的乳液比较稳定，但可能会引起泡沫增多，影响乳液质量，如乳液过于黏稠，影响后续反应。

步骤(1)中所述的稳定剂是水溶性纤维素醚或聚乙烯基吡咯烷酮，其中水溶性纤维素醚优选水溶性羟烷基纤维素如羟丙基纤维素或羟丙基甲基纤维素等；优选其用量为0.04-0.08g/100mL。

步骤(2)中所述的乙烯类单体是单烯基或多烯基苯乙烯类单体，优选苯乙烯、二乙烯苯等聚合单体。

步骤(2)中所述的共聚单体为一种或一种以上同时含有亲水基团和憎水集团的共聚单体，优选N-乙烯吡咯烷酮、丙烯酸酯等共聚单体。

步骤(2)中所述的乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比优选为40-80:40-70:0.5-1.2:50-100。

步骤(3)中所述膜为孔径均一的疏油性膜，可以为硅砂多孔玻璃膜即SPG膜、陶瓷膜或四氟乙烯膜等，优选为SPG膜，所述膜的孔径为1-20μm，分散相的平均粒径与膜孔径正相关，所述加压的压力为0.01-0.1MPa，压力范围根据分散相透过膜的最低压力即临界压力和膜能承受的最大压力确定，通过在所述的范围内调节膜的孔径和施加压力的大小可实现微球粒径大小的可控。

步骤(4)中所述的反应温度优选为75-95℃。

本发明还提供了一种单分散共聚微球在制备固体吸附剂中的应用。

本发明还提供了一种单分散共聚微球在化合物的提取、富集和纯化方面中的应用。

本发明还提供了一种单分散共聚微球在固相萃取中的应用，优选的所述的固相萃取为食品、药物、化妆品的固相萃取。

本发明采用膜乳化法制备单分散共聚微球，与其他方法相比，具有操作简单、能耗低、乳液单分散性好、稳定性高、微球粒径分布较窄且粒径大小可控的特点。

本发明制备的单分散共聚微球粒径均匀且尺寸可控，其吸附能力和样品容量较高，适用样品的pH范围较广，对酸性、中性和碱性物质都具有较好吸附效果，且对极性和非极性物质也具有较好的吸附效果，作为固相萃取填料，在化合物的提取、富集和纯化方面有广泛的应用前景。

附图说明

图1例1中使用5μm膜制备乳液情况图。

图2例1使用5μm膜制备的N-乙烯基吡咯烷酮与二乙烯苯共聚微球的扫描电子显微镜图片。

图3例4制备的聚N-乙烯基吡咯烷酮与二乙烯苯微球的扫描电子显微镜图片。

具体实施方式

以下结合具体实施例及说明书附图对本发明进行具体的描述。

有必要在此指出的是本具体实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

将1.0g十二烷基硫酸钠、0.5g聚乙烯基吡咯烷酮和1000mL去离子水混合，在30℃条件下搅拌3小时，制成水相。将50gN-乙烯基吡咯烷酮、70g二乙烯苯、1.0g偶氮二异丁腈、60g甲苯、60g液体石蜡混合均匀，制成油相。选择5μm的SPG膜制备单分散乳液，在0.06MPa的氮气压力下，将油相透过膜压入水相中形成乳液，乳液情况见图1。

将乳液转入四口烧瓶中，通氮气30分钟，搅拌速度为150rpm，80℃反应15小时。

最后按常规方法进行过滤、洗涤、再过滤、干燥、提致孔剂等步骤，回收共聚微球。所得共聚微球单分散性良好，粒径为38μm，比表面积为525m²/g，其扫描电子显微镜照片如图2所示。

实施例2：

将1.0g丁二酸二辛酯磺酸钠、0.5g聚乙烯基吡咯烷酮和1000mL去离子水混合，在30℃条件下搅拌3小时，制成水相。将40gN-乙烯基吡咯烷酮、10g甲基丙烯酸甲酯、70g二乙烯苯、1.0g偶氮二异丁腈、60g甲苯混合均匀，制成油相。选择1.8μm的SPG膜制备单分散乳液，在0.08MPa的氮气压力下，将油相透过膜压入水相中形成乳液。

将乳液转入四口烧瓶中，通氮气30分钟，搅拌速度为180rpm，80℃反应15小时。

最后按常规方法进行过滤、洗涤、再过滤、干燥、提致孔剂等步骤，回收共聚微球。所得共聚微球单分散性良好，粒径为12μm，比表面积为486m²/g。

实施例3

将1.0g十二烷基硫酸钠、0.6g聚乙烯基吡咯烷酮和1000mL去离子水混合，在30℃条件下搅拌3小时，制成水相。将60gN-乙烯基吡咯烷酮、50g二乙烯苯、1.0g偶氮二异丁腈、100g甲苯混合均匀，制成油相。选择10μm的SPG膜制备单分散乳液，在0.05MPa的氮气压力下，将油相透过膜压入水相中形成乳液。

最后按常规方法进行过滤、洗涤、再过滤、干燥、提致孔剂等步骤，回收共聚微球。所得共聚微球单分散性良好，粒径为78μm，比表面积为375m²/g。

实施例4本发明提供的单分散共聚微球的应用

将实施例1制备的单分散共聚微球作为填料制成60mg/3mL的SPE小柱，分别以酸性(水杨酸)、中性(咖啡因)、碱性(美托洛尔)三种化合物的回收率为评价指标，考察本发明提供的单分散共聚微球的性能。

将制备的SPE柱分别用2mL甲醇、2mL水活化，然后上样2mL，用2mL5％(v/v)甲醇水溶液淋洗，最后用4mL洗脱液洗脱，合并收集洗脱液，定容，用HPLC外标法进行定量，得到三种化合物的回收率。

HPLC检测的色谱条件：安捷伦液相色谱仪1260；VenusilTMASBC18液相色谱柱(250mm×4.6mm，5μm)；流速：1.0mL/min；进样量：20μL；其它条件见表1。

表1三种化合物的上样浓度、SPE洗脱液和HPLC流动相组成

三种化合物的回收率分别为：美托洛尔，94.62％；咖啡因，100.28％；水杨酸，98.67％。可以看出实施例1中制备的单分散共聚微球对三种性质不同的化合物都能实现很好的富集，可作为固相萃取中的填料，且对样品中的目标化合物的富集效果较好，适用样品范围较广。

实施例5

取实施例1制备的单分散共聚微球，其扫描电子显微镜图片如图2所示。

参照专利CN201110230789.6中实施例2的方法制备得到聚N-乙烯基吡咯烷酮-二乙烯苯微球，其扫描电子显微镜图片如图3所示。

从图2和图3的对比可看出，利用专利CN201110230789.6的制备方法得到的聚N-乙烯基吡咯烷酮-二乙烯苯微球大小不均一，粒径不均匀，为多分散微球；采用本发明的制备方法制备得到的单分散共聚微球单分散性很好，粒径均匀。

Claims

1.一种单分散共聚微球，其特征是，比表面积为100-800m²/g、粒径为10-200μm，其制备方法包括：

(3)制备乳液：施加压力，使油相通过膜压入水相中形成乳液，所述油相和水相的体积比为1:3-1:5；

(4)将步骤(3)得到的乳液进行聚合反应，得到单分散共聚微球；

其中所述乙烯类单体选自单烯基或多烯基苯乙烯类单体；

其中共聚单体选自N-乙烯基吡咯烷酮或丙烯酸酯。

2.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球，其特征是，所述的乳化剂为硫酸盐型、磺酸盐型阴离子型乳化剂；所述的水相中的乳化剂的用量为0.05-0.20g/100mL。

3.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球，其特征是，所述的稳定剂为水溶性纤维素醚和/或聚乙烯基吡咯烷酮，水相中的稳定剂的用量为0.02-0.10g/100mL；所述的引发剂是有机过氧化物类引发剂或偶氮类引发剂中的至少一种；所述的致孔剂为甲苯、正庚烷或液体石蜡中的至少一种。

4.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球，其特征是所述膜为孔径均一的疏油性膜，所述膜的孔径为1-20μm，所述加压的压力为0.01-0.1MPa。

5.如权利要求1所述的一种共聚单分散微球，其特征是所述的膜选自：SPG膜、陶瓷膜或四氟乙烯膜。

6.如权利要求1所述的一种共聚单分散微球，其特征是所述的膜为SPG膜。

7.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球，其特征是所述步骤(2)中乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比为：20-80:10-80:0.3-1.6:10-100。

8.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球，其特征是所述步骤(2)中乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比为：40-80:40-70:0.5-1.2:50-100。

9.如权利要求1所述的一种单分散共聚微球的制备方法，其特征是其具体步骤为：

(1)配制含有乳化剂的水相：每100mL水中加入乳化剂0.05-0.2g、稳定剂0.02-0.1g，搅拌，使乳化剂和稳定剂溶解；

(2)配制含有乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的油相，搅拌均匀，乙烯类单体、共聚单体、引发剂、致孔剂的重量比为：20-80:10-80:0.3-1.6:10-100；

(3)制备乳液：在膜反应器一侧通入氮气加压，使油相通过SPG膜压入水相中形成乳液，所述油相和水相的体积比为1:3-1:5，膜的孔径为1-20μm，压力为0.01-0.1MPa；

(4)将步骤(3)中得到的乳液在70-100℃条件下聚合反应10-20小时，搅拌速度为100-200rpm，得到单分散共聚微球。

10.如权利要求1所述的单分散共聚微球在固相萃取中的应用。

11.如权利要求10所述的单分散共聚微球在固相萃取中的应用，所述的固相萃取为食品、药物、化妆品的固相萃取。