CN105859947A - 一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：先将疏水引发剂、去离子水、非离子型乳化剂和部分或全部离子型乳化剂加入反应容器中，搅拌均匀并通氮除氧；升温至40‑80℃，在0‑0.5小时内同步加入单体甲基丙烯酸和交联剂，同时在0‑1小时内补加剩余的离子型乳化剂，加料结束后，继续反应3‑6小时，得到聚甲基丙烯酸纳米乳胶，将其对水透析纯化后，即得聚甲基丙烯酸纳米水凝胶。本发明可实现聚甲基丙烯酸纳米凝胶在纯水相中的制备，具有环保、高效、操作简便、成本低廉、易规模化生产的优点。

Description

一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于智能纳米凝胶的制备领域，特别涉及一种聚甲基丙烯酸(PMAA)纳米水凝胶的制备方法。
背景技术
智能纳米凝胶是一类尺寸在1nm-1000nm之间，能对环境刺激(如pH值、离子强度、磁场、温度等)作出响应的、交联的聚合物纳米粒子。由于其尺寸小，比表面积大，几乎能瞬时响应微环境的刺激，智能纳米凝胶在可控靶向给药、医学诊断、生物传感器、微反应器、催化剂载体等领域有广泛的应用。PMAA纳米凝胶是一种典型的pH刺激响应性纳米凝胶，带有羧酸功能基团，具有生物相容性，可连结多肽、蛋白质和生物酶，也可通过化学修饰连接其他官能团，是一种理想的载体材料。由于MAA和PMAA的水溶性，通常采用蒸馏/回流沉淀聚合法(Huang JS，Wan SR，Guo M，Yan HS.Preparation of narrow or mono-dispersecrosslinked poly((meth)acrylic acid)/iron oxide magnetic microspheres[J].Journal ofMaterials Chemistry 2006，16，4535-4541；Liu T，Liu HX，Wu ZM，Chen T，Zhou L，Liang YY，Ke B，Huang HX，Jiang ZY，Xie MQ，Wu T.The use of poly(methacrylicacid)nanogel to control the release of amoxicillin with lower cytotoxicity[J].Materials Science and Engineering C 2014，43，622-629)、反相乳液聚合法和化学修饰法(Tiwari R，Heuser T，Weyandt E，Wang B C，Walther A.Polyacid microgels withadaptive hydrophobic pockets and ampholytic character：synthesis，solution propertiesand insights into internal nanostructure by cryogenic-TEM[J].Soft matter，2015，11(42)：8342-8353)制备PMAA纳米凝胶。但这些方法均使用有机溶剂作为反应介质，会对环境带来不利的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在纯水相中制备pH敏感的PMAA纳米凝胶的方法，该方法可克服目前PMAA纳米凝胶制备需要使用大量有机溶剂的缺陷，具有绿色、简便、高效的特点，制得的PMAA纳米凝胶具有良好的pH响应性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：先将疏水引发剂、去离子水、非离子型乳化剂和部分或全部离子型乳化剂加入反应容器中，搅拌均匀并通氮除氧；升温至40-80℃，在0-0.5小时内同步加入单体甲基丙烯酸和交联剂，同时在0-1小时内补加剩余的离子型乳化剂，加料结束后，继续反应3-6小时，得到聚甲基丙烯酸纳米乳胶，将其对水透析纯化后，即得聚甲基丙烯酸纳米水凝胶。
优选地，所述的非离子型乳化剂的重量为单体甲基丙烯酸重量的8-15％。
优选地，所述的非离子型乳化剂为聚醚型乳化剂、聚氧乙烯醚型乳化剂、多元醇型乳化剂、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮和羟乙基纤维素中的一种或二种的组合物。
更优选地，所述的非离子型乳化剂为吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80、PEG2000、PEG4000和PEG8000中的一种或二种。
优选地，所述的离子型乳化剂的重量为单体甲基丙烯酸重量的2.5-20％。
优选地，所述的离子型乳化剂是阳离子型乳化剂或阴离子型乳化剂。
更优选地，所述的阴离子型乳化剂为烷基磺酸盐阴离子型表面活性剂和烷基硫酸盐阴离子型乳化剂中的一种或二种的组合物；所述的阳离子型乳化剂为烷基季铵盐阳离子型乳化剂。
更优选地，所述的阴离子型乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和琥珀酸二异辛酯磺酸钠中的一种或二种；所述的阳离子型乳化剂为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或二种。
优选地，所述的剩余的离子型乳化剂的重量占离子型乳化剂总重量的0-75％。
优选地，所述的疏水引发剂的用量为单体总量的1.0-3.5％。
优选地，所述的疏水引发剂为偶氮类疏水引发剂或有机过氧化物类疏水引发剂。
更优选地，所述的偶氮类疏水引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或偶氮二异丁酸二甲酯；所述的有机过氧化物类疏水引发剂为过氧化苯甲酰或过氧化苯甲酰叔丁酯。
优选地，所述的交联剂的用量为单体甲基丙烯酸重量的10-50％，所述的交联剂为二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯或N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。
优选地，加料结束后，反应体系中甲基丙烯酸的浓度为20g/L-80g/L。
优选地，所述的聚甲基丙烯酸纳米乳胶中凝胶颗粒的平均粒径为100-500nm，多分散性系数为0.08-0.30。
现有的水相乳液聚合技术，由于生成的水溶性聚甲基丙烯酸难以成核，因而只能制得宏观的聚甲基丙烯酸凝胶，不能制得聚甲基丙烯酸纳米凝胶。本发明对现有的水相乳液聚合方法进行了改进，通过在反应体系中引入可以与甲基丙烯酸单体和聚甲基丙烯酸发生氢键作用的非离子型乳化剂，一旦甲基丙烯酸聚合生成聚甲基丙烯酸后，聚甲基丙烯酸就会与非离子型乳化剂作用形成强疏水的分子间复合物，发生均相成核。随后析出的疏水复合物或吸附到乳胶核表面，使乳胶粒长大，或形成新的乳胶核。从而在纯水相中成功制得了聚甲基丙烯酸纳米乳胶。交联剂的加入使聚甲基丙烯酸大分子链间发生交联，赋予聚甲基丙烯酸纳米乳胶在中性或碱性介质中的结构稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可实现聚甲基丙烯酸纳米乳胶在纯水相中的制备，克服了目前聚甲基丙烯酸纳米凝胶制备需要使用大量有机溶剂的缺陷，解决了由现有水相乳液聚合技术难以制备聚甲基丙烯酸纳米凝胶的难题，拓展了聚甲基丙烯酸纳米凝胶的制备技术，具有环保、高效、操作简便、成本低廉、易规模化生产的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
各实施例中，聚甲基丙烯酸(PMAA)纳米凝胶的平均粒径和多分散性系数是通过动态光散射测试得到的。PMAA纳米乳胶的浓度通过称重法测定。
本发明中的“同步加入单体甲基丙烯酸和交联剂”是指单体甲基丙烯酸和交联剂在相同的时间段内匀速地加完。
实施例1
一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，具体步骤为：
将0.2g十二烷基硫酸钠、0.48mL吐温-20、0.10g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至70℃后，在10min内同步加入4.0mL MAA单体和0.4gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为34g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为120nm，多分散性系数为0.15。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为357nm，多分散性系数为0.25。即，当介质的pH值由2增加至6时，PMAA纳米凝胶的粒径增加了近3倍，体积增加了26倍，表现出了良好的pH响应性。
实施例2
一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，具体步骤为：
将0.4g十二烷基硫酸钠、0.6mL吐温-40、0.16g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至70℃后，在1min内同步加入8.0mL MAA单体和0.8gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺，同时在1h内补加1.0g十二烷基硫酸钠。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为68g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为178nm，多分散性系数为0.12。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为435nm，多分散性系数为0.23。
实施例3
将0.2g十二烷基硫酸钠、0.48mL吐温-60、0.10g过氧化苯甲酰和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至80℃后，在1min内同步加入6mL MAA单体、0.7mL二乙烯基苯，和0.5g十二烷基硫酸钠。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为57g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为302nm，多分散性系数为0.09。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为544nm，多分散性系数为0.27。
实施例4
将0.2g十二烷基苯磺酸钠、0.48mL吐温-80、0.10g偶氮二异庚腈和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至40℃后，在30min内同步加入6mL MAA单体和0.7mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，同时在0.5h内补加0.6g十二烷基苯磺酸钠。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为51g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为252nm，多分散性系数为0.11。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为612nm，多分散性系数为0.29。
实施例5
将0.2g琥珀酸二异辛酯磺酸钠、0.5gPEG2000、0.10g偶氮二异庚丁酸二甲酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至70℃后，在30min内同步加入6mL MAA单体和1.4mL二甲基丙烯酸乙二醇酯。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为63g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为98nm，多分散性系数为0.14。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为278nm，多分散性系数为0.30。
实施例6
将0.2g十二烷基三甲基溴化铵、0.5gPEG4000、0.10g偶氮二异丁腈和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至60℃后，在30min内同步加入7mL MAA单体和1.4mL二乙烯基苯，同时在0.5h内补加0.6g十二烷基三甲基溴化铵。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为69g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为120nm，多分散性系数为0.14。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为216nm，多分散性系数为0.17。
实施例7
将0.2g十六烷基三甲基溴化铵、0.5gPEG8000、0.10g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至60℃后，在30min内同步加入7mL MAA单体和1.2mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，同时在1h内补加0.6g十六烷基三甲基溴化铵。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为67g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为128nm，多分散性系数为0.09。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为252nm，多分散性系数为0.18。
实施例8
将0.2g十八烷基三甲基溴化铵、0.5gk30、0.10g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至60℃后，在30min内同步加入7mL MAA单体和1.2mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，同时在1h内补加0.6g十八烷基三甲基溴化铵。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为69g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为186nm，多分散性系数为0.17。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为521nm，多分散性系数为0.28。
实施例9
将0.2g十八烷基三甲基氯化铵、0.48mL吐温20、0.10g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至60℃后，在30min内同步加入4mL MAA单体和0.8mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，同时在1h内补加0.6g十八烷基三甲基氯化铵。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为46g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为160nm，多分散性系数为0.08。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为224nm，多分散性系数为0.11。
实施例10
将0.2g十六烷基三甲基氯化铵、0.48mL吐温20、0.10g过氧化苯甲酰叔丁酯和120mL去离子水加入装有搅拌和冷凝管的250mL三颈烧瓶中，搅拌均匀并通氮除氧30min，升温至60℃后，在30min内同步加入4mL MAA单体和0.8mL二甲基丙烯酸乙二醇酯，同时在1h内补加0.6g十六烷基三甲基氯化铵。加料结束后，继续反应4小时，得到乳白色的PMAA纳米乳胶。PMAA纳米乳胶的浓度为40g/L。将制得的PMAA纳米乳胶对大量去离子水透析处理进行纯化。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 2，并用pH 2的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为182nm，多分散性系数为0.09。将透析纯化的PMAA纳米凝胶分散液的pH值调至pH 6，并用pH 6的去离子水稀释40倍，采用Malvern DTS1060光散射粒径仪测得PMAA纳米凝胶的平均粒径为254nm，多分散性系数为0.12。

Claims (10)

1.一种聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：先将疏水引发剂、去离子水、非离子型乳化剂和部分或全部离子型乳化剂加入反应容器中，搅拌均匀并通氮除氧；升温至40-80℃，在0-0.5小时内同步加入单体甲基丙烯酸和交联剂，同时在0-1小时内补加剩余的离子型乳化剂，加料结束后，继续反应3-6小时，得到聚甲基丙烯酸纳米乳胶，将其对水透析纯化后，即得聚甲基丙烯酸纳米水凝胶。
2.如权利要求1所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的非离子型乳化剂的重量为单体甲基丙烯酸重量的8-15％；所述的非离子型乳化剂为聚醚型乳化剂、聚氧乙烯醚型乳化剂、多元醇型乳化剂、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮和羟乙基纤维素中的一种或二种的组合物。
3.如权利要求2所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的非离子型乳化剂为吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80、PEG2000、PEG4000和PEG8000中的一种或二种。
4.如权利要求1所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的剩余的离子型乳化剂的重量占离子型乳化剂总重量的0-75％。
5.所述的离子型乳化剂的重量为单体甲基丙烯酸重量的2.5-20％；所述的离子型乳化剂是阳离子型乳化剂或阴离子型乳化剂。
6.如权利要求5所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的阴离子型乳化剂为烷基磺酸盐阴离子型表面活性剂和烷基硫酸盐阴离子型乳化剂中的一种或二种的组合物；所述的阳离子型乳化剂为烷基季铵盐阳离子型乳化剂中一种或二种的组合物。
7.如权利要求6所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的阴离子型乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和琥珀酸二异辛酯磺酸钠中的一种或二种；所述的阳离子型乳化剂为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或二种。
8.如权利要求1所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的疏水引发剂的用量为单体总量的1.0-3.5％。
9.如权利要求1所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的疏水引发剂为偶氮类疏水引发剂或有机过氧化物类疏水引发剂。
10.如权利要求1所述的聚甲基丙烯酸纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的交联剂的用量为单体甲基丙烯酸重量的10-50％，所述的交联剂为二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯或N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。
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