CN108380154A - 加曝气系统的超声聚合反应装置及超声聚合反应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加曝气系统的超声聚合反应装置及超声聚合反应方法,配置NIPAM单体和交联剂BIS的水溶液,将超声频率变幅杆插入反应体系,采用间歇(通N2)‑超声模式使反应进行,其中改变间歇时通N2的方式可提高初始气泡核密度和初始声压进而改变聚合反应的进程。实验结果表明,通过在液面下曝气的方式,在同等超声功率下,溶液体系固定点的声压提升幅度为30%,在超声引发PNIPAM微凝胶聚合过程中,在液面下方通气,可显著加速PNIPAM微凝胶的形核过程,相比液面上方通气体系,形核时间缩短5倍,最终获得粒径及单分散性可控的PNIPAM微凝胶。有益效果:聚合反应在较低的体相温度下由声场作用产生自由基,与传统的制备方法相比大大缩短了反应时间。
Description
技术领域
本发明属于声化学技术领域,涉及超声合成领域,具体涉及一种加曝气系统的超声聚合反应装置及超声聚合反应方法。
背景技术
将超声场施加在化学反应体系中,它能通过声解过程促进化学键的断裂,导致自由基的形成,声解机理包括空化气泡核的形成、气穴作用、气泡动力学及其相互作用、热力学和化学过程等一系列过程即声空化效应。生长到一定尺寸的气泡破裂的瞬间能在短时间内产生局部的高温高压(温度约为5000K,压力约为1000bar,传热速率>1010Ks-1),同时伴随强的剪切作用和微射流作用,可以产生自由基并引发单体发生聚合反应。在目前已报道的相关超声化学法制备纳米材料领域,主要是通过改变频率、超声功率、信号类型等参数来影响调控反应进程,而通过外部通气的方式来进行对聚合反应过程的调控还鲜有报道。
PNIPAM是一种具有温度响应性的水溶性聚合物,其温敏特性主要是体现在低温时,酰胺键与水分子间形成的稳定的氢键结构,PNIPAM链呈无规线团(coil)状即分子链以舒展的方式与水互溶呈亲水状态;当温度超过其最低临界溶解温度(LCST)时,氢键会被破坏,分子链的构象塌缩的成小球状(globule),因而聚合物体相表现为高温下水溶性降低,呈相对疏水的状态。从传感器到组织工程中的支架、植入物再到药物控释,催化开关和逻辑门,以这种温敏性聚合物制备得到的微凝胶具有巨大的应用潜力。现在目前已报道的微凝胶制备方式大多是采用经典的热引发的沉淀聚合,经典的体系反应条件为:70℃,4小时以上的聚合反应时间后,获得PNIPAM微凝胶。与这种传统的制备方法相比,基于一些前期超声化学法制备微纳米颗粒的相关报道和我们前期大量的研究探索工作,我们提出了通过超声化学法制备单分散性好的PNIPAM微凝胶的方法,并且提出了一种只通过改变曝气方式就可调控反应进程的方法。与传统的调控方式相比具有简单高效易实施且明显缩短反应周期的优势,具有较大的发展潜力。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种加曝气系统的超声聚合反应装置及超声聚合反应方法,设计了以超声化学法高效合成尺寸均一的聚N-异丙基丙烯酰胺PNIPAM微凝胶的方法,提出了通过改变超声过程中的通气方式来调节微凝胶颗粒的聚集状态,同时提高反应速率。这种超声化学方法较传统的微凝胶制备方法具有操作简便、环境友好且反应周期短易于规模化等明显优势,并且只通过简单的改变外在的通气方式而不需要通过其他的促进剂就可影响反应体系的物理化学环境从而提高反应速率的方式大大简化了反应步骤,同时又不会改变体系原来的化学组成。在微纳米颗粒的制备、载药控释体系及响应性Pickering乳液等方面具有重要的应用价值。
技术方案
一种加曝气系统的超声聚合反应装置,其特征在于包括玻璃容器、三口烧瓶、超声变幅杆和两个橡胶管;三口烧瓶浸入盛有反应液的玻璃容器中,超声变幅杆插入烧瓶的直口中,两个橡胶管分别插入两个斜口中,作为氮气入口和出口;所述作为氮气入口的橡胶管上设有针管或曝气石;所述玻璃容器外部冷却水浴与循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。
一种利用所述加曝气系统的超声聚合反应装置进行曝气方式实现PNIPAm微凝胶高效超声聚合方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、配制PNIPAM微凝胶反应液:N-异丙基丙烯酰胺NIPAM单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺BIS的水溶液;所述两者比例为25~15:1;
然后在25℃下将其溶解在体积为25mL-40mL的去离子水中得到反应液;
步骤2:将反应液注入到反应装置的三口烧瓶中,反应液淹没氮气入口橡胶管上的针管或曝气石,采用真空泵除去反应体系内的氧气后,密封;通过液面下曝气的方式,通入5-10分钟的N2,关闭N2后,将超声功率设置为100~200W,超声聚合反应时间为10-30分钟,后停止超声,将反应液透析、离心并冷冻干燥后得到PNIPam微凝胶颗粒。
所述曝气石为钛合金曝气石。
所述步骤2通入N2时的流速为450~1000mL/h。
有益效果
本发明提出的一种加曝气系统的超声聚合反应装置及超声聚合反应方法,改变曝气方式得到了一种更加高效且反应周期更短的PNIPAM微凝胶的合成方法,具体方法是配置NIPAM单体和交联剂BIS(5wt%)的水溶液,将超声频率为20kHz、超声功率为150W-250W的变幅杆插入反应体系一定高度,采用间歇(通N2)-超声模式使反应进行,其中改变间歇时通N2的方式可提高初始气泡核密度和初始声压进而改变聚合反应的进程。实验结果表明,通过在液面下曝气的方式,在同等超声功率下,溶液体系固定点的声压提升幅度为30%,在超声引发PNIPAM微凝胶聚合过程中,在液面下方通气,可显著加速PNIPAM微凝胶的形核过程,相比液面上方通气体系,形核时间缩短5倍,最终获得粒径及单分散性可控的PNIPAM微凝胶。
本发明的显著特点为,通过控制气体通入方式,仅在很低的超声功率下150W,室温反应10分钟,(反应时间为传统热引发过程的1/24,反应温度比热引发降低45℃),高效制备了粒径可调控的PNIPAM微凝胶。本发明在在温敏性微凝胶的制备、载药控释领域及响应性Pickering乳液以及电子和光学领域具有重要的潜在应用价值。
本发明的有益效果:聚合反应可在低温下进行。可在较低的体相温度下由声场作用产生自由基,反应能在较低的温度下进行,同时超声场辐照通过气穴作用会对体系产生一定的分散、搅拌等作用,能促进反应物在体系中的分散。通过直接改变外在通气方式改善体系的反应速率,与传统的制备方法相比大大缩短了反应时间。
附图说明
图1:超声聚合反应装置示意图
(a)针管通气(液面上);(b)针管通气(液面下);(c)曝气石通气(液面下)
图2:三种不同通气方式合成的产物的实物照片
(a)针管通气(液面上);(b)针管通气(液面下);(c)曝气石通气(液面下)
图3:两种液面下通气方式合成的产物透射电镜照片
(a)针管通气(液面下);(b)曝气石通气(液面下)
图4:声场测量简易装置
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例1:
向50ml三口烧瓶中加入1.00g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和0.06g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)(15:1),加入40ml去离子水后,室温下搅拌30-60min,待体系分散均匀后将超声变幅杆插入烧瓶的直口中(使超声杆浸入液面以下1-2cm)。同时将一端连有橡胶管的针管插入到液面以下通入氮气,另一端用于氮气流出。将三口烧瓶整体浸入盛有水的玻璃容器中,利用循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。抽真空10-20min后,通过针管在液面下通入氮气3-5min(450mL/h)后,关闭进气阀。在循环水浴条件下连续超声10min,得到具有一定浑浊度但体相局部不够均匀的反应液。超声功率150W,频率20KHz。
实施例2:
向50ml三口烧瓶中加入1.00gN-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和0.05g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)(20:1),加入30ml去离子水后,室温下搅拌30-60min,待体系分散均匀后将超声变幅杆插入烧瓶的直口中(使超声杆浸入液面以下1-2cm)。,同时将一端连有橡胶管的曝气石插入到液面以下通入氮气(将曝气石插入到液面以下与实例1中针管等高处),另一端用于氮气流出。将三口烧瓶整体浸入盛有水的玻璃容器中,利用循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。抽真空10-20min后,通过曝气石在液面下通入氮气3-5min(800mL/h)后,关闭进气阀。在循环水浴下连续超声10min,得到具有一定浑浊度且体相整体均匀的反应液,超声功率225W,频率20KHz。
实施例3:
向50ml三口烧瓶中加入1.00g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和0.04g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)(25:1),加入25ml去离子水后,室温下搅拌30-60min,待体系分散均匀后将超声变幅杆插入烧瓶的直口中(使超声杆浸入液面以下1-2cm)。,同时将一端连有橡胶管的曝气石插入到液面以下通入氮气(将曝气石插入到液面以下与实例1中针管等高处),另一端用于氮气流出。将三口烧瓶整体浸入盛有水的玻璃容器中,利用循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。抽真空10-20min后,再将与出气塞相连接的橡胶管插入到盛有水的烧杯中。通过曝气石在液面下通入氮气3-5min(1000mL/h)后,关闭进气阀。在循环水浴下连续超声10min,得到浑浊的体系局部呈凝胶态的反应液,超声功率250W,频率20KHz。
实施实例4:
向50ml三口烧瓶中加入1.00g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和0.04g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)(25:1),加入35ml去离子水后,室温下搅拌30-60min,待体系分散均匀后将超声变幅杆插入烧瓶的直口中(使超声杆浸入液面以下1-2cm)。,同时将一端连有橡胶管的针管插入到液面以下通入氮气(将针管插入到液面以下与实例1中针管等高处),另一端用于氮气流出。将三口烧瓶整体浸入盛有水的玻璃容器中,利用循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。抽真空10-20min后,通过针管在液面下通入氮气3-5min(450mL/h)后,关闭进气阀。在循环水浴下连续超声10min,得到浑浊的体系局部呈凝胶态的反应液,超声功率250W,频率20KHz。
附:曝气方式超声聚合PNIPAM微凝胶与热引发聚合微凝胶反应进程对比
比较了本发明提出的超声聚合PNIPAM微凝胶反应进程,并与传统的热引发聚合过程做了对比如表1所示。同时,通过图4的声场测量简易装置的传感器分别测量了体系在通气和不通气条件下声场的强度,发现,液面下曝气方式,可在超声功率一定的条件下显著反应系统声压,具体结果见表2中。声场测量简易装置图如图3所示。
表1超声聚合过程中三种不同的通气方式及热引发聚合制备微凝胶反应过程的差异
表2超声场施加时通气和不通气条件下的采用水听器测量的声压
条件 | 不通气 | 通气 |
声压/Pa | 29621 | 44432 |
注:声压=0.732E/25.7╳106
E:示波器所显示的电压值。
Claims (4)
1.一种加曝气系统的超声聚合反应装置,其特征在于包括玻璃容器、三口烧瓶、超声变幅杆和两个橡胶管;三口烧瓶浸入盛有反应液的玻璃容器中,超声变幅杆插入烧瓶的直口中,两个橡胶管分别插入两个斜口中,作为氮气入口和出口;所述作为氮气入口的橡胶管上设有针管或曝气石;所述玻璃容器外部冷却水浴与循环水泵构建闭合水回路,用作整个反应过程中的冷却水循环装置。
2.一种利用权利要求1所述加曝气系统的超声聚合反应装置进行曝气方式实现PNIPAm微凝胶高效超声聚合方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、配制PNIPAM微凝胶反应液:N-异丙基丙烯酰胺NIPAM单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺BIS的水溶液;所述两者比例为25~15:1;
然后在25℃下将其溶解在体积为25mL-40mL的去离子水中得到反应液;
步骤2:将反应液注入到反应装置的三口烧瓶中,反应液淹没氮气入口橡胶管上的针管或曝气石,采用真空泵除去反应体系内的氧气后,密封;通过液面下曝气的方式,通入5-10分钟的N2,关闭N2后,将超声功率设置为100~200W,超声聚合反应时间为10-30分钟,后停止超声,将反应液透析、离心并冷冻干燥后得到PNIPam微凝胶颗粒。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述曝气石为钛合金曝气石。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述步骤2通入N2时的流速为450~1000mL/h。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180810 |