CN1272372C - 一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法。对改进的共沉淀法制造的纳米Fe3O4颗粒表面进行了亲油层包覆形成疏水性Fe3O4磁流体，将其溶解于疏水性烯类单体和油溶性引发剂中充分搅拌，形成均匀分散的油相流体；采用喷流式悬浮聚合法将油相流体均匀破碎分散形成大小均一的油滴，并在水相中形成均匀的O/W型悬浮液；在特定的聚合温度下，油滴快速被固化，恒温聚合成大小均一的超顺磁性高分子微球；本发明制造的超顺磁性高分子微球的粒径为10μm左右，大小均一，微球的比饱和磁化强度为15-20emu/g，不同微球之间磁含量均匀，化学性质稳定，在生物分离中具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及磁性高分子微球的制造方法，特别涉及一种采用喷流式悬浮聚合法制造超顺磁性高分子均一微球的方法。
背景技术
近年来，磁性高分子微球在生物分离工程和生物医学工程中展现出独特的优势，特别在细胞分离、固定化酶、免疫检测、靶向药物、蛋白质和酶的分离纯化等应用领域具有诱人的应用前景，是当前研究的热点课题之一。
现有技术合成磁性高分子微球的方法主要有高分子包埋法、化学转化法和单体聚合法。化学转化法合成的磁性微球性能较好，但是它的制造工艺繁琐，造成生产成本大大提高，磁性微球售价相当昂贵，因而限制了它的应用。单体聚合法与高分子包埋法相比，合成的磁性高分子微球性能较好，同时它的制造工艺简单，成本低，是目前合成磁性高分子微球最普遍适用的方法。而单体聚合法主要包括乳液聚合、分散聚合、种子聚合、悬浮聚合和微悬浮聚合等方法，其中悬浮聚合法是当前制造磁性高分子微球最为理想的一种方法，因为它制造的磁性高分子微球成球性好、磁含量高。但是该方法由于采用机械搅拌浆混合，反应釜中各部分液滴受力不均匀，导致聚合物液滴大小不一，最终合成的磁性高分子微球粒径大、尺寸分布宽，不同微球之间磁性能差异很大，从而影响了它的使用效果。
与本发明相关的悬浮聚合法(参见美国专利US 4,339,337)及微悬浮聚合法(参见美国发明专利US 4,358,388)是把亲油化处理的磁性Fe3O4颗粒、亲油性烯类单体和油溶性引发剂组成的油相分散在水相中，在机械搅拌和稳定剂的作用下，油相呈液滴状态分散在水相中，加热引发聚合形成磁性高分子微球。由于在反应过程中分散效果差，尤其是纳米级磁性Fe3O4颗粒在聚合过程中易团聚而与烯类单体发生相分离，合成的高分子微球磁含量低，磁性颗粒易聚集在微球周边，不同微球的磁含量变化大，颗粒粒径分布宽。通过改良悬浮聚合分散设备，采用在带垂直挡流板的圆柱形搅拌式反应器中进行反应(参见中国发明专利CN98124516.1)，可以在某种程度上改善磁性微球的性能，但是微球的尺寸大小仍然很不均一。因此，探讨一种尺寸均一的超顺磁性高分子微球的制造方法是待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服常规聚合反应在制造磁性高分子微球时，不能合成均一的磁性微球及其所制造的磁性高分子微球在性能上存在的缺陷，从而提供了一种采用喷流式悬浮聚合法制造超顺磁性高分子均一微球的方法。
本发明的技术方案
本发明提供的一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法，包括以下步骤：
1、喷流式悬浮聚合反应装置的制作：
喷流式悬浮聚合反应装置包括一聚合反应釜、油相储罐，其特征在于，还包括一喷流嘴。所述的油相储罐上端经第一调节阀与氮气瓶相连，并经第二调节阀和流量计与聚合反应釜上端的喷流嘴相连通；油相储罐上端安装有压力表、电机和安全阀，电机带动搅拌器转动；聚合反应釜内安装由电机带动的浆式搅拌器，上端安装可自动调节的喷流嘴，调节喷流嘴与反应釜内水相液面距离，可以得到不同粒径的液滴。
2、改进的共沉淀法制造疏水性Fe3O4磁流体：
在60-90℃下，向含有Fe2+和Fe3+盐的水溶液中倾入碱液，立刻滴加直链脂肪酸直至水溶液变清为止，即可得到黑色团块状疏水性Fe3O4磁流体。
3、喷流式悬浮聚合法制造超顺磁性高分子均一微球：
(1)将疏水性Fe3O4磁流体溶解于疏水性烯类单体和油溶性引发剂中，充分搅拌，在油相储罐中形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜中加入稳定剂水溶液，搅拌分散形成均匀的水相溶液；
(3)加适当的压力，使油相储罐内的油相流体通过喷流嘴喷流进入聚合反应釜内水相中形成均匀的油滴；
(4)恒温聚合反应，即可得到超顺磁性高分子均一微球。
上述的油相储罐为不锈钢储罐；油相储罐的上端安装有氮气进口管、压力表和安全阀，下端安装料液出口管；安装在聚合反应上端的喷流嘴的孔径为10-100μm；喷流嘴为由聚四氟乙烯或不锈钢制成。
上述铁盐水溶液中Fe2+与Fe3+的摩尔比为1∶2至2∶3；加入的碱OH-与Fe2+和Fe3+之和的摩尔比为2∶3，这里的碱是KOH、NaOH、NH4OH、Na2CO3、NaHCO3；加入的直链脂肪酸与沉淀出的磁性Fe3O4颗粒之重量比在1∶2至2∶3之间；直链脂肪酸为饱和的硬脂酸、月桂酸、豆蔻酸、及不饱和的亚麻酸、油酸、桐油酸。
上述疏水性烯类单体是由一种或一种以上的疏水性烯类单体形成的聚合物；这里的疏水性烯类单体为苯乙烯、二二乙烯苯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯及其衍生物；油溶性引发剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈。
上述稳定剂是一种或一种以上的高分子表面活性剂，在水中的重量比含量是10-20％；这里的高分子表面活性剂是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶、纤维素。
本发明提供的一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法，采用液体喷流分散替代机械搅拌浆分散，将液滴破碎分散和聚合反应分开进行。通过喷流技术将油相液滴均匀破碎而在水相中形成O/W型悬浮液，由于喷流嘴为一可调节的喷流嘴，调节喷流嘴与反应釜内水相液面距离，可以得到不同粒径的液滴。
当油相储罐内装有预先用超声波分散好的疏水性单体、表面经处理的疏水性Fe3O4磁流体、油溶性引发剂，开动电机不断搅拌，形成均一的油相流体。通过加适当的压力后，油相流体会充满与喷流嘴相连的管道，待压力达到一特定值时，油相流体将通过喷流嘴喷流进入反应釜水相中形成均匀的油滴。水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，经过适当地搅拌，在一定的聚合温度下，油滴快速被固化，合成出大小均一的超顺磁性高分子微球。由于油相储罐内的压力恒定，喷流出的油滴大小非常均匀，通过调节第二调节阀可以改变油相流体的喷流速度，从而改变油滴的尺寸大小。
由于自制的表面经处理的疏水性Fe3O4磁流体的粒径为8nm左右，在超声波分散的情况下能与疏水性单体、油溶性引发剂形成相当均一的流体。同时，油相储罐内安装了搅拌器，使油相流体始终保持均匀分散，在一定的压力下，Fe3O4磁流体将与单体、引发剂一同被喷流进入反应釜内的水相中形成均匀的油滴。为了使油滴在水相中快速固化，反应釜中水相的温度设定在高于单体引发聚合的温度，从而避免了油滴之间的相互碰撞，快速地合成出大小均一的超顺磁性高分子微球。本发明采用喷流式悬浮聚合法制造出大小均一、比饱和磁化强度高及磁含量均匀的超顺磁性高分子微球，解决了现有技术中聚合反应合成的磁性微球粒径大、尺寸分布宽及磁含量分布不均匀等问题。
本发明提供的一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法具有以下特点：
(1)采用了喷流技术与悬浮聚合法相结合的方法制作出喷流式悬浮聚合反应装置。
(2)能使Fe3O4机单体和引发剂组成的油相流体喷流破碎分散，形成均匀的油滴。
(3)制造的磁性高分子微球大小均一，具有超顺磁性。
(4)制造的磁性高分子微球的比饱和磁化强度高，磁含量分布均匀。
(5)制造的磁性高分子微球尺寸可调，化学稳定性好。
(6)制造工艺简单、价格便宜。
(7)容易进行扩大生产。
附图说明
附图1本发明制造超顺磁性高分子均一微球的喷流式悬浮聚合反应装置结构示意图
附图标识
1、氮气瓶 2、第一调节阀 3、油相储罐
4、压力表 5、电机 6、安全阀
7、第二调节阀 8、流量计 9、喷流嘴
10、电机 11、聚合反应釜
附图2本发明制造的超顺磁性高分子微球的扫描电镜照片
2.1放大500倍时，磁性微球的SEM图
2.2放大1000倍时，磁性微球的SEM图
2.3放大2000倍时，磁性微球的SEM图
2.4放大4000倍时，磁性微球的SEM图
附图3本发明制造的超顺磁性高分子微球的磁化曲线
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的描述：
1、制作一制造超顺磁性高分子均一微球的喷流式悬浮聚合反应装置：
实施例1
该喷流式悬浮聚合反应装置的油相储罐3上端经第一调节阀2与氮气瓶1相连，并经第二调节阀7和流量计8与聚合反应釜11上端的喷流嘴9相连通；油相储罐3上端安装有压力表4、电机5和安全阀6，电机5带动搅拌器转动；聚合反应釜11内安装由电机10带动浆式搅拌器，上端安装可自动调节的喷流嘴9，调节喷流嘴9与反应釜11内水相液面距离，可以得到不同粒径的液滴；所述的喷流嘴(9)的孔径为10-100μm。
2、改进的共沉淀法制造疏水性Fe3O4磁流体：
实施例2
向盛有800ml蒸馏水的1升搅拌式反应器中加入0.098mol FeCl2·4H2O和0.196mol FeCl3·6H2O，升温至90℃，倾入含30-40ml NH3·H2O水溶液，待2min后，开始按0.5ml·min-1的速度滴加硬脂酸约20ml，直至看到一个清楚的上清液为止，继续恒温40min，倾去上清液即可得到黑色团块状表面包覆有硬脂酸的Fe3O4磁流体。
实施例3
向盛有500ml蒸馏水的1升搅拌式反应器中加入0.25mol FeSO4·7H2O，0.49mol FeCl3·6H2O，升温至70℃，倾入含0.4mol的Na2CO3水溶液50-60ml，在30min内逐滴加入15ml油酸，上清液变清后，升温至80℃恒温1小时，倾去上清液即可得到黑色团块状表面包覆有油酸的Fe3O4磁流体。
3、喷流式悬浮聚合法制造超顺磁性高分子均一微球：
实施例4
(1)将实施例2制造的20g表面包覆有硬脂酸的Fe3O4磁流体、80ml苯乙烯、10ml二乙烯苯和3g过氧化苯甲酰组成的有机相，经超声搅拌即可形成稳定分散的油相溶液，倾入油相储罐3中，开动电机5搅拌，使油相流体始终形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜11中加入1000ml蒸馏水和20g聚乙烯醇，80℃恒温搅拌30min后，使聚乙烯醇完全溶解形成均匀的水相，保持搅拌速度至800rpm；
(3)通过加适当的压力，使油相储罐3内的压力保持0.1MPa，打开第二调节阀7，油相流体将通过喷流嘴9喷流进入聚合反应釜11内水相中形成均匀的油滴，水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，恒温70℃反应1h，再降温到60℃熟化2小时；
(4)冷却后，经磁性分离、洗涤、烘干等工序，即可得到产出率近于100％的磁性聚苯乙烯微球。
实施例5
(1)将实施例3制造的15g表面包覆有油酸的Fe3O4磁流体、70ml甲基丙烯酸甲酯、5ml二甲基丙烯酸乙二醇酯和4g偶氮二异丁腈组成的有机相，经超声搅拌即可形成稳定分散的油相溶液，倾入油相储罐3中，开动电机5搅拌，使油相流体始终形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜11中加入1000ml蒸馏水和15g聚乙烯吡咯烷酮，60℃恒温搅拌30min后，使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解形成均匀的水相，保持搅拌速度至800rpm；
(3)通过加适当的压力，使油相储罐3内的压力保持0.1MPa，打开第二调节阀7，油相流体将通过喷流嘴9喷流进入聚合反应釜11内水相中形成均匀的油滴，水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，恒温70℃反应1h，再降温到60℃熟化2小时；
(4)冷却后，经磁性分离、洗涤、烘干等工序，即可得到产出率近于100％的磁性聚甲基丙烯酸甲酯微球。
实施例6
(1)将实施例2制造的18g表面包覆有硬脂酸的Fe3O4磁流体、70ml醋酸乙烯酯、4ml二乙烯苯和4g过氧化苯甲酰组成的有机相，经超声搅拌即可形成稳定分散的油相溶液，倾入油相储罐3中，开动电机5搅拌，使油相流体始终形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜11中加入1000ml蒸馏水和15g聚乙烯吡咯烷酮，60℃恒温搅拌30min后，使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解形成均匀的水相，保持搅拌速度至800rpm；
(3)通过加适当的压力，使油相储罐3内的压力保持0.1MPa，打开第二调节阀7，油相流体将通过喷流嘴9喷流进入聚合反应釜11内水相中形成均匀的油滴，水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，恒温80℃反应1h，再降温到60℃熟化2小时；
(4)冷却后，经磁性分离、洗涤、烘干等工序，即可得到产出率近于100％的磁性聚醋酸乙烯酯微球。
实施例7
(1)将实施例3制造的20g表面包覆有油酸的Fe3O4磁流体、70ml丙烯酸甲酯、10ml二乙烯苯和4g偶氮二异丁腈组成的有机相，经超声搅拌即可形成稳定分散的油相溶液，倾入油相储罐3中，开动电机5搅拌，使油相流体始终形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜11中加入1000ml蒸馏水和15g聚乙烯吡咯烷酮，60℃恒温搅拌30min后，使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解形成均匀的水相，保持搅拌速度至800rpm；
(3)通过加适当的压力，使油相储罐3内的压力保持0.1MPa，打开第二调节阀7，油相流体将通过喷流嘴9喷流进入聚合反应釜11内水相中形成均匀的油滴，水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，恒温80℃反应1h，再降温到60℃熟化2小时；
(4)冷却后，经磁性分离、洗涤、烘干等工序，即可得到产出率近于100％的磁性聚丙烯酸甲酯微球。
实施例8
(1)将实施例3制造的20g表面包覆有油酸的Fe3O4磁流体、20ml苯乙烯、70ml甲基丙烯酸缩水甘油酯、5ml二乙烯苯和5g过氧化苯甲酰组成的有机相，经超声搅拌即可形成稳定分散的油相溶液，倾入油相储罐3中，开动电机5搅拌，使油相流体始终形成均匀分散的油相流体；
(2)在搅拌式聚合反应釜11中加入1000ml蒸馏水和15g聚乙烯吡咯烷酮，60℃恒温搅拌30min后，使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解形成均匀的水相，保持搅拌速度至800rpm；
(3)通过加适当的压力，使油相储罐3内的压力保持0.1MPa，打开第二调节阀7，油相流体将通过喷流嘴9喷流进入聚合反应釜11内水相中形成均匀的油滴，水相中的稳定剂便会被吸附在油滴的表面而使油滴稳定，恒温75℃反应1h，再降温到60℃熟化2小时；
(4)冷却后，经磁性分离、洗涤、烘干等工序，即可得到产出率近于100％的磁性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和苯乙烯共聚微球。
Claims (9)
1、一种超顺磁性高分子均一微球的制造方法，对共沉淀法制造的纳米Fe3O4颗粒表面进行了亲油层包覆形成疏水性Fe3O4磁流体，将其溶解于疏水性烯类单体和油溶性引发剂中充分搅拌，形成均匀分散的油相流体；采用喷流式悬浮聚合法将油相流体均匀破碎分散形成大小均一的油滴，并在水相中形成均匀的O/W型悬浮液；在聚合温度下，油滴快速被固化，恒温聚合成大小均一的超顺磁性高分子微球。
2、按权利要求1所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下几个步骤：
(1)喷流式悬浮聚合反应装置的制作：
喷流式悬浮聚合反应装置包括一聚合反应釜、油相储罐，其特征在于，还包括一喷流嘴，所述的油相储罐上端经第一调节阀与氮气瓶相连，并经第二调节阀和流量计与聚合反应釜上端的喷流嘴相连通；油相储罐上端安装有压力表、电机和安全阀，电机带动搅拌器转动；聚合反应釜内安装由电机带动的浆式搅拌器，上端安装可自动调节的喷流嘴，调节喷流嘴与反应釜内水相液面距离，可以得到不同粒径的液滴；
(2)共沉淀法制造疏水性Fe3O4磁流体：
在60-90℃下，向含有Fe2+和Fe3+盐的水溶液中倾入碱液，立刻滴加直链脂肪酸直至水溶液变清为止，即可得到黑色团块状疏水性Fe3O4磁流体；
(3)喷流式悬浮聚合法制造超顺磁性高分子均一微球：
a.将疏水性Fe3O4磁流体溶解于疏水性烯类单体和油溶性引发剂中，充分搅拌，在油相储罐中形成均匀分散的油相流体；
b.在搅拌式聚合反应釜中加入稳定剂水溶液，搅拌分散形成均匀的水相溶液；
c.加适当的压力，使油相储罐内的油相流体通过喷流嘴喷流进入聚合反应釜内水相中形成均匀的油滴；
d.恒温聚合反应，即可得到超顺磁性高分子均一微球。
3、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述喷流嘴的孔径为10-100μm。
4、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述的油相储罐内装有一搅拌器，并用一电机带动，使油相流体在储罐内始终保持均匀分散。
5、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述疏水性单体、表面经处理的疏水性Fe3O4磁流体和油溶性引发剂一同被喷流进入反应釜内水相中形成均匀的油滴。
6、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述的铁盐水溶液中Fe2+与Fe3+的摩尔比为1∶3至1∶2；加入的碱OH-与Fe2+和Fe3+之和的摩尔比为2∶3至3∶4之间；加入的直链脂肪酸与沉淀出的磁性Fe3O4颗粒之重量比在1∶2至2∶3之间。
7、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述的稳定剂是一种或一种以上的高分子表面活性剂，在水中的重量比含量是10-20％。
8、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述制造的超顺磁性高分子微球大小均一，微球尺寸可调。
9、按权利要求2所述的超顺磁性高分子均一微球的制造方法，其特征在于，所述的超顺磁性高分子微球的比饱和磁化强度为15-20emu/g，不同微球之间的磁含量均匀，化学稳定性好。
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Granted publication date: 20060830 Termination date: 20170106 |
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