CN1328065A - 一种磁性聚合物纳米微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种磁性聚合物纳米微球及其制备方法。首先利用化学沉淀法合成具有超顺磁性的铁氧化物纳米无机微球。然后利用反相微乳液聚合方法,对丙烯酰胺类和丙烯酸类等亲水性单体在氧化还原或热引发体系中,加入乳化剂、引发剂、交联剂、铁氧化物微球,控制反应在一定的投料范围内在温和的反应条件下合成具有超顺磁性的、粒径在70－140nm的磁性聚合物微球。用相反转方法形成溶胀的微球粒径为80－250nm。本发明具有方法简单,原料易得,微球粒径可控等特点。

Description

一种磁性聚合物纳米微球及其制备方法

技术领域

本发明属高分子材料技术领域，具体涉及具有超顺磁性的聚合物纳米微球及其制备方法。

技术背景

高分子微球具有许多独特的优点：比表面积大：微球粒径大小均一且可控制：聚合物来源广泛，包括天然及其合成高分子；可选择各种共聚功能单体和聚合工艺，进行高分子微球设计等。因此，功能化的高分子微球可以广泛应用于许多领域，如生物化学和生物医学方面的药物定向输送，医用乳胶试剂，生物分子标记与示踪等。高性能聚合物涂料与油墨，有机、无机复合材料，微胶囊化，聚合物微孔材料，催化、吸附及分离载体(如色谱柱填料)，及其作为信息工业和微电子工业等用途的尖端材料，此方向的研究已成为近年来的在材料，高分子化学与物理学，生物学及生命学科等交叉学科领域的前沿命题，在生物、医学、药学、等领域具有广泛的应用前景。

磁性高分子微球的研究始于70年代，它除具有高分子微粒子的特性，可通过共聚、表面改性，赋予其表面多种反应性功能基，(如：—OH、—COOH、—COH、—NH₂等)，还因具有磁性，可在外加磁场的作用下方便地分离，国外有学者将其形象地称为动力粒子(dynabead)。具有超顺磁性的磁性高分子微球作为新型的功能高分子材料在生物医学(临床诊断、酶标、靶向药物)、细胞学(细胞标记、细胞分离等)和生物工程(酶的固定化)等领域有着广泛的应用前景。所谓超顺磁性(superparamagnetic)即当外加磁场下降为零的时候，磁性聚合物微球几乎没有剩磁留下。

从目前研究的情况看，磁性高分子微球一般为核/壳式结构：由金属氧化物(如铁、钴、镍等氧化物)组成核，高分子材料组成壳层；或者将高分子材料作为核，磁性材料作为壳层；除此之外，也可做成夹心结构，即外层、内层为高分子材料，中间层为磁性材料。

Daniel将Fe₃O₄(d＝0.01μm)用烃油处理，在乳化剂、引发剂存在下进行乳液聚合，得到粒径小于1μm的聚苯乙烯磁性微球(Daniel J C，Schubbiser J L，USP4，358，388，1982)；Iman将粒径20μm的磁粒同St、DVB、BPO超声处理，用改进的悬浮聚合法聚合得到104～295μm的磁性微球(Iman M，celebbiss，ozdural A R，Reactive Polym.，1992，17：325)；孙宗华等用磁性流体作为磁核，采用改进的乳液聚合法和分散聚合法，合成得到粒径范围分别在0.06～10μm及100～1000μm的聚苯乙烯微球，同时，其课题组直接利用Fe₃O₄磁粉作为磁核，加入PEG进行超声处理，采用分散聚合法，制得50-600μm分布均匀，磁感应强的聚苯乙烯微球(丘广明，孙宗华，化学试剂，1993，15(4)：324)；Furusawa将磁粒沉积到带功能基的高分子胶乳粒子上，然后，再用种子聚合法，得到夹心式结构的磁性微球。引发剂的种类和乳化剂的用量是体系凝集的重要因素。电镜结果显示，磁性聚合物微球的表面并不平整(Ugelstad J，Mork P C，Schmid R，et al，Polym Int，1993，30：157.)。

Ugelstad的研究小组在单分散，多孔聚苯乙烯微球中直接沉淀铁的化合物。当PH和温度升高时，制成的铁氧化物具有超顺磁性(Superparamagnetic)，成功的制备微米级的磁性聚合物微球，并已经用于生物医药领域(Furusawa K，Nagashima K，Anzai C，Colloid Polym Sci，1994，272：1104.)。

Elaissari等用无皂聚合合成PS为核吸附磁性Fe₃O₄粒子，然后聚合NIPAM为壳，合成单分散的亚微米(200-400nm)的核壳结构的磁性聚合物微球(Sauzedde F，ElaissariA，Pichot C，Colloid Polym Sci，1999，277：846.)。

以上制备的方法中，都至少分成了两步：第一步是合成磁性无机微粒，然后第二步将磁性无机微粒加入聚合体系聚合形成磁性高分子微球。制备工艺比较复杂。

以上磁性聚合物微球的制备方法都只能合成200nm甚至微米级的磁性聚合物微球，迄今未见粒径小于100nm的磁性聚合物微球的相关文献报道。而且制备方法中大都采用油溶性聚合物微球的体系。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有超顺磁性，粒径在为纳米级的亲水性磁性聚合物纳米微球及其制备方法。

本发明提出的磁性聚合物微球，是以丙烯酰胺类和丙烯酸类等亲水性单体聚合产生的聚合物为包裹层，以无机磁性材料铁氧化物为核的聚合物微球，先由溶液沉淀法合成铁氧化物无机微球，再用反相微乳液聚合方法合成磁性聚合物微球，其粒径为70—140纳米之间，磁饱和强度为1.0—15.0emu/g，且具有超顺磁性。可以用相反转法将该磁性聚合物微球溶胀在水中，粒径为80—250纳米之间。由于微球的粒径尺度为纳米级，故称该微球为具有超顺磁性的聚合物纳米微球。

上述微球的聚合物包裹层可以是均聚物，也可以是共聚物。所用的亲水性单体可以是丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸纳(NaAA)、马来酸(MA)、衣康酸(IA)等之一种或几种。

上述微球的核铁氧化物为二价铁盐和三价铁盐。

本发明提出的上述磁性聚合物微球，先由溶液沉淀法合成铁氧化物无机微球，再由反相微乳液聚合方法聚合而成，其具体制备步骤如下：

1.溶液沉淀法合成铁氧化物无机微球：将两价铁盐和三价铁盐溶于适量的水中，两价铁盐和三价铁盐的摩尔比为0.5-5.0，通氮驱氧，10-100分钟。碱溶液在机械搅拌下缓慢的逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在15-30℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至70-95℃加热0.5-3.0小时。加入过程中一直保持氮气无氧环境。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在适量的酸溶液中静置5-30min，磁场分离。收集的产物在用适量的H₂O和丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，铁氧化物粒子在分散在盐溶液中，并加热到70—95℃搅拌10—60分钟，除去剩余的丙酮。得到铁氧化物水分散液，浓度为1-10％。

2.形成微乳液：将一定量的丙烯酰胺类或丙烯酸类亲水性单体、高分子交联剂溶解在步骤1制得的铁氧化物水分散液中，并滴入由乳化剂和有机溶剂组成的胶束体系中，形成黑色的反相微乳液。

上述步骤中，二价铁盐的用量占整个体系重量的0.01—0.50％，三价铁盐用量占整个体系重量的0.02—1.0％。乳化剂的用量占整个体系重量的15-35％，去离子水的用量占整个体系重量的2-10％，单体的用量占整个体系重量的0.2-10％，交联剂的用量占整个体系重量的0.008-0.40％。其余为溶剂。

3.引发聚合：将由步骤2所得到的反相微乳液升温至20—30℃，在体系中通N₂除氧，然后将引发剂加入体系中，引发剂的用量是单体用量的0.1-10％。加热到50—70℃引发体系聚合，1—10分钟后，体系开始聚合。维持体系温度反应1—4小时，使单体反应完全，结束反应。若体系采用氧化还原体系引发，温度则保持在25-40℃，其余条件相同。

以上方法制得反相微乳液直接加入过量的水中，反相微乳液体系相反转形成正相微乳液，水是微乳液体积的1-10倍。搅拌静置后用磁铁将磁性聚合物微球分离，然后用水洗涤—磁性分离反复多次，洗去乳化剂和有机溶剂，最后用超声波将微球分散在水中得到了溶胀的亲水性磁性聚合物交联微球。得到的溶胀微球的粒径为80-250nm，该过程又称为相反转法。

本发明中，所用的单体可以是丙烯酰胺(AM)，丙烯酸(AA)，甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸钠(NaAA)，马来酸(MA)、衣康酸(IA)等中的一种或几种。

在本发明中制备的聚合物可以是均聚物也可以是共聚物。

本发明中，所用的两价铁盐可以是氯化亚铁(FeCl₂·4H₂O)，或硫酸亚铁(FeSO₄·7H₂O)等；三价铁盐可以是氯化铁(FeCl₃·6H₂O)，或硫酸铁(Fe₂(SO₄)₃·6H₂O)。

本发明中，所用盐溶液可以是醋酸钠(Na₂C₂O₄)，醋酸钾(K₂C₂O₄)，氯化钠(NaCl)等溶液之一种。

本发明中，所用的碱溶液可以是氢氧化钠(NaOH)，氢氧化钾(KOH)，氨水(NH₄OH)等溶液之一种。

本发明中，所用的酸可以是盐酸(HCl)，硝酸(HNO₃)，硫酸(H₂SO₄)等之一种。

本发明中，所用的乳化剂是阴离子型乳化剂或阳离子型乳化剂，具体以烷基酯磺盐或烷基季铵盐为较好，如琥珀酸二异辛酯磺酸钠(AOT)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等。

本发明中，所用的有机溶剂是长链烷烃和芳香类烷烃，如甲苯(Toluene)，苯(benzene)，环己烷(cyclohexane)，正庚烷(heptane)，煤油等。

本发明中，引发剂可以是热引发剂，如过硫酸铵(APS)，过硫酸钾(KPS)，2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)盐酸盐(V-50)，偶氮二异丁氰(AIBN)。

本发明若在氧化还原引发体系中进行，改变引发剂为氧化还原引发剂，如过硫酸铵(APS)/N’，N’，N’，N’—四甲基乙二胺，或过氧化氢/抗坏血酸等。反应在25—40℃下进行。

本发明中，交联剂是常用的高分子交联剂，如N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)等。

在本发明，加入碱溶液的速率不能过快，滴加速度控制在0.5—1.5小时为宜。

本发明所用的单体是丙烯酰胺类单体如丙烯酰胺等效果最好。

本发明所用的两价铁盐和三价铁盐摩尔比为1∶2效果最好。

本发明所用的酸是硝酸效果较好。

本发明中所用乳化剂以阴离子型乳化剂琥珀酸二异辛酯磺酸钠(AOT)较好，这类乳化剂价格便宜，应用范围广，来源广泛。

本发明制备的磁性聚合物微球的粒径在70-140nm之间。乳化剂的用量可以控制磁性聚合物微球的粒径，随着乳化剂用量的减少，微球粒径逐渐变大。

本发明制备的磁性聚合物微球的磁饱和强度为1.0-15.0emu/g，并可以随铁氧化物含量的增加而增加，且具有超顺磁性。

偶氮二异丁氰(AIBN)，2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)盐酸盐(V-50)等引发剂应用于本发明热引发体系效果较好。

过硫酸铵(APS)/N’，N’，N’，N’—四甲基乙二胺，过氧化氢/抗坏血酸等在氧化还原引发体系中效果良好。

本发明在上述投料范围内，聚合产生为一种聚合物包裹无机磁性材料的纳米聚合物微球。其聚合物可以是均聚物也可以是共聚物，无机磁性材料是铁氧化物。粒子尺寸在70—140纳米之间。磁性聚合物纳米微球的磁饱和强度为1.0-15.0emu/g，且具有超顺磁性。可以用相反转法将磁性聚合物微球溶胀在水中，粒径在80-250nm之间。

目前，国际上磁性聚合物微球的研究主要侧重于疏水性高分子组成的亚微米或微米级微球，比较而言，本发明用反相微乳液聚合制备的磁性聚合物纳米微球具有以下特点：(1)制备的磁性聚合物微球为纳米尺寸，粒径为70-140纳米。(2)微球的粒径可以由乳化剂的用量来控制。(3)高分子微球由亲水性聚合物构成。(4)可以用相反转法将交联的磁性聚合物微球溶胀在水中，粒径在80-250nm之间。(5)制备方法操作简单，稳定性高。

具体实施方式

实施例1：在500ml烧瓶中，放入3.7g FeCl₂·4H₂O，10.16g FeCl₃·6H₂O和80ml H₂O，通氮驱氧半小时。40ml 10molL^-1的NaOH溶液在机械搅拌下逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在25℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至90℃加热一个小时。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在15ml HNO₃(2molL^-1)溶液中静置15min，磁场分离。收集的产物在用50ml H₂O和200ml丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，Fe₃O₄粒子在分散在100ml 0.3molL^-1的醋酸钠溶液中，并加热到90℃搅拌30min，除去剩余的丙酮。得到浓度为6％的Fe₃O₄水分散液，其中Fe₃O₄颗粒粒径小于10nm，磁饱和强度为50.5emu/g。

将0.10g AM，0.004g MBA溶解在0.50g 6％Fe₃O₄水分散液中，然后逐滴加入3.0gAOT和7.5g甲苯的胶束体系中，在超声波的分散下形成黑色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟，然后加入引发剂AIBN 0.01g，体系加热到60℃引发聚合。维持体系温度反应2小时，使单体反应完全，结束反应。体系仍然呈黑色，放置数月仍然保持稳定。微球粒径在70—75nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为12.1emu/g，且具有超顺磁性。

制得反相微胶乳直接加入5倍量的水中。搅拌静置后用磁铁将磁性聚合物微球分离，然后用水洗涤一磁性分离反复多次，洗去乳化剂和有机溶剂，最后用超声波将微球分散在水中，得到了溶胀的亲水性磁性聚合物交联微球。溶胀微球的粒径为120nm。

实施例2：在500ml烧瓶中，放入5.17g FeSO₄.7H₂O、9.54g Fe₂(SO₄)₃·6H₂O和80mlH₂O，通氮驱氧半小时。40ml 10molL^-1的NaOH溶液在机械搅拌下逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在30℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至95℃加热一个小时。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在15ml HNO₃(2molL^-1)溶液中静置15min，磁场分离。收集的产物在用50ml H₂O和200ml丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，Fe₃O₄粒子在分散在100ml 0.3molL^-1的醋酸钠溶液中，并加热到90℃搅拌30min，除去剩余的丙酮。得到浓度为5.9％的Fe₃O₄水分散液，其中Fe₃O₄颗粒粒径小于10nm，磁饱和强度为50.5emu/g。

将0.10g AM，0.004g MBA溶解在0.50g 5.9％Fe₃O₄水分散液中，然后逐滴加入1.5g AOT和7.5g甲苯的胶束体系中，在超声波的分散下形成黑色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟，然后加入引发剂AIBN 0.01g，体系加热到60℃引发聚合。维持体系温度反应2小时，使单体反应完全，结束反应。体系仍然呈黑色，放置数月仍然保持稳定。微球粒径在125nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为11.6emu/g，且具有超顺磁性。

制得反相微胶乳直接加入6倍量的水中。搅拌静置后用磁铁将磁性聚合物微球分离，然后用水洗涤一磁性分离反复多次，洗去乳化剂和有机溶剂，最后用超声波将微球分散在水中，得到了溶胀的亲水性磁性聚合物交联微球。溶胀微球的粒径为185nm。

实施例3：在500ml烧瓶中，放入3.7g FeCl₂·4H₂O，10.16g FeCl₃·6H₂O和80ml H₂O，通氮驱氧半小时。40ml 10molL^-1的NaOH溶液在机械搅拌下逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在15℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至70℃加热一个小时。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在15ml HNO₃(2molL^-1)溶液中静置15min，磁场分离。收集的产物在用50ml H₂O和200ml丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，Fe₃O₄粒子在分散在100ml 0.3molL^-1的醋酸钠溶液中，并加热到90℃搅拌30min，除去剩余的丙酮。加入适量的水稀释，得到浓度为1.2％的Fe₃O₄水分散液，其中Fe₃O₄颗粒粒径小于10nm，磁饱和强度为50.5emu/g。

将0.10g AM，0.004g MBA溶解在0.50g 1.2％Fe₃O₄水分散液中，然后逐滴加入3.0g AOT和7.5g甲苯的胶束体系中，在超声波的分散下形成黑色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟，然后加入引发剂AIBN 0.01g，体系加热到70℃引发聚合。维持体系温度反应2小时，使单体反应完全，结束反应。体系仍然呈黑色，放置数月仍然保持稳定。微球粒径为75nm。聚合物磁性微球的磁饱和强度为2.5emu/g，且具有超顺磁性。

制得反相微胶乳直接加入5倍量的水中。搅拌静置后用磁铁将磁性聚合物微球分离，然后用水洗涤一磁性分离反复多次，洗去乳化剂和有机溶剂，最后用超声波将微球分散在水中，得到了溶胀的亲水性磁性聚合物交联微球。溶胀微球的粒径为126nm。

实施例4：在500ml烧瓶中，放入5.17g FeSO₄·7H₂O、9.54g Fe₂(SO₄)₃·6H₂O和80mlH₂O，通氮驱氧半小时。40ml 10molL^-1的NaOH溶液在机械搅拌下逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在20℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至75℃加热一个小时。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在15ml HNO₃(2molL^-1)溶液中静置15min，磁场分离。收集的产物在用50ml H₂O和200ml丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，Fe₃O₄粒子在分散在100ml 0.3molL^-1的醋酸钠溶液中，并加热到90℃搅拌30min，除去剩余的丙酮。得到浓度为5.9％的Fe₃O₄水分散液，其中Fe₃O₄颗粒粒径小于10nm，磁饱和强度为50.5emu/g。

将0.09g AM和0.01g IA，0.004g MBA溶解在0.50g 6％Fe₃O₄水分散液中，然后逐滴加入3.0g AOT和7.5g甲苯的胶束体系中，在超声波的分散下形成黑色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟，然后加入引发剂AIBN 0.01g，体系加热到60℃引发聚合。维持体系温度反应2小时，使单体反应完全，结束反应。体系仍然呈黑色，放置数月仍然保持稳定。微球粒径在80nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为11.8emu/g，且具有超顺磁性。

制得反相微胶乳直接加入6倍量的水中。搅拌静置后用磁铁将磁性聚合物微球分离，然后用水洗涤一磁性分离反复多次，洗去乳化剂和有机溶剂，最后用超声波将微球分散在水中，得到了溶胀的亲水性磁性聚合物交联微球。溶胀微球的粒径为180nm。

Claims (13)

1、一种磁性聚合物纳米微球，其特征在于以丙烯酰胺类和丙烯酸类亲水性单体聚合产生的聚合物为包裹层，以无机磁性材料铁氧化物为核，先由溶液沉淀合成铁氧化物无机微球，再用反相微乳液聚合方法合成磁性聚合物微球，其粒径为70—140纳米，磁饱和强度为1.0—15.0emu/g，且具有超顺磁性。

2、根据权利要求1所述的磁性聚合物纳米微球，其特征在于包裹层所用的聚合物单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酸钠、马来酸、衣康酸的一种或几种。

3、根据权利要求1或2所述的磁性聚合物纳米微球，其特征在于核铁氧化物为二价铁盐和三价铁盐。

4、一种权利要求1所述的磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)溶液沉淀法合成铁氧化物无机微球：将两价铁盐和三价铁盐溶于适量的水中，两价铁盐和三价铁盐的摩尔比为0.5-5.0，通氮驱氧，10-100分钟。碱溶液在机械搅拌下缓慢的逐滴加入铁盐溶液中，温度保持在15-30℃。滴加结束后，继续搅拌并升温至70-95℃加热0.5-3.0小时。加入过程中一直保持氮气无氧环境。加热结束后，产物用磁场分离收集，并重新分散在适量的酸溶液中静置5-30min，磁场分离。收集的产物在用适量的H₂O和丙酮交替洗涤两次，磁场分离。最后，铁氧化物粒子在分散在盐溶液中，并加热到70—95℃搅拌10—60分钟，除去剩余的丙酮。得到铁氧化物水分散液，浓度为1-10％。

(2)形成微乳液：将一定量的丙烯酰胺类或丙烯酸类亲水性单体、高分子交联剂溶解在步骤1制得的铁氧化物水分散液中，并滴入由乳化剂和有机溶剂组成的胶束体系中，形成黑色的反相微乳液。

上述步骤中，二价铁盐的用量占整个体系重量的0.01—0.50％，三价铁盐用量占整个体系重量的0.02—1.0％。乳化剂的用量占整个体系重量的15-35％，去离子水的用量占整个体系重量的2-10％，单体的用量占整个体系重量的0.2-10％，交联剂的用量占整个体系重量的0.008-0.40％。其余为溶剂。

(3)引发聚合：将由步骤2所得到的反相微乳液升温至20—30℃，在体系中通N₂除氧，然后将引发剂加入体系中，引发剂的用量是单体用量的0.1-10％。加热到50—70℃引发体系聚合，1—10分钟后，体系开始聚合。维持体系温度反应1—4小时，使单体反应完全，结束反应。若体系采用氧化还原体系引发，温度则保持在25-40℃，其余条件相同。

5、根据权利要求4所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，若反应在氧化还原体系中进行，反应温度为25—40℃。

6、根据权利要求4或5所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征是所用的单体是丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸钠、马来酸、衣康酸之一种或几种。

7、根据权利要求4或5所述的磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征在于所用的两价铁盐为氯化亚铁或硫酸亚铁，三价铁盐为氯化铁或硫酸铁。

8、根据权利要求4或5所述的磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征在于所用的碱溶液为氢氧化纳、氢氧化钾、氨水之一种。

9、根据权利要求4或5所述的磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征在于所用的有机溶剂为长链烷烃或芳香类烷烃。

10、根据权利要求4或5所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征是所用的乳化剂为烷基酯磺酸盐或烷基季铵盐。

11、根据权利要求4所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征是反应所用的热引发剂为偶氮二异丁氰，或2，2’-偶氮二(2-脒基丙烷)盐酸盐。

12、根据权利要求5所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征是反应所用氧化还原引发剂是过硫酸铵/N’，N’，N’，N’-四甲基乙二胺，或过氧化氢/抗坏血酸。

13、根据权利要求或4或5所述磁性聚合物纳米微球的制备方法，其特征是反应所用交联剂为N’，N’-亚甲基双丙烯酰胺。