CN1468898A - 一种超顺磁性聚合物微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超顺磁性聚合物微球制备方法。由亲油性有机烯类单体与具有亲水性功能基团的烯类单体的共聚物和包含在内部的分散纳米磁性颗粒组成，其中烯类单体聚合物是由亲油性烯类单体或具有亲水性功能基团的有机单体聚合而成的均聚物或共聚物，包覆型纳米磁性颗粒是经过表面改性处理的纳米四氧化三铁颗粒，表面具有一亲油层，它能使纳米磁性颗粒很好的稳定分散在有机物中，形成磁流体；纳米磁性颗粒均匀分散在聚合物微球内部，具有超顺磁性；微球形貌规则粒径在0.1～5um之间，粒度分布窄；磁性四氧化三铁占整个微球质量比为0.5～40％。本发明的优点在于：制备方法简单可行，聚合物微球粒度分布窄，形貌规则，功能基团含量高，磁含量均匀，化学性质稳定，并耐酸碱。

Description

一种超顺磁性聚合物微球的制备方法

技术领域

本发明属于磁性聚合物复合材料，特别提供了一种超顺磁性聚合物微球及其制备方法。

背景技术

超顺磁性聚合物微球除了具有高分子复合微球的特性，还可通过共聚，表面改性处理，赋予其表面多种反应性功能基团，如-OH，-COOH，-CHO，-NH2等，还因为具有超顺磁性，可在外加磁场下方便地分离，国外有的学者将其形象的称为动力粒子(dynabead)，磁性高分子微球作为新型的功能高分子材料在生物医学如临床诊断，酶标，靶向药物，细胞学如细胞标记，细胞分离等，和生物工程如酶的固定化等领域有非常广泛的应用前景。如何制备出单分散的超顺磁性的聚合物微球是化学和材料科学的一个重要研究领域。

现有技术合成磁性聚合物复合微球的方法主要有高分子包埋法，化学转化和单体聚合法。其中高分子包埋法制备磁性微球，方法简单，但所得粒径分布宽，形状不规则，粒径不易控制，壳层中难免混杂一些诸如乳化剂之类的杂质，应用于免疫测定，细胞分离等领域会受到很大限制。化学转化法合成的微球虽然性能良好，可满足各种要求，但工艺过于复杂。合成磁性微球的单体聚合法包括悬浮聚合法，分散聚合法，乳液聚合法(无皂，种子法)等。采用此法的关键在于单体的聚合反应在磁性颗粒表面顺利进行和无机亲水性磁性颗粒与有机亲油性烯类单体的相容性问题。

日本发明的相关聚合方法是在表面活性剂稳定的水相磁性流体存在下热引发烯类单体聚合，此法一方面较难合成大粒径磁性聚合物微球，另一方面由于亲油性烯类单体不一定都在磁性四氧化三铁颗粒周围聚合，致使合成的微球磁性四氧化三铁颗粒含量不易控制，球内四氧化三铁颗粒团聚成块状，成多相结构，球与球之间磁含量多少不均匀，甚至有些微球无磁性，成品产出率低等。挪威的J.Ugelstad教授等人采用的一种乳液聚合法，使功能基高分子单体在多孔微球表面进行封孔聚合，虽然磁性含量可高达20％(质量百分比)，但是由于聚合后的多孔微球的内孔表面是疏水结构，而磁性颗粒表面是亲水结构，两相不相溶性使得整个制备过程必须在高压下进行。含铁量的增加也是靠强制的外加压力而得到，而没有从有机无机复合的界面结构去设计，因此过程过于复杂，成本太高。

国内与本发明相近的微悬浮聚合法(CN98124516.1)是对沉淀法制备的纳米Fe3O4颗粒表面进行亲油性包覆，再将其溶解于油性烯类单体中成为油相磁性胶体，并分散于含表面活性剂的水相以形成水包油型微悬浮液，引发聚合制备磁性微球。仔细分析与实验可知该发明存在一些不足：(1)沉淀法制备的包覆型磁性Fe3O4颗粒凝聚体，虽具有一定的亲油性但团聚严重，分散性未解决好，从而不利于与烯类单体的相溶共混。(2)所制Fe3O4颗粒粒径不均匀，从而使在烯类单体中难以形成均匀稳定液滴，最终难以制备分布均匀的微球。(3)具有功能基团的共聚单体与有机烯类单体混合后加入使最终微球表面羧基等官能团含量很低。(4)微球包覆不够严密，耐酸碱性不够好(5)含铁量不够高，磁性不够强，不利于在生物医学等领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超顺磁性聚合物微球的制备方法，实现粒径可控且分布均匀，磁性含量高，磁性强，耐酸碱性好，表面功能基团含量可控且较高的超顺磁性聚合物复合微球，以及能使纳米四氧化三铁颗粒与亲油性烯类单体很好相混相容的方法。

本发明的技术方案是：一种在包覆型磁性四氧化三铁颗粒存在下用微乳液聚合法制备的超顺磁性聚合物微球，由亲油性有机烯类单体和功能性单体的共聚物和包含在内部的分散纳米磁性颗粒组成，其中烯类单体聚合物是由亲油性烯类单体(如苯乙烯，氯乙烯等)或具有亲水性功能基团(如COOH-.OH-，NH2-等)的有机单体(如丙烯酸，丙烯酰胺等)聚合而成的均聚物或共聚物，包覆型纳米磁性颗粒是经过表面改性处理的纳米四氧化三铁颗粒，表面具有一亲油层，它能很好的稳定分散在有机物(甲苯，苯乙烯等)中，形成磁流体；纳米磁性颗粒均匀分散在聚合物微球内部，具有超顺磁性；微球形貌规则粒径在0.1～5um之间，粒度分布窄；磁性四氧化三铁占整个微球质量比为0.5～40％。不同球间磁含量均匀，化学性质稳定，耐酸碱。

上述包覆型磁性纳米颗粒具有通过表面活性剂类物质与四氧化三铁颗粒表面羟基之间结合的核壳式复合结构，核为5～20nm之间的超顺磁性四氧化三铁颗粒，壳为表面活性物质形成的亲油层。这里表面活性剂类物质为十二烷基苯磺酸钠，油酸钠，十二烷基硫酸钠，油酸等，该亲油层使得纳米磁性颗粒能稳定分散在有机物中。

上述亲油性烯类单体共聚物为1～3种亲油性烯类单体与亲水性功能性单体等形成的共聚物。两者质量比16∶0～8∶8之间，这里亲油性烯类单体包括苯乙烯，二乙烯苯等。亲水性功能单体包括甲基丙烯酸类，丙烯醛类，丙烯醇类，丙烯晴类及其衍生物等。

超顺磁性聚合物复合微球的制备方法，包括：

1、纳米四氧化三铁磁性颗粒的制备及表面亲油化改性处理；

2、将改性处理的四氧化三铁颗粒分散在亲油性烯类单体苯乙烯中形成油相稳定的超顺磁性胶体溶液，即磁流体；取该磁流体，二乙烯苯和过氧化苯甲酰混合均匀形成油相；溶解表面活性剂类乳化剂与助乳化剂与水溶液中形成水相，分散油相于水相中以形成水包油型悬浮液或微乳液，引发聚合反应一定时间后，滴加功能性单体形成磁性聚合物复合微球等工序，具体包括以下步骤：

(1)采用改进的共沉淀法制备改性的纳米磁性四氧化三铁颗粒

a.用改进的共沉淀法制备包覆性四氧化三铁纳米颗粒：将三氯化铁(FeCl₃)和硝酸铝的水溶液和氯化亚铁(FeCl₂)晶体加入反应瓶，氮气保护，再滴加氨水溶液，温度30～50℃。控制瓶内PH值为9～11。

b.升温到70～80℃，再加入油酸类表面活性物质70～80ml，搅拌反应，机械搅拌速度为1000-2000rpm；反应10～50分钟后，取出冷却静置，在磁场作用下，用乙醇和水洗涤，最后用苯乙烯分散所得四氧化三铁纳米颗粒，即形成磁流体。

(2)微悬浮聚合法制备超顺磁性聚合物微球

a.把上述磁流体(四氧化三铁与苯乙烯)6--12ml，二乙烯苯2--5ml，过氧化苯甲酰0.1--0.4g混合，结合超生波分散，使之形成分散很好的磁流体。

b.把乳化剂十二烷基硫酸钠0.2-0.3g，助乳化剂十六醇0.1-0.2g于100ml水溶液中形成水相，还加入适量NaOH水溶液以控制PH值在9-11，这有利于功能性单体尽可能多的位于微液滴表面，因此最终聚合完成时，功能基团就位于微球表面了。水相温度50℃---70℃，机械搅拌速度200-500rpm。

c.在四口烧瓶中将磁流体8--16ml均匀滴加到水相中形成水包油型微乳液，水相温度50℃～70℃，机械搅拌速度500-800rpm。

d.引发聚合反应20～60分钟左右，再缓慢滴加功能单体甲基丙烯酸2～10ml与水溶性引发剂过硫酸钾的水溶液10ml形成的混合溶液，再聚合反应2～4小时即可制的超顺磁性聚合物复合微球。最后把聚合物微球用乙醇，水充分洗涤即可。

上述的铁盐水溶液中的Fe²⁺和Fe³⁺的摩尔比为1∶2～1∶0，加入的碱OH^-与2Fe²⁺和Fe³⁺之和摩尔比为1∶0.1～1∶1.5：加入的表面活性物质即油酸或油酸钠，它与生成的磁性四氧化三铁颗粒之质量比为1∶5～1∶0.5之间。

磁流体为6～12ml，二乙烯苯为2～5ml，过氧化苯甲酰为0.1～0.4g，所述的乳化剂为十二烷基硫酸钠，助乳化剂为十六醇，两者总质量与水的质量比为0.1～1.5％；乳化剂与助乳化剂的摩尔比1∶1～1∶4，补加的过硫酸盐引发剂即过硫酸钾，约0.01～0.02g，功能性烯类单体即甲基丙烯酸约2～10ml，氢氧化钠0.01～0.04g，水保持100ml不变。

本发明优点在于：

(1)在制备超顺磁性纳米Fe₃O₄颗粒的同时对其表面完成改性处理，其表面进行了简单而有效的亲油层包覆，使无机亲水性Fe₃O₄转变为有机亲油性Fe₃O₄，非常好的解决了超顺磁性纳米颗粒在亲油性烯类单体溶液中的分散性和相容性问题。并且所制的纳米颗粒粒径均匀，具有很好的超顺磁性。

(2)微悬浮聚合前对引发剂和磁流体粒进行超声分散，使纳米磁性颗粒表面吸附足够的引发剂分子，有效的控制了反应在磁性颗粒表面及周围，从而避免了纳米磁性在聚合过程中容易发生的团聚，沉降和相分离。

(3)功能性单体在水相中已形成大量胶乳颗粒后再加入，可使其在微胶乳表面聚合反应，从而保证大部分位于最后所得微球的表面。

(4)水相中氢氧化钠的存在可以使功能性单体部分变为甲基丙烯酸钠，其亲水性很强，更易于位于微球表面。微球在生物医学方面的应用主要决定于其表面功能基团，而一般方法所制备的微球表面含量较少，大部分位于微球内部。

这种制备工艺上的改进的积极效果是磁性聚合物微球性能的优化，具体表现在以下几个方面：

(1)具有超顺磁性，四氧化三铁粒子均匀，粒径在5～20nm范围内可控，在有机物如甲苯、苯乙烯等中分散得很好，分散后的稳定性很好，长期放置四氧化三铁不下沉。另外表面已经结合有表面活性物质，四氧化三铁表面是非极性，具备亲油疏水的性质，使用中不会发生磁性团聚，易于分散，在酸性环境下效果极好，成本低，产物纯度高，粒径均匀，大小可控。

(2)聚合物微球磁含量均匀，产出率高约90％，大小在1～5um，根据要求在0.1～10um之间变化，化学性质稳定，在0.1MHCL和0.1MNaOH水溶液中浸泡一周左右基本无变化，而其他方法制备的微球在0.1MHCL水溶液中浸泡3天左右变黄绿色，在0.1MNaOH水溶液浸泡3天左右会出现凝聚现象，这可能是由于高分子材料发生了降解所致。(3)微球表面基团含量高达0.2mmol/g甚至更多，而其他方法所制微球大部分功能基团位于微球内部，表面含量少，仅为0.1mmol/g左右甚至更少。

附图说明

图1-1是未经表面改性放大10万倍的金相图。从图中可知未经改性的四氧化三铁纳米粒子分散性不好，团聚严重。

图1-2是改性后分散在苯乙烯中放大15万倍的金相图。图中纳米四氧化三铁粒子分散的比较好，尺寸在10nm左右，粒径大小均匀，基本成球形。

图1是本发明微球的粒度分布曲线图。图为采用激光粒度分析仪测试的结果，该图表明：微球粒度均匀，分布窄，绝大部分在1.5～4.5微米之间，平均2.8微米，分散系数为0.04。

图3.1为本发明透射电镜(×12000)图片。图3.2为本发明普通光学显微镜(×1000)图片。从图中可见磁性微球形貌规则，粒度分布均匀，粒度约1～5um。磁性纳米粒子弥散分布在微球中，包覆效果较好。

图4为本发明红外光谱分析图。图中为红外光谱分析图，曲线1为不含磁性纳米粒子的微球的光谱图，曲线2为含适量磁性纳米粒子的微球的光谱图，从该图可知微球表面已连接上了丰富的羧基功能团，微球在543cm^-1的吸收峰对应于Fe3O4的特征吸收，1024，1097以及3000cm^-1附近的5个特征吸收对应于聚苯乙烯。1700，1300，900cm^-1附近的强吸收(分别对应于C＝O，C---O，OH)说明羧基已被结合于磁性微球上。

具体实施方式

例1：改进的共沉淀法制备包覆型超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒

将称好的FeCl₂1.7169克的固体样品、FeCl₃4.6465克和硝酸铝0.9217克配成的混合混液58ml、200ml依次放入三口瓶中，然后继续抽真空通入氮气，使反应溶液处于氮气的保护下。制备的水浴温度设为40℃，搅拌速度为1500r/min，氨水溶液的浓度为1mol/l，整个过程氨水滴加量为100ml，滴加结束后，将温度升至80℃，升温的过程中以原来的速度搅拌。加入8ml的油酸，在原来的搅拌速度下继续反应45分钟。将样品取出，用大量的无水乙醇和水充分洗涤即可。

例2：改进的共沉淀法制备包覆型超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒

将称好的FeCl₂1.5169克的固体样品、FeCl₃4.0465克和硝酸镁0.5217克配成的混合混液50ml、200ml依次放入三口瓶中，然后继续抽真空通入氮气，使反应溶液处于氮气的保护下。制备的水浴温度设为35℃，搅拌速度为1500r/min，氨水溶液的浓度为1mol/l，整个过程氨水滴加量为100ml，滴加结束后，将温度升至70℃，升温的过程中以原来的速度搅拌。加入6ml的油酸钠，在原来的搅拌速度下继续反应30分钟。将样品取出，用大量的无水乙醇和水充分洗涤即可。

例3：微悬浮聚合法制备包覆型超顺磁性聚合物微球

将经过表面改性处理的磁性颗粒分散在苯乙烯中，形成磁流体，取8ml左右与4ml二乙烯苯，0.4g过氧化苯甲酰混合超声分散1小时左右，与此同时把乳化剂0.25g十二烷基硫酸钠和助乳化剂十六醇0.2g依次加入60℃的80ml水中，搅拌一定时间后，加入0.015g氢氧化钠，调节PH值为9～1之间，把分散好的磁流体滴加入反应瓶中，充分乳化一定时间后制得微乳液，反应40分钟，再滴加甲基丙烯酸4ml与含过硫酸钾0.1g的水溶液10ml的混合溶液，再聚合3小时即可，用乙醇，甲醇，三氯甲烷，水等充分洗涤即可。此方法磁性聚合物微球具有超顺磁性，无团聚，再分散性好，磁响应性强，粒度均匀1～5um，平均1.5um，磁性颗粒含量可达到20％，不同球间磁含量均匀，表面羧基含量高为0.8mmol/g。化学性质稳定，耐酸碱，盐酸和氢氧化钠浸泡后磁含量均无明显变化。

例4：微悬浮聚合法制备包覆型超顺磁性聚合物微球将经过表面改性处理的磁性颗粒分散在苯乙烯中，形成磁流体，取6ml左右与3ml二乙烯苯，0.3g过氧化苯甲酰混合超声分散0.5小时左右，与此同时把乳化剂0.2g十二烷基硫酸钠和助乳化剂十六醇0.15g依次加入55℃的80ml水中，搅拌一定时间后，加入0.01g氢氧化钠，调节PH值为9～10之间，把分散好的磁流体滴加入反应瓶中，充分乳化一定时间后制得微乳液，反应1小时，再滴加8ml甲基丙烯酸与含过硫酸钾0.1g的水溶液8ml的混合溶液，再聚合2.5小时即可，用乙醇，甲醇，三氯甲烷，水等充分洗涤即可。此方法磁性聚合物微球具有超顺磁性，无团聚，再分散性好，磁响应性强，粒度均匀1-5um，平均2.5um，磁性颗粒含量约为15％，不同球间磁含量均匀，表面羧基含量高为1.2mmol/g。

化学性质稳定，耐酸碱，盐酸和氢氧化钠浸泡后磁含量均无明显变化。

Claims (6)

1、一种超顺磁性聚合物微球，其特征在于：由亲油性有机烯类单体与具有亲水性功能基团烯类单体的共聚物和包含在内部的分散纳米磁性颗粒组成，其中烯类单体聚合物是由亲油性烯类单体苯乙烯，二乙烯苯等与具有亲水性功能基团COOH-.OH-，NH2-的有机单体丙烯酸，丙烯酰胺聚合而成的均聚物或共聚物，包覆型纳米磁性颗粒是经过表面改性处理的纳米四氧化三铁颗粒，表面具有一亲油层，它能很好的稳定分散在有机物甲苯，苯乙烯有机溶剂中，形成磁流体；纳米磁性颗粒均匀分散在聚合物微球内部，具有超顺磁性；微球形貌规则粒径在0.1～5um之间，磁性四氧化三铁占整个微球质量比为0.5～40％。

2、按照权力要求1所述的聚合物复合微球，其特征在于：包覆型纳米磁性颗粒具有通过表面活性物质与四氧化三铁颗粒表面羟基之间结合的核壳式结构，核为5～20nm之间的超顺磁性四氧化三铁颗粒，壳为表面活性物质形成的亲油层；这里所称的表面活性剂类物质为十二烷基苯磺酸钠，油酸钠，十二烷基硫酸钠，油酸。

3、按照权力要求1或2所述的超顺磁性聚合物复合微球，其特征在于：亲油性烯类单体共聚物为1～3种亲油性烯类单体与亲水性功能性单体等形成的共聚物，两者质量比16∶0～8∶8之间，这里亲油性烯类单体包括苯乙烯，二乙烯苯，亲水性功能单体包括甲基丙烯酸类，丙烯醛类，丙烯醇类，丙烯晴类及其衍生物。

4、一种制备如权利要求1所述的超顺磁性复合微球方法，其特征在于：制备方法包括：超顺磁性纳米颗粒的制备及表面改性处理；微悬浮聚合法制备表面包覆高分子层并具有功能基团的复合微球的制备；具体步骤为：

a、用改进的共沉淀法制备包覆性四氧化三铁纳米颗粒：将三氯化铁(FeCl₃)和硝酸铝的水溶液和氯化亚铁(FeCl₂)晶体加入反应瓶，氮气保护，再滴加氨水溶液，温度30～50℃，控制瓶内PH值为9～11，然后升温到70～80℃，再加入油酸类表面活性物质70～80ml，在搅拌反应，机械搅拌速度为1000-2000rpm；反应10～50分钟后，取出冷却静置，在磁场作用下，用乙醇和水洗涤，最后用苯乙烯分散所得四氧化三铁纳米颗粒，即形成磁流体；

b、微悬浮聚合法制备包覆高分子层的微米级超顺磁性复合微球：将上述磁流体四氧化三铁与苯乙烯6～12ml，二乙烯苯2～5ml，过氧化苯甲酰0.1～0.4g混合，结合超生波分散，使之形成分散很好的磁流体；把乳化剂十二烷基硫酸钠0.2～0.3g，助乳化剂十六醇0.1～0.2g于100ml水溶液中形成水相，再加入适量NaOH水溶液以控制PH值在9～11，水相温度50℃～70℃，机械搅拌速度200～500rpm；在四口烧瓶中将磁流体8～16ml均匀滴加到水相中形成水包油型微乳液，水相温度50℃～70℃，机械搅拌速度500～800rpm；引发聚合反应20-60分钟，再缓慢滴加功能单体甲基丙烯酸2～10ml与水溶性引发剂过硫酸钾的水溶液10ml形成的混合溶液，再聚合反应2～4小时即可制的超顺磁性聚合物复合微球，最后把聚合物微球用乙醇，水充分洗涤即可。

5、按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的铁盐水溶液中的Fe²⁺和Fe³⁺的摩尔比为1∶2～1∶0，加入的碱OH^-与2Fe²⁺和Fe³⁺之和摩尔比为1∶0.1～1∶1.5：加入的表面活性物质即油酸或油酸钠，它与生成的磁性四氧化三铁颗粒之质量比为1∶5～1∶0.5之间。

6、按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：磁流体为6～12ml，二乙烯苯为2～5ml，过氧化苯甲酰为0.1～0.4g，所述的乳化剂为十二烷基硫酸钠，助乳化剂为十六醇，两者总质量与水的质量比为0.1～1.5％；乳化剂与助乳化剂的摩尔比1∶1～1∶4，补加的过硫酸盐引发剂即过硫酸钾，约0.01～0.02g，功能性烯类单体即甲基丙烯酸约2～10ml，氢氧化钠0.01～0.04g，水保持100ml不变。

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