一种羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球及其制备方法与流程

本发明涉及一种羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球及其制备方法。

背景技术：

磁性聚合物粒子是一种新型的功能材料，一般是由无机磁性物质与有机高分子材料的复合而成，同时兼备无机物质的磁学性质和高分子材料的表面性质，在生物医药、分离工程、环境治理、隐身材料、催化剂等领域具有广泛的应用前景。目前，制备磁性聚合物粒子方法主要是单体聚合法和分散法，单体聚合法是将磁性四氧化三铁纳米粒子分散到反应液中，再在四氧化三铁纳米粒子表面聚合单体形成磁性聚合物纳米粒子；分散法是将磁性四氧化三铁纳米粒子分散到聚合物内部形成磁性聚合物纳米粒子。

磁性聚苯乙烯是目前最重要且广受关注的一种磁性聚合物纳米粒子。关于其制备方法已有文献报道。例如，Jiang等用微乳液聚合法制备出粒径为270nm～370nm磁性Fe₃O₄/PS复合纳米球，并研究了磁性聚苯乙烯纳米球吸附油脂的性能(Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2015,394,14-21)。Gu等采用微乳液聚合法制备出粒径为105nm磁性聚苯乙烯纳米粒子(Journal of the American Chemical Society,2006,128,15582-15583)。Tang等在苯乙烯和甲基丙烯酸共聚物表面原位沉积Fe₃O₄或Fe₂O₃纳米粒子形成反式核-壳式结构的磁性聚苯乙烯纳米粒子(Journal of Colloid and Interface Science,2005,281,432-436；Colloid and Polymer Science,2004,282,1198-1205)。然而，聚苯乙烯为表面惰性聚合物，无法与生物大分子反应，限制了磁性聚苯乙烯在生物领域应用。因此，发展一种制备羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米材料的方法具有重要的理论和现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球及其制备方法，本申请羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球表面具有丰富的羧基官能团，可进一步发生多种有机反应，获得具有各种功能的磁性聚苯乙烯纳米球；本申请制备方法简单、温和、经济环保。

一种羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球，羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为包括核心和外层的核-壳式结构，其中，外层包裹在核心的外围，核心为四氧化三铁纳米粒子聚集体，外层为苯乙烯-丙烯酸共聚物。

羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球，优选为粒径为40nm～70nm的球形颗粒。这样能进一步提高羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的功能性。

为了进一步提高羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的性能，优选，核心为球状，核心的直径为35nm～65nm，外层的厚度为4nm～8nm。

本申请羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为铁磁性疏水材料；羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球表面具有丰富的羧基官能团。

上述羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的制备方法，采用乳液聚合法，在磁性四氧化三铁纳米粒子表面聚合苯乙烯-丙烯酸混合单体，制得核-壳式结构的羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

上述所得的羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球内部填充了铁磁性的四氧化三铁纳米粒子。

为了更加简单、温和、经济环保，同时确保所得产品的综合性能，上述制备羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的方法，包括顺序相接的以下步骤：

1)采用溶剂热法或共沉淀法制备出油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子、油酸包裹的四氧化三铁纳米粒子或油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子；

2)将油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子、油酸包裹的四氧化三铁纳米粒子或油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子分散到十二烷基硫酸钠溶液中，并在超声条件下形成磁性四氧化三铁乳状液；

3)将苯乙烯和丙烯酸单体分散到十二烷基硫酸钠溶液中，并在超声条件下形成苯乙烯-丙烯酸的单体乳状液；

4)将磁性四氧化三铁乳状液与苯乙烯-丙烯酸的单体乳状液混合均匀，加入引发剂，在氮气气氛中、加热搅拌条件下进行聚合反应，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉 淀经磁分离、洗涤、干燥后，制得核-壳式结构的羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

优选，步骤4)中聚合反应为在80±10℃的条件下，反应12-24h；步骤4)中搅拌为将各物料混合均匀，对具体的速度没有要求；步骤2)中的超声功率为400W；步骤3)中的超声功率为200W。

为了进一步提高所得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的功能性，磁性四氧化三铁乳状液中四氧化三铁的质量体积浓度为6430.5mg/L～14275.8mg/L。四氧化三铁与苯乙烯-丙烯酸混合单体的质量比为0.056～1.182。苯乙烯与丙烯酸单体的体积比为0.0256～39。引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵，引发剂与苯乙烯-丙烯酸混合单体的质量比为0.0082～0.102；步骤2)中十二烷基硫酸钠溶液浓度为0.0337～0.1014mol/；步骤3)中十二烷基硫酸钠溶液为0.01～0.012mol/L。

本发明有益效果：

1.羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的表面具有丰富的羧基官能团，可进一步发生多种有机反应，引入多种功能基团，生成具有各种功能的磁性聚苯乙烯纳米球；

2.羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球具有良好的分散性和均匀性；

3.羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为铁磁性疏水材料，能分散于多种非极性溶剂，在生物医药、分离工程、环境治理、催化工程等领域具有潜在的应用价值。

4.采用乳液聚合法，在磁性四氧化三铁纳米粒子表面聚合苯乙烯-丙烯酸混合单体，制备羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的方法简单，条件温和，经济环保。

附图说明

图1为实施例1所制备的产物的扫描电子显微镜检测图。

图2为实施例1所制备的产物的透射电子显微镜检测图。

图3为实施例1所制备的产物的X-射线粉末衍射检测图。在图3中，横坐标为衍射角2-Theta(degree)，纵坐标为强度Intensity(a.u.)；经过与标准图谱(JCPDS:77-1545)进行对照，产物衍射峰位于30.1°、35.5°、43.1°、53.4°、57.0°、62.6°、70.9°、74.0°，分别对应于立方相四氧化三铁的衍射峰(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)，(620)，(533)。

图4为实施例1所制备的产物的红外光谱图，在图4中，横坐标为波数Wavelength/cm^-1，纵坐标为透光率％Transmittance。

图5为实施例1制备的产物的磁滞回线图，在图5中，横坐标为磁场强度H(Oe)，纵坐标为饱和磁化强度M(emu/g)，图(a)为原始图，图(b)为局部放大图，由图可知饱和磁化强 度为33.8emu/g，剩磁为2.7emu/g，矫顽力为34.7Oe，得知所获得的聚苯乙烯纳米球具有铁磁性。

图6为实施例1所制备的产物的水接触角图，由图6可知羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的接触角为127±2.0°，为疏水性材料。

图7实施例2制备的产物的扫描电子显微镜检测图。

图8实施例3制备的产物的扫描电子显微镜检测图。

图9实施例4制备的产物的扫描电子显微镜检测图。

图10实施例5制备的产物的扫描电子显微镜检测图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

步骤1.称取1059.5mg乙酰丙酮铁加入到20mL二苯醚中，再加入2mL油胺、1mL乙二醇、2mL油酸，搅拌均匀，在氮气气氛中，于200℃条件下，反应0.5h，再在250℃条件下回流2h后，停止加热，冷却至室温，磁分离出黑色产物，并用乙醇洗涤3次，获得油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子；

步骤2.向步骤1所获得的油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子中加入36mL十二烷基硫酸钠溶液(物质量浓度，0.1mol/L)，搅拌混合均匀后，再在超声(超声功率：400W)条件下分散15min，制备出磁性四氧化三铁乳状液；

步骤3.向30mL水中依次加入90mg十二烷基硫酸钠、0.1mL苯乙烯和0.4mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸的单体乳状液；

步骤4.将步骤2所获得的磁性四氧化三铁乳状液和步骤3所获得的苯乙烯-丙烯酸的单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入45mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应24h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

产品经扫描电子显微镜表征，证实所得的羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的直径为40nm～70nm；经透射电子显微镜表征，证实羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球的内部核心是四氧化三铁纳米粒子聚集体，核心为球状，核心的直径为35nm～65nm，外层是厚 度为4nm～8nm的苯乙烯-丙烯酸共聚物，羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为核-壳式结构；经X射线衍射表征，证实产物为羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球；经傅立叶变换红外光谱仪表征，证实表面壳层为苯乙烯-丙烯酸的共聚物；经超导量子干涉仪表征，证实羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为铁磁性；经接触角仪表征，证实羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球为疏水性材料，其接触角为127±2.0°。

实施例2

按照实施例1的步骤1和步骤2制备出磁性四氧化三铁乳状液；向30mL水中依次加入90mg十二烷基硫酸钠、3.9mL苯乙烯和0.1mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；将所获得的磁性四氧化三铁乳状液与苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入30mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应2h后，再加入30mg过硫酸钾引发剂，并于80℃条件下再反应10h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例3

按照实施例1的步骤1和步骤2制备出磁性四氧化三铁乳状液；向30mL水中依次加入90mg十二烷基硫酸钠、0.1mL苯乙烯和3.9mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；将所获得的磁性四氧化三铁乳状液与苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入60mg过硫酸铵引发剂，于80℃条件下反应20h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例4

按照实施例1的步骤1和步骤2制备出磁性四氧化三铁乳状液；向30mL水中依次加入90mg十二烷基硫酸钠、0.1mL苯乙烯和0.1mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；将所获得的磁性四氧化三铁乳状液与苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入20mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应20h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例5

步骤1.称取401mg FeCl₂·4H₂O和542mg FeCl₃·6H₂O加入到60mL蒸馏水中，在氮气气氛、搅拌条件下，加入246mg NaOH和1mL油酸，于95℃条件下反应3h后，停止加热， 冷却至室温，磁分离出黑色产物，并用乙醇洗涤3次，获得油酸包裹的四氧化三铁纳米粒子；

步骤2.向步骤1所获得的油酸包裹的四氧化三铁纳米粒子中依次加入1050mg十二烷基硫酸钠和36mL蒸馏水，搅拌混合均匀后，再在超声(超声功率：400W)条件下分散15min，制备出磁性四氧化三铁乳状液；

步骤3.向20mL水中依次加入70mg十二烷基硫酸钠、0.5mL苯乙烯和0.5mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；

步骤4.将步骤2所获得的磁性四氧化三铁乳状液与步骤3所获得的苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入30mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应16h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例6

步骤1.称取530mg FeCl₂·4H₂O和1080mg FeCl₃·6H₂O加入到60mL蒸馏水中，在氮气气氛、搅拌条件下，加入1mL氨水(NH₃质量百分含量，28％)和1mL油胺，于95℃条件下反应3h后，停止加热，冷却至室温，磁分离出黑色产物，并用乙醇洗涤3次，获得油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子；

步骤2.向步骤1所获得的油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子中依次加入550mg十二烷基硫酸钠和36mL蒸馏水，搅拌混合均匀后，再在超声(超声功率：400W)条件下分散15min，制备出磁性四氧化三铁乳状液；

步骤3.向20mL水中依次加入70mg十二烷基硫酸钠、0.2mL苯乙烯和0.3mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；

步骤4.将步骤2所获得的磁性四氧化三铁乳状液与步骤3所获得的苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入30mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应20h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例7

步骤1.称取834mg FeSO₄·7H₂O和811mg FeCl₃·6H₂O加入到60mL蒸馏水中，在氮气气氛、搅拌条件下，加入2mL氨水(NH₃质量百分含量，28％)和1mL油胺，于95℃条件 下反应3h后，停止加热，冷却至室温，磁分离出黑色产物，并用乙醇洗涤3次，获得油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子；

步骤2.向步骤1所获得的油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子中依次加入350mg十二烷基硫酸钠和36mL蒸馏水，搅拌混合均匀后，再在超声(超声功率：400W)条件下分散15min，制备出磁性四氧化三铁乳状液；

步骤3.向20mL水中依次加入70mg十二烷基硫酸钠、0.3mL苯乙烯和0.2mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；

步骤4.将步骤2所获得的磁性四氧化三铁乳状液与步骤3所获得的苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入20mg过硫酸钾引发剂，于80℃条件下反应20h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例8

步骤1.称取1059.5mg乙酰丙酮铁加入到20mL二苯醚中，再加入2mL油胺、2mL油酸，搅拌均匀，在氮气气氛中，于200℃条件下，反应0.5h，再在250℃条件下回流2h后，停止加热，冷却至室温，磁分离出黑色产物，并用乙醇洗涤3次，获得油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子；

步骤2.向步骤1所获得的油酸-油胺包裹的四氧化三铁纳米粒子中依次加入1040mg十二烷基硫酸钠和36mL蒸馏水，搅拌混合均匀后，再在超声(超声功率：400W)条件下分散15min，制备出磁性四氧化三铁乳状液；

步骤3.向20mL水中依次加入72mg十二烷基硫酸钠、0.3mL苯乙烯和0.2mL丙烯酸，搅拌混合均匀后，在超声(超声功率：200W)条件下分散20min，制备出苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液；

步骤4.将步骤2所获得的磁性四氧化三铁乳状液和步骤3所获得的苯乙烯-丙烯酸混合单体乳状液混合均匀，在氮气气氛、搅拌条件下加入30mg过硫酸钠引发剂，于80℃条件下反应24h，待反应结束后，自然冷却到室温，所得沉淀经磁分离、洗涤、干燥后得羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球。

实施例9

羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球固定脂肪酶的具体制备步骤：

步骤1.将来源于猪胰腺的冻干脂肪酶粉采用pH＝7.4磷酸缓冲液配置为1mg/mL的脂 肪酶溶液，至于4℃冰箱中保存备用；

步骤2.称取100mg实施例1所获得的羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球，依次加入

191.7mg EDC·HCl(1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐，C₈H₁₇N₃·HCl)、115.1mg NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)和20mL MES(2-(N-吗啡啉)乙磺酸)缓冲溶液(0.1M，pH＝6.0)，超声分散2min，并于30℃条件下反应2h，所得产品经磁分离、洗涤，即可得到活化的磁性聚苯乙烯纳米球。

步骤3.将步骤2所获得的活化的磁性聚苯乙烯纳米球，加入40mL上述脂肪酶溶液中，于30℃条件下反应1.5h，所得产品经磁分离、洗涤，即可获得磁性聚苯乙烯纳米球固定的脂肪酶。

羧基功能化磁性聚苯乙烯纳米球固定脂肪酶的催化活性的测定：

步骤1.称取50mg阿拉伯树胶，加入200mg Triton X-100(上海索莱宝生物科技有限公司)和45mL pH＝7.4的磷酸缓冲液，混合均匀形成混合缓冲液；

步骤2.称取15mg对硝基苯酚棕榈酸酯(p-NPP)，加入5mL异丙醇，完全溶解后加入上述混合缓冲液，混合均匀配制p-NPP底物，至于4℃冰箱中保存备用；

步骤3.取4mL p-NPP底物溶液，预热5min后加入上述磁性固定化脂肪酶(或脂肪酶溶液)，测定磁性固定化脂肪酶(或脂肪酶)在45℃条件下水解反应速率；用差量法计算磁性Fe₃O₄/P(St-AA)纳米球的固载量；将磁性固定化脂肪酶(或游离脂肪酶)分别置于50℃保存相同时间，再用p-NPP法测定磁性固定化脂肪酶的催化活性，研究磁性固定化脂肪酶的热稳定性。

步骤4.在5mL正己烷中加入0.2mL有机酸和0.2mL醇，再加入30mg磁性固定化脂肪酶，在45℃条件下反应30min，磁分离出磁性固定化脂肪酶，用GC-MS检测脂的产率；机酸为冰醋酸、丙酸、丁酸、苯甲酸或己二酸，醇为乙醇、正丁醇、丙醇、正己醇、乙二醇或丙三醇，有机酸和醇具体选择哪一种并不影响最终的结果。

检测脂肪酶在磁性Fe₃O₄/P(St-AA)纳米球上的固载量为176.7mg/g；磁性固定化脂肪酶催化活性是游离脂肪酶催化活性的0.94倍；在50℃条件下放置10h后，磁性固定化脂肪酶的活性仍能保持80.5％，是游离酶的2.45倍；在正己烷中磁性固定化脂肪酶仍能保持较高的催化活性，催化合成乙酸丁酯的产率可达78％。