专利名称：一步法合成的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。
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.，1992，17325)；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，1993，30157.)。
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，1994，2721104.)。
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，1999，277846.)。
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。
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，由反相微乳液聚合方法一步合成，其粒径为20—125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采用反相微乳液聚合方法一步合成，具体的制备步骤如下
形成微乳液将一定比例的丙烯酰胺类或丙烯酸类等亲水性单体、高分子交联剂和两价铁盐和三价铁盐溶解在水中，并滴入由乳化剂和有机溶剂组成的胶束体系中，搅拌数分钟，形成反相微乳液，呈清亮透明的黄绿色。其中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％，两价铁盐的用量是占整个体系重量的0.010—0.50％，三价铁盐的用量占整个体系重量的0.020-1.0％，其余为溶剂，整个体系的重量为100％；加入碱溶液把步骤1所制得的微乳液通氮除氧，把碱溶液缓慢滴加入微乳液，不断搅拌逐渐形成深黑色状的反相微乳液，保持氮气气氛；加热将步骤2制得的深黑色的反相微乳液在70—95℃下加热30—300分钟；引发聚合将步骤3制得的反相微乳液冷却到室温，然后加入引发剂后，升温至50—70℃引发体系聚合，引发剂的用量是单体用量的0.1-10％；约5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，温度保持在25-40℃。
本发明中，所用的单体可以是丙烯酰胺(AM)，甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)，丙烯酸钠(NaAA)，马来酸(MA)、衣康酸(IA)等中的一种或几种。所合成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)。
本发明中，所用的碱溶液可以是氢氧化钠(NaOH)，或氢氧化钾(KOH)，或氨水(NH4OH)等。
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，所用的有机溶剂可以是长链烷烃或芳香类烷烃，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。
向反相微乳液中滴加碱溶液的速率不能过快，滴加速度在10—50秒/滴为宜。
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，氨水作为碱溶液制备的磁性聚合物微球粒径在25-55nm左右，远远小于用氢氧化钠为碱溶液制备的微球粒径(100-125nm左右)。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。
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20—125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，表面平整。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20-125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)制备方法操作简单，稳定性高。
实施例2将单体Am 0.09g，IA 0.01g，交联剂MBA 0.004g，两价铁盐FeSO4·7H2O0.0175g，三价铁盐Fe2(SO4)3·6H2O 0.0320g全部溶解在0.5g H2O中，并在超声波的震荡下滴加入4.0g AOT和7.5g甲苯所形成的胶束体系中。1.2mol/L NaOH溶液0.50g，AIBN 0.010mol/L。数分钟内形成清亮透明的黄绿色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟。在超声波的振荡下，脱氧的1.2mol/L NaOH溶液0.50g缓慢加入反相微乳液，体系颜色逐渐变黑，最后形成深黑色状的反相微乳液。随后体系加热到90℃的恒温水浴中加热1小时。体系降到室温后加入引发剂AIBN 0.01g，在60℃的恒温水浴中反应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110nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为5.8emu/g，且具有超顺磁性。
实施例3将单体Am 0.10g，交联剂MBA 0.004g，两价铁盐FeCl2·4H2O 0.0125g，三价铁盐FeCl3·6H2O 0.0340g全部溶解在0.5g H2O中，并在超声波的震荡下滴加入4.0g AOT和7.5g甲苯所形成的胶束体系中。1.2mol/LNaOH溶液0.50g，AIBN0.010mol/L。数分钟内形成清亮透明的黄绿色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟。在超声波的振荡下，脱氧的2.0mol/L NH3·H2O溶液0.50g缓慢加入反相微乳液，体系颜色逐渐变黑，最后形成深黑色状的反相微乳液。随后体系加热到90℃的恒温水浴中加热1小时。体系降到室温后加入引发剂AIBN 0.01g，在60℃的恒温水浴中反应2h，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25-30nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为6.6emu/g，且具有超顺磁性。
实施例4将单体Am 0.25g，交联剂MBA 0.004g，两价铁盐FeSO4.7H2O 0.0175g，三价铁盐Fe2(SO4)30.0320g全部溶解在0.5g H2O中，并在超声波的震荡下滴加入4.0gAOT和7.5g甲苯所形成的胶束体系中。1.2mol/L NaOH溶液0.50g，AIBN 0.010mol/L。数分钟内形成清亮透明的黄绿色的反相微乳液。通氮驱氧30分钟。在超声波的振荡下，脱氧的2.0mol/L NH3·H2O溶液0.50g缓慢加入反相微乳液，体系颜色逐渐变黑，最后形成深黑色状的反相微乳液。随后体系加热到90℃的恒温水浴中加热1小时。体系降到室温后加入引发剂AIBN 0.01g，在60℃的恒温水浴中反应2h，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35-40nm左右。聚合物磁性微球的磁饱和强度为2.8emu/g，且具有超顺磁性。
权利要求
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，由反相微乳液聚合法一步合成，其粒径为20—125mm，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、丙烯酸、甲基丙烯酸、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)形成微乳液将一定比例的丙烯酰胺类或丙烯酸类等亲水性单体、高分子交联剂和两价铁盐和三价铁盐溶解在水中，并滴入由乳化剂和有机溶剂组成的胶束体系中，搅拌，形成反相微乳液，其中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％，两价铁盐的用量占整个体系重量的0.010—0.50％，三价铁盐的用量占整个体系重量的0.020-1.0％，其余为溶剂；(2)加入碱溶液把步骤1所制得的微乳液通氮除氧，把碱溶液缓慢滴加入微乳液，不断搅拌，逐渐形成深黑色状的反相微乳液；(3)加热将步骤2制得的深黑色的反相微乳液在70—95℃下加热30—300分钟；(4)引发聚合将步骤3制得的反相微乳液冷却到室温，然后加入引发剂后，升温至50—70℃引发体系聚合，引发剂的用量是单体用量的0.1-10％，维持体系温度反应1—4小时。
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，其反应温度为25—40℃。
6.根据权利要求4所述磁性聚合物微球的制备方法，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，或过硫酸铵，或过硫酸钾。
12.根据权利要求5所述磁性聚合物微球的制备方法，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。
全文摘要
本发明是一种磁性聚合物纳米微球及其制备方法。在氧化还原或热引发体系中,对丙烯酰胺类和丙烯酸类等亲水性单体,加入乳化剂、引发剂、交联剂、不同价态的铁盐,控制反应在一定的投料范围内,在反相微乳液中一步直接合成具有超顺磁性的、粒径在20－125nm的磁性聚合物微球。粒径大小可以由碱的种类,乳化剂的用量控制。本发明具有方法简单,原料易得,微球粒径可控等特点。
文档编号C08F20/06GK1328064SQ0112618
公开日2001年12月26日 申请日期2001年7月16日 优先权日2001年7月16日
发明者王雷, 邓勇华, 阿德尔哈米特·欧拉萨, 府寿宽 申请人:复旦大学