专利名称：：一种水分散磁性高分子微球及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及功能高分子材料领域，特别涉及一种水分散磁性高分子微球及其制备方法。
背景技术：
：磁性高分子微球兼具高分子的众多特性和磁性物质的磁响应性，广泛应用于磁性塑料、磁性橡胶、有机合成的固相载体、亲和色谱、生物医学、细胞生物学和生物工程等领域。磁性高分子微球的结构一般有三种(一)由磁性金属氧化物(如铁、钴、镍等氧化物)组成核，高分子材料组成壳层；(二)高分子材料作为核，磁性材料作为壳层；(三)一种夹心结构，内外层为高分子材料，中间层为磁性材料。磁性高分子微球的制备方法主要包括包埋法和单体聚合法(1)包埋法是将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等方法制得磁性高分子微球；但是，这种方法制备的磁性高分子微球粒径分布较宽，形状不规则，大小难以控制，磁含量不均匀，微球磁性强弱差很大，高分子包埋磁性中心不完全，磁性核心易与外界接触，磁性容易泄露。(2)单体聚合法是在磁性粒子和单体存在下，加入引发剂、稳定剂等聚合而成的核壳式磁性高分子微球；聚合方法主要有悬浮聚合、分散聚合、乳液聚合等；但是，这种方法制备的微球磁含量较低，聚合过程中容易发生相分离，致使合成的微球磁含量分布不均一，其化学和机械稳定性也较差。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种结构可控、分布均匀、形状规则、磁含量可调、生物相容性好的水分散磁性高分子微球。本发明的另一目的在于提供一种上述水分散磁性高分子微球的制备方法。本发明的目的通过下述技术方案实现-一种水分散磁性高分子微球的制备方法，是先通过无皂乳液聚合制备核再利用原子转移自由基聚合(ATRP)制备亲水性壳，包括下述步骤(1)无皂乳液聚合制备微球核以及形成活性聚合引发中心首先将引发剂和溶剂加入反应容器中，在惰性气体氛围下加入混合单体和交联剂的混合液，反应0.512小时；然后缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体，在核的表面形成引发活性中心，继续反应624小时；(2)微球表面通过ATRP活性聚合引发亲水性单体聚合形成壳在步骤1的反应体系中加入ATRP反应的催化剂和亲水性单体，其中催化剂与活性中心的摩尔比为1:1，亲水性单体与活性中心的摩尔比为20^200:1;活性中心的物质的量与步骤1中所述缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体的物质的量相等；通惰性气体鼓泡1~5小时，加入已经除氧的配基，在60H00"C下搅拌反应1~48小时，冷却，用空气鼓泡终止反应；(3)磁性微球的制备将步骤2得到的产物渗析，然后用二氯甲垸分散；再加入三氟乙酸，所述二氯甲垸三氟乙酸的体积比为1MO:1，搅拌1^12小时，水解除去交联产物中的叔丁基并形成均匀空腔；再渗析，然后将渗析液与二价铁离子(Fe2+)溶液以体积比1:1~3混合，惰性气氛中密封搅拌1224小时后，再渗析除去杂质；然后用碱调节pH值为79，使与羧基结合的二价铁沉淀，再加入双氧水(H202)将二价铁氧化为三价铁以形成超顺磁性中心，并使磁性中心生长410小时，再用强磁铁分离，得到水分散磁性高分子微球。步骤1中，所述引发剂为过硫化物，优选过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵；反应温度为509(TC。引发剂的用量为单体总质量的0.5%~5%;所述单体总质量为步骤1中混合单体质量和含有ATRP活性聚合引发中心的单体质量之和。步骤1中，所述溶剂是水，用量为步骤1中整个反应体系总质量的90%99%。步骤1中，所述混合单体为单体A、单体B和单体C的混合物；单体A:单体B:单体C的质量比为1:0.6~5:所述单体A为烯酸叔丁酯单体，优选丙烯酸叔丁酯；所述单体B为含有ATRP活性聚合引发中心的单体，优选丙烯酸-3-溴丙醇酯或丙烯酸-3-氯丙醇酯或其混合物；所述单体C为用于调节粒子性能的单体，具体可为芳香烯类如苯乙烯，酯类如甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸异辛酯或乙酸乙烯酯中的一种或一种以上混合物。步骤1中，所述交联剂为二乙烯基苯(DVB)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(NAPP)或双丙酮丙烯酰胺(DAAM)，交联剂的用量是所述混合单体质量的0.5%7%。步骤1中，所述缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体为含卤族元素的单体，用量与混合单体中单体B的用量相同；优选丙烯酸-3-溴丙醇酯、丙烯酸-3-氯丙醇酯、甲基丙烯酸-3-溴丙醇酯、甲基丙烯酸-3-氯丙醇酯、丙烯酸-2-溴乙醇酯、甲基丙烯酸-2-氯乙醇酯、丙烯酸-2-氯乙醇酯、甲基丙烯酸-2-氯乙醇酯、2-溴丙酸丙烯酸乙二醇二酯、2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯、2-溴丙酸丙烯酸二乙二醇二酯、2-氯丙酸丙烯酸二乙二醇二酯、2-氯丙酸丙烯酸三乙二醇二酯、2-溴丙酸丙烯酸三乙二醇二酯、2-氯丙酸丙烯酸四乙二醇二酯或2-溴丙酸丙烯酸四乙二醇二酯中的一种或一种以上混合物；所述含有ATRP活性聚合引发中心的单体的滴加时间为0.5^4小时。步骤2中，所述催化剂为IB族或者WIB族的卤盐，优选氯化亚铜、溴化亚铜、乙酸亚铜、溴化亚镍、氯化亚铁或二乙酸钯。步骤2中，所述亲水性单体是指具有水溶性或亲水性，含亲水官能团(如羟基、氨基或磺酸基)的小分子物质以及聚氧乙烯丙烯酸酯类高分子聚合物，如丙烯酰胺(AM)、丙烯酸羟乙酯(HEA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸-2,3-二羟基丙酯(DHPA)或聚乙二醇(200、400、550、1900、5000、10000等)单甲醚丙烯酸酯等。所述配基为多胺类，优选五甲基二乙烯基三胺(PMDETA)、三-(N,N-二甲胺基乙基)胺(MeeTREN)、二联吡啶(bpy)、四甲基乙二胺(TMEDA)或1,1,4，7，10，10'-六甲基三亚乙基四胺(HMETETA)。步骤3中，所述渗析采用的透析袋所允许透过最大分子量为12000~200000。步骤3中，所述二价铁离子(Fe2+)溶剂为氯化亚铁、硫酸亚铁、磷酸亚铁或醋酸亚铁。采用上述方法制备得到的水分散磁性高分子微球，是由超顺磁性中心和高分子聚合物共同组成的复合物；外层为亲水性或水溶性聚合物，通过活性聚合ATRP反应得到；内层为可产生均匀空腔并且可以装载磁性中心交联固定好的聚合物，通过无皂乳液聚合生成；以内层均匀空腔装载无机超顺磁性材料形成超顺磁性中心；所述微球的直径范围为100~2000nm，磁含量为3~50%，饱和磁化强度为3.070.0emu/g。本发明与现有技术相比具有如下优点和效果(1)本发明采用无皂乳液聚合和ATRP活性聚合法相结合，提高了功能单体的聚合效率、微球粒子的直径大小和乳液的固含量；微球粒子粒径分布均匀，形状规则。(2)在磁化过程中单分散聚合物微球的粒径和粒径分布不变，最终所得的磁性高分子微球具有良好的单分散性;微球纯净，无非特异性凝聚杂质；使用亲水性聚合物作为粒子的外层，使得微球具有很好的水分散性以及生物相容性。(3)具有超顺磁性的无机微粒均匀地分散在整个聚合物微球中，且每个微球含有相同浓度的磁性微粒，从而保证所有磁性微球在磁场下具有一致的磁响应性；通过调整单体种类和投料比可以制备各种粒径大小和不同磁含量的致密或多孔磁性高分子微球。(4)本发明制备的微球在水中具有很好的再分散性，将微球干燥后，可以很容易地将其重新分散于水中并稳定存在，极大地方便了储存和运输和保存。具体实施方式下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1(1)无皂乳液聚合制备微球核以及形成活性聚合引发中心将0.023g过硫酸钾(KPS,单体总质量的0.5%)溶解到95.5ml水中，加入到四颈烧瓶中，通N2气10min后，放入已经调好温度83°C的油浴中，待体系温度80。C稳定后，滴加苯乙烯(1.73g)、丙烯酸叔丁酯(1.73g)、2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯(0.52g)和交联剂EGDMA0.023g的混合液，反应40min后，滴加2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯(0.52g，维持温度，继续搅拌反应8h，停止加热，搅拌下自然冷却至室温。离心15min，转速为3000r/min，分离后取乳液。测其固含量为4.1%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为520nm。(2)微球表面通过ATRP活性聚合引发亲水性单体聚合形成壳取上述乳液20ml(含乳液粒子约0.82g，表面含引发剂2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯即活性中心0.50mmol)，加入5.69g即49mmol丙烯酸羟乙酯(HEA)，0.05g即0.50mmol催化剂氯化亚铜(CuCI)，用氩气(Ar)鼓泡1h后，加入已经鼓泡除氧的配基PMDETA0.092g0.50mmol，于75°C下反应18h后，冷却，打开塞子鼓空气终止反应，反应液用水反复渗析，得到渗析乳液。测其固含量为15.1%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为1050nm。。(3)磁性微球的制备将(2)制备的15ml乳液用甲醇渗析至无水，挥干溶剂干燥完全后，得到2.84g白色固体，以20ml的二氯甲烷和6.7ml三氟乙酸溶液(二氯甲垸三氟乙酸体积比3:1)分散所得固体，搅拌12h以水解去掉交联产物中的叔丁基，产物以甲醇渗析，然后以水充分渗析，得到乳液27ml，再将渗析液和5WtM的FeCl2溶液27ml混合密封，搅拌18小时，混合液以水渗析除去多余的FeCI2,加入2Wt%的氢氧化钠溶液调节pH值为8使与羧基结合的二价铁沉淀，然后加入10mL双氧水(H202)将二价铁氧化为三价铁，形成四氧化三铁或Y—三氧化二铁以生成超顺磁性中心，搅拌反应8小时后，用强磁铁分离，洗涤5次，得到水分散磁性高分子微球2.65g。所得磁性高分子微球的平均直径为1050nm，磁含量为5.7%，饱和磁化强度为12.2emu/g。实施例2(1)无皂乳液聚合制备微球核以及形成活性聚合引发中心将0.045g过硫酸钾(KPS，单体总质量的1%)溶解到95.5ml水中，加入到四颈烧瓶中，通N2气10min后，放入已经调好温度83°C的油浴中，待体系温度80。C稳定后，滴加苯乙烯1.73g、丙烯酸叔丁酯1.73g、2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯0.52g和交联剂EGDMA0.068g(单体总质量的1.5%)的混合单体5min，反应40min后，滴加2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯0.52g,维持温度，继续搅拌反应8h，停止加热，搅拌下自然冷却至室温。离心15min，转速为3000r/min，分离后取乳液。测其固含量为4.2%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为500nm。(2)微球表面通过ATRP活性聚合引发亲水性单体聚合形成壳取上述乳液20ml，(含乳液粒子约0.84g，表面含引发剂2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯约0.1g0.5mmol)加入11.38g98mmol丙烯酸羟乙酯(HEA),0.05g0.5mmol催化剂氯化亚铜(CuCI)，用氩气(Ar)鼓泡1h后，加入已经鼓泡除氧的配基PMDETA0.092g0.5mmol,于75'C下反应18h后，冷却，鼓空气终止反应，反应液用水反复渗析，得到渗析乳液。测其固含量为21.3%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为1650nm。。(3)磁性微球的制备将(2)制备的15ml乳液用甲醇渗析至无水，挥干溶剂干燥完全后，得到4.88g白色固体，以20ml的二氯甲烷和6.7ml三氟乙酸溶液(二氯甲烷三氟乙酸体积比1:1)分散所得固体，搅拌6h以水解去交联产物中的叔丁基，产物以甲醇渗析，然后以水充分渗析，得到乳液27ml，再将渗析液和5VVtc/。的FeCl2溶液27ml混合密封，搅拌18小时，混合液以水渗析除去多余的FeCI2,加入2Wt%的氢氧化钠溶液调节pH值为8使与羧基结合的二价铁沉淀，然后加入10mL双氧水(H202)将二价铁氧化为三价铁，形成四氧化三铁或Y—三氧化二铁以生成超顺磁性中心，搅拌反应8小时后，用强磁铁分离，洗涤5次，得到水分散磁性高分子微球4.56g。所得磁性高分子微球的直径为1650nm，磁含量为3.2%，饱和磁化强度为4.9emu/g。实施例3(1)无皂乳液聚合制备微球核以及形成活性聚合引发中心将0.09g(单体总质量的2%)过硫酸钾溶解到90.7ml水中，加入到四颈烧瓶中，通N2气10min后，放入已经调好温度83QC的油浴中，待体系温度80。C稳定后，滴加苯乙烯3.46g、丙烯酸叔丁酯3.46g、2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯1.04g和交联剂EGDMA0.312g(单体总质量的3.5%)的混合单体5min，反应40min后，滴加2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯1.04g，维持温度，继续搅拌反应8h，停止加热，搅拌下自然冷却至室温。离心15min，转速为3000r/min，分离后取乳液。测其固含量为8.7%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为1040nm。(2)微球表面通过ATRP活性聚合引发亲水性单体聚合形成壳取上述乳液20ml，(含乳液粒子约1.74g，表面含引发剂2-氯丙酸丙烯酸乙二醇二酯约0.2g0.98mmol)加入5.69g49mmol丙烯酸羟乙酯(HEA),0.10g0.98mmol催化剂氯化亚铜(CuCI)，用氩气(Ar)鼓泡1h后，加入已经鼓泡除氧的配基PMDETA0.184g0.98mmo1，于75'C下反应18h后，冷却，鼓空气终止反应，反应液用水反复渗析，得到渗析乳液。测其固含量为13.6%;扫描电镜(SEM)测得粒子平均直径为1500nm。(3)磁性微球的制备将(2)制备的15ml乳液用甲醇渗析至无水，挥干溶剂干燥完全后，得到2.04g白色固体，以15ml的二氯甲垸和5ml三氟乙酸溶液(二氯甲烷三氟乙酸体积比10:1)分散所得固体，搅拌6h以水解去交联产物中的叔丁基，产物以甲醇渗析，然后以水充分渗析，得到乳液20ml，再将渗析液和5Wtc/。的FeCl2溶液20ml混合密封，搅拌18小时，混合液以水渗析除去多余的FeCb，加入2Wty。的氢氧化钠溶液调节pH值为9，使与羧基结合的二价铁沉淀，然后加入8mL双氧水(H202)将二价铁氧化为三价铁，形成四氧化三铁或Y一三氧化二铁以生成超顺磁性中心，搅拌反应8小时后，用强磁铁分离，洗涤6次，得到水分散磁性高分子微球1.98g。所得磁性高分子微球的直径为1500nm，磁含量为30.0°/。，饱和磁化强度为42.2emu/g。实施例49所涉及的条件参数见表1，其他步骤同实施例1表i各具体实施例<table>tableseeoriginaldocumentpage159</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于包括下述步骤(1)无皂乳液聚合制备微球核以及形成活性聚合引发中心首先将引发剂和溶剂加入反应容器中，在惰性气体氛围下加入混合单体和交联剂的混合液，反应0.5～12小时；然后缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体，在核的表面形成引发活性中心，继续反应6～24小时；(2)微球表面通过ATRP活性聚合引发亲水性单体聚合形成壳在步骤1的反应体系中加入ATRP反应的催化剂和亲水性单体，其中催化剂与活性中心的摩尔比为1∶1，亲水性单体与活性中心的摩尔比为20～200∶1；活性中心的物质的量与步骤1中所述缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体的物质的量相等；通惰性气体鼓泡1～5小时，加入已经除氧的配基，在60～100℃下搅拌反应1～48小时，冷却，用空气鼓泡终止反应；(3)磁性微球的制备将步骤2得到的产物渗析，然后用二氯甲烷分散；再加入三氟乙酸，所述二氯甲烷∶三氟乙酸的体积比为1～10∶1，搅拌1～12小时，水解除去交联产物中的叔丁基并形成均匀空腔；再渗析，然后将渗析液与二价铁离子溶液以体积比1∶1～3混合，惰性气氛中密封搅拌12～24小时后，再渗析除去杂质；然后用碱调节pH值为7～9，使与羧基结合的二价铁沉淀，再加入双氧水将二价铁氧化为三价铁以形成超顺磁性中心，并使磁性中心生长4～10小时，再用强磁铁分离，得到水分散磁性高分子微球。2、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于步骤1中，所述引发剂为过硫化物；引发剂的用量为单体总质量的0.5%~5%;所述单体总质量为步骤1中混合单体质量和含有ATRP活性聚合引发中心的单体质量之和。3、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于步骤1中，所述混合单体为单体A、单体B和单体C的混合物；单体A:单体B:单体C的质量比为1:0.6~5:0.1~10;所述单体A为烯酸叔丁酯单体，所述单体B为含有ATRP活性聚合引发中心的单体；所述单体c为用于调节粒子性能的单体。4、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征剂为二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺或双丙酮丙烯酰胺，交联剂的用量是所述混合单体质量的0.5%~7%。5、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于步骤1中，所述缓慢滴加含有ATRP活性聚合引发中心的单体为含卤族元素的单体，用量与混合单体中单体B的用量相同。6、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于步骤2中，所述催化剂为IB族或者VflIB族的卤盐。7、根据权利要求1所述的水分散磁性高分子微球的制备方法，其特征在于步骤2中，所述亲水性单体是含亲水官能团的小分子物质以及聚氧乙烯丙烯酸酯类高分子聚合物。8、一种水分散磁性高分子微球，其特征在于采用权利要求1-7任一项所述的方法制备得，是由超顺磁性中心和高分子聚合物共同组成的复合物；外层为亲水性或水溶性聚合物，通过活性聚合ATRP反应得到；内层为可产生均匀空腔并且可以装载磁性中心交联固定好的聚合物，通过无皂乳液聚合生成；以内层均匀空腔装载无机超顺磁性材料形成超顺磁性中心；所述微球的直径范围为100~2000nm，磁含量为3~50%，饱和磁化强度为3.0~70,0emu/g。全文摘要本发明公开了一种水分散磁性高分子微球及其制备方法，先通过无皂乳液聚合制备核再利用原子转移自由基聚合(ATRP)活性聚合制备亲水性壳，得到的水分散磁性高分子微球是由超顺磁性中心和高分子聚合物共同组成的复合物；外层为亲水性或水溶性聚合物，通过活性聚合ATRP反应得到；内层为可产生均匀空腔并且可以装载磁性中心交联固定好的聚合物，通过无皂乳液聚合生成；以内层均匀空腔装载无机超顺磁性材料形成超顺磁性中心；所述微球的直径范围为100～2000nm，磁含量为3～50％，饱和磁化强度为3.0～70.0emu/g。这种制备方法简单，得到的水分散磁性高分子微球结构可控、分布均匀、形状规则、磁含量可调、生物相容性好。文档编号C08K3/00GK101328273SQ20081002970公开日2008年12月24日申请日期2008年7月23日优先权日2008年7月23日发明者刘志雷,孙建平,胡继文,胡美龙,赵发宝申请人:中国科学院广州化学研究所