一种芳香聚合物材料表面接枝阳离子抑菌涂层的制备方法与流程

本发明属于有机高分子材料领域，具体涉及一种芳香聚合物材料表面接枝阳离子抑菌涂层的制备方法。

背景技术：

芳香高分子聚合物材料是一类耐热、机械性能稳定的高性能聚合物，其作为医用材料可以替代某些金属材料，因此其在医疗器械及医用材料领域应用十分广泛。例如芳香聚砜类又可以作为血液透析膜材料。根据统计，每年因医疗器械污染引起感染占全部手术感染率的30%以上，因此实现医疗器械表面具有抑菌功能，特别是可移植高分子材料，其表面或界面引入具有抗菌杀菌生物相容性功能高分子材料是提高其性能的前提。

传统的表面界面抑菌方法包括（1）物理涂覆具有杀菌如银纳米粒子等物质，然而由于物理涂覆容易脱落而失去杀菌效果，因此该方法应用有一定的局限性；（2）通过在材料的表面化学共价接枝杀菌材料，可以形成稳定致密的功能聚合物涂层，然而该方法一般需要复杂的工艺步骤。因此如何简化表面共价接枝的操作步骤直接决定涂层的制备成本和应用范围。原子转移活性自由基聚合法（ATRP）是一种实现上述表面接枝目标最重要的方法。在聚合物表面引入引发剂基团是实现ATRP接枝聚合的前提，而在芳香聚合物表面形成苄基卤（ph-CH2X）作为ATRP引发剂是最常用的方法。传统方法在芳香聚合物材料表面引入引发剂活性基团非常复杂，反应条件十分苛刻。如在聚苯乙烯材料表面的苯环上引入氯甲基，一般要求在苯乙烯聚合时加入一定量的二乙烯基苯达到适度交联，加工成产品后，将该产品浸在有机溶剂氯仿中实现其表面溶胀而不溶解，进而在ZnCl2、甲醛、氯化氢作用下实现在聚苯乙烯表面引入氯甲基，但该方法中溶胀的聚合物表面变粗糙，极易受有毒催化剂等的污染，所获得的材料难以适应医用领域的应用。而对于聚砜类高分子材料，传统的引入氯甲基的方法如文献Journal of Membrane Science 446 (2013) 79–91、Macromol. Chem. Phys. 2010, 211, 2389–2395等报道（见图1所示，见说明书附图），包括将聚砜（PSF）等高分子溶解在氯仿中，然后以无水四氯化锡（SnCl4）为催化剂，采用三甲基氯硅烷 (CH3)3SiCl）及甲醛为试剂进行反应，从而实现在上述聚合物主链每个重复单元上引入氯甲基，加工成产品后再进行接枝反应。但利用图1方法制备氯甲基化聚合物所铸膜导致蛋白质截留率大幅降低，说明新聚合物制备的膜孔径变大，即此种功能化改性方法影响了材料的性能。而对于一些只能溶解于酚类溶剂的高分子材料，由于酚类化合物更易发生卤甲基化，因此图1所述方法并不适用于这类芳香高分子材料，如某些聚酰亚胺品种。因此，传统方法引入卤甲基的不足之处在于：1）采用的催化剂SnCl4有毒易水解，后处理阶段水解生成的SnO2难以从聚合物中除去，催化剂不能回收重复利用，容易造成环境污染；2）该反应对水敏感，需要大过量催化剂及卤化试剂来避免因催化剂及卤化试剂水解失效导致反应失败；3）使用了易挥发有毒的有机溶剂，回收后处理困难。

对于医用功能高分子材料应用来讲，主要是材料（产品）界面或表面的功能基团起主要作用，处于材料（产品）内部功能基团的作用难以发挥。因此，对医用材料而言，理想的表面修饰方法是直接在聚合物产品表面进行功能化，内层聚合物无需功能化。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述传统芳香聚合物膜修饰方法中本体改性过程中使用有机溶剂、避免引入卤甲基时使用对水敏感的ZnCl2或SnCl4、昂贵的有机氯硅烷 (CH3)3SiCl等化合物的弊端。本发明提供了一种如图2（见说明书附图）所示通过相转移催化法（PTC）在芳香类聚合物表面引入卤甲基，然后在其表面接枝阳离子高分子杀菌涂层的新方法。该方法突出的优势在于可以直接在聚合物产品表面引入卤甲基，然后进行功能化。由于芳香类聚合物在水相中具有难溶解的特点，因此对聚合物产品的内层不产生影响，该特点对医用杀菌功能材料的制备具有重要意义，本方法尚未见报道。

为了实现上述发明任务，本发明采用如图2所述的技术方案，方法如下：

一种芳香聚合物表面接枝阳离子抑菌涂层的制备方法，包括以下步骤：

第一步，在聚合物膜表面引入卤甲基：

第一步 将芳香聚合物材料放入反应器中，加入甲醛、相转移催化剂和饱和氢卤酸，在 20~100 ^oC反应1-12小时，得到表面接枝有卤甲基的聚合物材料，用去离子水反复冲洗待用；

第二步，在表面接枝功能聚合物，本步骤可分别采用如下两个催化体系实现：

方案A：将上述表面引入卤甲基的聚合物材料放入反应管中，在氮气或氩气气氛下，将一定摩尔比的催化剂铜(I)、配体、反应单体以及溶剂混合，在25-100℃下搅拌反应0.5-24小时，将修饰好的聚合物从反应体系中取出，再用上述溶剂反复冲洗即得到表面接枝阳离子抑菌涂层的芳香聚合物材料；

方案B：将上述表面引入卤甲基的聚合物材料放入反应容器中，在氮气或氩气气氛下，将一定摩尔比的催化剂铜(II)、配体、还原剂、单体及溶剂混合，在25-100℃下搅拌反应0.5-24小时，将修饰好的聚合物在反应体系中取出，再用上述溶剂反复冲洗即得到表面接枝阳离子抑菌涂层的芳香聚合物材料。

本发明所述的聚合物膜材料（产品）包括聚砜、聚酰亚胺、聚芳香酰胺、聚芳醚酮、聚苯乙烯、芳香聚酯类、或上述材料的共聚物或共混物等，其中聚砜是指由二卤二苯砜与各类芳香酚单体聚合获得的聚合物；聚酰亚胺是指各类含有芳香胺单体及各类酐聚合获得的聚合物；芳香聚酰胺是指各类酸与芳香胺聚合获得的聚合物；聚芳醚酮是指二卤二苯酮与各类芳香酚聚合获得的聚合物；芳香聚酯是指各类酸与芳香酚聚合获得的聚合物。

本发明所述的在聚合物材料表面接枝卤甲基基团的反应中：甲醛、相转移催化剂、饱和氢卤酸的比例为10~30g：0. 5~2g：100-400mL。

本发明所述的相转移催化剂包括如下结构的化合物：

上式1中n1为1-20间的整数，n2和n3为2-6间的整数；上式2中R1为小于18个碳原子的含芳烃的基团，n4为2-6间的整数；上式3中R2为小于18碳的烃基，n5为2-6间的整数。

本发明所述的氢卤酸包括氢溴酸、盐酸、或二者混合物。

本发明所述的膜表面进行ATRP接枝中方案A的反应中：铜（I）盐催化剂、配体、单体比例为1:2~3:50~1000，单体浓度大于0.5mol/L，溶剂为水、甲醇、乙醇或三者的任意比混合物。

本发明所述的膜表面进行ATRP接枝中方案B反应条件为：

铜（II）盐催化剂、配体、还原剂、单体比例为1:2~3:1：50~1000，单体浓度大于0.5mol/L，溶剂为水、甲醇、乙醇或三者的任意比混合物。

本发明所述的铜（II）盐催化剂包括溴化铜、氯化铜、或各类可水溶性二价铜盐；铜（I）盐催化剂包括溴化亚铜、氯化亚铜、或各类可水溶性一价铜盐。

本发明所述的配体包括2,2-联吡啶或其衍生物、1，1，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺或其衍生物。所述的还原剂为葡萄糖、甲醛、乙醛或维生素C。

本发明所述的单体包括以下一种或几种：

上式1中R3为0-10个碳原子的烃基，n5为2-16间的整数，R4为氢或甲基，X^-为Cl^-、Br^-、I^-、F^-或对甲基苯磺酸根，A1为氧或氮原子；上式2中R5 和R6分别为1-10个碳原子的烃基，n6为2-16间的整数，A2为氧或氮原子，R7为氢或甲基；上式3中R8为1-20个碳原子的烃基，n7为2-6间的整数，n8为0-6间的整数，X^-为Cl^-、Br^-、I^-、F^-或对甲基苯磺酸根，A3为氧或氮原子，R9为氢或甲基。

本发明的方法与传统方法比较，其优势在于：

1) 本发明方法的卤甲基化仅发生在芳香聚合物材料或产品表面，反应不在聚合物材料内部发生，因此试剂消耗量大幅降低，所用氢卤酸做卤化试剂，价格低；

2）在水相中直接对芳香膜表面进行卤甲基化反应，避免传统使用有机溶剂对聚合物本体进行卤甲基化的反应，不涉及有机溶剂回收等问题，因此减少了成本，降低了环境污染的几率；

3）本发明卤甲基化反应结束后可直接将聚合物材料从相转移反应体系中移出即可，无需传统方法中必须将卤甲基化后的聚合物分离提纯的步骤，而相转移体系可以循环下一批次的卤甲基化反应，因此易于连续化生产，可大幅降低分离成本；

4）本发明所用相转移催化剂为环境友好的稳定有机化合物，可以循环利用，颠覆了传统方法必须在有机溶剂中引入卤甲基的方法，避免使用对水敏感，难以循环利用的SnCl4等路易斯酸催化剂，优势明显；

5）本发明可以对任何有芳香结构的聚合物的表面进行卤甲基化，具有广泛的实用性；

本发明所用的芳香聚合物原材料，可以按经典方法制备成产品，再进行表面修饰，所用的相转移催化剂进行卤甲基化的体系还尚未见报道。

除本专利提及的芳香聚合物材料外，用本发明方法经过相转移催化法对其他芳香聚合物材料表面引入卤甲基化的反应并进行接枝阳离子涂层，也将落入本专利的保护范围。

附图说明

图1为传统方法在芳香聚合物表面接枝示意图。

图2 为本发明在芳香聚合物材料表面接枝阳离子涂层示意图。a, 芳香聚合物材料；b，相转移催化法在聚合物表面引入卤甲基；c，ATRP法接枝阳离子聚合物涂层。

图3为实施例7中聚苯乙烯（PS）阳离子涂层的抑菌效果图。a. 裸PS表面 b. 修饰了阳离子的PS表面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明方法做进一步阐述。

实例1：

1）将1(1cm*1cm)平方厘米酚酞型聚芳醚酮(PEK-C)板放入反应器中，加入2.1g多聚甲醛、0.16 g催化剂1,16-双磺酸基甜菜碱、30 mL浓盐酸，80℃反应8 h，得到了表面接枝有氯甲基的PEK-C膜。将制得的氯甲基化PEK-C膜反复用去离子水清洗。

2）表面进行ATRP接枝反应： 将0.0067 g溴化铜粉末、0.0094 g 2,2-联吡啶和1.21 g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵及接枝有氯甲基的PEK-C板放入聚合反应器中，再将4毫升甲醇与去离子水按体积比1:1混合后的溶液加入50毫升的聚合管中，保持吹氮气30 min后，将0.0049 g维生素C加入到聚合管中，在温度为70℃下搅拌反应6 h，反应结束后将膜用去离子水清洗三次，获得表面接枝阳离子抑菌涂层的PEK-C板。

实施例2：

1）将1(1*1)平方厘米双酚A型聚砜（PSF）膜放入反应管中，加入1.5 g多聚甲醛、0.25 g催化剂2-丁基吡啶磺酸甜菜碱、40 mL浓盐酸。反应温度70℃，反应时间4 h，得到了表面接枝有氯甲基的PSF膜。将制得的氯甲基化PSF膜反复用去离子水清洗。

2）将上述表面氯甲基化PSF膜、0.0072g溴化亚铜粉末、0.0200 g 2,2-联吡啶和3.0 g N,N-二甲基-N-(乙氧酰甲基)-N-[2’-(甲基丙烯酰氧) 乙基]氯化铵和接枝有氯甲基的PSF膜放入50毫升的聚合管，将高纯氮气通入聚合管，保持吹氮气30 min后，再加入5毫升乙醇。将聚合管密封，在温度为70℃下搅拌反应4 h，反应结束后将PSF膜用去离子水清洗三次，获得表面接枝阳离子抑菌涂层的PSF膜。

实例3：

1）将1(1cm*1cm)平方厘米联苯聚酰亚胺（BP-PI，联苯二酐及4,4-二氨基二苯醚制备）膜放入反应器中，加入2.1g多聚甲醛、0.16 g催化剂甲基咪唑磺酸基甜菜碱、35 mL浓盐酸，90℃反应6h，得到了表面接枝有氯甲基的BP-PI膜。将制得的氯甲基化聚BP-PI膜反复用去离子水清洗。

2）表面进行ATRP接枝反应： 将0.0041 g氯化亚铜粉末、0.0130 g 2,2-联吡啶和2.5 g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵及接枝有氯甲基的BP-PI膜放入50毫升聚合反应器中，保持吹氮气30 min后，再将无氧4毫升甲醇与去离子水按体积比1:1混合后的溶液加入聚合管中，在温度为60℃下搅拌反应4h，反应结束后将膜用去离子水清洗三次，获得表面接枝阳离子抑菌涂层的BP-PI膜。

实例4：

1）将1(1*1)平方厘米聚芳酰胺（PA，由对苯二甲酸与3,3’-甲基-4,4’-二氨基-二苯甲烷制备）膜放入反应器中，加入2.1g多聚甲醛、0.16 g催化剂甲基咪唑磺酸基甜菜碱、35 mL浓盐酸，90℃反应6h，得到了表面接枝有氯甲基的PA膜。将制得的氯甲基化聚芳酰胺膜反复用去离子水清洗。

2）表面进行ATRP接枝反应： 将0.0067 g溴化铜粉末、0.0089 g 1，1，2，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺和2.3 g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵及接枝有氯甲基的BP-PI膜放入聚合反应器中，再将4毫升乙醇与去离子水按体积比1:1混合后的溶液加入50毫升的聚合管中，保持吹氮气30 min后，将0.0050 g维生素C加入到聚合管中，在温度为80℃下搅拌反应4h，反应结束后将膜用去离子水清洗三次，获得表面接枝阳离子抑菌涂层的PA膜。

实例5：

1）将1(1*1)平方厘米聚苯乙烯（PS）板放入反应器中，加入2.1g多聚甲醛、0.10 g催化剂甲基咪唑磺酸基甜菜碱、50 mL浓盐酸，90℃反应12h，得到了表面接枝有氯甲基的PS板。将制得的氯甲基化聚PS板反复用去离子水清洗。

2）表面进行ATRP接枝反应： 将0.0045 g氯化亚铜粉末、0.0160 g 2,2-联吡啶和2.80 g N,N-二甲基-N-(乙氧酰甲基)-N-[2’-(甲基丙烯酰氧) 乙基]氯化铵及接枝有氯甲基的PS板放入加入50毫升聚合反应器中充氮除氧三次，再将加入4毫升无氧乙醇后，在温度为80℃下搅拌反应24h，反应结束后将PS板用去离子水清洗三次，获得表面接枝阳离子抑菌涂层的PS膜。

实例6：

表征聚合物表面接枝阳离子涂层简单有效的方法是测定其接触角的变化，这是因为接枝阳离子聚合物材料表面与原始材料的表面相比，其亲水性将极大提升，表现为水的接触角大幅降低，因此表1给出了实施例1-5中原始芳香聚合物材料及接枝阳离子聚合物抑菌涂层后各种材料的表面接触角变化。（测试方法：水的接触角测试，水滴为2uL/滴，接触角为五次测试的平均值）

表1. 阳离子抑菌涂层聚合物表面与原始聚合物表面亲水性对比

由表1可知，材料的表面经过氯甲基化及ATRP聚合阳离子单体之后，其表面的接触角均大幅降低，因此接触角实验证明本发明方法成功实现了芳香聚合物材料表面接枝阳离子抑菌涂层。

实施例7

将5mL含金黄葡萄球菌量为1～5×10⁶cfu/ml试验菌悬液加入到1mL无菌试管中，然后将实施例5中修饰的PS板放入该试管中，同时在试管中放入原始PS板作对照实验，在37^oC条件下培养12小时，将两种PS板取出，放入去离子水漂洗三次，在显微镜下观察细菌的生长情况。如图3所示，在原始PS板表面已经生长了大量的细菌，而在接枝了N,N-二甲基-N-(乙氧酰甲基)-N-[2’-(甲基丙烯酰氧) 乙基]氯化铵阳离子聚合物的PS板表面，细菌难以生长，因此证明本发明制备方法制备的阳离子涂层具有抑菌效果。