專利名稱：原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合法制備單分散的聚合物微球樹脂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米/微米聚合物微球的制備，特別是ー種表面含原子轉(zhuǎn)移自由基聚合活性引發(fā)基團的單分散納米/微米聚合物微球及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，沉淀聚合已成為制備單分散納米/微米聚合物微球的一種簡便易行的方法。所得單分散的納米/微米聚合物微球在色譜固定相、藥物緩釋、催化劑和生物活性分子負(fù)載等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。與乳液聚合、懸浮聚合和分散聚合等合成聚合物微球的方法相比，沉淀聚合法具有不需在聚合體系中添加任何表面活性劑和穩(wěn)定劑、可很方便地調(diào)控聚合物微球的尺寸等優(yōu)點，因此受到廣泛的關(guān)注。納米/微米聚合物微球的表面功能化是ー種制備高性能聚合物微球的有效方法。 它能明顯改善聚合物微球的表面親/疏水性能，且能大幅度増加表面功能基團的含量，從而顯著提高其在不同環(huán)境中的適用性與活性分子負(fù)載量。由于利用普通沉淀聚合法得到的聚合物微球表面含有一定量的碳-碳雙鍵，故可通過普通自由基聚合技術(shù)將高分子鏈或交聯(lián)高分子殼層接枝到微球的表面(Yang, K. ；Berg, Μ. M. ；Zhao, C. ；Ye, L. Macromolecules2009,42 :8739-8746)。不過由于普通自由基聚合方法具有不可控的特點，因此其表面接枝過程的可控性受到限制。最近，人們發(fā)展了利用可控自由基聚合技術(shù)在由普通沉淀聚合法得到的聚合物微球表面接枝聚合物殼層的方法，可以很好地實現(xiàn)對接枝過程的控制。但是此方法在接枝聚合物殼層之前必須對由普通自由基沉淀聚合法得到的聚合物微球的表面進行化學(xué)修飾，以便引入可控/ “活性”自由基聚合的引發(fā)基團(Zheng，G. ； Stover3
H.D. H. Macromolecules 2002，35 :6828-6834 ；MacromoIecules 2002，35 :7612-7619 ；Macromolecules 2003,36 :1808-1814 ；Macromolecules2003, 36 :7439-7445)。因此開發(fā)可直接制備單分散且表面具有可控/ “活性”自由基聚合引發(fā)基團的納米/微米聚合物微球的新方法具有重要的意義。自上世紀(jì)八十年代以來，人們開發(fā)了多種可控/“活性”自由基聚合技術(shù)，主要包括引發(fā)-轉(zhuǎn)移-終止劑(Iniferter)誘導(dǎo)的“活性”自由基聚合、穩(wěn)定自由基聚合(NMP)、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)、可逆加成-裂解鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合。它們不僅可以有效控制聚合過程，得到具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的聚合物，同時還可賦予聚合物以活性特征，因此成為高分子化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。其中ATRP是目前研究最廣泛的一種可控/ “活性”自由基聚合技木。本工作將可控/ “活性”自由基聚合與沉淀聚合方法有機地結(jié)合起來，通過將ATRP機理引入沉淀聚合體系的方法，實現(xiàn)了一歩法直接制備單分散且表面具有ATRP引發(fā)基團聚合物微球的目的。由于ATRP具有反應(yīng)條件溫和、適用單體范圍廣、且聚合過程高度可控等優(yōu)點，因此采用原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合法可以很方便地控制所得聚合物微球的尺寸及表面活性基團含量，這將為簡便快捷地制備表面接枝有各種聚合物殼層的功能化聚合物微球奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在提供一種簡便易行地制備單分散且表面具有ATRP引發(fā)基團的納米/微米聚合物微球的新方法，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，為聚合物微球表面修飾奠定基礎(chǔ)，以進一歩拓展納米/微米聚合物微球的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。技術(shù)方案本發(fā)明將ATRP與沉淀聚合方法結(jié)合起來，利 用可控自由基聚合反應(yīng)過程高度可控以及所得聚合物末端均具有活性引發(fā)基團的特點，直接制備表面具有ATRP引發(fā)基團的納米/微米聚合物微球。具體操作過程是將普通沉淀聚合體系中的引發(fā)體系換成ATRP引發(fā)體系(包括正相與反相ATRP引發(fā)體系)，來引發(fā)功能単體和交聯(lián)單體的共聚合。本發(fā)明提供的納米/微米聚合物微球的表面含有各種鹵代烷基活性功能基團。所述的聚合物微球是在功能単體、交聯(lián)單體、引發(fā)體系與溶劑存在下制備的。所述的納米/微米聚合物微球上的ATRP引發(fā)基團為各種鹵代烷基。制備所述表面具有ATRP引發(fā)基團的納米/微米聚合物微球的具體技術(shù)方案如下I)按多烯類單體パ多烯類單體+單烯類單體)=50 95% (摩爾比)投料，烷基鹵化物或普通自由基聚合引發(fā)劑、低價態(tài)或高價態(tài)過渡金屬化合物、配體按摩爾比I 5 I 5 2 15投料。2)烷基鹵化物或普通自由基聚合引發(fā)劑的量與體系內(nèi)加入的功能単體和交聯(lián)劑中的雙鍵總量之摩爾比為I : 20 800。3)單烯類功能単體與多烯類交聯(lián)劑在反應(yīng)體系的總體積分?jǐn)?shù)< 5. 0%。4)將上述組分完全混溶后通氬氣或氮氣5 60分鐘除氧，置于20 90°C浴中聚合2 100小時，反應(yīng)結(jié)束后超聲分散5 20分鐘，過濾得到聚合物微球。用甲醇洗滌3 5次，然后于20 60°C真空干燥至恒重，得到所述聚合物微球。所述功能單體為2_こ烯吡唆、4-こ烯吡唆、甲基丙烯酸正烷基酷、甲基丙烯酸縮水甘油酷、甲基丙烯酸羥こ酷、苯こ烯、N-異丙基丙烯酰胺或丙烯酰胺。所述交聯(lián)劑為雙甲基丙烯酸こニ醇酯(EGDMA)、ニこ烯苯、三(甲基)丙烯酸甘油酯或N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺。所述正相原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合引發(fā)體系為烷基鹵化物(鹵代烷烴、芐基鹵化物、α-鹵代酷、α-鹵代腈或α-鹵代酮)/低價態(tài)過渡金屬化合物[Cu (I)、Fe (II)、Ru(II)或Ni(II)]/配體[2，2'-聯(lián)吡啶、4，4' - ニ烷基2，2^ _聯(lián)吡啶、五甲基ニこ基三胺(PMDETA)、三[2-( ニ甲氨基)こ基]胺(Me6TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫堿]。反向原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合引發(fā)體系為普通自由基聚合引發(fā)劑[偶氮ニ異丁腈、過氧化苯甲酰等]/高價態(tài)過渡金屬[Cu (II)、Fe (III)、Ru (III)或Ni (III)]/配體[2，2'-聯(lián)吡啶、4，4' - ニ烷基2，2'-聯(lián)吡啶、PMDETA、Me6TREN或N-烷基2-吡啶基席夫堿]。所述溶劑為こ腈、こ腈/甲苯、こ臆/四氫呋喃、甲醇、こ醇、丙醇、丁醇、戍醇、甲醇/水、こ醇/水、丙醇/水、丁醇/水、戊醇/水、丁酮或石蠟油。


圖I.單分散的“活性”納米/微米聚合物微球的制備過程示意圖。圖2.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酯/4-こ烯吡啶)聚合物微球的掃描電鏡照片。圖3.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酯/4-こ烯吡啶)共聚物微球的掃描電鏡照片。圖4.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酯/4-こ烯吡啶)共聚物微球的掃描電鏡照片。圖5.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酯/4-こ烯吡啶)共聚 物微球的掃描電鏡照片。圖6.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酷/甲基丙烯酸羥こ酷)共聚物微球的掃描電鏡照片。圖7.表面具有ATRP引發(fā)基團的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酷/丙烯酰胺)共聚物微球的掃描電鏡照片。圖8.表面接枝有聚(甲基丙烯酸羥こ酯)高分子刷的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酷/4-こ烯吡啶)共聚物微球的掃描電鏡照片。圖9.表面接枝有聚(N-異丙基丙烯酰胺)高分子刷的聚(雙甲基丙烯酸こニ醇酷/4-こ烯吡啶)共聚物微球的掃描電鏡照片。
具體實施例方式實例I :將功能單體4-こ烯吡啶(4-VP，O. 03 ImL)、交聯(lián)劑EGDMA (O. 22mL)與無水こ腈(30mL)加入一圓底燒瓶(50mL)的中。反應(yīng)液通入氬氣除氧15min后加入CuCl (I. 3mg)與催化劑配體PMDETA (O. 0055mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酷(O. 0016mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率46% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖2 (數(shù)均直徑Dn = 2. 83 μ m,粒徑多分散指數(shù)U=L 004)。實例2 :將功能單體4-VP (O. 054mL)、交聯(lián)劑EGDMA (O. 38mL)與無水こ腈(30mL)カロ入一圓底燒瓶(50mL)中。反應(yīng)液通入氬氣除氧15min后加入CuCl(2.24mg)與催化劑配體PMDETA (O. 0094mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酯(O. 0029mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)7h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率26% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖3 (Dn = I. 86 μ m，U = I. 007)。實例3 :將功能單體4-VP (O. 062mL)、交聯(lián)劑EGDMA (O. 22mL)與無水こ腈(30mL)カロ入一圓底燒瓶(50mL)中。反應(yīng)液通入IS氣除氧15min后加入CuCl (I. 44mg)與催化劑配體PMDETA (O. 0061mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酯(O. 00175mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率35% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖4 (Dn = 2. 96 μ m，U = I. 012)。實例4 :將功能單體4-VP (O. 124mL)、交聯(lián)劑EGDMA (O. 88mL)與無水こ腈(30mL)カロ入一圓底燒瓶(50mL)中。反應(yīng)液通入気氣除氧15min后加入CuCl (5. 2mg)與催化劑配體PMDETA (O. 022mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酯(O. 0048mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率35% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖5 (Dn = 2. 38 μ m，U = I. 008)。實例5 :將功能單體甲基丙烯酸羥こ酯(HEMA，0. 064mL)、交聯(lián)劑EGDMA(O. 198mL)與無水こ腈(30mL)加入一圓底燒瓶(50mL)中。反應(yīng)液通入氬氣除氧15min后加入CuCl (I. 3mg)與催化劑配體PMDETA (O. 0055mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酷(0.0016mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率31% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖6 (Dn = I. 25 μ m，U = I. 024)。
·
實例6 :將功能單體丙烯酰胺(15. 56mg)、交聯(lián)劑EGDMA(O. 165mL)與無水こ腈(30mL)加入一圓底燒瓶(50mL)中。反應(yīng)液通入氬氣除氧15min后加入CuCl (I. 3mg)與催化劑配體PMDETA (O. 0055mL)，繼續(xù)通氬氣15min后加入引發(fā)劑2-氯丙酸こ酯(O. 0016mL)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于60°C的油浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重(產(chǎn)率33% )。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖7 (Dn = 2. 60 μ m，U = I. 005)。實例7 :將聚(4-VP-EGDMA)共聚物微球(50mg)、HEMA (O. 887mL)與甲醇 / 水混合液(v/v = 1/1, 2mL)加入一圓底燒瓶(25mL)中，反應(yīng)液通氬氣除氧IOmin后加入CuCl (7. 23mg)、CuBr2 (4. 89mg)與催化劑配體聯(lián)吡啶(31. 93mg)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于25°C水浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖8 (Dn = 2. 55 μ m，U = I. 005)。實例8 :將聚(4-VP-EGDMA)共聚物微球(50mg)、N-異丙基丙烯酰胺(O. 34mg)與無水異丙醇(2mL)加入一圓底燒瓶(25mL)中，反應(yīng)液通気氣除氧IOmin后加入CuCl (5mg)、CuCl2 (O. 68mg)與催化劑配體Me6TREN(12. 4mg)，將反應(yīng)瓶封ロ后置于25°C水浴中反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇多次洗滌產(chǎn)物，然后在40°C條件下真空干燥至恒重。所得聚合物微球的掃描電鏡照片見圖9 (Dn = 2. 50 μ m，U = I. 004)。
權(quán)利要求
1.ー種單分散的“活性”納米/微米聚合物微球，其特征是交聯(lián)度為50 95%，粒徑為200納米至5微米，粒徑多分散度< I. 03，微球表面光滑且?guī)в性愚D(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)活性引發(fā)基團。
所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球是多烯類單體與其它功能性單烯類単體的共聚物微球。
2.如權(quán)利要求I所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球，其特征在于所述的多烯類單體是雙甲基丙烯酸こニ醇酯(EGDMA)、ニこ烯苯、三(甲基)丙烯酸甘油酯或N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺。
3.如權(quán)利要求I所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球，其特征在于所述的單烯類單體是2-こ烯吡唆、4-こ烯吡唆、甲基丙烯酸正烷基酷、甲基丙烯酸縮水甘油酷、甲基丙烯酸羥こ酷、苯こ烯、N-異丙基丙烯酰胺或丙烯酰胺。
4.如權(quán)利要求I所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球，其特征在于微球表面所帶的ATRP活性引發(fā)基團為鹵代烷基。
5.如權(quán)利要求I所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球樹脂的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)將多烯類單體、單烯類功能単體、反應(yīng)溶劑、聚合引發(fā)劑和催化劑混合后，通氬氣或氮氣5 60分鐘除氧后,將反應(yīng)體系密封。
(2)在20 90°C浴中進行聚合反應(yīng)2 100小時。
(3)反應(yīng)完畢后,將反應(yīng)體系超聲分散5 20分鐘后過濾,用甲醇洗漆微球3 5次，然后于20 60°C下真空干燥至恒重，即得到單分散的納米/微米聚合物微球。
(4)通過改變反應(yīng)溫度、溶劑量、引發(fā)劑量、單體量、催化劑量及反應(yīng)時間等參數(shù)制備ー系列具有不同顆粒尺寸的單分散納米/微米聚合物微球。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球的制備方法，其特征在于所用的多烯類單體與其它單烯類功能単體、反應(yīng)溶劑、聚合引發(fā)劑的用量比如下 多烯類單體/ (多烯類單體+單烯類單體)=50 95% (摩爾比)； 引發(fā)劑量與體系內(nèi)加入的功能単體和交聯(lián)單體中雙鍵總量的摩爾比為I : 20 800。
聚合單體濃度< 5. Ovol % [單體總體積/ (單體總體積+溶劑體積)]。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的“活性”納米/微米聚合物微球的制備方法，其特征在于所述的聚合引發(fā)體系是正相或反相原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的引發(fā)體系。
1)正相原子轉(zhuǎn)移自由基聚合引發(fā)體系的組成為烷基鹵化物(包括鹵代烷烴、芐基鹵化物、α-鹵代酷、α-鹵代腈或α-鹵代酮)/低價態(tài)過渡金屬[Cu (I)、Fe (II)、Ru (II)或Ni(II)]/配體[2，2'-聯(lián)吡啶、4，4' - ニ烷基2，2^ -聯(lián)吡啶、五甲基ニこ基三胺(PMDETA)、三[2-( ニ甲氨基)こ基]胺(Me6TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫堿]=I 5 I 5 2 15。
2)反相原子轉(zhuǎn)移自由基聚合引發(fā)體系的組成為普通自由基聚合引發(fā)劑(偶氮ニ異丁腈、過氧化苯甲酰等)/高價態(tài)過渡金屬[Cu (II)、Fe (III)、Ru (III)或Ni (III)]/配體[2，2'-聯(lián)吡啶、4，4' - ニ烷基2，2'-聯(lián)吡啶、PMDETA、Me6TREN或N-烷基2-吡啶基席夫堿]=I 5 I 5 2 15。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述單分散的“活性”納米/微米聚合物微球的制備方法，其特征是所用的溶劑為こ臆、こ腈/甲苯、こ腈/四氫呋喃、甲醇、こ醇、丙醇、丁醇、戊醇、甲醇/水、こ醇/水、丙醇/ 水、丁醇/水、戊醇/水、丁酮或石蠟油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合法制備單分散的聚合物微球樹脂的方法。所述的聚合物微球是交聯(lián)度為50～95％的多烯類單體與其它功能性單烯類單體的共聚物微球，其粒徑為200納米至5微米，粒徑多分散度≤1.03。上述聚合物微球是通過原子轉(zhuǎn)移自由基沉淀聚合法制備的，微球表面帶有原子轉(zhuǎn)移自由基聚合活性引發(fā)基團，可進一步進行表面修飾。本發(fā)明具有條件簡單、易于操作、原料價格便宜、表面活性基團含量可控的特點。所得單分散的“活性”納米/微米聚合物微球可用于色譜柱的填料、藥物緩釋、以及催化劑和生物活性分子的載體。
文檔編號C08F271/02GK102838709SQ20111016627
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者張會旗, 姜經(jīng)帥, 張瑩 申請人:南開大學(xué)