專利名稱：一種合成單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯微球的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯微球的制備方法，具體而言，涉及一種控制升溫速度，利用分散聚合技術(shù)來制備粒徑大小均一的聚甲基丙烯酸甲酯微球的方法，屬于功能高分子材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，合成高分子微球引起了人們的注意，高等研究機(jī)構(gòu)和大型商業(yè)公司加大了對合成高分子微球的理論研究和應(yīng)用開發(fā)的投入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)合成高分子微球在儀器校準(zhǔn)、涂料、化學(xué)、生物學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)、藥物緩釋等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，合成高分子微球尤其在生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出光明的前景。
從微球的直徑大小角度并且根據(jù)微球的性能特點，可以將合成高分子微球大體分為三類＜0.5μm；0.5～50μm；50～1000μm。50～1000μm大粒徑的合成高分子微球主要包括各種離子交換樹脂，這類微球在水處理行業(yè)廣泛使用，一般采用懸浮聚合制備。
在0.5μm以下的微球一般采用乳液聚合制備，由于通過乳液聚合制備的乳膠粒子非常小，布朗運動顯著，在分散介質(zhì)中很難沉降下來，一般用于涂料、油漆等領(lǐng)域。
粒徑在0.5～50μm的合成高分子微球是當(dāng)前發(fā)展最快的，前面提到的兩種聚合方法，乳液聚合和懸浮聚合不能直接合成這一粒徑范圍的微球，通過懸浮聚合法合成的微球的粒徑分布很寬，比表面積小，即使經(jīng)過繁復(fù)的篩分手段也難以得到大小均一的產(chǎn)物；而利用乳液聚合法可以得到粒徑分散性很好的高分子微球，但是通過乳液聚合制備的微球尺寸過小，一次乳液聚合制備的微球的粒徑通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5μm，在生物工程中處理起來十分不方便，限制了它在該領(lǐng)域的應(yīng)用。
1954年Vanderhoff在太空中率先通過乳液聚合合成出分散性很好的聚苯乙烯微球，再以這種微球為種子粒子進(jìn)行連續(xù)種子乳液聚合得到了粒徑2～30μm的單分散聚苯乙烯微球，通常認(rèn)為在地球上不可能通過簡單的種子乳液聚合制備直徑大于3μm的單分散微球。隨后挪威的Ugelstad突破了這條約束，采用兩步溶脹法能夠制備直徑高達(dá)100μm，而標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2％的單分散微球，但是他的方法十分繁瑣，而且在分散聚合出現(xiàn)后這一方法的價值就下降了。
分散聚合可以一步實現(xiàn)0.5～50μm的單分散高分子微球的合成，分散聚合是目前最理想的合成微米級的聚合物微球的方法，所得微球大小均一，粒徑比懸浮聚合制備的微球的粒徑要小得多，有更大的比表面積。在生物分離領(lǐng)域，不僅要求提供微球直徑在微米范圍，而且要求微球的大小均一，即良好的單分散性。
分散聚合是在70年代最初由ICI公司的研究者提出，它是隨著涂料工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的。嚴(yán)格來說，分散聚合是一種特殊類型的沉淀聚合，分散聚合體系中主要組分為單體、分散介質(zhì)、穩(wěn)定劑和引發(fā)劑，單體、穩(wěn)定劑和引發(fā)劑溶解在分散介質(zhì)中，聚合反應(yīng)前體系為均相。反應(yīng)初期生成的聚合物鏈溶于介質(zhì)，但當(dāng)聚合物鏈的聚合度達(dá)到某一臨界鏈長后從介質(zhì)中沉析出來形成聚合物粒子，這時的粒子是不穩(wěn)定的，與一般沉淀聚合不同的是沉析出來的不穩(wěn)定的粒子除了彼此聚并，并且吸附體系中的穩(wěn)定劑，將穩(wěn)定劑錨定于粒子表面，使不穩(wěn)定的聚合物粒子變成穩(wěn)定的聚合物粒子分散在介質(zhì)中，形成類似于乳液聚合的分散體系，成核后不斷從連續(xù)相中俘獲新析出的低聚物和低聚物自由基，同時吸附到聚合物粒子內(nèi)部的單體不斷聚合，粒子不斷長大?？梢詫⒎稚⒕酆戏譃榱Ｗ有纬?成核)和粒子不斷長大兩個階段。
通過分散聚合制備微米范圍微球的例子有苯乙烯[Ali Tuncel，et al，MonosizePolystyrene Microbeads by Dispersion Polymerization，J Polym SciPolym Chem，1996，34，1977]；甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯[Kazuhiko Takahashi，Preparation of Reactive MonodisperseParticles in the Micron Range by Dispersion Polymerization of Glycidyl Methacrylate，Polym J，1998，30(8)，684～686，Daniel Horak，Pavlo Shapoval，Reactive poly(glycidyl methacrylate)microspheres prepared by dispersion polymerization，J Polym SciPolym Chem，2000，38，3855～3863]；苯乙烯和甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯[W.Yang，et al，Dispersion copolymerization ofstyrene and glycidyl methacrylate in polar solvents，Coll Polym Sci，1999，277，446～451]；甲基丙烯酸甲酯[Kun Cao，et al，Micron-size uniform poly(methyl methacrylate)particles bydispersion polymerization in polar media1.Particle size and particle size distribution，ChemEng J，2000，78，211，S.Shen，E.D.Sudol and M.S.El-aasser，Control of particle size indispersion polymerization of methyl methacrylate，J Polym SciPolym Chem，1993，31，1393～1402]；苯乙烯和甲基丙烯酸正丁酯[Jose M.Saenz and Jose M.Asua，Kinetics of theDispersion Copolymerization of Styrene and Butyl Acrylate，Macromolecules，1998，31，5215～5222]；對氯甲基苯乙烯[Shlomo Margel，et al，Polychloromethylstryrene microspheressynthesis and characterization，J Polym SciPolym Chem，1991，29，347～355，T.Bahar and A.Tuncel，Monodisperse poly(p-chloromethylstyrene)microbeads by dispersion polymerization，Polym Eng Sci，1999，39(10)，1849～1855]；甲基丙烯酸羥乙酯[Kazuhiko Takahashi，et al，Preparation of micron-size monodisperse poly(2-hydroxyethyl methacrylate)particles bydispersion polymerization，J Polym SciPolym Chem，1996，34，175]；4-乙烯基吡啶[KazuhikoTakahashi，et al，Preparation of monodisperse polymer particles from 4-vinylpyridine，MacromolRapid Commun，1997，18，471]。
盡管符合分散聚合要求的有機(jī)單體不少，但是基本都集中在苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的分散聚合，尤其是苯乙烯的分散聚合研究是最透徹的，在實際應(yīng)用中也最多，關(guān)于甲基丙烯酸甲酯的分散聚合研究就要少得多。
但是聚苯乙烯微球粒子在應(yīng)用中受到諸多限制，比如作為功能性材料時，由于其非極性特點，對極性分子的親合力差，尚需要引入功能性基團(tuán)才能拓展它的應(yīng)用范圍。聚甲基丙烯酸甲酯微球是一種中等極性的粒子，在溶脹中作為種子要比以聚苯乙烯作為種子溶脹速度快；聚甲基丙烯酸甲酯微球或者可以直接應(yīng)用，或者進(jìn)一步衍生化也比聚苯乙烯容易的多，已經(jīng)有文獻(xiàn)報道說合成出大小均一的聚甲基丙烯酸甲酯微球，盡管如此，但是發(fā)現(xiàn)已經(jīng)公布的方法重復(fù)性很差，微球的均勻性無法達(dá)到實用的要求，迫切需要簡單、穩(wěn)定和可靠的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制甲基丙烯酸甲酯分散聚合的升溫速度來制備單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯的方法。本發(fā)明的具體步驟如下1.稱取一定量的穩(wěn)定劑，溶解在醇/水分散介質(zhì)中，倒入容器中，再向容器中加入溶解有引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯；2.通入N2清除氧氣，將容器放入恒溫中，開始升溫，在整個反應(yīng)過程中維持均勻攪拌，在溫度穩(wěn)定后再反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后，用醇離心/重新分散洗滌，室溫下抽真空干燥即得單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯。
本發(fā)明方法的第1)步中所述的穩(wěn)定劑是聚乙烯基吡咯烷酮PVP K-15、PVP K-25、PVP K-30、PVP K-90、聚丙烯酸(制備方法見Jose M.Saenz and Jose M.Asua，Dispersioncopolymerization of styrene and butyl acrylate in polar solvents，Journal of Applied PolymerScience，1993，50，303)、羥基丙基纖維素、聚乙二醇、聚氧乙烯大分子單體(制備方法見Dongri Chao，et al，Poly(ethylene oxide)Macromonomers IX，Synthesis and polymerization ofmacromonomers carrying styryl end groups with enhanced hydrophobicity，Polymer Journal，1991，23，1045)中的一種，穩(wěn)定劑用量為單體甲基丙烯酸甲酯重量的20～60％。
本發(fā)明方法的第1)步中所述的醇是五個碳以下的低級一元醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇。
本發(fā)明方法的第1)步中所述的醇/水分散介質(zhì)的重量比例為100/0～50/50。
本發(fā)明方法的第1)步中所述的引發(fā)劑是AIBN或者BPO，優(yōu)選AIBN，用量為單體重量的0.5～6％。
本發(fā)明方法的第1)步中所述的甲基丙烯酸甲酯的用量為分散介質(zhì)總重量的5～20％。
本發(fā)明方法的第2)步中所述的升溫方法是按照升溫速度不超過12.5℃/小時，不低于5℃/小時。
本發(fā)明方法的第2)步中所述的恒溫浴體系最后穩(wěn)定溫度為40～70℃，優(yōu)選50～65℃。
現(xiàn)有技術(shù)未采用升溫措施，所得微球的均勻性較差，由于本發(fā)明嚴(yán)格控制升溫速度，明確了控制溫度對獲得單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯微球的重要作用，可重復(fù)穩(wěn)定地得到單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯微球。
本發(fā)明技術(shù)方案涉及到的原理是已經(jīng)為大家接受的理論認(rèn)為要得到單分散的聚合物微球應(yīng)當(dāng)滿足下面三條要求(1)成核期要短，保證微粒在近乎同一時刻形成然后同時長大；(2)在粒子生長期間，在連續(xù)相中新生成的低聚物在析出后形成新粒子之前就已經(jīng)為已有的粒子捕獲，避免出現(xiàn)二次成核；(3)在粒子增長期間不再出現(xiàn)粒子之間的聚并，在成核結(jié)束后粒子的數(shù)目不再發(fā)生變化，只是粒子尺寸不斷變大。如果繼續(xù)形成新核，就會造成粒徑分布變寬，這就要求在粒子生長階段新形成的低聚物或低聚物自由基能完全被粒子吸收。
正是從這里受到啟發(fā)，本發(fā)明在初始階段采用緩慢升溫的方式進(jìn)而降低了引發(fā)劑的生成速度，在整個聚合反應(yīng)過程中產(chǎn)生的自由基濃度基本保持平穩(wěn)，使低聚物或低聚物自由基的生成速度與粒子的吸收速度匹配，避免出現(xiàn)二次成核，使得成核和生長達(dá)到平衡，得到聚甲基丙烯酸甲酯微球的粒徑分布系數(shù)小于5％。當(dāng)然緩慢升溫同時也會使成核階段延長，但是認(rèn)為對其影響并不顯著，大量實驗發(fā)現(xiàn)升溫速度不超過12.5℃/小時可制備出單分散的聚甲基丙烯酸甲酯微球?，F(xiàn)有的技術(shù)并未充分考慮溫度對聚合反應(yīng)的影響，要么是固定在某個溫度，要么沒有明確。根據(jù)引發(fā)劑分解動力學(xué)，在某一確定溫度，引發(fā)劑的分解速度按指數(shù)規(guī)律遞減，這就意味著在聚合反應(yīng)初期自由基濃度非常大，而反應(yīng)后期濃度又很低，導(dǎo)致在甲基丙烯酸甲酯的分散聚合過程中出現(xiàn)二次成核，最終產(chǎn)物粒徑分布過寬或者重復(fù)性差。


圖1固定溫度合成得到的聚甲基丙烯酸甲酯微球的顯微鏡照片圖2通過控制升溫速度得到的聚甲基丙烯酸甲酯微球的顯微鏡照片具體實施方式
以下結(jié)合實施例，進(jìn)一步描述本發(fā)明的內(nèi)容，但這些實施例的目的并不在于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實施例1將1.5g的PVPK-30溶解在25.0g的甲醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有75mgAIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照12.5℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在50℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑3.67μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為3.21％。
實施例2將0.5g的PVP K-30溶解在25.0g的乙醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有150mg AIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照5℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在40℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑2.83μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為4.37％。
實施例3將1.5g的PVPK-30溶解在25.0g的甲醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有12.5mgAIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照10℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在55℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑4.01μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為2.88％。
實施例4將0.5g的羥基丙基纖維素溶解在12.5g的異丙醇和12.5g的水中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有37.5mg AIBN的1.25g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照10℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在65℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑2.55μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為4.82％。
實施例5將1.5g的PVP K-90溶解在25g的甲醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有75mg AIBN的5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照8℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在55℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑3.28μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為4.07％。
實施例6穩(wěn)定劑聚丙烯酸的合成。將丙烯酸30g，BPO0.03g和二氧六環(huán)70g加入到250ml三頸瓶中，在N2保護(hù)下于65℃攪拌10h后，經(jīng)石油醚沉降、真空干燥得穩(wěn)定劑聚丙烯酸。
將前面合成的1.5g聚丙烯酸溶解在25g的甲醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有75mgBPO的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照6℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在70℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑5.19μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為3.31％。
實施例7將1.5g的PVP K-30溶解在12.5g的甲醇和12.5g的去離子水混合溶劑中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有75mg AIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照12.5℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在50℃，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑4.11μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為4.81％。
實施例8將1.5g的PVP K-30溶解在20.0g的甲醇和0.5g的去離子水混合溶劑中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有75mg AIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。按照12.5℃/小時的速度升溫，最后穩(wěn)定在55℃，反應(yīng)8小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑3.26μm，產(chǎn)品數(shù)粒徑分布CV為3.88％。
比較例1將1.5g的PVPK-30溶解在25.0g的甲醇中，轉(zhuǎn)移到100ml的玻璃容器中，再加入含有12.5mg AIBN的2.5g的MMA中，通N210分鐘，然后放入攪拌子，密封容器開口，放在磁力攪拌器上以60rpm的速度均勻攪拌，在整個反應(yīng)過程中維持該轉(zhuǎn)速。將容器放入55℃的恒溫浴，反應(yīng)18小時，反應(yīng)結(jié)束后用甲醇離心/重新分散洗滌4次，室溫下抽真空干燥。平均粒徑3.27μm，品數(shù)粒徑分布CV為15.39％。
比較例1說明，采用恒溫方式，所得微球的分散性較差，而采用本發(fā)明的緩慢升溫方式，所得微球的分散性明顯改善。
權(quán)利要求
1.一種合成單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯微球的方法；包括以下步驟(1)稱取一定量的穩(wěn)定劑，溶解在醇/水分散介質(zhì)中，倒入容器中，再向容器中加入溶解有引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯；(2)通入N2清除氧氣，將容器放入恒溫中，開始升溫，在整個反應(yīng)過程中維持均勻攪拌，在溫度穩(wěn)定后再反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后，用醇離心/重新分散洗滌，室溫下抽真空干燥即得單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯。
2.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)中所述的穩(wěn)定劑是聚乙烯基吡咯烷酮PVP K-15、PVP K-25、PVP K-30、PVP K-90、聚丙烯酸、羥基丙基纖維素、聚乙二醇、聚氧乙烯大分子單體中的一種，穩(wěn)定劑用量為單體甲基丙烯酸甲酯重量的20～60％。
3.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)中所述的醇是五個碳以下的低級一元醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇。
4.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)中所述的醇/水分散介質(zhì)的重量比例可以是100/0～50/50。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)中所述的引發(fā)劑是甲基丙烯酸甲酯重量0.5～6％的AIBN或者BPO。
6.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(1)中所述的甲基丙烯酸甲酯的用量為分散介質(zhì)重量的5～20％。
7.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(2)中所述的恒溫浴體系升溫方法是按照升溫速度不超過12.5℃/小時，不低于5℃/小時。
8.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(2)中所述的恒溫浴體系最后穩(wěn)定溫度為40～70℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在甲基丙烯酸甲酯的分散聚合的初始階段采用控制升溫速度的辦法來制備單分散微米級聚甲基丙烯酸甲酯的方法。已經(jīng)公開的甲基丙烯酸甲酯分散聚合制備的聚甲基丙烯酸甲酯微球的單分散性難以滿足要求，重復(fù)性差，本發(fā)明嚴(yán)格控制升溫速度，按照升溫速度不超過12.5℃/小時，不低于5℃/小時均勻升溫條件下制備的微球粒徑大小十分均一，微球平均粒徑在2.5μm～8μm，粒徑分布系數(shù)0.01～0.05。單分散的聚甲基丙烯酸甲酯微球在功能高分子材料制備，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的臨床診斷、檢驗、免疫技術(shù)、細(xì)胞學(xué)等的研究有廣泛應(yīng)用。
文檔編號C08F2/44GK101054427SQ20071011128
公開日2007年10月17日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者張叢云, 周衛(wèi)東 申請人:北京舟鼎國生物技術(shù)有限責(zé)任公司