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粒径和孔径可控的多孔交联聚苯乙烯微球的制备
黄广诚a,b, 邱比特a, 刘亚栋a, 赵辉c, 季生象a,*
a中国科学院长春应用化学研究所 长春 130022
b中国科学院大学 北京 100049
c山西科瑞迪生物科技有限公司 太原 030032
通讯联系人:季生象,研究员; Tel:0431-85262286; Fax:; E-mail:sji@ciac.ac.cn; 研究方向:高分子化学、生物基高分子、嵌段共聚物薄膜
摘要

采用悬浮聚合方法合成了多孔交联聚苯乙烯微球,研究发现微球的粒径与分散剂含量、水油比、搅拌速度和成孔剂有关,而微球的孔径与成孔剂的种类和含量有关。 增加分散剂的用量,提高水油比和加快搅拌速度都能导致微球的粒径减小。 微球的孔径和粒径均随着成孔剂与聚合物溶度参数差值变大而增加。通过改变以上条件得到粒径为100~300 μm和孔径为8~36 nm的交联度为27%的多孔交联聚苯乙烯微球,并利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜(SEM)和氮气吸附解吸法对微球进行了相应的表征。 得到的微球在固相合成载体中有一定的应用前景。

关键词: 悬浮聚合; 多孔微球; 交联微球
中图分类号:O631 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2016)04-0406-06
Synthesis and Characterization of Crosslinked Porous Poly(styrene- co-divinylbenzene) Microspheres with Tunable Particle and Pore Diameters
HUANG Guangchenga,b, QIU Bitea, LIU Yadonga, ZHAO Huic, JI Shengxianga
a Key Laboratory of Polymer Ecomaterials,Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China
bUniversity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
cShanxi Keruidi Biotechonology Co. Ltd.,Taiyuan 030032,China
Corresponding author:JI Shengxiang, professor; Tel:0431-85262286; Fax:; E-mail:sji@ciac.ac.cn; Research interests:polymer chemistry, biomass-based polymer, block copolymer thin film
Abstract

Crosslinked porous poly(styrene- co-divinylbenzene) microspheres with tunable particle and pore diameters were synthesized by suspension polymerization and characterized by optical microscopy, SEM and N2 adsorption-desorption isotherm. The particle diameters can be controlled by tuning the content of poly(vinyl alcohol), the water-oil ratio, the stirring rate and the amount of porogen. At the same time, the pore diameters can be tuned by adjusting the type and amount of porogens and the ratio of mixed porogens. The particle diameters decrease with the increase of the amount of PVA, the water-oil ratio and the stirring rate. Both the particle and pore diameters increase with the increase of the amount of porogen and the difference in solubility parameters between the polymer and the porogen. The particle and pore diameters of crosslinked microspheres with 27% crosslinking density are controlled in the range of 100~300 μm and 8~36 nm, respectively. These porous poly(styrene- co-divinylbenzene) microspheres are suitable supports for solid phase synthesis.

Keyword: suspension polymerization; porous sphere; crosslinked particle

上世纪60年代,Merrifield[1]提出了固相多肽合成方法,为多肽的研究展开了崭新的一面,与经典的液相多肽合成方法相比,固相合成可得到较高的产率和纯度,减少了后处理的步骤,并容易实现生产的自动化。 经过多年的发展,固相多肽合成已经发展成为多肽化合物制备的重要手段。

在固相多肽合成的方法中,固相载体是一个重要的影响因素。 目前, 广泛用作固相载体的不溶性聚合物材料主要有聚酰胺树脂,TentaGel树脂以及交联聚苯乙烯树脂[2,3,4,5,6]。 聚酰胺类树脂是以聚 N, N-二甲基丙烯酰胺为骨架, N, N-双烯丙酰基乙二胺为交联剂,并引入 N-丙烯酰基甘氨酸甲酯进行自由基共聚,再经乙二胺处理得到。 但是该类树脂机械强度不够,且在极性溶剂中有一定的溶解性,使得该类树脂的应用受到一定的限制。 TentaGel树脂是聚乙二醇接枝改性的交联聚苯乙烯树脂,加入的聚乙二醇链段使得交联聚苯乙烯微球的溶胀性能提高,但是产物很容易受到聚乙二醇链段的污染。 交联聚苯乙烯树脂(一般交联度为1%~2%)因为其优良的热稳定性和机械性且耐酸碱而成为目前固相合成中使用最多的载体。

本文在交联聚苯乙烯微球基础上引入多孔的结构,使得微球的比表面积大大的增加,从而为固相合成提供了更多的反应点,适度提高的交联度使得多孔结构的微球具有一定的强度而又不失去对溶剂的溶胀性能,而且通过调节反应条件实现微球粒径和孔径的控制,得到的微球无需进行任何后续的形状加工,使得多孔交联聚苯乙烯在固相合成的载体中有一定的应用前景。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

苯乙烯(St,99%,Sigma-Aldrich公司),二乙烯基苯(DVB,55%,阿拉丁公司),过氧化二苯甲酰(BPO,含水量25%,Acros公司),聚乙烯醇(PVA,1788型,分析纯,阿拉丁公司),成孔剂甲苯、正庚烷和异辛烷及其余试剂均为北京化工厂分析纯试剂。

SZ780型数码体式显微镜(重庆奥特光学有限公司),ASAP2020型全自动比表面积及中孔、微孔、物理吸附仪(美国Micromeritics公司),S-4800型场发射扫描电镜(日本Hitachi公司)。

1.2 实验方法

在三口瓶中分别加入PVA、PVP和蒸馏水,搅拌并通入N2气20 min。 将St、DVB(St和DVB均经过一段中性氧化铝柱子除去阻聚剂)、BPO和成孔剂混合均匀后加入到上述体系中,保持N2气氛围,搅拌速度调至400 r/min预处理15 min后升温至70 ℃,反应24 h。 反应结束后将反应液过滤,得到的微球用70 ℃热水反复洗涤至滤液澄清,用丙酮索氏抽提24 h后50 ℃真空干燥。

1.3 微球的表征

微球的SEM表征:将干燥后的样品均匀的撒在导电胶上,N2气流吹掉粘接不牢固的微球。 样品喷金约10 s,在加速电压为1 kV和工作距离为2.8~3 mm条件下拍摄。

微球的光学显微镜表征:将干燥的微球均匀地铺在载玻片上,固定80倍率条件下利用电子拍摄系统拍照。 微球的粒径及分布是统计光学显微镜拍摄的300~500个微球粒径的平均值。

2 结果与讨论
2.1 微球粒径的控制

2.1.1 分散剂聚乙烯醇与微球粒径的关系 PVA的分散作用是通过以下3个方面来实现:1)增加水相的黏度,使得液滴运动阻力增加,碰撞几率减小;2)降低水油的表面张力,使得液滴能稳定的存在体系中;3)PVA能在油滴表面形成一层保护层,起到保护液滴的作用。 保持其它各组分不变(如表1所示),当PVA的投入量从0.1 g增加至0.35 g时,微球的粒径从220 μm减小至180 μm。 当PVA的投入量低于0.1 g时,得到的将会是聚集在一起的微球(图1),因为当PVA投入量过少时,液滴碰撞几率增大,同时液滴表面张力增大,趋向于聚集,所以得到聚集状的微球。 反之当PVA的投入量大于0.35 g时,液滴表面张力过低且碰撞几率减少,在搅拌的作用下微球发生破碎。

表1 分散剂PVA用量和微球粒径的关系 a Table 1 Relation between the amount of PVA and the particle diameter

图1 聚集( A)和破碎( B)的微球光学显微镜照片Fig.1 Optical images of aggregated( A) and broken( B) particles

2.1.2 水油比与微球粒径的关系 水油比即水相和油相的质量比例。保持其它各组分不变(表2),油相的质量从13 g增加至40 g,微球的粒径增加了约40 μm。 即随着水油比的减小,微球的粒径增大。 因为体系油相含量增加(假设液滴总数不变),单位界面上分散剂浓度减少,那么分散剂将从水相中输入至水油界面,保持液滴的界面张力,结果水相粘度下降,液滴碰撞几率增大,液滴趋于合并;如果液滴总数减少(液滴总数不可能增大),那么液滴将变大,结果同样导致微球粒径变大。 当水油比低于一定值时(如表2中实验6),分散剂不足以维持液滴的表面张力,将发生聚集;反之(如表2中实验1)分散剂浓度过高,液滴表面张力过低,不足以维持球形,在搅拌的作用下发生破碎。

表2 水油比和微球粒径的关系 a Table 2 Relation between the ratio of water to oil and the particle diameter

2.1.3 转速与微球粒径的关系 保持各组分不变,搅拌速度从300 r/min增至400 r/min时,微球的粒径从222 μm下降至180 μm(如表3所示)。 当搅拌速度增加时,液滴受到的剪切力增大,表面张力不足以维持原状态的液滴,较大的液滴就会裂分为小液滴。 液滴裂分后导致液滴总数增多,单位面积分散剂浓度降低,表面张力提高。 当表面张力提高到能维持液滴在高剪切力作用下的状态时便保持恒定。 再提高搅拌速度,液滴就继续裂分,所以微球的平均粒径随着搅拌速度的增加而减小。 如果搅拌速度过低,液滴碰撞几率提高,将会发生聚集(如表3实验1);如果搅拌速度过高,液滴将在高剪切作用力下发生破碎(如表3实验5)。 所以搅拌速度必须控制在一定范围内才能调节微球的粒径。

表3 转速和微球粒径的关系 a Table 3 Relation between the agitation rate and the particle diameter

2.1.4 成孔剂的种类和含量与微球粒径的关系 在控制微球孔径过程中,保持其它各组分不变,发现当成孔剂由甲苯改为正庚烷后,微球粒径增加了约120 μm(见表4)。 但成孔剂用量超出一定范围时,微球便发生破碎(表4实验1和6)。 我们推测是因为成孔剂过多,导致液滴单体浓度下降,聚合过程粘度过低,聚合中期时在剪切作用下容易破碎。 成孔剂对微球粒径的影响是因为良溶剂和不良溶剂对聚苯乙烯的相互作用参数不同。 甲苯是聚苯乙烯的良溶剂,而正庚烷是聚苯乙烯的不良溶剂。 在反应过程中,用不良溶剂正庚烷作为成孔剂时,由于聚苯乙烯和正庚烷之间的相互作用较大,体系会较早的出现相分离,沉淀出来的大分子链在不良溶剂中处于蜷缩状态,分子链之间的缠结较多,形成的微凝胶核溶剂化程度低,因而形成的交联网络会较大,即所形成的孔径越大。 而甲苯作为成孔剂时,体系出现相分离时间较晚,分子链溶剂化程度高,链间缠结较少,微凝胶核与核之间几乎没有缝隙,这样的情况下产生的微孔甚至超出仪器的检测范围而显示无孔状态[7]。 所以,在反应物质量不变,成孔剂体积相同的前提下,成孔剂影响微球粒径的可能原因是微球孔径的变化引起密度的变动,从而导致微球体积的改变。

表4 成孔剂的种类和含量对微球粒径的影响 a Table 4 Influence of the type and amount of porogen on the particle diameter
2.2 微球孔径的控制

影响微球孔径的因素有两个,一个是交联剂的用量,另一个是成孔剂的种类和用量。 文中主要是通过改变成孔剂的种类和用量来控制微球的孔径。 根据成孔剂和共聚物的热力学相容性把成孔剂分为良溶剂和不良溶剂,可用两者的Hildebrand溶度参数差值来表示,如式(1)所示

Δδ=|δ1-δ2|(1)

式中, δ1 δ2分别代表成孔剂和共聚物的溶度参数,当Δ δ<1.0 (MPa)1/2,说明成孔剂和共聚物相容性好,是良溶剂;当Δ δ>3.0 (MPa)1/2时,则为不良溶剂。 如果是两种不同的溶剂混合作为成孔剂,那么可以通过式(2)来计算其溶度参数,其中 a b代表混合溶剂中两种溶剂所占的体积分数。表5列出了文章所用的成孔剂和聚合物的溶度参数值。

δ=aδ1+bδ2(2)

表5 成孔剂和聚合物的Hildebrand溶度参数 Table 5 The solubility parameters of porogens and the polymer

微球的孔径可以通过改变成孔剂的种类和含量来控制(如表6)。 当成孔剂由甲苯改为正庚烷后,微球由无孔状态变成平均孔径达36nm的多孔状态(如图2)。 即孔径随着成孔剂和共聚物之间溶度参数差值增大而增大,与文献报道所得结果一致[8]

表6 成孔剂的种类和含量对微球孔径的影响 a Table 6 Influence of the type and amount of porogen on the pore diameter

图2 微球孔径分布图Fig.2 Distribution of the pore diameters of microspheres A.8 nm; B.15 nm; C.36 nm

2.3 微球的形貌

图3 A B是140倍率光学显微镜的微球图片;图 A是成孔剂为10 g甲苯时的微球图片,在光学显微镜底下是透明的微球;而图 B是成孔剂为10 g正庚烷时的微球图片,为不透明的微球。 因为成孔剂为甲苯时,形成的微孔极小甚至无孔,所以是无定型质均的微球,呈现透明状。 而成孔剂为正庚烷时,形成的平均孔径在36 nm,最大的孔径达微米级,导致光在聚苯乙烯和空气界面发生折射,使得微球呈现不透明状。 图 C和图 D是图 B中微球的SEM照片。 图 C是放大至10万倍率下微球表面的形貌,能够非常清晰的看到微球表面孔洞的存在; 图 D是微球内部的结构,与文献[9,10]中多孔微球内部生长的机理十分吻合。

图3 微球形貌照片Fig.3 Optical( A, B) and SEM( C, D) images of particles C.surface structure; D.internal structure

3 结 论

采用悬浮聚合方法合成了多孔交联聚苯乙烯微球,与一般文献报道的低交联聚苯乙烯微球(一般交联度为1%~2%)不同,作者合成高交联度的多孔交联聚苯乙烯微球(交联度为27%),保证了微球的机械强度,尤其是微球内部孔径的机械强度,避免微球在后期处理中出现孔径的坍塌。 通过分析分散剂用量、水油比、搅拌速度和成孔剂种类对微球粒径的影响,实现了对微球粒径在100~300 μm范围的有效控制。并且考察了成孔剂的种类和配比对微球孔径的影响,从而实现微球孔径在8~36 nm的可控合成。 合成的微球除了具有一般聚苯乙烯微球优良的热稳定性和机械性能外,其孔道的存在使得微球具有很大的比表面积,在固相合成载体中有一定的应用前景。

参考文献
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