專利名稱：具有溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)的空心球的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能高分子材料領(lǐng)域，涉及環(huán)境響應(yīng)空心球的制備技術(shù)，具 體是一種以聚N—異丙基丙烯酰胺為主要原料的具有溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和 pH響應(yīng)的空心球的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，高分子空心球在催化領(lǐng)域，緩釋藥物的包裝，人造細(xì)胞的模擬， 活性生物大分子的包覆保護(hù)以及顏料載體等領(lǐng)域有很大的潛在應(yīng)用價值。具 有環(huán)境響應(yīng)能力的空心微球，由于具有巨大的潛在用途和實(shí)用化價值，更是 本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。其中，溫度響應(yīng)是環(huán)境響應(yīng)中重要的一種，具備溫 度響應(yīng)能力的空心球材料在生物，醫(yī)藥，化工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。目 前，人們研究和使用最多的一類環(huán)境響應(yīng)高分子材料是聚N-異丙基丙烯酰胺 (PNIPAM)。 PNIPAM具有溫敏性，在32'C左右發(fā)生相轉(zhuǎn)變，該溫度就是其最 低臨界互溶溫度(LCST)。在LCST以下，PNIPAM呈親水性，高分子鏈呈舒展?fàn)?態(tài)，在LCST以上，PNIPAM呈疏水性，高分子鏈呈收縮狀態(tài)。因此，若溫度在 其相轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生微小變化，就會引起高分子鏈的收縮或擴(kuò)張，從而引 起微球體積的巨大變化。
目前，合成這種PNIPAM空心球最常用的方法是模板法，即用--種特定的 粒子作為模板，然后對該粒子的表面進(jìn)行修飾，如引入雙鍵等，然后進(jìn)行聚 合，在模板表面包覆上一層高分子材料。最后，加入腐蝕劑將模板除去 (Liusheng Zha， Yan Zhang， Wuli Yang， Shoukuan Fu， Advanced Materials, 2002， 14， 1090.)。該方法能有效地得到空心球，但是該方法步驟較多，處 理繁瑣，加工成本高。另外，最后一步腐蝕劑的加入會對體系造成污染，從 而影響其應(yīng)用范圍。同時，在空心球尺寸的控制手段上，模板法為了獲得不 同尺寸的空心球，必須合成不同尺寸的模板，顯然，這種手段受模板合成技 術(shù)的限制，核心技術(shù)是模板粒子尺寸控制技術(shù)。同時，在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)所使用環(huán)境和目的的變化，往往需要PNIPAM空心球具有對環(huán)境多參數(shù)響應(yīng) 能力，如，具有不同的LCST值，或者除了具備溫敏性外，還要求具備pH敏 感性。然而，目前文獻(xiàn)中還沒有針對PNIPAM空心球功能化的相關(guān)報導(dǎo)。因此， 本發(fā)明是為了找到一種簡單，方便的合成，尺寸控制和功能化的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種無需模板材料的,簡單，方便的合成聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)為主體，其 它水溶性功能聚合物為輔的空心球的方法。
本發(fā)明的目的之二是提供一種無需模板材料的，簡單的對合成出的聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)為主體，其 它水溶性功能聚合物為輔的空心球尺寸控制的手段。
本發(fā)明的目的之三是提供一種無需模板材料，合成以聚N-異丙基丙烯酰 胺(PNIP層)為主體的，并且具備溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)的空心球的 制備方法。
本發(fā)明提出的制備聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-異丙基丙烯 酰胺(PNIPAM)為主體，其它水溶性功能聚合物為輔的空心球方案的特征， 是基于N—異丙基丙烯酰胺在水溶液中的沉淀聚合反應(yīng)，該方案分為三個階 段第一個階段是PNIPAM的成核階段，由于當(dāng)溫度高于最低臨界互溶溫度 (LCST)時，PNIPAM呈疏水性，生成的PNIPAM低聚物聚集成核。第二階段，即 核的增長階段，加入交聯(lián)劑，這樣隨著核的增長，在核的外圍形成一層交聯(lián) 的殼層，由此可以得到一個核殼結(jié)構(gòu)。這種核殼結(jié)構(gòu)的核和殼均是由PNIPAM 組成，但核是非交聯(lián)的，殼是交聯(lián)的。若在該階段，在加入交聯(lián)劑的同時， 加入水溶性功能單體，這樣上述未反應(yīng)完全的N-異丙基丙烯酰胺單體和水溶 性功能單體共聚，同時在所加入交聯(lián)劑的作用下，包覆在上述核表面，得到 的核殼結(jié)構(gòu)，其核是由PNIP層組成，殼層是以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIP旭) 為主體，水溶性聚合物為輔的共聚物組成。在第三階段，將溫度降低至LCST 以下，PNIPAM將由疏水性變?yōu)橛H水性，非交聯(lián)的核將會解散，并透過交聯(lián)的 殼層向外擴(kuò)散，最終形成聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-異丙基丙 烯酰胺(PNIPAM)為主體，其它水溶性功能聚合物為輔的空心結(jié)構(gòu)；這一過 程不需要加入任何腐蝕劑，可以看作是一個"自去除"的過程。
本發(fā)明提出的空心球尺寸控制手段的特征是在N—異丙基丙烯酰胺聚合體系中加入占單體含量0 2% (摩爾百分含量)的表面活性劑。
本發(fā)明提出的對PNIPAM空心球進(jìn)行溫度響應(yīng)或溫度和pH響應(yīng)特性控制
方法的特征是在第一階段結(jié)束后，即成核階段完成后，在加入交聯(lián)劑的同
時，加入水溶性功能單體。
本發(fā)明的具有溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)的空心球的制備方法包括
以下步驟
(1) .配制N-異丙基丙烯酰胺單體(NIPAM)水溶液，濃度為l 50g/L， 以10 20g/L為宜，同時加入占N-異丙基兩烯酰胺單體摩爾百分含量為0 2%的表面活性劑；
(2) .在步驟(1)的單體溶液中通氮?dú)庖猿ンw系中的氧氣后，加入占 N-異丙基丙烯酰胺摩爾百分含量0.5 5°/。的引發(fā)劑，將體系封閉，在溫度為 35 8(TC的水浴引發(fā)聚合；
(3) .待步驟(2)的體系聚合開始并成核(體系由無色變?yōu)闇\藍(lán)色)后， 注入占N-異丙基丙烯酰胺摩爾百分含量0 50%的水溶性功能單體，同時將交 聯(lián)劑溶液注射入體系中，反應(yīng)繼續(xù)3 12小時，其中，交聯(lián)劑占N-異丙基丙 烯酰胺和水溶性功能單體摩爾總量的百分比為0. 5 5%;
(4) .將步驟(3)的體系溫度降低至聚N-異丙基丙烯酰胺的最低臨界互 溶溫度以下(5 30°C)，攪拌產(chǎn)物；
(5) .以8000 12000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集步驟(4)的聚N-異 丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)為主體，其它 水溶性功能聚合物為輔的空心球產(chǎn)物。
所述的步驟(2)在單體溶液中通氮?dú)庖猿ンw系中的氧氣的時間是10 40分鐘。
所述的步驟(5)攪拌產(chǎn)物時間為24 48小時。
本發(fā)明中使用的表面活性劑選自十二烷基硫酸鈉(SDS)，琥珀酸二(2-乙 基已基)酯磺酸(AOT)，十六垸基三甲基溴化銨(CTAB)，十八烷基三甲基氯 化銨等中的一種。
本發(fā)明中使用的引發(fā)劑選自2，2'-偶氮二異丁腈(AIBN)，過氧化苯甲酰 (BPO)，過硫酸銨(APS)，或過硫酸銨一 N,N，N'，N'-甲基乙二胺(TMEA)， 過氧化氫一亞硫酸氫鈉組成的氧化還原引發(fā)體系等中的一種。
本發(fā)明中使用的交聯(lián)劑選自二乙烯基苯，N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，二甲 基二烯丙基氯化銨等中的一種。本發(fā)明中使用的水溶性功能單體選自丙烯酰胺(AM)，甲基丙烯酰胺 (MAM)， N—羥甲基丙烯酰胺(HAM)，丙烯酸(AA)，甲基丙烯酸(MAA)， N— 乙烯基咪唑(VI), N—乙烯基吡咯烷酮(VP)， 2 —丙烯酰胺基一2—甲基丙磺 酸(AMPS),甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)等中的一種或一種以上 的混合物。
本發(fā)明中，在步驟(3)成核階段的特征是體系由無色變?yōu)闇\藍(lán)色。 本發(fā)明中，步驟(4)(自去除過程)的特征在于將溫度降至聚N-異丙基 丙烯酰胺最低臨界互溶溫度(LCST)以下，以20 25'C為宜。
本發(fā)明中，加入表面活性劑可以調(diào)節(jié)本發(fā)明方法所得到的空心球的尺寸。 通過調(diào)節(jié)表面活性劑的含量在0 2%(摩爾百分含量)之間，可以控制聚N-異 丙基丙烯酰胺(PNIP旭)或以聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)為主體，其它 水溶性功能聚合物為輔的空心球的外徑尺寸在100 1000nm，空腔直徑為80 800歷。
本發(fā)明中，加入水溶性功能單體可以調(diào)節(jié)空心球的LCST。通過加入不同 功能單體和通過調(diào)整功能單體的摩爾百分比含量在0 50%間，可以控制空心 球的LCST在30 70。C。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的模板法相比，具有以下特點(diǎn)l.采用"一鍋法"合成， 簡單，方便。2.提供了一種簡單，有效的控制空心球尺寸的方法，僅需通過 調(diào)節(jié)加入的表面活性劑的含量，就可以實(shí)現(xiàn)空心球尺寸的控制。3.本發(fā)明通 過控制加入的水溶性功能單體的種類和含量，可以實(shí)現(xiàn)對空心球LCST的控制， 和賦予空心球pH敏感性。4.本發(fā)明所制備的空心球的粒徑(外徑)特征為尺 寸在100 1000nm，空腔直徑80 800nm。 5.本發(fā)明所制備的空心球的溫度響 應(yīng)范圍為30 70°C 。 6.本發(fā)明所制備的空心微球的pH響應(yīng)范圍為2 10。


圖l.為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的PNIPAM空心球透射電鏡照片。
圖2.為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的PNIP扁空心球溫敏曲線。
圖3.為本發(fā)明實(shí)施例7所制備的PNIP層一5XPAA空心球pH敏感曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1.
配制13.6 g/L的N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在N-異丙基丙烯酰 胺水溶液中通氮?dú)?5分鐘后，加入24 g/L AIBN的N， N-二甲基甲酰胺(DMF) 溶液2ml。將反應(yīng)器密封后，在6(TC水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán) 色時，用注射器加入9.2 g/L 二甲基二烯丙基氯化銨4ml，繼續(xù)反應(yīng)8小時。 然后將體系降溫至室溫(25。C左右)，攪拌36小時。將溶液以8000r/min的 轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在32"C， 外徑尺寸在800 1000nm左右，空腔直徑為600 800nm。其電鏡照片如圖1 所示，溫敏曲線如圖2所示。
實(shí)施例2.
配制6.8 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮?dú)?5 分鐘后，加入35 g/L過氧化苯甲酰(BPO)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶 液2ml，將反應(yīng)器密封后，在60。C水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán)色 時，用注射器加入9.2 g/L N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺2ml，同時加入8.6 g/L 的丙烯酰胺溶液5ml，繼續(xù)反應(yīng)12小時。然后將體系降溫至室溫(25。C左右)， 攪拌36小時。將溶液以10000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的含5mo1 XP細(xì)的PNIP扁空心球具有溫敏性，其LCST約在36。C，外徑尺寸在800 1000nm左右，空腔直徑為600 800nm。
實(shí)施例3.
配制6.8 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮?dú)?5 分鐘后，加入2 g/L過氧化氫溶液2ml， 6 g/L的亞硫酸氫鈉溶液2ml。將反 應(yīng)器密封后，在5(TC水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注射器 加入9. 2 g/L N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺2ml，同時加入17. 2 g/L的丙烯酰胺 溶液5ml。繼續(xù)反應(yīng)4小時。然后將體系降溫至室溫(25。C左右)，攪拌36小 時。將溶液以10000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的含10mol%PAM的 PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在41°C，外徑尺寸在800 1000nm左 右，空腔直徑為600 800nm。實(shí)施例4.
配制6.8 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮?dú)?5 分鐘后，加入2 g/L過氧化氫溶液2ml， 6 g/L的亞硫酸氫鈉溶液2ml。將反 應(yīng)器密封后，在5(TC水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注射器 加入9. 2 g/L N， N'-亞甲基雙丙烯酰胺2ml，同時加入13. 4 g/L的2 —丙烯酰 胺基_2—甲基丙磺酸(AMPS)溶液5ml。繼續(xù)反應(yīng)4小時。然后將體系降溫 至室溫(25。C左右)，攪拌36小時。將溶液以10000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上 收集。得到的含2mol^PAMPS的PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在37 °C，外徑尺寸在800 1000nm左右，空腔直徑為600 800nm。
實(shí)施例5.
配制13. 6 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml，加入17. 2 g/L的SDS水 溶液4ml。在上述溶液中通氮?dú)?5分鐘后，加入24 g/L AIBN的N，N-二甲基 甲酰胺(DMF)溶液2ml。將反應(yīng)器密封后，在60。C水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由 透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注射器加入9.2 g/L 二甲基二烯丙基氯化銨溶液4ml， 繼續(xù)反應(yīng)8小時。然后將體系降溫至室溫(25"C左右)，攪拌36小時。將溶 液以12000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的PNIPAM空心球具有溫敏性， 其LCST約在32-C，外徑尺寸在150 200nm左右，空腔直徑為100 150nm。
實(shí)施例6.
配制13.6 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml，加入17.2 g/L的SDS 水溶液2ml。在上述溶液中通氮?dú)?5分鐘后，加入24 g/L AIBN的N， N-二甲 基甲酰胺(DMF)溶液2ml。將反應(yīng)器密封后，在6(TC水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系 由透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注射器加入9.2 g/L 二甲基二烯丙基氯化銨溶液 4ml，同時加入8.6 g/L的丙烯酰胺溶液5ml，繼續(xù)反應(yīng)8小時。然后將體系 降溫至室溫(25"C左右)，攪拌36小時。將溶液以12000r/min的轉(zhuǎn)速在離心 機(jī)上收集。得到的含5mol%PAM的PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在 32°C，外徑尺寸在250 300nm左右，空腔直徑為150 200nm。
實(shí)施例7.
配制6.8 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮?dú)?5 分鐘后，加入過氧化苯甲酰(BPO)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。將反應(yīng)器密封后，在70°C水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注
射器加入9. 2 g/L N， N'-亞甲基雙丙烯酰胺2ml，同時加入8. 6 g/L的丙烯酸 溶液5ml。繼續(xù)反應(yīng)4小時。然后將體系降溫至室溫(25。C左右)，攪拌36小 時。將溶液以10000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的含5mol%PAA的 PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在34°C ，外徑尺寸在600 700nm左右， 空腔直徑為600 800nm。該空心球同時具有pH敏感性，pH響應(yīng)范圍2 10。 pH敏感曲線如圖3所示。
實(shí)施例8.
配制13. 6 g/L N-異丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮?dú)?5 分鐘后，加入24 g/L AI麗的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。將反應(yīng)器 密封后，在6(TC水浴引發(fā)聚合。當(dāng)體系由透明變?yōu)闇\藍(lán)色時，用注射器加入 9.2 g/L 二甲基二烯丙基氯化銨溶液4ml，同時加入12.4 g/L的乙烯基咪唑 (VI)水溶液10ml。繼續(xù)反應(yīng)8小時。然后將體系降溫至室溫(25X:左右)， 攪拌36小時。將溶液以10000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集。得到的含lOmol %PVI的PNIPAM空心球具有溫敏性，其LCST約在36°C ，外徑尺寸在600 700nm 左右，空腔直徑為500 600nm。該空心球同時具有pH敏感性，pH響應(yīng)范圍2 10。
權(quán)利要求
1.一種具有溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)的空心球的制備方法，其特征是所述的方法包括以下步驟(1).配制N-異丙基丙烯酰胺單體水溶液，濃度為1～50g/L，同時加入占N-異丙基丙烯酰胺單體摩爾百分含量為0～2％的表面活性劑；(2).在步驟(1)的單體溶液中通氮?dú)庖猿ンw系中的氧氣后，加入占N-異丙基丙烯酰胺摩爾百分含量0.5～5％的引發(fā)劑，將體系封閉，在溫度為35～80℃的水浴引發(fā)聚合；(3).待步驟(2)的體系聚合開始并成核后，注入占N-異丙基丙烯酰胺摩爾百分含量0～50％的水溶性功能單體，同時將交聯(lián)劑溶液注射入體系中，反應(yīng)繼續(xù)3～12小時，其中，交聯(lián)劑占N-異丙基丙烯酰胺和水溶性功能單體摩爾總量的百分比為0.5～5％；(4).將步驟(3)的體系溫度降低至聚N-異丙基丙烯酰胺的最低臨界互溶溫度以下，攪拌產(chǎn)物；(5).以8000～12000r/min的轉(zhuǎn)速在離心機(jī)上收集步驟(4)的聚N-異丙基丙烯酰胺或以聚N-異丙基丙烯酰胺為主體，其它水溶性功能聚合物為輔的空心球產(chǎn)物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的表面活性劑選自十二烷 基硫酸鈉，琥珀酸二(2-乙基已基)酯磺酸，十六垸基三甲基溴化銨，十八垸 基三甲基氯化銨中的一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的引發(fā)劑選自2，2'_偶 氮二異丁腈，過氧化苯甲酰，過硫酸銨，或過硫酸銨一 N，N,N'，N'-甲基乙二 胺，過氧化氫_亞硫酸氫鈉組成的氧化還原弓I發(fā)體系中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的交聯(lián)劑選自二乙烯基 苯，N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，二甲基二烯丙基氯化銨中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的水溶性功能單體選自 丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，N—羥甲基丙烯酰胺，丙烯酸，甲基丙烯酸，N— 乙烯基咪唑，N—乙烯基吡咯烷酮，2 —丙烯酰胺基一2—甲基丙磺酸，甲基丙 烯酰氧乙基三甲基氯化銨中的一種或一種以上的混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟(1)配制N-異丙基丙烯酰胺單體水溶液的濃度為10 20g/L 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟(4)將溫度降至 聚N-異丙基丙烯酰胺最低臨界互溶溫度以下，溫度是20 25"C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征是所述的空心球的溫度響應(yīng)范圍 為30 70。C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的空心球的pH響應(yīng)范圍 為2 10。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1、 8或9所述的方法，其特征是所述的空心球的外 徑尺寸在100 1000nm，空腔直徑為80 800nm。
全文摘要
本發(fā)明屬于功能高分子材料領(lǐng)域，具體是以聚N-異丙基丙烯酰胺為主要原料的具有溫度響應(yīng)或溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)的空心球的制備方法。本發(fā)明是基于N-異丙基丙烯酰胺在水溶液中的沉淀聚合反應(yīng)，當(dāng)溫度高于最低臨界互溶溫度時，PNIPAM呈疏水性，生成的PNIPAM低聚物聚集成核。在核的增長階段，加入交聯(lián)劑，在核的外圍形成一層交聯(lián)的殼層，由此可以得到一個核殼結(jié)構(gòu)。若在該階段，在加入交聯(lián)劑的同時，加入水溶性功能單體，其核是由PNIPAM組成，殼層是以PNIPAM為主體，水溶性聚合物為輔的共聚物組成。將溫度降低至最低臨界互溶溫度以下，最終形成PNIPAM或以PNIPAM為主體，其它水溶性功能聚合物為輔的空心結(jié)構(gòu)。
文檔編號C08F20/56GK101289522SQ200710098458
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者吳飛鵬, 健 錢 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所