具有温度响应或温度响应和pH响应的空心球的制备方法

摘要

本发明属于功能高分子材料领域，具体是以聚N－异丙基丙烯酰胺为主要原料的具有温度响应或温度响应和pH响应的空心球的制备方法。本发明是基于N－异丙基丙烯酰胺在水溶液中的沉淀聚合反应，当温度高于最低临界互溶温度时，PNIPAM呈疏水性，生成的PNIPAM低聚物聚集成核。在核的增长阶段，加入交联剂，在核的外围形成一层交联的壳层，由此可以得到一个核壳结构。若在该阶段，在加入交联剂的同时，加入水溶性功能单体，其核是由PNIPAM组成，壳层是以PNIPAM为主体，水溶性聚合物为辅的共聚物组成。将温度降低至最低临界互溶温度以下，最终形成PNIPAM或以PNIPAM为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心结构。

说明书

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，涉及环境响应空心球的制备技术，具体是一种以聚N-异丙基丙烯酰胺为主要原料的具有温度响应或温度响应和pH响应的空心球的制备方法。

背景技术

近年来，高分子空心球在催化领域，缓释药物的包装，人造细胞的模拟，活性生物大分子的包覆保护以及颜料载体等领域有很大的潜在应用价值。具有环境响应能力的空心微球，由于具有巨大的潜在用途和实用化价值，更是本领域的研究热点之一。其中，温度响应是环境响应中重要的一种，具备温度响应能力的空心球材料在生物，医药，化工等领域有重要的应用价值。目前，人们研究和使用最多的一类环境响应高分子材料是聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。PNIPAM具有温敏性，在32℃左右发生相转变，该温度就是其最低临界互溶温度(LCST)。在LCST以下，PNIPAM呈亲水性，高分子链呈舒展状态，在LCST以上，PNIPAM呈疏水性，高分子链呈收缩状态。因此，若温度在其相转变温度附近发生微小变化，就会引起高分子链的收缩或扩张，从而引起微球体积的巨大变化。

目前，合成这种PNIPAM空心球最常用的方法是模板法，即用一种特定的粒子作为模板，然后对该粒子的表面进行修饰，如引入双键等，然后进行聚合，在模板表面包覆上一层高分子材料。最后，加入腐蚀剂将模板除去(Liusheng Zha，Yan Zhang，Wuli Yang，Shoukuan Fu，Advanced Materials，2002，14，1090.)。该方法能有效地得到空心球，但是该方法步骤较多，处理繁琐，加工成本高。另外，最后一步腐蚀剂的加入会对体系造成污染，从而影响其应用范围。同时，在空心球尺寸的控制手段上，模板法为了获得不同尺寸的空心球，必须合成不同尺寸的模板，显然，这种手段受模板合成技术的限制，核心技术是模板粒子尺寸控制技术。同时，在实际的应用中，根据所使用环境和目的的变化，往往需要PNIPAM空心球具有对环境多参数响应能力，如，具有不同的LCST值，或者除了具备温敏性外，还要求具备pH敏感性。然而，目前文献中还没有针对PNIPAM空心球功能化的相关报导。因此，本发明是为了找到一种简单，方便的合成，尺寸控制和功能化的方案。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种无需模板材料的，简单，方便的合成聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心球的方法。

本发明的目的之二是提供一种无需模板材料的，简单的对合成出的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心球尺寸控制的手段。

本发明的目的之三是提供一种无需模板材料，合成以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体的，并且具备温度响应或温度响应和pH响应的空心球的制备方法。

本发明提出的制备聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心球方案的特征，是基于N-异丙基丙烯酰胺在水溶液中的沉淀聚合反应，该方案分为三个阶段：第一个阶段是PNIPAM的成核阶段，由于当温度高于最低临界互溶温度(LCST)时，PNIPAM呈疏水性，生成的PNIPAM低聚物聚集成核。第二阶段，即核的增长阶段，加入交联剂，这样随着核的增长，在核的外围形成一层交联的壳层，由此可以得到一个核壳结构。这种核壳结构的核和壳均是由PNIPAM组成，但核是非交联的，壳是交联的。若在该阶段，在加入交联剂的同时，加入水溶性功能单体，这样上述未反应完全的N-异丙基丙烯酰胺单体和水溶性功能单体共聚，同时在所加入交联剂的作用下，包覆在上述核表面，得到的核壳结构，其核是由PNIPAM组成，壳层是以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，水溶性聚合物为辅的共聚物组成。在第三阶段，将温度降低至LCST以下，PNIPAM将由疏水性变为亲水性，非交联的核将会解散，并透过交联的壳层向外扩散，最终形成聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心结构；这一过程不需要加入任何腐蚀剂，可以看作是一个“自去除”的过程。

本发明提出的空心球尺寸控制手段的特征是：在N-异丙基丙烯酰胺聚合体系中加入占单体含量0～2％(摩尔百分含量)的表面活性剂。

本发明提出的对PNIPAM空心球进行温度响应或温度和pH响应特性控制方法的特征是：在第一阶段结束后，即成核阶段完成后，在加入交联剂的同时，加入水溶性功能单体。

本发明的具有温度响应或温度响应和pH响应的空心球的制备方法包括以下步骤：

(1).配制N-异丙基丙烯酰胺单体(NIPAM)水溶液，浓度为1～50g/L，以10～20g/L为宜，同时加入占N-异丙基丙烯酰胺单体摩尔百分含量为0～2％的表面活性剂；

(2).在步骤(1)的单体溶液中通氮气以除去体系中的氧气后，加入占N-异丙基丙烯酰胺摩尔百分含量0.5～5％的引发剂，将体系封闭，在温度为35～80℃的水浴引发聚合；

(3).待步骤(2)的体系聚合开始并成核(体系由无色变为浅蓝色)后，注入占N-异丙基丙烯酰胺摩尔百分含量0～50％的水溶性功能单体，同时将交联剂溶液注射入体系中，反应继续3～12小时，其中，交联剂占N-异丙基丙烯酰胺和水溶性功能单体摩尔总量的百分比为0.5～5％；

(4).将步骤(3)的体系温度降低至聚N-异丙基丙烯酰胺的最低临界互溶温度以下(5～30℃)，搅拌产物；

(5).以8000～12000r/min的转速在离心机上收集步骤(4)的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心球产物。

所述的步骤(2)在单体溶液中通氮气以除去体系中的氧气的时间是10～40分钟。

所述的步骤(5)搅拌产物时间为24～48小时。

本发明中使用的表面活性剂选自十二烷基硫酸钠(SDS)，琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸(AOT)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，十八烷基三甲基氯化铵等中的一种。

本发明中使用的引发剂选自2，2’-偶氮二异丁腈(AIBN)，过氧化苯甲酰(BPO)，过硫酸铵(APS)，或过硫酸铵-N，N，N’，N’-甲基乙二胺(TMEA)，过氧化氢-亚硫酸氢钠组成的氧化还原引发体系等中的一种。

本发明中使用的交联剂选自二乙烯基苯，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，二甲基二烯丙基氯化铵等中的一种。

本发明中使用的水溶性功能单体选自丙烯酰胺(AM)，甲基丙烯酰胺(MAM)，N-羟甲基丙烯酰胺(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-2-甲基丙磺酸(AMPS)，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)等中的一种或一种以上的混合物。

本发明中，在步骤(3)成核阶段的特征是体系由无色变为浅蓝色。

本发明中，步骤(4)(自去除过程)的特征在于将温度降至聚N-异丙基丙烯酰胺最低临界互溶温度(LCST)以下，以20～25℃为宜。

本发明中，加入表面活性剂可以调节本发明方法所得到的空心球的尺寸。通过调节表面活性剂的含量在0～2％(摩尔百分含量)之间，可以控制聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为主体，其它水溶性功能聚合物为辅的空心球的外径尺寸在100～1000nm，空腔直径为80～800nm。

本发明中，加入水溶性功能单体可以调节空心球的LCST。通过加入不同功能单体和通过调整功能单体的摩尔百分比含量在0～50％间，可以控制空心球的LCST在30～70℃。

本发明与传统的模板法相比，具有以下特点：1.采用“一锅法”合成，简单，方便。2.提供了一种简单，有效的控制空心球尺寸的方法，仅需通过调节加入的表面活性剂的含量，就可以实现空心球尺寸的控制。3.本发明通过控制加入的水溶性功能单体的种类和含量，可以实现对空心球LCST的控制，和赋予空心球pH敏感性。4.本发明所制备的空心球的粒径(外径)特征为尺寸在100～1000nm，空腔直径80～800nm。5.本发明所制备的空心球的温度响应范围为30～70℃。6.本发明所制备的空心微球的pH响应范围为2～10。

附图说明

图1.为本发明实施例1所制备的PNIPAM空心球透射电镜照片。

图2.为本发明实施例1所制备的PNIPAM空心球温敏曲线。

图3.为本发明实施例7所制备的PNIPAM-5％PAA空心球pH敏感曲线。

具体实施方式

实施例1.

配制13.6g/L的N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在N-异丙基丙烯酰胺水溶液中通氮气15分钟后，加入24g/L AIBN的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。将反应器密封后，在60℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L二甲基二烯丙基氯化铵4ml，继续反应8小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以8000r/min的转速在离心机上收集。得到的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在32℃，外径尺寸在800～1000nm左右，空腔直径为600～800nm。其电镜照片如图1所示，温敏曲线如图2所示。

实施例2.

配制6.8g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入35g/L过氧化苯甲酰(BPO)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml，将反应器密封后，在60℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L N，N’-亚甲基双丙烯酰胺2ml，同时加入8.6g/L的丙烯酰胺溶液5ml，继续反应12小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以10000r/min的转速在离心机上收集。得到的含5mol％PAM的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在36℃，外径尺寸在800～1000nm左右，空腔直径为600～800nm。

实施例3.

配制6.8g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入2g/L过氧化氢溶液2ml，6g/L的亚硫酸氢钠溶液2ml。将反应器密封后，在50℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L N，N’-亚甲基双丙烯酰胺2ml，同时加入17.2g/L的丙烯酰胺溶液5ml。继续反应4小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以10000r/min的转速在离心机上收集。得到的含10mol％PAM的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在41℃，外径尺寸在800～1000nm左右，空腔直径为600～800nm。

实施例4.

配制6.8g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入2g/L过氧化氢溶液2ml，6g/L的亚硫酸氢钠溶液2ml。将反应器密封后，在50℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L N，N’-亚甲基双丙烯酰胺2ml，同时加入13.4g/L的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶液5ml。继续反应4小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以10000r/min的转速在离心机上收集。得到的含2mol％PAMPS的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在37℃，外径尺寸在800～1000nm左右，空腔直径为600～800nm。

实施例5.

配制13.6g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml，加入17.2g/L的SDS水溶液4ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入24g/L AIBN的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。将反应器密封后，在60℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L二甲基二烯丙基氯化铵溶液4ml，继续反应8小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以12000r/min的转速在离心机上收集。得到的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在32℃，外径尺寸在150～200nm左右，空腔直径为100～150nm。

实施例6.

配制13.6g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml，加入17.2g/L的SDS水溶液2ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入24g/L AIBN的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。将反应器密封后，在60℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L二甲基二烯丙基氯化铵溶液4ml，同时加入8.6g/L的丙烯酰胺溶液5ml，继续反应8小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以12000r/min的转速在离心机上收集。得到的含5mol％PAM的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在32℃，外径尺寸在250～300nm左右，空腔直径为150～200nm。

实施例7.

配制6.8g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入过氧化苯甲酰(BPO)的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。将反应器密封后，在70℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L N，N’-亚甲基双丙烯酰胺2ml，同时加入8.6g/L的丙烯酸溶液5ml。继续反应4小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以10000r/min的转速在离心机上收集。得到的含5mol％PAA的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在34℃，外径尺寸在600～700nm左右，空腔直径为600～800nm。该空心球同时具有pH敏感性，pH响应范围2～10。pH敏感曲线如图3所示。

实施例8.

配制13.6g/L N-异丙基丙烯酰胺水溶液200ml。在上述溶液中通氮气15分钟后，加入24g/L AIBN的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液2ml。将反应器密封后，在60℃水浴引发聚合。当体系由透明变为浅蓝色时，用注射器加入9.2g/L二甲基二烯丙基氯化铵溶液4ml，同时加入12.4g/L的乙烯基咪唑(VI)水溶液10ml。继续反应8小时。然后将体系降温至室温(25℃左右)，搅拌36小时。将溶液以10000r/min的转速在离心机上收集。得到的含10mol％PVI的PNIPAM空心球具有温敏性，其LCST约在36℃，外径尺寸在600～700nm左右，空腔直径为500～600nm。该空心球同时具有pH敏感性，pH响应范围2～10。