專利名稱：活性聚合的方法制備具有核－殼結構的聚合物納米膠束的制作方法
技術領域：
本發明是利用化學合成的方法，即利用活性聚合的方法，由單體及交聯劑出發在一個容器中在高濃度下原位合成出結構穩定的、具有核殼結構的聚合物納米膠束。
背景技術：
聚合物膠束是在小分子膠束基礎上發展起來的新型多功能納米材料。與小分子膠束相比，高分子膠束具有更好的穩定性，更強的負載能力及結構設計上更大的可塑性。
聚合物納米膠束在生物、醫藥、化學化工及特種材料等諸多高技術領域有著極其重要的應用。在生物及醫藥方面，用聚合物膠束制成的載體用于各種制劑的負載及釋放控制。由于聚合物膠束的核-殼結構，使得既可以通過設計聚合物膠束核的結構及成分以適應負載、緩釋等方面要求，又可以設計膠束的殼以滿足生命體相容性的要求。其性能遠優于由聚合物包覆制備的負載及緩釋體系。在化學化工領域，聚合物膠束作為模板，可用于納米材料的粒徑及形態的控制；作為微反應器可用于聚合物的控制合成、催化反應以及高性能催化體系的制備；以及在特種材料領域，可用于光電功能物種的負載等等。因此，對于聚合物膠束的制備及相關研究，人們都給予了高度的重視。有關聚合物膠束的基礎及應用研究十分活躍。自1990年至2001年間，有關聚合物膠束的SCI研究論文從35篇/年逐步發展為2001年的1200多篇/年。專利申請數(美國專利)80年代初的每5年45份遞增為2001年的前5年間的1100多份。
盡管人們對聚合物膠束的研究有大量的人力和物力投入，而且有繼續增加的趨勢，但到目前為止，真正投入產業化的聚合物膠束或相關產品至今未見報導。有兩個原因，其一是穩定性問題。聚合物膠束的制備方法有很多種，其中最重要的方法是在選擇性溶劑中通過嵌段共聚物中兩個嵌段溶解性的差異來制備聚合物膠束。該類膠束的存在是嚴格限制在一定的溶劑組成和溫度范圍內，通常不能適應應用的要求。問題二是濃度太低。現有方法獲得的聚合物濃度一般在0.01％～0.1％范圍內或更低。為了解決上述問題，人們付出了很多努力。代表性工作是由美國的K.L.Wooley，加拿大的G.J.Liu，日本的K.Kataoka等作出的。方法是先在選擇性溶劑中制備成膠束，然后交聯聚合物膠束的殼或核來固定膠束。但是，獲得的聚合物膠束的濃度依然較低(低于0.1％)。濃度低的問題一直未能得到很好的解決。Armes通過制備三嵌段的嵌段共聚物，然后交聯中間嵌段的方法將交聯聚合物膠束的濃度提高到0.1g/mL。但涉及到三嵌段的合成，對聚合物各個嵌段必須精心設計，要實現產業化比較困難。另外，該結構穩定化的聚合物膠束的制備依然是經過先膠束化然后再交聯聚合物膠束這樣兩個步驟。
為了解決上述穩定性及低濃度問題，本課題組發明了將嵌段共聚物在共同溶劑中直接交聯其某一嵌段來獲得具有核-殼結構的聚合物膠束的新方法。該方法用化學交聯方法誘導嵌段共聚物發生膠束化，使得交聯反應與膠束化同時發生。利用非交聯嵌段的屏蔽作用以及交聯過程中分子鏈中非交聯部分構象的快速調整，在高濃度下一步形成穩定的高分子膠束。
發明內容
本發明的目的是用簡便、低成本的方法合成具有核-殼結構的聚合物納米膠束。
本發明的目的是用簡便、低成本的方法合成結構、尺寸可控的聚合物納米膠束。
本發明的目的是用簡便、低成本的方法合成高濃度的聚合物納米膠束。
本發明的目的是用簡便、低成本的方法合成結構穩定的聚合物納米膠束。
本發明的目的是用簡便、低成本的方法合成聚合物納米膠束的干粉。
本發明基于嵌段共聚物在溶液中的鏈構象及其轉變和活性聚合的機理，由單體出發，在一個容器中原位形成高濃度的、具有核-殼結構的穩定聚合物納米膠束。其中，聚合物的膠束化是在共同溶劑中(或殼成分的選擇性溶劑中)，在聚合物的聚合過程中發生的。即先聚合好一種聚合物鏈，再加入第二種單體及交聯劑的混合物(對于原子轉移自由基聚合(ATRP)等可控聚合還需在反應體系中加入必要的助劑)，直接原位聚合、交聯即可。聚合物鏈第二種嵌段增長并交聯，使得該嵌段相互聚集，形成膠束的核。第一嵌段的空間屏蔽效應限制了交聯反應發生的范圍，并形成聚合物膠束的殼。一、以陰離子聚合方法為例，步驟的一般性描述如下引發劑的合成及各個單體的純化與現有的陰離子聚合相同；選擇一種溶劑，使得將要合成的各種嵌段在該溶劑中都能處于溶解狀態，同時還要有利于引發劑的解締合；各個成分的用量為第一嵌段的聚合中，加入一定量的第一種單體；在第一嵌段聚合結束后，必要時要加入封端劑，加入的封端劑的摩爾數與引發劑的摩爾數相同。
然后，再加入單體及交聯劑的混合物。單體的種類可以與第一嵌段相同，也可以不同。
交聯劑的加入量相對于第二嵌段的量可在很大范圍內變化，視第一嵌段的長度及所要求的膠束尺寸及具體的反應體系而定。
操作步驟為在經充分除去水分及空氣的密閉體系中，在氬氣保護下由鋼管加入第一種單體；然后根據對第一嵌段的分子量設計的要求加入一定量的引發劑；在一定條件下進行第一嵌段的聚合；第一嵌段聚合完畢后，加入封端劑；改變聚合體系的環境，使其符合第二嵌段聚合的要求；加入設計量的第二單體及設定比例的交聯劑；反應完畢后，加入終止劑結束反應。二、以原子自由基轉移聚合為例，該發明的技術步驟的一般性描述如下對單體、引發劑、催化劑及配體的處理方法與現有方法相同。根據對第一嵌段的分子量的設計，將單體一、催化劑、配體按照一定比例加入反應容器；選擇高沸點的對自由基為惰性的溶劑作為反應介質；待第一嵌段的聚合完成后，加入第二嵌段成分的單體及交聯劑，使聚合進行足夠長的時間后結束反應；除去催化劑及配體。
光散射、TEM、SEM等觀察及表征所獲得的聚合物膠束的粒徑大小、分布及其形態。
上述反應中通過單體濃度、交聯劑量嵌段物分子量等均可調節膠束的結構、尺寸、核的交聯狀態等結構參數。這些方法均是常規、容易實現的。
用光散射表征其粒徑的大小及其分布；用TEM及SEM觀察其形態。光散射研究表明，用上述方法獲得的聚合物粒子的粒徑大小在20～200納米內可控。TEM及SEM觀察表明，粒子為規則的球形，大小較均勻。TEM觀察得到的粒子的大小明顯小于SEM觀察的粒徑的大小，是由于殼成分對電子的散射能力較弱所至。以此可作為其核-殼結構的證明。
本發明中交聯劑的用量是核結構單體用量的1％～100％，一般聚合物交聯用的多官能度的烯烴均可使用，如二乙烯基苯，二乙烯基吡啶、二甲基丙烯酸乙二醇酯等。
核和殼的成分可以是相同，也可以是不同的。如聚苯乙烯為殼，同時也為核；聚4-乙烯基吡啶為殼成分，也為核成分。聚苯乙烯為殼，聚4-乙烯基吡啶為核；PEO為殼，PCL為核；PEO為殼，聚2-乙烯基吡啶為核等。
聚合反應使用的溶劑可以是核-殼兩種聚合物鏈的共同溶劑，也可以是作為殼成分的聚合物鏈的選擇性溶劑。
加入其它活性聚合用助劑，如氯化鋰(用于陰離子聚合用的助劑)，氯化亞銅-聯二吡啶(ATRP聚合用助劑)等。
由本發明制得的膠束尺寸是10～200nm，適合運用在生物、材料、化學化工等多種領域。
本發明制得的膠束濃度為0.5～20％。其濃度最高可達到20％，大大高于現有技術獲得的聚合物納米膠束的濃度。而且，該技術回避了嵌段共聚物的使用，使成本大幅度降低。為其廣闊的應用前景提供了高效廉價的產品原料。
在制得的膠束溶液中加入沉淀劑，分離、干燥后可得到膠束的固體粉末，方便包裝、銷售。
本發明運用活性聚合方法，在一個容器中原位形成高濃度的核-殼結構的聚合物納米膠束，方法簡便、成本低。采用先聚合成一種鏈，然后加入第二種單體及其交聯劑的混合物的方法，可以充分利用第一種活性鏈的空間屏蔽作用，使得宏觀凝膠的形成得以避免，從而獲得高濃度的聚合物膠束溶液。進一步地，將所得的聚合物納米膠束沉淀后，分離、干燥，可得到聚合物膠束的干粉，其性能及結構參數不變。本發明將嵌段共聚物的形成、膠束化過程、及其核交聯同時進行。通過對各部分單體的用量的控制、交聯劑用量的控制及助劑的使用，可以成功地對所得到的聚合物膠束的尺寸、結構加以控制，從而可以方便地運用于各種領域。
在充分除氧、除水且用氬氣保護的密閉體系中，自鋼管由經過充分除氧、除水的可計量的容器中加入經氫氧化鉀、鈉絲(二苯甲酮為指示劑)處理的THF100ml；自帶刻度的容器中，由鋼管加入經充分除氧、除水的苯乙烯單體，單體的濃度為5％；自帶刻度的容器中加入一定量的正丁基鋰的溶液(加入的量是使得苯乙烯的設計分子量為20,000)；反應在常溫下進行。反應時間為1小時。
按照同樣的方式，加入與引發劑等摩爾量的封端劑1，2二苯基乙烯；將反應體系置于丙酮-干冰低溫浴中；加入二乙烯基苯與4-乙烯基吡啶的混合物；4-乙烯基吡啶的濃度為5％，交聯劑的量為4-乙烯基吡啶的90％待反應進行3小時后，在體系中加入甲醇終止反應。
用光散射方法表征其粒徑大小為26納米，多分散性指數為0.26；TEM觀察顯示其形態為規則的球形。實施實例2第一嵌段為聚苯乙烯嵌段(作為聚合物膠束的殼成分)；第二嵌段為聚4-乙烯基吡啶(作為聚合物膠束的核)；交聯劑為二乙烯基苯(1，2二乙烯基苯、1，3二乙烯基苯及1，4二乙烯基苯的混合物)；引發劑為正丁基鋰；封端劑為1，2二苯基乙烯；溶劑為四氫呋喃(THF)。
在充分除氧、除水且用氬氣保護的密閉體系中，自鋼管由經過充分除氧、除水的可計量的容器中加入經氫氧化鉀、鈉絲(二苯甲酮為指示劑)處理的THF100ml；自帶刻度的容器中，由鋼管加入經充分除氧、除水的苯乙烯單體，單體的濃度為4％；自帶刻度的容器中加入一定量的正丁基鋰的溶液(加入的量是使得苯乙烯的設計分子量為20,000)；反應在常溫下進行。反應時間為1小時。
按照同樣的方式，加入與引發劑等摩爾量的封端劑1，2二苯基乙烯；將反應體系置于丙酮-干冰低溫浴中；加入二乙烯基苯與4-乙烯基吡啶的混合物；4-乙烯基吡啶的濃度為4％，交聯劑的量為4-乙烯基吡啶的50％待反應進行3小時后，在體系中加入甲醇終止反應。用光散射方法表征其粒徑大小為80納米，多分散性指數為0.86；TEM、SEM觀察顯示其形態為規則的球形；SEM觀察其平均粒徑大于TEM觀察的粒徑大小。實施實例3第一嵌段為聚苯乙烯嵌段(作為聚合物膠束的殼成分)；第二嵌段為聚4-乙烯基吡啶(作為聚合物膠束的核)；交聯劑為二乙烯基苯(1，2二乙烯基苯、1，3二乙烯基苯及1，4二乙烯基苯的混合物)；引發劑為正丁基鋰；封端劑為1，2二苯基乙烯；溶劑為四氫呋喃(THF)。
在充分除氧、除水且用氬氣保護的密閉體系中，自鋼管由經過充分除氧、除水的可計量的容器中加入經氫氧化鉀、鈉絲(二苯甲酮為指示劑)處理的THF100ml；自帶刻度的容器中，由鋼管加入經充分除氧、除水的苯乙烯單體，單體的濃度為3％；自帶刻度的容器中加入一定量的正丁基鋰的溶液(加入的量是使得苯乙烯的設計分子量為20,000)；反應在常溫下進行。反應時間為1小時。
按照同樣的方式，加入與引發劑等摩爾量的封端劑1，2二苯基乙烯；將反應體系置于丙酮-干冰低溫浴中；
加入二乙烯基苯與4-乙烯基吡啶的混合物；4-乙烯基吡啶的濃度為3％，交聯劑的量為4-乙烯基吡啶的5％待反應進行3小時后，在體系中加入甲醇終止反應。用光散射方法表征其粒徑大小為120納米，多分散性指數為0.86；TEM、SEM觀察顯示其形態為規則的球形。SEM觀察其平均粒徑大于TEM觀察的粒徑大小。實施實例4第一嵌段為聚苯乙烯嵌段(作為聚合物膠束的殼成分)；第二嵌段為聚4-乙烯基吡啶(作為聚合物膠束的核)；交聯劑為二乙烯基苯(1，2二乙烯基苯、1，3二乙烯基苯及1，4二乙烯基苯的混合物)；引發劑為正丁基鋰；封端劑為1，2二苯基乙烯；溶劑為四氫呋喃(THF)。
在充分除氧、除水且用氬氣保護的密閉體系中，自鋼管由經過充分除氧、除水的可計量的容器中加入經氫氧化鉀、鈉絲(二苯甲酮為指示劑)處理的THF100ml；自帶刻度的容器中，由鋼管加入經充分除氧、除水的苯乙烯單體，單體的濃度為1％；自帶刻度的容器中加入一定量的正丁基鋰的溶液(加入的量是使得苯乙烯的設計分子量為20,000)；反應在常溫下進行。反應時間為1小時。
按照同樣的方式，加入與引發劑等摩爾量的封端劑1，2二苯基乙烯；將反應體系置于丙酮-干冰低溫浴中；加入二乙烯基苯與4-乙烯基吡啶的混合物；4-乙烯基吡啶的濃度為1％，交聯劑的量為4-乙烯基吡啶的10％待反應進行3小時后，在體系中加入甲醇終止反應。用光散射方法表征其粒徑大小為160納米，多分散性指數為0.89；TEM、SEM觀察顯示其形態為規則的球形。SEM觀察其平均粒徑大于TEM觀察的粒徑大小。實施實例5第一嵌段為聚苯乙烯嵌段(作為聚合物膠束的殼成分)；第二嵌段為聚4-乙烯基吡啶(作為聚合物膠束的核)；交聯劑為二乙烯基苯(1，2二乙烯基苯、1，3二乙烯基苯及1，4二乙烯基苯的混合物)；引發劑為正丁基鋰；封端劑為1，2二苯基乙烯；溶劑為四氫呋喃(THF)。
在充分除氧、除水且用氬氣保護的密閉體系中，自鋼管由經過充分除氧、除水的可計量的容器中加入經氫氧化鉀、鈉絲(二苯甲酮為指示劑)處理的THF100ml；自帶刻度的容器中，由鋼管加入經充分除氧、除水的苯乙烯單體，單體的濃度為5％；自帶刻度的容器中加入一定量的正丁基鋰的溶液(加入的量是使得苯乙烯的設計分子量為20,000)；反應在常溫下進行。反應時間為1小時。
按照同樣的方式，加入與引發劑等摩爾量的封端劑1，2二苯基乙烯；將反應體系置于丙酮-干冰低溫浴中；加入摩爾量為引發劑摩爾量6倍的氯化鋰；加入二乙烯基苯與4-乙烯基吡啶的混合物；4-乙烯基吡啶的濃度為5％，交聯劑的量為4-乙烯基吡啶的10％待反應進行3小時后，在體系中加入甲醇終止反應。用光散射方法表征其粒徑大小為20納米，多分散性指數為0.10；TEM觀察顯示其形態為規則的球形。實施實例6第一嵌段為聚甲基丙烯酸甲酯(作為聚合物膠束的殼成分)；第二嵌段為聚苯乙烯(作為聚合物膠束的核)；引發劑為芐基氯；催化劑為氯化亞銅；配體為聯二吡啶；溶劑為二苯醚。
設計聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為20,000，甲基丙烯酸甲酯的濃度為5％，加入設計量的引發劑，引發劑/催化劑/配體為1/1/2；在二苯醚中130℃下反應24小時；加入苯乙烯與二乙烯基苯的混合物(二乙烯基苯的量為苯乙烯量的10％)；在130℃下繼續反應48小時。
將反應體系自油浴中取出，沉淀，洗滌除去催化劑及配體。用光散射表征其粒徑大小，TEM、SEM觀察其形態。粒徑為60納米；形態為規則球形；SEM觀察的平均粒徑大于TEM觀察的平均粒徑。
權利要求
1.一種活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是在聚合好一種聚合物鏈后，加入的是第二種單體與交聯劑的混合物。直接聚合、交聯，即可在高濃度下獲得核-殼結構的聚合物納米膠束。
2.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是交聯劑的用量是第二種嵌段(作為核成分)的1％～100％。
3.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是核-與殼的成分可以是相同的，也可以是不同的。
4.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是制備時使用的溶劑是核-殼成分的共同溶劑。
5.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是制備所使用的溶劑是殼成分的選擇性溶劑。
6.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是在原子自由基活性聚合(ATRP)可控活性聚合中加入適當的助劑。
7.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是制得的聚合物納米膠束的粒徑是10～200nm。
8.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是制得的聚合物納米膠束的濃度是1～20％
9.根據權利要求1所述的用活性聚合的方法制備具有核-殼結構的聚合物納米膠束，其特征是在制得的聚合物納米溶液中加入沉淀劑，沉淀分離干燥后，得到聚合物膠束的固體粉末。
全文摘要
本發明涉及活性聚合方法制備具有核－殼結構的納米膠束。現有膠束存在膠束穩定性差,制備濃度太低,成本高等缺點,不能適應應用要求。本發明通過活性聚合方法,先在一個容器中聚合一個嵌段,然后通過在該容器中加入另一種(或與合成第一嵌段相同)的單體及交聯劑,進行交聯反應。在一個容器中原位形成高濃度的、具有核－殼結構的穩定聚合物膠束。本發明方法簡便,成本遠低于現有方法。通過常規的單體、引發劑、交聯劑及其各個成分的控制,可獲得不同結構及尺寸的聚合物納米膠束溶液。在溶液中加入沉淀劑,通過分離、干燥后,可以高產率獲得聚合物膠束的干粉。
文檔編號C08J3/24GK1363621SQ0211077
公開日2002年8月14日 申請日期2002年2月5日 優先權日2002年2月5日
發明者陳道勇, 江明, 彭慧勝 申請人:復旦大學