侯彥輝 ,李景民 ,安清明 ,宋光坤
(1.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)
聚合物微球是指直徑為納米級(jí)至微米級(jí)、形狀為球狀或其他幾何體的高分子材料或高分子復(fù)合材料[1-3]。聚合物微球因其較高的比表面積,穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu),良好的加工性能,使其在光電、吸附、氣體儲(chǔ)存、傳感器和儲(chǔ)能等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用[4-7]。在催化載體領(lǐng)域,聚合物微球因其比表面積大,并易于通過(guò)化學(xué)接枝或物理包覆改性為功能化的表面而成為一些催化劑的優(yōu)良載體[8-14]。因此球形聚合物微粒的合成和研究是近幾十年來(lái)高分子科學(xué)中一個(gè)新的熱門研究領(lǐng)域[15-16]。常用的制備聚合物微球的方法有乳液聚合法、微乳液聚合法、細(xì)乳液聚合法、懸浮聚合法、分散聚合法、種子聚合法、沉淀聚合法等。無(wú)皂乳液聚合是指在反應(yīng)過(guò)程中完全不加乳化劑,或者僅加入微量乳化劑(其濃度小于其臨界膠束濃度(CMC))的乳液聚合過(guò)程[17],但微量乳化劑在體系中所起的作用與乳液聚合完全不同?,F(xiàn)在利用無(wú)皂乳液聚合制得的聚合物微球粒徑在幾百到幾千納米之間,并且基本不加乳化劑[18]。因?yàn)闆](méi)有乳化劑的參與,聚合物微球的穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等均有所提升,利用這種聚合方法還可以制備得到表面帶有官能團(tuán)的功能性微球[19]。1981年,Ugelstad等[20]在聚合方式上做了改變,利用動(dòng)態(tài)多步溶脹聚合方式得到了多孔的聚合物微球,其粒徑控制在1~20 μm。后來(lái),人們改進(jìn)了動(dòng)態(tài)多步溶脹聚合的方法,在20世紀(jì)90年代提出了二步種子溶脹法,成功制備得到了粒徑在10 μm左右的多孔微球[21]?,F(xiàn)在,二步溶脹法制備聚合物微球的研究非常豐富,它能夠在較寬的粒徑范圍內(nèi)制備單分散多孔微球,單體在種子內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng),因此微球表面規(guī)整,避免了步驟多、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),是制備微米級(jí)交聯(lián)微球和多孔微球的重要方法。聚合物微球的二步溶脹法聚合過(guò)程主要分為兩步,首先利用分散聚合或無(wú)皂乳液聚合等方法制成粒徑較小的單分散聚合物微球,利用此微球作為種子,在反應(yīng)體系中加入反應(yīng)單體、引發(fā)劑等,并形成穩(wěn)定的乳液,微球在分散相中不斷地吸收單體,最后溶脹達(dá)到平衡,此時(shí)微球內(nèi)部溶脹有單體、引發(fā)劑以及致孔劑等。第二步,溶脹過(guò)程結(jié)束后,升溫后引發(fā)劑引發(fā)單體聚合,從而聚合得到大粒徑的微球。這種方法可以選擇加入不同的功能性單體進(jìn)行溶脹,因此可聚合獲得表面帶有不同官能團(tuán)的功能微球,也可以制備各種不同形態(tài)的復(fù)合粒子。
作為載體,一般通過(guò)在內(nèi)部及表面提供可以反應(yīng)的官能團(tuán),而羧基具有反應(yīng)活性高、反應(yīng)機(jī)理明確、可進(jìn)行的反應(yīng)種類多等優(yōu)點(diǎn),因此羧基化微米級(jí)聚合物微球可以為烯烴催化劑提供很好的反應(yīng)位點(diǎn)?,F(xiàn)在制備的高分子微球多為單個(gè)分散的形態(tài),而對(duì)由數(shù)個(gè)微球聚集而成的大粒徑微球的研究較少,本文擬利用聚苯乙烯種子微球?yàn)楹?,以甲基丙烯?丙烯酸叔丁酯為功能單體共聚二乙烯基苯,通過(guò)改進(jìn)的二步溶脹法制備羧基化聚合物微球,并對(duì)其進(jìn)行表征。
試劑:苯乙烯(St)、丙烯酸叔丁酯(BA)、甲基丙烯酸(AA)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP),均為分析純,天津希恩思生化科技有限公司產(chǎn)品;二乙烯基苯(DVB)、偶氮二異丁腈(AIBN),均為分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品;十二烷基硫酸鈉(SDS),分析純,天津市化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品;過(guò)氧化苯甲酰(BPO),分析純,上海百舜生物科技有限公司產(chǎn)品;甲苯(PhMe),分析純,百靈威科技有限公司產(chǎn)品;聚乙烯醇(PVA),天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品;過(guò)硫酸鉀(KPS),分析純,天津光復(fù)科技有限公司產(chǎn)品;無(wú)水乙醇,分析純,天津恒山化工科技有限公司產(chǎn)品;蒸餾水:自制。
儀器:SHZ-D(III)型循環(huán)水真空泵,天津科諾儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品;KH602T型電子天平,慈溪市天東衡器廠產(chǎn)品;101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品;OWH-S型電動(dòng)攪拌機(jī),天津市威華儀器有限公司產(chǎn)品;Nicolet-iS50型傅里葉紅外光譜儀,德國(guó)賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品;TM3030型掃描電子顯微鏡,日本日立公司產(chǎn)品。
一般聚合單體活性比較高,往往會(huì)添加阻聚劑,阻聚劑的存在會(huì)使藥品在后續(xù)使用中對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響,因此反應(yīng)單體要除阻聚劑。苯乙烯用重蒸的方法除去阻聚劑,二乙烯基苯、甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯等加入氫氧化鈉水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)用分液漏斗洗滌3次后,加固體干燥劑(CaCl2)干燥后冷藏存儲(chǔ)使用。偶氮二異丁腈、過(guò)氧化苯甲酰重結(jié)晶后使用。
改性聚合物微球的制備過(guò)程如圖1所示。
圖1 聚合物微球制備反應(yīng)過(guò)程Fig.1 Reaction process of preparation of polymer microspheres
種子微球首先在疏水性溶脹劑鄰苯二甲酸二丁酯作用下活化溶脹,接著在體系中加入單體和引發(fā)劑等對(duì)活化種子微球繼續(xù)溶脹,溶脹完成后升溫引發(fā)聚合反應(yīng),種子微球內(nèi)部和種子微球之間由于交聯(lián)劑的存在而相互靠近聚合交聯(lián),最終形成聚集的穩(wěn)定大粒徑微球。之后用二氯甲烷抽提聚合物微球,去除線性聚苯乙烯微球,得到改性多孔聚合物微球。
1.3.1 丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球的制備
(1)單分散聚苯乙烯種子微球的制備。單分散聚苯乙烯微球采用無(wú)皂乳液聚合的方法制備。量取250 mL離子水加入裝有機(jī)械攪拌的500 mL三口反應(yīng)瓶,量取40 mL苯乙烯加入反應(yīng)瓶,在20℃下以350 r/min的速率攪拌混合物,同時(shí)通入氬氣鼓泡除氧30 min,加入 10 mL過(guò)硫酸鉀(KPS:0.25%)后密封反應(yīng)器,開啟溫控系統(tǒng),然后使物系迅速升溫到70℃,當(dāng)溫度穩(wěn)定后,在氮?dú)鈿夥罩蟹磻?yīng)24 h后自然冷卻終止,得到白色乳液。將上述白色乳液以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心沉降,除去上清液,加入無(wú)水乙醇經(jīng)超聲分散清洗下層微球,然后再離心沉降,洗滌,如此反復(fù)操作3遍。最后將洗滌后的微球在37℃下真空干燥24 h,即得到白色粉末狀聚苯乙烯種子微球。
(2)聚苯乙烯種子微球的溶脹。將聚苯乙烯種子微球加入10 mL十二烷基硫酸鈉水溶液中(SDS溶液:0.25%)超聲分散10 min形成均勻的白色乳液,加入1 mL鄰苯二甲酸二丁酯(DBP),超聲乳化5 min后加入三口反應(yīng)釜,攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min,溫度設(shè)定35℃,當(dāng)乳化溶劑的液滴完全消失后溶脹完成。將混合有二乙烯基苯(DVB)、丙烯酸叔丁酯、過(guò)氧化苯甲酰(BPO)、甲苯的混濁液超聲乳化5 min,加入反應(yīng)釜繼續(xù)溶脹24 h,溫度設(shè)定為20℃,攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/min。
(3)丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯微球的制備。在溶脹完成后的乳液中加入聚乙烯醇水溶液(PVA:5%),通氬氣鼓泡置換反應(yīng)保護(hù)氣氛,升溫至70℃,機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min,穩(wěn)定聚合24 h。反應(yīng)結(jié)束后將溶液倒出,將上述白色乳液以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心沉降,除去上清液,加入去離子水超聲分散清洗下層微球,然后再離心沉降,洗滌,加入無(wú)水乙醇同樣方法洗去未反應(yīng)單體,如此反復(fù)操作3遍。最后將洗滌后的微球37℃真空干燥24 h,即得到白色粉末狀聚合物微球。不同反應(yīng)配方在表1中依次列出,控制其他反應(yīng)條件不變。
(4)丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球的制備。將干燥后的粉末放入索式提取器,加入二氯甲烷,升溫至二氯甲烷能夠回流,提取微球中的線性聚苯乙烯分子,提取8 h后,將粉末取出,放入真空烘箱干燥,即得丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球。
1.3.2 甲基丙烯酸改性聚苯乙烯多孔微球的制備
甲基丙烯酸改性聚苯乙烯多孔微球的制備方法同丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球的制備方法,只需在1.3.1中第(2)步驟中將第二單體由丙烯酸叔丁酯換成甲基丙烯酸。甲基丙烯酸改性聚苯乙烯微球的反應(yīng)配料見表2,控制其他條件不變。
表2 甲基丙烯酸聚合物微球配料表Tab.2 Preparation formula for polymethaerylate microsphere
采用SEM觀察微球粒徑尺寸與形貌特征,觀察前要對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理;采用電子射線能譜儀(XPS)對(duì)材料中元素種類與含量分析;采用四站全自動(dòng)比表面積分析儀表征樣品的比表面積。
圖2為a組3個(gè)丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球的掃描電鏡照片,3個(gè)樣品只有種子微球添加量不同,其他反應(yīng)條件相同。
圖2 a組微球的SEM電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of microspheres in group a
由圖2可以看出,當(dāng)聚苯乙烯種子微球過(guò)多或過(guò)少都不利于形成形貌良好的聚合物顆粒。當(dāng)聚苯乙烯種子微球過(guò)少時(shí),丙烯酸叔丁酯和二乙烯基苯單體相對(duì)于微球濃度過(guò)高,種子微球溶脹后,單體不能全部進(jìn)入種子微球內(nèi)部或依附于表面,從而使大量單體無(wú)法在種子球內(nèi)部聚合,而溶液體系中只存在很少引發(fā)劑,二乙烯基苯相對(duì)丙烯酸叔丁酯反應(yīng)活性高,更傾向于自聚,于是在溶劑中形成不穩(wěn)定聚合,生成如圖2中a1所示的硬塊,即為二乙烯基苯聚合形成的。在聚苯乙烯種子微球內(nèi)部和周圍的單體穩(wěn)定聚合并形成大顆粒。當(dāng)聚苯乙烯種子微球量提高,其與丙烯酸叔丁酯單體達(dá)到飽和狀態(tài),絕大部分單體依附于聚苯乙烯種子微球內(nèi)部和周圍,由于界面效應(yīng),穩(wěn)定聚合形成聚合物大顆粒,如圖2中a2所示。當(dāng)聚苯乙烯種子微球繼續(xù)增加,相對(duì)單體,種子球過(guò)量,單體不足以充滿在種子球內(nèi)部,也不夠后續(xù)聚合物微球成長(zhǎng)所需的單體量,于是形成圖2中a3所示的聚合物顆粒,平均粒徑變小顆粒分散,且形成空心結(jié)構(gòu)。由a3樣品電鏡圖還可以看到有大粒徑單個(gè)微球的存在,推測(cè)為少數(shù)種子球吸收周圍單體持續(xù)長(zhǎng)大,而變大后的微球能吸收更多單體,于是聚合成為單個(gè)大的微球,這是單體相對(duì)種子球不足造成的體系不穩(wěn)定的結(jié)果。
分別對(duì)a組3個(gè)樣品的比表面積進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表3所示。
表3 聚合物微球的比表面積測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of specific surface area of polymer microspheres
由表3可以看出,聚苯乙烯種子微球量對(duì)聚合物形貌的影響也反應(yīng)在比表面積的大小上,同樣在電鏡中形貌較好的a2樣品的比表面積也是最大的,達(dá)到了9.241 m2/g,當(dāng)組成聚合物微球的各個(gè)小球之間能夠形成空隙結(jié)構(gòu),同時(shí)組成聚合物微球的小球因?yàn)槌樘崛コ€性聚苯乙烯分子鏈而也具備一定的孔隙,這時(shí)其比表面積能夠達(dá)到最大。a3中小球大多是空心結(jié)構(gòu),所以不存在球內(nèi)部的孔隙,比表面積大大縮小。而由于a1中形成了塊狀結(jié)構(gòu),比表面積對(duì)應(yīng)的也同樣變得比較小。
以上分析表明,種子微球的添加量對(duì)最后制備出產(chǎn)物的形貌有非常大的影響,當(dāng)聚苯乙烯種子微球質(zhì)量∶BA質(zhì)量∶DVB質(zhì)量=1.5∶10∶8時(shí),得到了比表面積最大、形貌較好的丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球。
b組2個(gè)樣品只有甲基丙烯酸單體添加量不同,其他反應(yīng)條件相同,制備的聚合物微球的電鏡照片如圖3所示。
圖3 b組微球的SEM電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs of microspheres in group b
由圖2、圖3電鏡照片可以看出,由于a組和b組反應(yīng)功能單體的不同而使產(chǎn)物形貌展示出較大差別。電鏡下可以看出,b組粒徑在30~50 μm之間,a組粒徑在20~30 μm。a組和b組整體比對(duì)可以發(fā)現(xiàn),用丙烯酸丁酯作為功能單體聚合比甲基丙烯酸作為功能單體制備的微球形貌要更為規(guī)整,能夠形成完整的小球且組成的大顆粒由小球聚集而成,而b組即使調(diào)整了功能單體的添加量,也不能形成規(guī)整的小球,大顆粒依然是緊密堆積在一起的,說(shuō)明不是單體用量而造成的這種結(jié)果。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與二步溶脹法的機(jī)理有很大關(guān)系,聚合體系在溶脹以后,種子微球體積變大成為疏散的線性大分子聚集體,單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑劑等充滿種子球,聚合體系由于乳化劑的存在而穩(wěn)定。在反應(yīng)的初始階段,交聯(lián)單體因?yàn)槠浞磻?yīng)活性比單體高而生成富含交聯(lián)單體的共聚分子,同時(shí)一個(gè)交聯(lián)單體包含一個(gè)未反應(yīng)乙烯基,繼續(xù)交聯(lián)聚合則得到了聚合物核。隨后,反應(yīng)單體慢慢進(jìn)入反應(yīng)體系中,因?yàn)轶w系總存在2種不同環(huán)境,即共聚物和線性聚苯乙烯組成的疏水相以及不良溶劑相,因此單體發(fā)生相分離存在于兩相之中,界面張力的存在,則會(huì)影響不同單體在兩相中的溶解能力,如果單體的親水性很差,則單體在不良溶劑相的溶解性極低,大部分存在于微核為中心的高分子團(tuán)聚體附近,界面張力很大,這種情況下球型是其存在的比較穩(wěn)定的形態(tài),隨著聚合反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,這部分單體逐漸聚合進(jìn)入高分子鏈而固定,初步形成小球后,在穩(wěn)定劑和交聯(lián)劑的作用下,很多小球相互靠近交聯(lián),或者在成核初期就已經(jīng)聚集在一起共同聚合長(zhǎng)大,最后形成了大粒徑的聚合物微球。而親水性較強(qiáng)的單體,則在相分離階段在溶劑和微核團(tuán)聚體都有著比較大的溶解性,因此其界面張力很小,所以不能形成球型結(jié)構(gòu),甚至不會(huì)形成溶劑與聚集體的明顯的界面,因此聚合物聚合成長(zhǎng)沒(méi)有固定形狀,形成塊狀的聚合物顆粒,顆粒粒徑有大有小,最終形成沒(méi)有固定的形貌的聚合物微球。甲基丙烯酸的親水性強(qiáng),造成了界面張力降低,不再能使聚合體系穩(wěn)定,于是便不能形成由小球聚集而成的聚合物。
對(duì)b1和b2樣品進(jìn)行了比表面積測(cè)試。b1組樣品測(cè)試結(jié)果為0.215 m2/g,b2組樣品測(cè)試結(jié)果為0.338 m2/g。測(cè)試結(jié)果同樣證明了不同單體對(duì)最終聚合物微球的比表面積有著非常大的影響。整體來(lái)看b組中所用甲基丙烯酸作為第二功能單體聚合而成的微球的比表面積比a組中用丙烯酸丁酯聚合而成的微球的比表面積小一個(gè)數(shù)量級(jí),這間接證明了b組中微球沒(méi)有形成空隙,各個(gè)小球是實(shí)心且緊密堆積,不能形成具有大比表面積的微觀結(jié)構(gòu)。
由此可以看出,單體性質(zhì)對(duì)微球最后形態(tài)有較大影響,其中丙烯酸叔丁酯相比甲基丙烯酸,酯基親水性比羧基小,所以在分散聚合初期,親水性單體甲基丙烯酸在微球表面容易形成“毛狀層”,從而使乳液穩(wěn)定性降低,不會(huì)穩(wěn)定聚合為小球且易形成實(shí)心球,團(tuán)聚后形成比較大的硬塊,且這種影響不能通過(guò)改變功能單體的加入量來(lái)改變。而疏水性單體可使高分子微球表面的親水性降低,消弱了微球表面的“毛狀層”,乳液的穩(wěn)定性增加,更趨向于形成圓球。
圖4所示為聚合物微球的XPS測(cè)試結(jié)果。
圖4 聚合物微球的XPS測(cè)試結(jié)果Fig.4 XPS survey spectra of polymer microspheres
圖4(a)為a組3個(gè)樣品的XPS測(cè)試結(jié)果,圖4(b)為a2樣品XPS結(jié)果中O峰的分峰圖。由于在丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯微球中,只在丙烯酸叔丁酯中含有氧原子,因此可以利用電子能譜儀中的原子含量來(lái)表征聚合物微球中功能單體的含量。圖4(a)3組實(shí)驗(yàn)中聚合物微球都存在氧元素,且圖4(b)中存在C—O峰、C=O峰也佐證了是丙烯酸叔丁酯中酯鍵所在的位置的標(biāo)志峰,綜上說(shuō)明聚合物微球成功共聚了第二功能單體丙烯酸叔丁酯。
圖5為a組3個(gè)微球樣品XPS測(cè)試中氧含量(原子摩爾比)結(jié)果及變化趨勢(shì)。
圖5 聚合物微球的XPS測(cè)試結(jié)果Fig.5 XPS survey spectra of polymer microspheres
由圖5可以看出,氧含量占比最高的是a2樣品。這是由于當(dāng)聚苯乙烯種子微球過(guò)少時(shí),丙烯酸叔丁酯和二乙烯基苯相對(duì)種子微球是過(guò)飽和的,于是當(dāng)足夠的丙烯酸叔丁酯溶脹在種子微球中聚合后,有一部分丙烯酸叔丁酯及二乙烯基苯無(wú)法在種子微球中聚合,而在溶液中,只有微量引發(fā)劑引發(fā)聚合,二乙烯基苯傾向于自聚,實(shí)驗(yàn)中a1樣品掃面電鏡圖中明顯可以看到有硬塊即二乙烯基苯自聚產(chǎn)物,因此有一部分丙烯酸叔丁酯沒(méi)有聚合而被洗掉,在XPS中表現(xiàn)為相對(duì)a2樣品中氧含量不高。而a3樣品中氧含量比a2樣品低,是因?yàn)槌樘嶂荒苋コ徊烤郾揭蚁└叻肿渔湥€有很大一部分高分子鏈被阻滯在聚合物微球中,殘存的聚苯乙烯的增加使聚合物中碳的含量明顯增加,氧原子含量相對(duì)下降。
綜上,聚苯乙烯種子微球量的多少不僅影響最終聚合物微球的形貌和比表面積,還影響聚合物微球中官能團(tuán)的密度,合適的聚苯乙烯種子微球量可以得到官能團(tuán)密度大、形貌好的聚合物微球。
(1)首先利用無(wú)皂乳液聚合方法制備出聚苯乙烯種子微球,然后利用改進(jìn)的二步溶脹法成功制備了甲基丙烯酸改性聚苯乙烯多孔微球、丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球兩種聚合物微球,其中后者粒徑在30~40 μm之間,微觀形貌規(guī)整,比表面積大,產(chǎn)物表觀流動(dòng)性極佳,純白無(wú)雜色。
(2)探究了加入不同第二功能單體對(duì)聚合物微球的影響,由于甲基丙烯酸親水性較強(qiáng),不利于形成規(guī)則的球型,制備的聚合物微球不理想。當(dāng)?shù)诙δ軉误w改為丙烯酸叔丁酯,由于親水性較弱,能與聚苯乙烯種子微球及交聯(lián)劑互溶,形成的聚合物微球形貌較好,粒徑均一。
(3)探究了聚苯乙烯種子微球添加量對(duì)產(chǎn)物的影響,結(jié)果表明過(guò)多或過(guò)少的聚苯乙烯種子微球都不利于規(guī)整聚合物微球的形成,在聚苯乙烯種子微球質(zhì)量∶BA質(zhì)量∶DVB質(zhì)量=1.5∶10∶8時(shí),得到了形貌最好,比表面積最大的聚合物微球,最大達(dá)到9.241 m2/g。通過(guò)XPS定性定量分析,表明第二功能單體成功與二乙烯苯共聚,形成了帶有羧基基團(tuán)的多孔聚合物微球。
由本研究可以得出,大粒徑丙烯酸叔丁酯改性聚苯乙烯多孔微球具有大比表面積和羧基基團(tuán),可以很好地契合烯烴催化劑載體要求,為負(fù)載提供了一種新的思路。