分散聚合研究進(jìn)展

胡 昊，高 榕，劉東兵

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

聚合物微球，特別是單分散與窄分散微球，擁有高比表面積、高反應(yīng)活性及其他獨特的理化與生物學(xué)性能，在藥物長效緩釋、靶向檢測與治療、動脈栓塞、生物感應(yīng)器等生物醫(yī)藥領(lǐng)域[1-3]，以及標(biāo)準(zhǔn)計量、超級電容、色譜分離等領(lǐng)域有廣闊用途[4-7]，因而成為近年來功能高分子材料及其應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域最受矚目的研究方向之一[8-9]。分散聚合是制備穩(wěn)定聚合物懸浮液，尤其是制備單分散或窄分散聚合物微球普遍選用的方法[10-12]。分散聚合通常是指溶于均勻體系中的單體、引發(fā)劑、穩(wěn)定劑聚合形成不溶性聚合物分散于連續(xù)相中[13]。20世紀(jì)70年代英國ICI公司的Osmond首次提出分散聚合，開發(fā)出了在有機(jī)烴類溶劑中直接制備穩(wěn)定的聚合物粒子，并在工業(yè)上利用該方法生產(chǎn)高濃度與低黏度的非水分散涂料、黏合劑等[14]。他們將乙烯基單體、油溶性穩(wěn)定劑和丙烯酸聚合生成了非水分散的聚合物微球。之后Almog等[15]將分散聚合概念擴(kuò)展至極性溶劑，成為制備單分散聚合物微球的一種新方法。但通常情況下，微米級的單分散微球難以獲取。

傳統(tǒng)制取微球的方法通常有兩種，即乳液聚合和懸浮聚合，乳液聚合可獲得粒徑為0.06～0.70 μm的微球，而懸浮聚合得到的微球的粒徑范圍在50～1 000 μm。Kornfield等[16]在太空中使用了種子乳液聚合法制備了微米級的單分散聚合物微球。Ugelstad等[17-18]也用相似的方法制備了單分散聚合物微球。Okubo等[19]開發(fā)的動態(tài)單體溶脹法也可以制備該類型的微球。但上所制備方法的步驟都略顯冗長且復(fù)雜。而分散聚合可以更簡便、高效、批量的制備微米級微球，應(yīng)用前景更廣闊[15]。與沉淀聚合相比，分散聚合在體系中引入了穩(wěn)定劑，整個聚合體系通常由單體、引發(fā)劑、穩(wěn)定劑和分散介質(zhì)組成，用于分散聚合的反應(yīng)介質(zhì)可以溶解上述組分的混合物，但反應(yīng)產(chǎn)物不溶于反應(yīng)介質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)生成的低聚物鏈長達(dá)到臨界值，聚合物將不再溶于反應(yīng)介質(zhì)，并經(jīng)相分離得到聚合物微球。近年來微米級單分散聚合物微球廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如色譜柱填充材料、液晶顯示墊片、調(diào)色劑、儀器校準(zhǔn)和生化分析等[20]，分散聚合成為制備0.1～15 μm聚合物微球的重要且高效的途徑[21]。

本文介紹了分散聚合的成核機(jī)理和穩(wěn)定機(jī)理；綜述了分散聚合的應(yīng)用及所制備的聚合物微球的技術(shù)現(xiàn)狀，包括氮氧穩(wěn)定自由基聚合、原子轉(zhuǎn)移自由基（ATRP）聚合、可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合以及超臨界二氧化碳（scCO2）聚合等；并提出了分散聚合所面臨的問題及應(yīng)用前景。

1 分散聚合的理論研究進(jìn)展

1.1 成核機(jī)理

分散聚合形成聚合物微球經(jīng)過成核階段和生長階段，生長階段的時間往往遠(yuǎn)長于成核時間。但現(xiàn)階段難以在分子水平上研究各反應(yīng)組分的行為，所以成核機(jī)理一直處于激烈的爭論中[22]。許多分散聚合的成核機(jī)理是由已經(jīng)成熟的類似聚合過程的機(jī)理引出的，如乳液聚合體系。目前有4種分散聚合的成核機(jī)理:自成核、聚集成核、膠束成核和凝結(jié)成核。

自成核理論在成核初始階段與乳液聚合的均相成核理論相似，它們均認(rèn)為:單體首先在分散介質(zhì)中形成低聚物，當(dāng)?shù)途畚镦滈L達(dá)到臨界鏈長時，低聚物將自行坍塌并被穩(wěn)定劑包圍，最終形成初級核。由此可見，在聚合的早期階段，每一個低聚物都將生成一個新的初級核[13]。

聚集成核是自成核的延伸。它是指低聚物在分散介質(zhì)中開始聚合并生長，隨著低聚物的鏈長和數(shù)量的增加，低聚物將會自組裝形成聚集體。但此時的聚集過程是不穩(wěn)定且動態(tài)可逆的。低聚物鏈長超過臨界鏈長時，聚集體從分散介質(zhì)中析出，并在表面吸附穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的粒子核。

與上述兩種成核方式不同，當(dāng)存在嵌段共聚物或接枝共聚物等類似的膠束穩(wěn)定劑時，膠束成核成為了一種可能的成核方式。自由基將攻擊膠束內(nèi)部的單體，從而產(chǎn)生新的粒子核。但由于分散介質(zhì)中的單體濃度較高，膠束成核可能只占據(jù)成核方式的一小部分[23]。在乳液聚合中，膠束成核一般也只適用于單體在連續(xù)相中溶解極少的情況。但即便如此，膠束成核也是一種可能存在的成核競爭機(jī)制。

凝結(jié)成核理論是通過測量乳液聚合的早期粒徑分布而類比得出的。研究者認(rèn)為凝結(jié)成核過程分為兩步:1）形成初級核，稱為“前體”粒子；2）“前體”粒子再結(jié)合生成更大的“成熟”粒子。初級核可通過自成核、聚集成核、膠束成核方法的任意一種形成，它的直徑被假定很小，約3 nm。初級核的高表面曲率和由此帶來的低穩(wěn)定性為下一步的凝結(jié)提供了驅(qū)動力。這些初級核可以彼此聚結(jié)絮凝，也可以在成核階段停止后繼續(xù)與現(xiàn)有粒子聚結(jié)。在成核期間，隨著“成熟”粒子數(shù)量的增加，新粒子的生成速率減緩，直至停止。在成核階段結(jié)束之后，粒子核的數(shù)量不再增加，這也意味著生長階段的開始。單體和引發(fā)劑同時存在于連續(xù)相和聚合物相中，兩者均發(fā)生聚合且形成競爭。但在理想情況下，因為在連續(xù)相中再次生成的新鏈具有較高的活性，它來不及繼續(xù)增長就會被現(xiàn)有的粒子捕捉[24]。無論反應(yīng)的起始點在何處，都是在聚合物微球內(nèi)發(fā)生單體插入增長，所以該過程可看作一個小型本體聚合，粒子黏度隨轉(zhuǎn)化率增加而變高，也將出現(xiàn)自動加速效應(yīng)的現(xiàn)象[25]。

1.2 穩(wěn)定機(jī)理

粒子之間存在靜電力和范德華力等，這使得粒子有團(tuán)聚的傾向。要在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的聚合物微球，就需要有能夠防止粒子團(tuán)聚的機(jī)制。在分散聚合中，空間穩(wěn)定是最常用的機(jī)理。為了確保大分子穩(wěn)定劑能有效地發(fā)揮穩(wěn)定空間的作用，既需要有足夠的鏈長防止團(tuán)聚發(fā)生，也需要在聚合體系中始終保持著表面活性。Tadros[26]認(rèn)為，聚合分兩步進(jìn)行:在種子階段，將稀釋劑、部分單體、部分分散劑和引發(fā)劑（偶氮或過氧型）加熱，形成初始的低濃度精細(xì)分散體；在生長階段，將剩余單體與更多的分散劑和引發(fā)劑一起加入，在數(shù)小時內(nèi)完成顆粒的生長。 通常加入少量的轉(zhuǎn)移劑來控制分子量。單體在反應(yīng)初始形成分子量為10 000～20 000的“梳狀”接枝共聚物，該接枝共聚物可以穩(wěn)定各種單體的乳膠顆粒。Cosgrove[27]認(rèn)為隨著聚合物微球之間彼此接近，當(dāng)距離小于穩(wěn)定層兩倍時，延伸的聚合物鏈可以互穿或被壓縮，從而導(dǎo)致聚合物濃度局部增加。由于系統(tǒng)中滲透壓和自由能的增加，當(dāng)彼此壓縮時，聚合物微球之間產(chǎn)生空間排斥力，抵消了范德華力。聚合物層重疊的示意圖見圖1。

圖1 聚合物層重疊的示意圖Fig.1 Schematic representation of polymer layer overlap.

Richez等[28]認(rèn)為位阻穩(wěn)定可能是這兩種現(xiàn)象的組合。他進(jìn)一步地將分散聚合用于非極性溶劑中制備單分散乳膠粒子。非極性溶劑中的分散聚合機(jī)理見圖2。從圖2可看出，在非極性溶劑中，靜電相互作用微弱，膠體粒子穩(wěn)定劑需要有足夠的表面覆蓋度從而強(qiáng)力吸附在微球表面，并且從表面投射到溶劑中以提供穩(wěn)定性。他們討論了不同聚合方法下，不同單體制備的聚合物微球在粒徑、粒徑分布及穩(wěn)定性方面的差別。此外，引入穩(wěn)定劑不但能提升粒子在非極性溶劑中的穩(wěn)定性，還可為粒子（在核內(nèi)或表面）提供一定量的電荷密度，使粒子在電流轉(zhuǎn)變時，可以發(fā)生快速切換，該性能為電泳顯示器的發(fā)展提供了巨大的潛力。

圖2 非極性溶劑中的分散聚合機(jī)理Fig.2 Dispersion polymerization mechanism in non-polar solvent.

接枝共聚機(jī)理完美適配了穩(wěn)定理論。一般認(rèn)為，接枝共聚物同時橫跨了聚合物相和連續(xù)相，使粒子表面充滿“毛發(fā)”，以此形成的空間障礙使體系穩(wěn)定。曹同玉等[29]對聚苯乙烯（Pst）和聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）分別進(jìn)行了本體聚合和分散聚合，得到了無支鏈和發(fā)生接枝反應(yīng)的聚合物。實驗發(fā)現(xiàn)僅靠吸附作用的無支鏈聚合物的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如有支鏈的接枝聚合物。這說明接枝共聚物通過化學(xué)鍵有效地避免了粒子間的碰撞從而增加了反應(yīng)體系的穩(wěn)定性，這一點是僅依靠物理吸附作用難以做到的。

陳冬等[30]提出的自穩(wěn)定聚合機(jī)理不使用穩(wěn)定劑，而是通過靜態(tài)聚合和自成核階段后，直接形成粒徑均勻的穩(wěn)定膠體。他們認(rèn)為，在該反應(yīng)體系中，聚合物和反應(yīng)介質(zhì)的密度接近，有利于聚合物穩(wěn)定懸浮于反應(yīng)介質(zhì)中，可將該方法用于混合烯烴單體聚合，能滿足綠色工藝的要求。

聚合體系中各組分的用量對反應(yīng)成核穩(wěn)定的影響較大。分散劑加入量少，聚合體系得不到充分保護(hù)，整個體系易黏結(jié)；加入量過多，反而使體系黏度增大，阻礙成核和核聚結(jié)，最終導(dǎo)致粒徑分布變寬。當(dāng)分散劑用量確定時，成核數(shù)目也就確定了，單體用量的增大使粒徑線性增長。單體過多或過少都會導(dǎo)致粒徑分布變寬[31]。單體用量過多時，分散介質(zhì)的溶解力增大，聚合物鏈需要更長才能被析出，同時，吸附穩(wěn)定劑的速率下降，單體對微球的溶脹性能增加，也增大了二次成核概率。單體用量過少時，穩(wěn)定劑相對含量較高，要達(dá)到一定鏈長才會被析出形成二次粒子。引發(fā)劑用量過多時，游離基數(shù)目變多，反應(yīng)初期形成的活性鏈也增多，穩(wěn)定劑的濃度相對下降，導(dǎo)致聚合物微球的單分散性變差[32]。

2 分散聚合的應(yīng)用

分散聚合自20世紀(jì)70年代起步， 20世紀(jì)90年代快速發(fā)展，已被應(yīng)用于幾乎所有能進(jìn)行自由基聚合以制備不溶于反應(yīng)介質(zhì)的聚合物微球，甚至還用于離子型聚合、開環(huán)聚合、縮聚等聚合體系[33-35]。

2.1 氮氧穩(wěn)定體系的自由基分散聚合

以往的研究表明[36]，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）可應(yīng)用于苯乙烯的分散聚合，但技術(shù)難點主要為聚合時間較長、單體轉(zhuǎn)化率較低和聚合物微球單分散性差。單體聚集成核時，由于單體的高濃度導(dǎo)致分散介質(zhì)的溶解能力上升，成核時間被延長。Shim等[37]使用TEMPO和2，2-偶氮二異丁腈在不同溶解度的介質(zhì)中進(jìn)行苯乙烯的活性自由基分散聚合。實驗結(jié)果顯示，在聚合初期，所有的二醇類介質(zhì)都能很好地生成PSt微球。微球的單分散性隨著反應(yīng)介質(zhì)對苯乙烯單體溶解能力的增強(qiáng)和TEMPO濃度的降低而增大。隨TEMPO濃度的增加，成核時間延長，PSt微球的均勻性降低。

Yoshida[38]在室溫下通過4-甲基丙烯酰氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（MTEMPO）控制甲醇/水混合物中聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的光引發(fā)分散聚合反應(yīng)。在對比實驗中，MTEMPO光分散聚合產(chǎn)生了PMMA的球形顆粒，而沒有MTEMPO的不受控光分散聚合得到的只是非球形顆粒。光滲透到顆粒之中，可以控制球形顆粒的尺寸和分子量。

Hafeez等[39]以TEMPO為引發(fā)劑，引發(fā)硫醇-烯反應(yīng)生成了交聯(lián)聚合物微球。硫醇-烯反應(yīng)涉及將硫醇加成在不飽和C=C雙鍵上，在該反應(yīng)條件下無需光和熱。他們使用了2個體系研究TEMPO的引發(fā)活性:1）丙烯酸正丁酯和1-十八烷硫醇；2）二乙烯基砜和1-辛烷十二硫醇，并研究了對不同烯烴反應(yīng)速率的差異。由于存在磺?；?，二乙烯基砜高度缺電子，比丙烯酸正丁酯具有更高的反應(yīng)性。1H NMR表征結(jié)果顯示，硫醇和烯烴反應(yīng)有90%以上的轉(zhuǎn)化率。這種引發(fā)硫醇-烯反應(yīng)的新方法具有優(yōu)良的修飾微球表面的能力。該方法可將可變的生物活性功能（如蛋白質(zhì)，肽或氨基酸）引入微球表面。

2.2 ATRP分散聚合

使用ATRP方法進(jìn)行分散聚合合成的聚合物顆粒具有良好的單分散性且分子量可控，也可通過該方法結(jié)合聚合誘導(dǎo)自組裝合成嵌段共聚物納米組裝體，該組裝體可以非常方便地賦予特定尺寸或形態(tài)。Wang等[40]在低分子量聚乙二醇（PEG）中進(jìn)行連續(xù)活化劑再生（ICAR）的ATRP分散聚合。這種ICAR的ATRP分散聚合使用了低濃度的CuBr2催化劑，該催化劑在環(huán)境中可以穩(wěn)定存在且溶于大多數(shù)極性溶劑。反應(yīng)得到PEG-b-PSt，PEG-b-PMMA等納米組件。通過改變嵌段共聚物的聚合度和進(jìn)料單體的濃度，可以調(diào)節(jié)嵌段共聚物納米組合物的尺寸和形態(tài)。

ATRP分散聚合法也被用于制備具有熱響應(yīng)功能性的聚合物微球。Matsuyama等[41]以聚（n-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）為引發(fā)劑，苯乙烯為原料，利用ATRP分散聚合制備了具有生物分子識別能力的熱響應(yīng)納米粒子。PNIPAM引發(fā)劑在聚合物鏈端基上包含一個烷基鹵化物和/或鄰苯二酰亞胺基團(tuán)，同時PNIPAM接枝在PSt核上導(dǎo)致鄰苯二酰亞胺端基被終止，而這些末端基可用來固定生物分子識別單元。Kim等[42]使用PEG-Br大分子引發(fā)劑在水中合成了PEG-b-PNIPAM嵌段共聚物。在25～50 ℃下聚合，分別形成可溶嵌段共聚物和膠束；再在50 ℃下加入交聯(lián)劑，可進(jìn)一步獲得水凝膠。該條件下得到的微球直徑約60 nm，當(dāng)在四氫呋喃/水混合物中時，微球直徑急劇增加（＞50 nm）。該微球可被用作石英晶體微天平的HCl氣體傳感器。

Yang等[43]在不同pH下進(jìn)行了甲基丙烯酸甲酯（MMA）在PVP上的ATRP模板分散聚合。由PVP-MMA的氫鍵相互作用形成了微單體液滴。該液滴的穩(wěn)定性取決于pH及PVP和MMA的濃度。當(dāng)pH＜2時，得到PVP-MMA凝聚物；當(dāng)pH＞4.5時，得到透明水溶液。反應(yīng)的最佳條件為pH=2.4、PVP含量4.76%（w）、MMA含量5.00%（w），所得微球粒徑約50 nm，且具有良好的單分散性。

2.3 RAFT分散聚合

RAFT分散聚合應(yīng)用更廣泛，并且能制備更多形貌的嵌段共聚物膠束粒子[44-45]。Luo等[46]利用RAFT分散聚合在乙醇/水混合液中合成聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）-b-聚（4-叔丁氧基苯乙烯）嵌段共聚物顆粒，聚合機(jī)理見圖3。Cao等[47]通過苯乙烯介導(dǎo)的RAFT分散聚合合成了聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）-b-PSt-b-聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAc-b-PSt-b-PDMAc）兩親性三嵌段共聚物，可通過改變?nèi)軇┙M成調(diào)節(jié)PDMAc-b-PSt-b-PDMAc的形態(tài)，如球形囊泡或六方堆積的空心壁囊泡。與傳統(tǒng)的二嵌段共聚物相比，三嵌段共聚物在相似條件下更傾向形成更高階的形態(tài)。

圖3 乙醇/水中的RAFT分散聚合Fig.3 RAFT dispersion polymerization of ethanol/water.

談夢婷[48]將聚丙烯酸三碳酸酯作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑調(diào)控乙醇/水中苯乙烯的RAFT分散聚合。通過調(diào)整溶劑體系比例，使反應(yīng)體系的疏水鏈段增加，導(dǎo)致微球形貌發(fā)生變化，由球轉(zhuǎn)向棒直至多孔納米球。當(dāng)體系中水較少時，聚合反應(yīng)速率加快，生成的粒子尺寸也較小。用相似的方法將聚4-乙烯基吡啶碳酸酯作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑，也得到了類似的結(jié)果。

楊永啟[49]以乙醇為分散介質(zhì)，研究了單體側(cè)鏈長度和反離子類型不同的情況下的熱引發(fā)離子液體的RAFT分散聚合，并考察了產(chǎn)物的形貌變化，同時將類似體系用于光引發(fā)RAFT分散聚合，在復(fù)合的催化體系中，得到了超高分子量（＞106）的聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）嵌段共聚物。王曉[50]成功地改變了反應(yīng)介質(zhì)，將水這一綠色的分散體系用于RAFT分散聚合，并考察了產(chǎn)物乙酯的形貌變化規(guī)律。

Rymaruk等[51]用低黏度硅油（十甲基環(huán)五硅氧烷）作聚合溶劑，采用分散聚合對8種不同的甲基丙烯酸單體合成的前體進(jìn)行擴(kuò)鏈。TEM表征結(jié)果顯示，只有2-（二甲胺基）甲基丙烯酸乙酯（DMA）進(jìn)行了有效反應(yīng)。這歸因于它具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。初始階段的DMA聚合速率相對緩慢，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界聚合度時，出現(xiàn)了膠束形核。之后，聚合變得不均勻，這種相對較高的局部DMA濃度導(dǎo)致聚合速率提高兩倍，在90 ℃下4 h內(nèi)可實現(xiàn)87%的高轉(zhuǎn)化率。

2.4 scCO2分散聚合

scCO2具有無毒性、不可燃、溶解能力隨壓力而變、對高聚物有較強(qiáng)溶脹能力等諸多優(yōu)點，是應(yīng)用前景極廣的綠色溶劑[52]。由于許多小的有機(jī)分子在CO2中的溶解度高，因此scCO2分散聚合為迄今為止開發(fā)最廣泛的非均相方法，可用于生產(chǎn)高分子量、不溶于CO2、工業(yè)上有重要應(yīng)用的烴類聚合物。Wang等[40]研究了在scCO2存在下MMA的原位分散聚合。將Copaiba油加載到PMMA顆粒中，過氧化苯甲酰為引發(fā)劑，乙烯基封端的聚（二甲基硅氧烷）為分散劑，制備出了Copaiba油含量高達(dá)5%（w）的球形PMMA顆粒。

在用于醫(yī)療領(lǐng)域的粉末產(chǎn)品中，穩(wěn)定劑起至關(guān)重要的作用，Zhan等[53]在scCO2中以端羥基丙基聚二甲基硅氧烷為親CO2鏈，以聚L-丙交酯為親水鏈，以端羥基聚二甲基硅和辛酸亞錫為引發(fā)劑，進(jìn)行了L-丙交酯的開環(huán)分散聚合，成功制備了端部-封頭的三嵌段穩(wěn)定劑。他們還研究了L-精氨酸引發(fā)的L-丙交酯在scCO2中的開環(huán)分散聚合，得到了聚（L-乳酸）（PLLA）細(xì)粉[54]。在scCO2中，L-精氨酸是人體必需氨基酸，作為引發(fā)劑更綠色也更安全；L-精氨酸也充作催化劑，使制備的PLLA純度更高。

針對scCO2分散聚合中穩(wěn)定劑含量過高、有害環(huán)境等問題。黃旭輝[55]提出以超交聯(lián)聚合物納米顆粒作為新型穩(wěn)定劑，應(yīng)用于MMA的scCO2分散聚合。他還對穩(wěn)定劑的孔結(jié)構(gòu)、含量、單體濃度等因素進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，制備了高產(chǎn)率（＞85%）和高分子量（＞3×105）的干燥PMMA聚合物粉末。同時scCO2在反應(yīng)結(jié)束后通常能作為萃取劑，反應(yīng)分離一體化，在提高效率的同時做到了節(jié)能環(huán)保。

3 結(jié)語

分散聚合在制備聚合物微球的粒徑控制中有著獨特優(yōu)勢，深受廣大科技工作者的重視。同時，分散聚合的成核機(jī)理與穩(wěn)定機(jī)理也在討論與探究的基礎(chǔ)中逐漸成熟與完善。分散聚合在各個方面有著良好表現(xiàn)，可以滿足不同行業(yè)對聚合物微球的單分散性的需求。隨著分散聚合研究的深入，對分散聚合法操控聚合物微球粒徑及單分散性提出了更精準(zhǔn)的要求。目前，對于實現(xiàn)較大粒徑聚合物微球的單分散性仍有困難。盡管對傳統(tǒng)引發(fā)劑和分散劑有所改良，但造價高昂，穩(wěn)定性較差。對于分散聚合的各組分的研究日新月異，通過對單體、引發(fā)劑、穩(wěn)定劑和分散介質(zhì)的改進(jìn)，聚合生成的功能性微球能夠在生物醫(yī)藥、食品安全、化工生產(chǎn)和電子電工等前沿領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。