表面含羧基的磁性高分子微球的制备和表征
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表面含羧基的磁性高分子微球的制备和表征杨 旭1,2, 李 欣2, 潘复生1, 陶长元3(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044;2.第三军医大学化学教研室,重庆400038;3.重庆大学化学化工学院,重庆400044)摘 要:以共沉淀法制备的Fe 3O 4为磁性来源,选用丙烯酰胺、N ,N ′2亚甲基双(丙烯酰胺)和丙烯酸分别作为聚合单体、交联剂和功能基单体,通过反相乳液聚合,包裹制备携带羧基的磁性高分子微球。
考察了Fe 3O 4投入量、功能基单体量、交联剂量、聚合时间和介质的变化对磁性高分子微球的形态、磁性质及表面羧基含量的影响。
采用SE M 、IR 、721E 分光光度计和化学滴定法进行表征,制备出粒径在500nm ~10μm ,表面羧基携带量为1.0mm ol/g 的磁性高分子微球。
关键词:Fe 3O 4;磁性高分子微球;反相乳液聚合;羧基中图分类号:T Q 225 文献标识码:A 文章编号:036726358(2006)052276205Preparation and Characterization of Magnetic P olymerMicrospheres with Surface Carboxyl G roupsY ANG Xu1,2, LI X in 2, PAN Fu 2sheng 2, T AO Chang 2yuan3(1.Department o f Materials Science and Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China2.Department o f Chemistry ,the Third Military Medical University ,Chongqing 400038,China3.Department o f Chemistry and Chemical Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China )Abstract :A method for producing polymer 2coated magnetic microspheres with surface carboxyl groups by inverse emulsion polymerization is described.Experiments were performed with acrylamide m onomer ,amm onium persulfate initiator ,Fe 3O 4magnetic particles ,acrylic acid functional group m onomer and N ,N ′2methylene bisacrylamide cross 2linking agent.Five factors which in fluence the m orphology ,magnetic properties and am ount of surface carboxyl groups of the magnetic polymer microspheres were taken into account :am ount of Fe 3O 4,am ount of acrylamide 2acrylic acid ,am ount of N ,N ′2methylene bisacrylamide ,reaction time and medium.The properties of the magnetic polymer microspheres were charactered by SE M ,IR spectroscopy ,721E spectrophotometer and chemical titration.S pherical magnetic polymer particles with 1.0mm ol Πg carboxyl groups and the size from 500nm to 10μm were obtained.K ey w ords :magnetite ;magnetic polymer com posite microsphere ;inverse emulsion polymerization ;carboxyl groups收稿日期:2005211230;修回日期:2006203210基金项目:国家自然科学基金联合基金资助项目(10476035)作者简介:杨 旭(1969~),男,四川通江人,讲师,博士生,主要从事功能材料方面的研究。
E 2mail :yangxu2524@ 含活性功能基的磁性高分子微球被广泛用作磁载体。
携带羧基的磁性高分子微球,通过羧基可连结多肽、蛋白质和生物酶,也可经修饰连接其他的官能团,是一种理想的磁载体[1]。
目前,制备含羧基的磁性高分子微球的方法一般有两种:一是两步的种子乳液聚合法,一是分散聚合法。
两种方法都可以合成微米级的磁性高分子微球。
但第一种方法步骤冗长且操作复杂。
所以大多采用分散聚合法[2]。
如Liu 等[3]选用苯乙烯、二乙烯基苯和甲基丙烯酸聚合包裹制得了1.5~4.5μm 的含羧基的磁性高分子微球。
而这种方法选择的包裹材料都为苯乙烯、二乙烯基苯等疏水性材料,难于在磁性Fe 3O 4粒子的表面吸附并聚合,聚合后因不溶于连续相而沉淀,致使单分散性差,包裹率较低。
针对这些问题,选择亲水性较强的单体,采用反相乳液聚合法,可提高包裹率和表面功能基的携带量。
1 实验部分1.1 主要仪器和试剂碳酸钠,氢氧化钾,甲醇,氮气,浓盐酸,丙烯酰胺(AM),N,N′2亚甲基双(丙烯酰胺)(M BA),丙烯酸(C A),过硫酸铵,司盘80(以上试剂均为分析纯),蒸馏水,Fe3O4(粒径0.3~0.4μm,西南应用磁学研究所提供)。
光学电子显微镜;K VK V1000B型SE M(中国科学院科学仪器厂);M AG NA2IR55型红外光谱仪(美国Nicolet公司);721E分光光度计(上海光谱仪器有限公司)。
1.2 实验方法1.2.1 制备称取10g丙烯酰胺、0.1g N,N′2亚甲基双(丙烯酰胺)和1.3g丙烯酸(经减压蒸馏除去阻聚剂)分别作为聚合单体、交联剂和功能基单体,溶于分散有4g Fe3O4的30m L蒸馏水中;取10g司盘80溶于100m L环己烷,然后将水相和油相混合,通N2除氧,搅拌乳化30min形成均匀W/O型乳液。
加热到60°C,加入0.58g过硫酸铵引发自由基聚合,反应120min后停止加热,冷却到室温,用甲醇清洗并磁分离,再用1m ol/L的盐酸浸泡48h,除去未包裹或未包裹完全的Fe3O4磁粒子,依次进行蒸馏水洗涤、磁分离和真空干燥,得磁性高分子微球。
1.2.2 粒径和形态观察磁性高分子微球超声分散在乙醇中,用SE M观察其粒径和形态。
1.2.3 磁性高分子微球的红外光谱分析(溴化钾压片法)1.2.4 磁性高分子微球的磁性能测定在外磁场作用下,观察微粒的移动来确定是否有磁性;用Fe3O4的包裹量来表示磁性的大小。
以被包裹的量占投入总量的百分数表示Fe3O4的包裹率(T%)。
经聚合包裹及磁分离后的磁性物质,在1 m ol/L的盐酸中浸泡48h,再用721E型分光光度计测定浸泡液与洗涤液的铁离子含量[4],得Fe3O4的包裹率。
1.2.5 磁性高分子微球表面羧基含量的测定用化学滴定法测定磁性高分子微球表面的羧基含量[5]。
称取0.061g聚合物磁性微球于100m L的锥形瓶中,加12m L惰性溶剂甲醇,超声分散10 min,加入2~3滴0.1%的酚酞溶液作指示剂,用0.05m ol/L的K OH标准溶液滴定至浅粉红色(15~30s内不腿色)。
用相同的方法对甲醇进行空白滴定,按式(1.1)计算1g磁性高分子微球表面的羧基含量。
A C OOH=(v-v0)cΠm(1.1)其中v和v0分别为样品滴定和空白样品滴定所消耗碱标准溶液的体积(L),c为碱标准溶液的浓度(m ol/L),m为聚合物样品的质量(g)。
2 结果与讨论2.1 粒径和形态用SE M观察磁性高分子微球粒径和形态,结果如图1所示。
由SE M图形可知,含羧基的磁性高分子微球为球形,粒径在500nm~10μm之间。
图1 含羧基的磁性高分子微球的SE M照片2.2 磁性高分子微球的红外光谱分析高分子微球(a)和磁性高分子微球(b)的红外光谱如图2。
在1660.49cm-1处有尖锐且强度大的吸收峰,这是2C=O的弯曲振动特征吸收峰,表明有2C =O存在,在1411.66cm-1处是羧基的特征吸收峰,在3408.64cm-1处的吸收峰圆滑而顿,表明有羟基缔合,这与羧基的存在导致羧基中羟基缔合相吻合。
在3408.64cm-1及3198.99cm-1有一大一小的分岔,是伯胺基缔合的特征峰,说明有丙烯酰胺参与聚合反应,在2925.70cm-1,2853.81cm-1及1465.47 cm-1处有较强的亚甲基特征吸收峰,表明有丙烯酰胺、N,N′2亚甲基双(丙烯酸胺)及丙烯酸自身或相互之间的聚合反应。
在593.72cm-1到636.77cm-1处的吸收峰说明有Fe3O4存在,且有部分Fe3O4被氧化成Fe2O3[6]。
Fe3O4被聚合物包埋前后吸收峰的位置几乎一致,聚合物高分子微球与磁性高分子微球的各主要特征吸收峰几乎一致[7],特征吸收峰无明显的红移,说明聚合单体在Fe3O4表面的作用只有范德华力,没有形成有效的化学键。
2.3 反应条件对微球磁性能和表面羧基含量的影响受引发剂过硫酸铵的使用温度(50~70°C)和介质环己烷的沸点(81°C )的控制,聚合温度选择在60°C 考察聚合反应条件的变化对包裹量及表面羧基含量的影响。
图2 聚合物高分子微球(a )和磁性高分子微球(b )的红外光谱图2.3.1 Fe 3O 4的投入量对磁性高分子微球性质的影响考察投入到聚合反应体系中Fe 3O 4总量的改变对磁性高分子微球磁性质及表面羧基含量的影响。
结果如表1。
表1 Fe 3O 4的量对磁性高分子微球磁性质及表面羧基含量的影响AM/CA/M BA Πg Fe 3O 4Πg t Πmin被包裹量ΠgFe 3O 4Π%2COOH Πmm ol ・g -110/1/0.12120 1.74870.6710/1/0.14120 3.44860.9710/1/0.16120 3.4858 1.0010/1/0.18120 3.28410.9910/1/0.1101203.40340.98 由表1可知,当Fe 3O 4投入的量从2g 增大到4g ,包裹率从87%降至86%无明显的变化,Fe 3O 4量依次增加到6g 、8g 和10g ,包裹率分别为58%、41%和34%o 包裹率从87%分别降至86%、58%、41%和34%时,包裹量依次为1.74g 、3.44g 、3.48g 、3.28g 和3.40g 。