RAFT聚合法制备丙烯酰胺纳米凝胶的工艺优化

龚　霞，胡莹莹，尤祥宇，谢卫红

(湖北工业大学，湖北 武汉 430068)



RAFT聚合法制备丙烯酰胺纳米凝胶的工艺优化

龚霞，胡莹莹，尤祥宇，谢卫红

(湖北工业大学，湖北 武汉 430068)

对聚合物的粒径和分散性的精密控制是当前聚合物研究的重要课题。采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合法制备了丙烯酰胺纳米凝胶，考察了聚合时间、单体(AAm)+交联剂(EGDMA)用量、链转移剂(BDC)+引发剂(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合温度等对制备工艺的影响。结果表明，当延长聚合时间、增加AAm+EGDMA用量、升高聚合温度、减少BDC+AIBN用量、减少BDC用量、减小n(AAm)∶n(EGDMA)比值时，纳米凝胶的粒径和分散性增大；且粒径基本上与分散性呈正相关关系。通过控制反应条件，可以得到单分散、粒径在几十到几百纳米的丙烯酰胺纳米凝胶。

可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合；丙烯酰胺；纳米凝胶；优化

纳米凝胶是一种以纳米颗粒(粒径为1～1 000nm)形式存在的分子内交联聚合凝胶，其内部结构为典型的网络结构。与大颗粒聚合物不同，纳米凝胶粒径小[1]、比表面积大、传质能力强、结合位点易接近、表面热交换效率高、在外部条件下易收缩和膨胀[2]，达到了弹性和刚性的平衡。纳米凝胶在生物医学(如药物载体[3-6]和基因传递[7])、酶固定化及酶活性调控、诊断[8-9]、治疗[10]等领域具有广阔的应用前景。

可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合反应是指在传统的自由基聚合体系中，引入一种具有高链转移常数的二硫代酯结构的链转移试剂，从而实现自由基聚合的活性/可控。RAFT属于活性/可控自由基聚合中的一种，其基本原理是通过衰减链转移从而提供可逆失活的聚合反应过程(图1)。

图1　RAFT聚合的反应机理Fig.1　Reaction mechanism of RAFT polymerization

由于RAFT聚合是活性自由基链(生长链)和“休眠物种”(RAFT基团链)之间的动态可逆平衡过程，从而能够有效地控制自由基聚合体系中活性增长自由基的浓度，避免不可逆偶合终止和歧化终止等副反应的发生，使得自由基聚合反应具有活性/可控特征[11-15]。RAFT涉及到低聚物的形成和增长。在聚合反应开始后，所有的链被引发，自由基与链转移剂结合，分枝型快速增长，在反应介质中形成大量的带有三维网络结构的低聚物。低聚物捕捉反应体系中的单体和低聚物，形成高交联度的粒子，使得单体转化率、聚合物粒径和分散性呈线性增长。RAFT聚合法具有适用单体范围广(几乎所有自由基聚合法的单体均适用)、反应条件温和等特点，能够在传统自由基聚合体系中或采用多种聚合方法[16](如本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等)制备特殊结构聚合物，是制备新型聚合物的常用方法。作者采用RAFT聚合法制备丙烯酰胺纳米凝胶，并对聚合时间、单体(AAm)+交联剂(EGDMA)用量、链转移剂(BDC)+引发剂(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合温度等制备工艺进行了优化，拟为探索简单、高效、通用的纳米凝胶制备方法提供帮助。纳米凝胶的制备过程如图2所示。

图2　丙烯酰胺纳米凝胶的制备过程Fig.2　Preparation of acrylamide nanogels

1　实验

1.1试剂与仪器

丙烯酰胺(AAm)、二甲基亚砜(DMSO)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA，98%)，Sigma公司；二乙基二硫代氨基甲酸苄酯(BDC)，分析纯，武汉大学；偶氮二异丁腈(AIBN，98%)，上海源叶生物科技有限公司。

KQ5200G型超声波清洗器，昆山超声仪器有限公司；IKA-RET型控温电磁搅拌器，德国IKA公司；VP30型真空抽滤泵，北京莱伯泰科仪器股份有限公司；Zetasizer nano型粒度分析仪，马尔文仪器有限公司。

1.2制备方法

向反应瓶中加入10 mL的DMSO和一定量的功能单体AAm、交联剂EGDMA、链转移剂BDC、引发剂AIBN，超声5 min使之充分混合均匀。吸取混合液分装在12支试管中，每支试管10 mL，试管上部连接带有充满氮气的气球的三通管，每支试管用真空抽滤泵抽真空12 min，每3 min通氮气30 s。除氧完成后，将试管置于65 ℃油浴加热，不断搅拌反应一段时间后，浸入冰水浴冷却至室温，即得丙烯酰胺纳米凝胶，取2 mL进行粒径(D)和聚合物分散指数(PDI)分析。

1.3制备工艺优化

分别考察聚合时间、AAm+EGDMA用量(体积分数，下同)、BDC+AIBN用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合温度对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，以确定最优的制备工艺。

2　结果与讨论

2.1聚合时间对纳米凝胶的影响

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(BDC)∶n(AIBN)=30∶90∶4∶1、AAm+EGDMA用量为0.8%、DMSO用量为10 mL、聚合温度为65 ℃的条件下，考察聚合时间对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图3。

由图3可看出，随着聚合时间的延长，纳米凝胶的粒径不断增大，当粒径超过200 nm后，分散性剧烈变化。这是因为，聚合时间越长，粒子表面残余的乙烯基基团捕获的低聚物自由基越多，导致颗粒越来越大，纳米凝胶的粒径相应增大。

图3　聚合时间对纳米凝胶的影响Fig.3　Effect of polymerization time on nanogels

2.2AAm+EGDMA用量对纳米凝胶的影响

在n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1、DMSO用量为10 mL、聚合温度为65 ℃、聚合时间为100 min的条件下，考察AAm+EGDMA用量对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图4。

图4　AAm+EGDMA用量对纳米凝胶的影响Fig.4　Effect of AAm+EGDMA dosage on nanogels

由图4可看出，当AAm+EGDMA用量为0.6%～1.0%时，纳米凝胶的粒径从30 nm线性增大到180 nm，为单分散体系；当AAm+EGDMA用量为1.2%时，为多分散体系。这是因为，AAm+EGDMA用量增大，最初形成的分枝低聚物增加，导致粒子表面残余的乙烯基基团更容易捕获溶液中的低聚物自由基，使颗粒不断增长。

2.3BDC+AIBN用量对纳米凝胶的影响

在n(AAm)∶n(EGDMA)=30∶90、DMSO用量为10 mL、AAm+EGDMA用量为0.8%、聚合温度为65 ℃、聚合时间为100 min的条件下，考察BDC+AIBN用量[以原料配比中的比例表示，n(BDC)∶n(AIBN)=2.4∶0.6、3.2∶0.8、4∶1、4.8∶1.2]对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图5。

图5　BDC+AIBN用量对纳米凝胶的影响Fig.5　Effect of BDC+AIBN dosage on nanogels

由图5可看出，随着BDC+AIBN用量的增加，纳米凝胶的粒径先增大后减小，在用量为5.0[n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1]时达到最大；分散指数变化不大。这是因为，引发剂AIBN浓度增大会促使正在增长的低聚物自由基浓度瞬间增大，同时加快低聚物聚积速度，促使体系中不稳定的聚合物核形成较大的粒子；随着链转移剂BDC浓度的增大，它与低聚物自由基形成暂时失活的休眠聚合物，降低和控制了自由基浓度。表明引发剂和链转移剂是相互制约的。

2.4BDC用量对纳米凝胶的影响

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(AIBN)=30∶90∶1、DMSO用量为10 mL、AAm+EGDMA用量为0.8%、聚合温度为65 ℃、聚合时间为100 min的条件下，考察BDC用量(以原料配比中的比例表示)对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图6。

图6　BDC用量对纳米凝胶的影响Fig.6　Effect of BDC dosage on nanogels

由图6可以看出，BDC用量与纳米凝胶的粒径和分散指数成反比。这是因为，随着BDC用量的增加，它与低聚物自由基形成暂时失活的休眠聚合物的量增加，降低和控制了自由基浓度，体系中游离的自由基相应减少，聚合反应速率减慢，导致粒径和分散指数减小。表明，与常规聚合方法相比，加入链转移剂可使聚合物分散性更好。

2.5n(AAm)∶n(EGDMA)比值对纳米凝胶的影响

在聚合反应中，加入交联剂使纳米凝胶形成一定的刚性结构，维持其三维网络结构，但若交联剂过量会导致凝胶缺少柔韧性而影响传质。因此，适宜的单体与交联剂配比对纳米凝胶的性质影响较大。为此，在n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1、DMSO用量为10 mL、AAm+EGDMA用量为0.8%、聚合温度为65 ℃、聚合时间为100 min的条件下，考察n(AAm)∶n(EGDMA)比值对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图7。

图7　n(AAm)∶n(EGDMA)比值对纳米凝胶的影响Fig.7　Effect of n(AAm)∶n(EGDMA) ratio on nanogels

由图7可以看出，随着n(AAm)∶n(EGDMA)比值的增大，即单体AAm用量的增加，纳米凝胶的粒径从110 nm减小到50 nm，而分散指数变化不大。这是因为，交联剂占比增大，颗粒的网状结构增大，乙烯基浓度也增大，粒径相应增大。

2.6聚合温度对纳米凝胶的影响

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(BDC)∶n(AIBN)=30∶90∶4∶1、AAm+EGDMA用量为0.8%、DMSO用量为10 mL、聚合时间为100 min的条件下，考察聚合温度对纳米凝胶的粒径和分散指数的影响，结果见图8。

从图8可以看出，当聚合温度在60～75 ℃范围内时，纳米凝胶的粒径变化范围为50～160 nm，分散指数变化范围为0.16～0.25；聚合温度越高，粒径越大，分散性越差。这主要是因为，聚合温度升高时，引发剂分解产生的初级自由基增多，反应速率加快，导致纳米凝胶的粒径增大。

3　结论

对聚合物的粒径和分散性的精密控制是当前聚合物研究的重要课题。采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合法制备了丙烯酰胺纳米凝胶，考察了聚合时间、单体(AAm)+交联剂(EGDMA)用量、链转移剂(BDC)+引发剂(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合温度等对制备工艺的影响。结果表明，当延长聚合时间、增加AAm+ EGDMA用量、升高聚合温度、减少BDC+AIBN用量、减少BDC用量、减小n(AAm)∶n(EGDMA)比值时，纳米凝胶的粒径和分散性增大；且粒径基本上与分散性呈正相关关系。通过控制反应条件，可以得到单分散、粒径在几十到几百纳米的纳米凝胶。当纳米凝胶的粒径在200 nm以下时，基本上呈单分散体系。聚合时间、AAm+EGDMA用量和n(AAm)∶n(EGDMA)比值对纳米凝胶的粒径和分散指数影响最大。也可以对功能基团进行修饰(如嫁接亲水基团)，提高生物相容性，进一步拓宽纳米凝胶的应用范围。

图8　聚合温度对纳米凝胶的影响Fig.8　Effect of polymerization temperature on nanogels

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Process Optimization of Acrylamide Nanogels Prepared by RAFT Polymerization

GONG Xia,HU Ying-ying,YOU Xiang-yu,XIE Wei-hong

(HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Precisioncontroloftheparticlesizeanddispersityofpolymersisanimportanttopicofcurrentpolymerresearch.Acrylamidenanogelswerepreparedbyreversibleaddition-fragmentationchaintransfer(RAFT)polymerization.Theeffectsofpolymerizationtime,dosageofmonomer(AAm)andcross-linker(EGDMA),dosageofchaintransferagent(BDC)andinitiator(AIBN),dosageofBDC,n(AAm)∶n(EGDMA)ratio,andpolymerizationtemperatureonpreparationprocesswereinvestigated.Resultsindicatedthat,whenincreasingthepolymerizationtime,thedosageofAAm+EGDMA,polymerizationtemperature,andreducingthedosageofBDC+AIBN,thedosageofBDC,n(AAm)∶n(EGDMA)ratio,theparticlesizeanddispersityofnanogelsincreased.Therewasapositivecorrelationbetweentheparticlesizeandthedispersity.Bycontrollingthereactionconditions,themonodispersedacrylamidenanogelwasprepared,anditsparticlesizewasintherangeoftenstohundredsofnanometers.

reversibleaddition-fragmentationchaintransfer(RAFT)polymerization;acrylamide;nanogel;optimization

中科院病毒所国家重点实验室开放研究基金资助项目(20875024)

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.008

TQ 317

A

1672-5425(2016)10-0035-04

龚霞，胡莹莹，尤祥宇，等.RAFT聚合法制备丙烯酰胺纳米凝胶的工艺优化[J].化学与生物工程，2016，33(10)：35-38，44.