孔结构可调聚合物微球的制备及贯通性能

郝军正，祝琳华，王红，司甜，何艳萍，孙彦琳

（1昆明理工大学化学工程学院，云南昆明650500；2昆明理工大学理学院，云南昆明650500）

孔结构可调聚合物微球因具备较高的比表面积、微球内部具有储存空间、孔数量和孔结构可调等特点被广泛应用于药物载体[1-2]、离子吸附[3]、催化剂[4]等领域。其中，针对聚合物微球内部的储存空间，要使该储存空间在负载等相关领域得到有效的利用，其必须与外界贯通。因为只有微球由内而外的贯通，才能保证功能性物质能够由外而内地填充到聚合物微球的内部空间，并在应用过程中发挥作用。因此，研究孔结构可调聚合物微球及其贯通性能对聚合物微球材料的发展具有重要意义。

孔结构可调聚合微球是在聚合物合成基础上进行粒子设计的产物。现阶段，制备孔结构可调聚合物微球常用的方法有双重乳液法[5-6]、溶剂挥发相分离法[7-9]、分散聚合法[10]、悬浮聚合法[11]、沉淀聚合法[12]、种子溶胀法[13-14]、层层自组装法[15]、微流体技术[16-17]等。这些制备方法，本质上要么是利用气体、液体或者固体物质为模板造孔，要么是利用聚合物与致孔剂发生相分离造孔。利用气体、液体或者固体物质为模板造孔的制备方法可以实现孔结构可调，但是孔结构和尺寸严格依赖模板的形状和大小，并且后处理涉及到模板去除会使微球制备工艺变得复杂。以相分离为基础的微球制备方法，孔结构形成依赖致孔剂与聚合物发生相分离的作用。因此，可以通过调控聚合物、致孔剂、挥发性有机溶剂、温度等相关参数，利用相分离辅助进行致孔剂的二次分配，最终实现聚合物微球孔结构的精确调控。此外，孔结构可调聚合物微球是功能性物质填充的重要载体，通过功能性物质的有效填充，应用到相关领域。实现有效填充的前提是微球内部空间必须与外部连通。Na 等[18]采用双重乳液法利用内水相与外水相的渗透压差制备出了具有贯通性能的聚乙二醇-聚乳酸（PELA）微球，并通过离心的方式将蛋白质和乳胶颗粒填充到微球内。结果表明，蛋白质或乳胶颗粒等芯材在微球中均可以达到较好填充负载效果。到目前为止，关于孔结构可调聚合物微球的研究工作较为常见，但针对聚合物微球贯通性能的研究却比较少见。微球贯通性相关的代表性研究主要集中在制备聚合物微球的过程中，利用微球孔内外的气体压力差[5-6]或渗透压差[18]贯穿孔之间的聚合物壁层，从而达到微球孔与孔之间贯通的目的。现阶段，对微球贯通性能的表征方法主要有扫描电镜观察法、BET以及压汞法。这些方法可以较好地实现对微球贯通性能的表征，但是它们一般都需要借助相关仪器，操作较为复杂，并且不能直观观测结果。因此，找到一种简单、通用的表征聚合物微球贯通性能的方法对聚合物微球材料的发展也具备非常重要的意义。

本文首先采用溶剂挥发相分离法制备孔结构可调的聚合物微球；然后提出了一种简单、通用的利用水对微球进行填充，以沉降率表征微球贯通性能的表征方法；最后，采用沉降法系统研究实验参数对聚合物微球贯通性能的影响。重点探究了聚合物浓度、致孔剂用量、混合溶剂组成以及升温速率对微球孔结构的影响规律，并考察了不同条件下制备得到的聚合物微球的贯通性。

1 实验部分

1.1 实验药品

甲基丙烯酸甲酯（MMA），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；偶氮二异丁腈（AIBN），分析纯，天津市光复精细化工研究所；二氯甲烷（DCM），分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；三氯甲烷（TCM），分析纯，成都市科龙化工试剂厂；正己烷（Hexane），分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；聚乙烯醇（PVA 1788），分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.2 PMMA的制备

将甲基丙烯酸甲酯和偶氮二异丁腈（占单体质量的2%）充分混合均匀，然后转移至带有搅拌和冷凝装置的三口烧瓶中，升温至65℃聚合反应2h。达到一定黏度后转移至烧杯中65℃水浴继续反应2h，得聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

1.3 多孔微球的制备

称取质量分数为1%PVA 水溶液150g，加入到带有搅拌装置的三口烧瓶中，并预热至30℃。将PMMA、DCM、TCM和正己烷按照一定的比例配制成均一、透明的油相溶液。200r/min 搅拌作用下，将油相溶液加入到PVA 水溶液中，以1℃/min 的升温速率升至40℃并保持30min后，以一定的速率升温至80℃并熟化2h。用自来水洗球5～6 次，然后80℃真空干燥3h。微球制备工艺示意图见图1。实验配方及升温速率见表1。

1.4 表征手段

采用日本日立公司TM3000 扫描电子显微镜（SEM）表征微球的表观形貌及内部孔结构，将干燥微球均匀分布在贴有导电胶的样品台上，在真空环境中喷金后，送入仪器检测。采用美国康塔公司NOVA4200e 表面积-孔尺寸分析仪（BET）对微球进行介孔尺寸测试。使用真空循环水泵对微球进行减压沉降，称取一定量的干燥微球置于比色管中，在距比色管底部约10cm 处封堵一块海绵；先将比色管内部抽真空，负压条件下缓慢注入去离子水，比色管中液柱每升高2～3cm，暂停注水，进气，摇晃，反复3～4 次，直至比色管中液面高于海绵使微球完全浸渍在水中，将比色管敞口静置24h。分离沉球和浮球并分别干燥、称量得沉球和浮球质量W1和W2，根据式(1)计算沉降率（Y）。沉降率是以水对微球进行填充来表征微球孔结构贯通性的一种手段，纯PMMA 固体的密度约为1.18g/cm3，大于水，但由于微球内部的孔道中存在大量空气，常压下，微球始终漂浮于水面上，不能沉降。但在负压条件下，微球内外的压力差可以将水灌充进微球的内部空间，具有贯通孔结构的微球内部孔道全部被水灌充，从而整体密度大于水而沉降。

表1 实验配方及升温速率

图1 微球制备工艺示意图

2 结果与讨论

溶剂挥发法制备聚合物微球的过程中，伴随有机溶剂的挥发，聚合物与致孔剂析出，发生相分离。在反应后期，随着反应温度的进一步升高，致孔剂汽化，得到内部具有空腔的聚合物微球。其中，聚合物微球的结构与聚合物浓度、致孔剂用量、挥发性有机溶剂组成以及升温速率等参数密切相关。而聚合物微球的结构又直接决定微球的贯通性能。因此，将考察聚合物浓度、致孔剂用量、挥发性有机溶剂组成以及升温速率对微球孔结构和贯通性能的影响。

2.1 聚合物浓度对微球孔结构及贯通性能的影响

聚合物浓度对微球孔结构和贯通性能的影响见图2。由图2 可知，随着聚合物浓度的增加，微球内部结构由中空向多孔转变。当PMMA 质量分数为6%时，PMMA 微球为中空结构，且微球的壳层具有较多的微孔[图2(a)]。当PMMA 质量分数分别增加到8%、10%、12%、15%时，微球内部的中空结构消失，被多孔结构取代；且随着聚合物浓度的增加，微球内部孔数量逐渐增多，孔径减小[图2(b)～(e)]。DCM 对PMMA 和正己烷均有良好的溶解性，正己烷为PMMA 的非良溶剂。因此，在溶剂挥发制备PMMA微球的过程中，伴随DCM的挥发，正己烷和PMMA 发生相分离，形成孔结构。当聚合物浓度较低时，单位体积内的聚合物量有限，导致致孔剂液滴之间易发生聚并，形成大孔。当聚合物浓度低至一定的程度，致孔剂液滴全部聚并，形成中空结构。随着聚合物浓度的增大，多孔结构出现。聚合物浓度越高，对致孔剂液滴的阻隔作用越强，致孔剂液滴之间发生聚并的可能性越小，导致微球内部孔数量增多，孔径减小。

图2 不同PMMA浓度条件下微球表观和截面的SEM图片以及PMMA浓度与沉降率的关系

聚合物浓度直接影响微球的结构，同时也间接影响微球的贯通性能。理论上讲，溶剂挥发法制备聚合物微球的过程中，伴随有机溶剂挥发，聚合物与致孔剂发生相分离，致孔剂液滴被聚合物分隔在一个个独立的腔体中。随着温度的进一步升高，致孔剂液滴汽化，穿透聚合物薄弱区域排出，实现微球由内向外的贯通。因此，无论是低浓度还是高浓度的聚合物溶液，所制备微球均可实现贯通。本论文中，采用水对微球的贯通性进行了测试，发现并不是所有聚合物浓度下制备的微球都能对水呈现出较好的贯通性能，见图2(f)。由图可知，随着聚合物浓度的增加，微球在水溶液中的沉降率从90%逐渐降低至10%，然后基本不再变化。结合聚合物微球的结构，可以发现中空和内部具有稀疏大孔结构的微球贯通性较好[图2(a)、(b)]。这可能是因为聚合物浓度较高时，得到的聚合物微球内部具有较多的独立的空腔，空腔之间的聚合物壁层通过介孔连接，在利用水对微球做贯通性表征的时候，由于毛细管作用，水不能完全进入空腔，导致微球沉降率下降。在此基础上，对沉降率较低的聚合物微球样品（PMMA 质量分数分别为10%、12%、15%条件下制备的微球）进行BET 测试，结果如图3 所示，在不同聚合物浓度条件下制备的微球样品的吸-脱咐曲线中，均出现了滞后环，滞后环类型介于H1 和H2 之间。滞后环通常在介孔吸咐中出现，但从微球截面的SEM 图中可以看出，微球的孔径已经远超介孔的范畴，滞后环产生的原因应该是微球内部大孔之间的聚合物壁层以介孔连通，在介孔处毛细管凝聚与毛细管蒸发不在同一压力下发生。由此说明无论是高浓度还是低浓度下得到的聚合物微球，均具备贯通性。但是，针对作为水溶液功能性物质填充的载体，应尽量选择聚合物浓度较低条件下制备的中空或多孔聚合物微球，才能实现功能物质的填充。

图3 不同PMMA浓度条件下的微球样品吸咐量与相对压力的关系

2.2 致孔剂用量对微球孔结构及贯通性能的影响

图4 不同致孔剂用量条件下微球表观和截面的SEM图片以及致孔剂用量与沉降率的关系

致孔剂用量对聚合物微球孔结构及贯通性能的影响见图4。由图4可知，随着致孔剂用量的增加，聚合物微球内部孔结构由多孔向中空演变。当质量比RPMMA/正己烷=1∶1，1∶1.5，1∶1.75，1∶2 时，微球为多孔结构[图4(a)～(d)]，且随着致孔剂用量的增大，孔数量明显减少，孔径增大，沉降率呈明显上升的趋势；当RPMMA/正己烷=1∶3 时，微球由多孔结构转变为中空结构[图4(e)]。伴随溶剂挥发，在聚合物与致孔剂发生相分离的过程中，当致孔剂用量较低时，单位体积内的致孔剂液滴有限，发生聚并的可能性较小，故形成孔径较小的多孔结构[图4(a)、(b)]；随着致孔剂用量的增加，发生相分离时，致孔剂液滴在待固化微球中分布密度增加，且致孔剂液滴之间的聚合物壁层变薄，对致孔剂液滴的束缚作用减弱，致孔剂液滴之间发生聚并的可能性增加，从而形成大的孔道结构[图4(c)、(d)]；当致孔剂用量增加到一定程度，油相中的致孔剂密度足够大；当致孔剂液滴全部聚并，形成中空结构[如图4(e)]。水溶液对不同致孔剂用量下微球样品的贯通性表征结果见图4(f)。结合致孔剂用量对孔结构的影响，可以看出当聚合物微球内部呈中空[图4(e)]或者稀疏的大孔[图4(d)]结构时，贯通性较好，沉降率分别高达98%和76%；当微球内部呈现较为密实的多孔结构时[图4(a)～(c)]，贯通性较差，沉降率低于30%。该实验结果再次验证了贯通性能与微球结构之间的对应关系。

2.3 混合溶剂中TCM 与DCM 用量比对微球孔结构及贯通性能的影响

图5 不同溶剂组成条件下微球表观和截面的SEM图片以及溶剂组成与沉降率的关系

由2.1节和2.2节的实验结果可知，内部为中空或稀疏的大孔结构的聚合物微球对水的贯通性较好。针对具有较为密实多孔结构的微球，对水的贯通性能并不理想。当聚合物微球作为功能性物质载体的时候，期望微球具有较为密实、孔隙更小的多孔结构，因为相较于中空结构，多孔微球具有较强的力学性能。因此，本文在2.1节和2.2节工作的基础上，尝试进一步提升密实多孔结构微球的贯通性能。通过引入TCM 替代部分DCM 形成梯度溶剂实现微球贯通性能的提升，引入TCM 对微球孔结构和贯通性的影响见图5。由图5 中可以看出，引入TCM，微球多孔结构并没有明显的变化。但是，以单一DCM 为溶剂时，微球的沉降率较低（30%左右）。这可能是由于反应过程中，DCM的沸点和正己烷沸点相差过大（DCM 沸点40℃，正己烷沸点69℃），导致在成球过程中，正己烷的挥发速率小于微球固化速率，微球固化之后对正己烷挥发起阻隔作用，这样形成的孔腔大多通过介孔连接，此时水不能完全进入微球的内部空腔，导致沉降率较低。引入TCM（沸点61℃左右）替代部分DCM，沉降率的总趋势为先稍微降低、然后升高、最后再降低。这主要是因为引入TCM 使挥发性有机溶剂形成梯级溶剂，在成球的过程中，当DCM 挥发完全时，由于TCM 的存在，微球仍然处于未完全固化状态，随着温度的进一步升高，正己烷和TCM协同挥发，影响微球的固化和成孔。

当混合溶剂中TCM 量较少时，在成球过程中DCM 起主要作用，DCM 挥发完全时，微球固化；由于聚合物壁层的阻碍作用，TCM 和正己烷贯穿大孔壁层较为困难；且相比于没有加入TCM，微球内少量的TCM可能会使部分孔道重新软化封堵，此时沉降率略微降低。当TCM 增大到一定量时，混合溶剂的挥发呈现一定的梯度，当DCM 完全挥发时，微球基本成型，但整体还有一定的流动性，此时TCM 和正己烷共同挥发，贯穿大孔壁层的同时微球固化，此时沉降率较高。随着TCM 用量继续增加，当DCM 完全挥发时，微球还不能定型，TCM 和正己烷共同挥发时，聚合物尚有一定的流动性，形成的孔又有一部分被重新封堵，故微球的沉降率又有所下降。

2.4 升温速率对微球孔结构及贯通性能的影响

升温速率对微球孔结构及贯通性能的影响见图6。由图6 可知，随着升温速率的加快，微球内部孔径减小，孔数量增多。当升温速率（v）较小时（40℃/60min、40℃/40min 和40℃/25min），微球内部为大孔结构[图6(a)～(c)]，随着升温速率的进一步提高（40℃/20min、40℃/15min），微球内部孔径减小，孔数量增多，孔密度增大。聚合物微球在水中的沉降率伴随升温速率的增加先升高后降低[图6(f)]。在微球制备过程中，升温速率的快慢影响溶剂挥发速率，从而影响致孔剂与聚合物之间的相分离速率。当升温速率为40℃/60min、40℃/40min时，溶剂挥发速率较慢，致孔剂与聚合物之间发生相分离的速率也较缓慢，致孔剂液滴之间有较长的时间聚并形成大的液滴，故形成的微球内部孔径较大，但在水中沉降率却很低[图6(f)]，这与2.1 节及2.2 节的结果相矛盾。这主要是因为在溶剂挥发过程中，致孔剂挥发缓慢，在相分离形成的大孔壁层间穿孔时动力不足导致形成的孔多为介孔。由于毛细作用，水溶液难以进入微球内部导致微球不能沉降。当升温速率为40℃/25min时，升温速率较为适中，在溶剂挥发过程中，致孔剂也能快速挥发，既可以保证多孔结构的形成，也具备足够的动力穿透大孔壁层以实现微球内外的贯通。当升温速率进一步提高，溶剂挥发速率加快，致孔剂液滴之间没有足够的时间聚并，从而形成密集独立的小孔结构，导致贯通性能下降。

图6 不同升温速率条件下微球表观和截面的SEM图片以及升温速率与沉降率的关系

3 结论

本文以溶剂挥发法制备多孔的PMMA 微球，此方法操作简单，不仅可以实现对微球孔结构的精细调控，而且能使微球有效贯通。当PMMA 质量分数为6%时，所得PMMA 微球为中空结构，随着聚合物浓度的增加，微球由中空向多孔结构演变；改变致孔剂用量，也可以实现微球由中空向多孔的转变。聚合物微球的贯通性与微球结构密切相关，当微球内部为中空或稀疏的大孔结构时，贯通性较好，当微球内部呈密实的多孔结构时，贯通性较差。为了进一步提升密实多孔结构微球的贯通性能，在油相体系中引入第二种挥发性溶剂TCM后，微球内部多孔结构并没有明显的变化，但多孔微球的贯通性随TCM 加入量的增加呈现先增大后减小的趋势，其中当RTCM/DCM=3∶10 时，微球表现出良好的贯通性，对水的沉降率在60%左右。反应升温速率直接影响聚合物与致孔剂的相分离速率以及致孔剂的挥发速率，从而对微球孔结构及贯通性有一定的影响，升温速率太快或太慢都会使微球的贯通性下降。40℃/25min 是一个较为合适的升温速率，对应微球在水中的沉降率约为60%。