分散聚合研究进展

胡 昊，高 榕，刘东兵

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

聚合物微球，特别是单分散与窄分散微球，拥有高比表面积、高反应活性及其他独特的理化与生物学性能，在药物长效缓释、靶向检测与治疗、动脉栓塞、生物感应器等生物医药领域[1-3]，以及标准计量、超级电容、色谱分离等领域有广阔用途[4-7]，因而成为近年来功能高分子材料及其应用相关领域最受瞩目的研究方向之一[8-9]。分散聚合是制备稳定聚合物悬浮液，尤其是制备单分散或窄分散聚合物微球普遍选用的方法[10-12]。分散聚合通常是指溶于均匀体系中的单体、引发剂、稳定剂聚合形成不溶性聚合物分散于连续相中[13]。20世纪70年代英国ICI公司的Osmond首次提出分散聚合，开发出了在有机烃类溶剂中直接制备稳定的聚合物粒子，并在工业上利用该方法生产高浓度与低黏度的非水分散涂料、黏合剂等[14]。他们将乙烯基单体、油溶性稳定剂和丙烯酸聚合生成了非水分散的聚合物微球。之后Almog等[15]将分散聚合概念扩展至极性溶剂，成为制备单分散聚合物微球的一种新方法。但通常情况下，微米级的单分散微球难以获取。

传统制取微球的方法通常有两种，即乳液聚合和悬浮聚合，乳液聚合可获得粒径为0.06～0.70 μm的微球，而悬浮聚合得到的微球的粒径范围在50～1 000 μm。Kornfield等[16]在太空中使用了种子乳液聚合法制备了微米级的单分散聚合物微球。Ugelstad等[17-18]也用相似的方法制备了单分散聚合物微球。Okubo等[19]开发的动态单体溶胀法也可以制备该类型的微球。但上所制备方法的步骤都略显冗长且复杂。而分散聚合可以更简便、高效、批量的制备微米级微球，应用前景更广阔[15]。与沉淀聚合相比，分散聚合在体系中引入了稳定剂，整个聚合体系通常由单体、引发剂、稳定剂和分散介质组成，用于分散聚合的反应介质可以溶解上述组分的混合物，但反应产物不溶于反应介质，当反应生成的低聚物链长达到临界值，聚合物将不再溶于反应介质，并经相分离得到聚合物微球。近年来微米级单分散聚合物微球广泛应用于各种领域，如色谱柱填充材料、液晶显示垫片、调色剂、仪器校准和生化分析等[20]，分散聚合成为制备0.1～15 μm聚合物微球的重要且高效的途径[21]。

本文介绍了分散聚合的成核机理和稳定机理；综述了分散聚合的应用及所制备的聚合物微球的技术现状，包括氮氧稳定自由基聚合、原子转移自由基（ATRP）聚合、可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合以及超临界二氧化碳（scCO2）聚合等；并提出了分散聚合所面临的问题及应用前景。

1 分散聚合的理论研究进展

1.1 成核机理

分散聚合形成聚合物微球经过成核阶段和生长阶段，生长阶段的时间往往远长于成核时间。但现阶段难以在分子水平上研究各反应组分的行为，所以成核机理一直处于激烈的争论中[22]。许多分散聚合的成核机理是由已经成熟的类似聚合过程的机理引出的，如乳液聚合体系。目前有4种分散聚合的成核机理:自成核、聚集成核、胶束成核和凝结成核。

自成核理论在成核初始阶段与乳液聚合的均相成核理论相似，它们均认为:单体首先在分散介质中形成低聚物，当低聚物链长达到临界链长时，低聚物将自行坍塌并被稳定剂包围，最终形成初级核。由此可见，在聚合的早期阶段，每一个低聚物都将生成一个新的初级核[13]。

聚集成核是自成核的延伸。它是指低聚物在分散介质中开始聚合并生长，随着低聚物的链长和数量的增加，低聚物将会自组装形成聚集体。但此时的聚集过程是不稳定且动态可逆的。低聚物链长超过临界链长时，聚集体从分散介质中析出，并在表面吸附稳定剂，形成稳定的粒子核。

与上述两种成核方式不同，当存在嵌段共聚物或接枝共聚物等类似的胶束稳定剂时，胶束成核成为了一种可能的成核方式。自由基将攻击胶束内部的单体，从而产生新的粒子核。但由于分散介质中的单体浓度较高，胶束成核可能只占据成核方式的一小部分[23]。在乳液聚合中，胶束成核一般也只适用于单体在连续相中溶解极少的情况。但即便如此，胶束成核也是一种可能存在的成核竞争机制。

凝结成核理论是通过测量乳液聚合的早期粒径分布而类比得出的。研究者认为凝结成核过程分为两步:1）形成初级核，称为“前体”粒子；2）“前体”粒子再结合生成更大的“成熟”粒子。初级核可通过自成核、聚集成核、胶束成核方法的任意一种形成，它的直径被假定很小，约3 nm。初级核的高表面曲率和由此带来的低稳定性为下一步的凝结提供了驱动力。这些初级核可以彼此聚结絮凝，也可以在成核阶段停止后继续与现有粒子聚结。在成核期间，随着“成熟”粒子数量的增加，新粒子的生成速率减缓，直至停止。在成核阶段结束之后，粒子核的数量不再增加，这也意味着生长阶段的开始。单体和引发剂同时存在于连续相和聚合物相中，两者均发生聚合且形成竞争。但在理想情况下，因为在连续相中再次生成的新链具有较高的活性，它来不及继续增长就会被现有的粒子捕捉[24]。无论反应的起始点在何处，都是在聚合物微球内发生单体插入增长，所以该过程可看作一个小型本体聚合，粒子黏度随转化率增加而变高，也将出现自动加速效应的现象[25]。

1.2 稳定机理

粒子之间存在静电力和范德华力等，这使得粒子有团聚的倾向。要在连续相中形成稳定的聚合物微球，就需要有能够防止粒子团聚的机制。在分散聚合中，空间稳定是最常用的机理。为了确保大分子稳定剂能有效地发挥稳定空间的作用，既需要有足够的链长防止团聚发生，也需要在聚合体系中始终保持着表面活性。Tadros[26]认为，聚合分两步进行:在种子阶段，将稀释剂、部分单体、部分分散剂和引发剂（偶氮或过氧型）加热，形成初始的低浓度精细分散体；在生长阶段，将剩余单体与更多的分散剂和引发剂一起加入，在数小时内完成颗粒的生长。 通常加入少量的转移剂来控制分子量。单体在反应初始形成分子量为10 000～20 000的“梳状”接枝共聚物，该接枝共聚物可以稳定各种单体的乳胶颗粒。Cosgrove[27]认为随着聚合物微球之间彼此接近，当距离小于稳定层两倍时，延伸的聚合物链可以互穿或被压缩，从而导致聚合物浓度局部增加。由于系统中渗透压和自由能的增加，当彼此压缩时，聚合物微球之间产生空间排斥力，抵消了范德华力。聚合物层重叠的示意图见图1。

图1 聚合物层重叠的示意图Fig.1 Schematic representation of polymer layer overlap.

Richez等[28]认为位阻稳定可能是这两种现象的组合。他进一步地将分散聚合用于非极性溶剂中制备单分散乳胶粒子。非极性溶剂中的分散聚合机理见图2。从图2可看出，在非极性溶剂中，静电相互作用微弱，胶体粒子稳定剂需要有足够的表面覆盖度从而强力吸附在微球表面，并且从表面投射到溶剂中以提供稳定性。他们讨论了不同聚合方法下，不同单体制备的聚合物微球在粒径、粒径分布及稳定性方面的差别。此外，引入稳定剂不但能提升粒子在非极性溶剂中的稳定性，还可为粒子（在核内或表面）提供一定量的电荷密度，使粒子在电流转变时，可以发生快速切换，该性能为电泳显示器的发展提供了巨大的潜力。

图2 非极性溶剂中的分散聚合机理Fig.2 Dispersion polymerization mechanism in non-polar solvent.

接枝共聚机理完美适配了稳定理论。一般认为，接枝共聚物同时横跨了聚合物相和连续相，使粒子表面充满“毛发”，以此形成的空间障碍使体系稳定。曹同玉等[29]对聚苯乙烯（Pst）和聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）分别进行了本体聚合和分散聚合，得到了无支链和发生接枝反应的聚合物。实验发现仅靠吸附作用的无支链聚合物的稳定性远不如有支链的接枝聚合物。这说明接枝共聚物通过化学键有效地避免了粒子间的碰撞从而增加了反应体系的稳定性，这一点是仅依靠物理吸附作用难以做到的。

陈冬等[30]提出的自稳定聚合机理不使用稳定剂，而是通过静态聚合和自成核阶段后，直接形成粒径均匀的稳定胶体。他们认为，在该反应体系中，聚合物和反应介质的密度接近，有利于聚合物稳定悬浮于反应介质中，可将该方法用于混合烯烃单体聚合，能满足绿色工艺的要求。

聚合体系中各组分的用量对反应成核稳定的影响较大。分散剂加入量少，聚合体系得不到充分保护，整个体系易黏结；加入量过多，反而使体系黏度增大，阻碍成核和核聚结，最终导致粒径分布变宽。当分散剂用量确定时，成核数目也就确定了，单体用量的增大使粒径线性增长。单体过多或过少都会导致粒径分布变宽[31]。单体用量过多时，分散介质的溶解力增大，聚合物链需要更长才能被析出，同时，吸附稳定剂的速率下降，单体对微球的溶胀性能增加，也增大了二次成核概率。单体用量过少时，稳定剂相对含量较高，要达到一定链长才会被析出形成二次粒子。引发剂用量过多时，游离基数目变多，反应初期形成的活性链也增多，稳定剂的浓度相对下降，导致聚合物微球的单分散性变差[32]。

2 分散聚合的应用

分散聚合自20世纪70年代起步， 20世纪90年代快速发展，已被应用于几乎所有能进行自由基聚合以制备不溶于反应介质的聚合物微球，甚至还用于离子型聚合、开环聚合、缩聚等聚合体系[33-35]。

2.1 氮氧稳定体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）可应用于苯乙烯的分散聚合，但技术难点主要为聚合时间较长、单体转化率较低和聚合物微球单分散性差。单体聚集成核时，由于单体的高浓度导致分散介质的溶解能力上升，成核时间被延长。Shim等[37]使用TEMPO和2，2-偶氮二异丁腈在不同溶解度的介质中进行苯乙烯的活性自由基分散聚合。实验结果显示，在聚合初期，所有的二醇类介质都能很好地生成PSt微球。微球的单分散性随着反应介质对苯乙烯单体溶解能力的增强和TEMPO浓度的降低而增大。随TEMPO浓度的增加，成核时间延长，PSt微球的均匀性降低。

Yoshida[38]在室温下通过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）的光引发分散聚合反应。在对比实验中，MTEMPO光分散聚合产生了PMMA的球形颗粒，而没有MTEMPO的不受控光分散聚合得到的只是非球形颗粒。光渗透到颗粒之中，可以控制球形颗粒的尺寸和分子量。

Hafeez等[39]以TEMPO为引发剂，引发硫醇-烯反应生成了交联聚合物微球。硫醇-烯反应涉及将硫醇加成在不饱和C=C双键上，在该反应条件下无需光和热。他们使用了2个体系研究TEMPO的引发活性: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，并研究了对不同烯烃反应速率的差异。由于存在磺酰基，二乙烯基砜高度缺电子，比丙烯酸正丁酯具有更高的反应性。1H NMR表征结果显示，硫醇和烯烃反应有90%以上的转化率。这种引发硫醇-烯反应的新方法具有优良的修饰微球表面的能力。该方法可将可变的生物活性功能（如蛋白质，肽或氨基酸）引入微球表面。

2.2 ATRP分散聚合

使用ATRP方法进行分散聚合合成的聚合物颗粒具有良好的单分散性且分子量可控，也可通过该方法结合聚合诱导自组装合成嵌段共聚物纳米组装体，该组装体可以非常方便地赋予特定尺寸或形态。Wang等[40]在低分子量聚乙二醇（PEG）中进行连续活化剂再生（ICAR）的ATRP分散聚合。这种ICAR的ATRP分散聚合使用了低浓度的CuBr2催化剂，该催化剂在环境中可以稳定存在且溶于大多数极性溶剂。反应得到PEG-b-PSt，PEG-b-PMMA等纳米组件。通过改变嵌段共聚物的聚合度和进料单体的浓度，可以调节嵌段共聚物纳米组合物的尺寸和形态。

ATRP分散聚合法也被用于制备具有热响应功能性的聚合物微球。Matsuyama等[41]以聚（n-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）为引发剂，苯乙烯为原料，利用ATRP分散聚合制备了具有生物分子识别能力的热响应纳米粒子。PNIPAM引发剂在聚合物链端基上包含一个烷基卤化物和/或邻苯二酰亚胺基团，同时PNIPAM接枝在PSt核上导致邻苯二酰亚胺端基被终止，而这些末端基可用来固定生物分子识别单元。Kim等[42]使用PEG-Br大分子引发剂在水中合成了PEG-b-PNIPAM嵌段共聚物。在25～50 ℃下聚合，分别形成可溶嵌段共聚物和胶束；再在50 ℃下加入交联剂，可进一步获得水凝胶。该条件下得到的微球直径约60 nm，当在四氢呋喃/水混合物中时，微球直径急剧增加（＞50 nm）。该微球可被用作石英晶体微天平的HCl气体传感器。

Yang等[43]在不同pH下进行了甲基丙烯酸甲酯（MMA）在PVP上的ATRP模板分散聚合。由PVP-MMA的氢键相互作用形成了微单体液滴。该液滴的稳定性取决于pH及PVP和MMA的浓度。当pH＜2时，得到PVP-MMA凝聚物；当pH＞4.5时，得到透明水溶液。反应的最佳条件为pH=2.4、PVP含量4.76%（w）、MMA含量5.00%（w），所得微球粒径约50 nm，且具有良好的单分散性。

2.3 RAFT分散聚合

RAFT分散聚合应用更广泛，并且能制备更多形貌的嵌段共聚物胶束粒子[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）嵌段共聚物颗粒，聚合机理见图3。Cao等[47]通过苯乙烯介导的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）两亲性三嵌段共聚物，可通过改变溶剂组成调节PDMAc-b-PSt-b-PDMAc的形态，如球形囊泡或六方堆积的空心壁囊泡。与传统的二嵌段共聚物相比，三嵌段共聚物在相似条件下更倾向形成更高阶的形态。

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

谈梦婷[48]将聚丙烯酸三碳酸酯作为大分子链转移剂调控乙醇/水中苯乙烯的RAFT分散聚合。通过调整溶剂体系比例，使反应体系的疏水链段增加，导致微球形貌发生变化，由球转向棒直至多孔纳米球。当体系中水较少时，聚合反应速率加快，生成的粒子尺寸也较小。用相似的方法将聚4-乙烯基吡啶碳酸酯作为大分子链转移剂，也得到了类似的结果。

杨永启[49]以乙醇为分散介质，研究了单体侧链长度和反离子类型不同的情况下的热引发离子液体的RAFT分散聚合，并考察了产物的形貌变化，同时将类似体系用于光引发RAFT分散聚合，在复合的催化体系中，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。王晓[50]成功地改变了反应介质，将水这一绿色的分散体系用于RAFT分散聚合，并考察了产物乙酯的形貌变化规律。

Rymaruk等[51]用低黏度硅油（十甲基环五硅氧烷）作聚合溶剂，采用分散聚合对8种不同的甲基丙烯酸单体合成的前体进行扩链。TEM表征结果显示，只有2-（二甲胺基）甲基丙烯酸乙酯（DMA）进行了有效反应。这归因于它具有较低的玻璃化转变温度。初始阶段的DMA聚合速率相对缓慢，当到达临界聚合度时，出现了胶束形核。之后，聚合变得不均匀，这种相对较高的局部DMA浓度导致聚合速率提高两倍，在90 ℃下4 h内可实现87%的高转化率。

2.4 scCO2分散聚合

scCO2具有无毒性、不可燃、溶解能力随压力而变、对高聚物有较强溶胀能力等诸多优点，是应用前景极广的绿色溶剂[52]。由于许多小的有机分子在CO2中的溶解度高，因此scCO2分散聚合为迄今为止开发最广泛的非均相方法，可用于生产高分子量、不溶于CO2、工业上有重要应用的烃类聚合物。Wang等[40]研究了在scCO2存在下MMA的原位分散聚合。将Copaiba油加载到PMMA颗粒中，过氧化苯甲酰为引发剂，乙烯基封端的聚（二甲基硅氧烷）为分散剂，制备出了Copaiba油含量高达5%（w）的球形PMMA颗粒。

在用于医疗领域的粉末产品中，稳定剂起至关重要的作用，Zhan等[53]在scCO2中以端羟基丙基聚二甲基硅氧烷为亲CO2链，以聚L-丙交酯为亲水链，以端羟基聚二甲基硅和辛酸亚锡为引发剂，进行了L-丙交酯的开环分散聚合，成功制备了端部-封头的三嵌段稳定剂。他们还研究了L-精氨酸引发的L-丙交酯在scCO2中的开环分散聚合，得到了聚（L-乳酸）（PLLA）细粉[54]。在scCO2中，L-精氨酸是人体必需氨基酸，作为引发剂更绿色也更安全；L-精氨酸也充作催化剂，使制备的PLLA纯度更高。

针对scCO2分散聚合中稳定剂含量过高、有害环境等问题。黄旭辉[55]提出以超交联聚合物纳米颗粒作为新型稳定剂，应用于MMA的scCO2分散聚合。他还对稳定剂的孔结构、含量、单体浓度等因素进行调整优化，制备了高产率（＞85%）和高分子量（＞3×105）的干燥PMMA聚合物粉末。同时scCO2在反应结束后通常能作为萃取剂，反应分离一体化，在提高效率的同时做到了节能环保。

3 结语

分散聚合在制备聚合物微球的粒径控制中有着独特优势，深受广大科技工作者的重视。同时，分散聚合的成核机理与稳定机理也在讨论与探究的基础中逐渐成熟与完善。分散聚合在各个方面有着良好表现，可以满足不同行业对聚合物微球的单分散性的需求。随着分散聚合研究的深入，对分散聚合法操控聚合物微球粒径及单分散性提出了更精准的要求。目前，对于实现较大粒径聚合物微球的单分散性仍有困难。尽管对传统引发剂和分散剂有所改良，但造价高昂，稳定性较差。对于分散聚合的各组分的研究日新月异，通过对单体、引发剂、稳定剂和分散介质的改进，聚合生成的功能性微球能够在生物医药、食品安全、化工生产和电子电工等前沿领域有广阔的应用前景。