超大孔聚 苯乙烯 甲基丙烯酸缩水甘油酯 共聚微球的 制备及 …

3.1 表面活性剂含量对微球孔结构的影响 图 2 为不同 Span-80 用量下微球的形貌和孔径，从
图可见，Span-80 含量对聚合物微球的形貌和孔径起关 键作用. Span-80 量为 1.6 g 时，孔径较小，约为 100 nm； Span-80 量增加到 2.0 g 时，孔径增大至 720 nm，说明 表面活性剂对大孔形成起关键作用. 在研究聚苯乙烯体 系微球内孔道形成机理的工作中[24]，通过共聚焦显微镜 和光学显微镜观察到了油相内表面活性剂反胶团吸水 进而形成连续通道的过程，吸水前表面活性剂相零散分 散于油相，吸水后油相内的反胶团能把水吸入其极性区 域内并被水溶胀，进而发生聚集，并形成连续孔道；通 过测定吸水量，考察了表面活性剂用量的影响，发现最 大吸水量随表面活性剂含量增加而增大，同时，聚合物 微球孔径也随之增加，当表面活性剂用量从 1.2 g 增至 1.6 g 时，最大吸水量由 20%增至 30%；通过电导率− 吸水量曲线的测定研究了表面活性剂用量对油包水微 乳液结构的影响，确定了乳液由小液滴相互碰撞、随吸 水量增大形成双连续结构的过程，连续水通道的大小和 数量主要由表面活性剂用量决定. 随 Span-80 用量增 加，反胶团数增多，进而从外水相吸收的水分增多，形 成的孔道也会增大.
(1. 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京 100190；2. 中国科学院研究生院，北京 100049)
摘 要：使用表面活性剂反胶团法制备超大孔聚(苯乙烯−甲基丙烯酸缩水甘油酯)[P(ST−GMA)]共聚微球，考察了功能
单体 GMA 含量、油溶性表面活性剂、稀释剂、交联剂对微球孔径的影响. 结果表明，随 GMA 含量增加，微球孔径
用 JEM-6700F 扫描电子显微镜观察微球表面形态， 微球粒径分布采用激光粒度仪测定，微球孔隙率、孔径 分布、比表面积等由 AutoPore IV9500 压汞仪测定.
表 1 超大孔 P(ST−GMA)共聚微球制备的标准配方
Table 1 Standard recipe for preparation of macroporous
2 实验
2.1 实验材料 甲 基 丙 烯 酸 缩 水 甘 油 酯 (GMA, Fluka) 和 苯 乙 烯
(ST，北京化学试剂公司)为单体，化学纯；交联剂二乙 烯基苯(DVB，北京化学试剂公司)为工业纯，使用前进 行蒸馏，去除试剂中含有的阻聚剂；过氧化苯甲酰 (Benzoyl Peroxide, BPO，北京化学试剂公司，含水量 25%)用作聚合引发剂，分析纯；十六烷(Hexadecane, HD, Wako Pure Chemical Industries, Japan)、异辛烷(Isooctane, IO ， 上 海 五 联 化 工 厂 ) 和 4- 甲 基 -2- 戊 醇 (4-Methyl-2-pentanol, MP，中国药物集团公司)为疏水性 稀释剂，阻止单体扩散到水相，均为分析纯；Span-80(北 京邦德科技贸易公司)为表面活性剂，化学纯；聚乙烯 醇[Poly(vinyl alcohol), PVA-217，聚合度 1700，水解度 88.5%，由东京化工株式会社提供]用作悬浮稳定剂；十 二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS，Merck)作 为助表面活性剂，分析纯；对苯二酚(Hydroquinone, HQ， 北京化学试剂公司)为抑制剂，抑制二次成核作用，分 析纯；无水硫酸钠、无水乙醇、丙酮等均购于北京化学 试剂公司.
显著增大；表面活性剂用量从 1.6 g 增加到 2.0 g 时，微球孔径由 100 nm 增加到 720 nm；随稀释剂疏水性增强，微球
孔径增大；交联剂用量由 1.0 g 增加到 2.0 g，微球孔径由 550 nm 变为 100 nm 左右. 在此基础上，通过条件优化合成
了具有特定孔径的不同功能单体 GMA 含量的超大孔 P(ST−GMA)共聚微球，可连接不同配基，用于色谱分离介质及
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100 1000 10000
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Pore diameter (nm)
Pore diameter (nm)
Pore diameter (nm)
图 2 Span-80 用量对微球形貌和孔径的影响(GMA 50%)
Fig.2 Effect of Span-80 amount on the morphology and pore size of P(ST−GMA) microspheres (GMA 50%)
20 世纪 90 年代初出现 POROS 灌注色谱介质，其 颗粒内具有两类孔道，分别是 600~800 nm 的贯穿孔和 80~150 nm 的扩散孔. 然而，该介质的制备较困难[11]， 需首先制备纳米级颗粒，然后使小颗粒聚集成微米级大 颗粒，小颗粒间的间隙形成大孔. 显然，通过控制纳米 颗粒间的不规律聚集状态控制孔径非常困难，这就造成 POROS 介质批次间重复性较差，且产品的收率低、价 格昂贵. 另外，纳米颗粒间的凝聚力低，造成介质机械 强度弱、装柱困难、使用过程中易碎等问题，使 POROS
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过程工程学报
第 10 卷
(a) Span-80 1.6 g
(a) Span-80 1.6 g 100 nm
(b) Span-80 1.8 g
(b) Span-80 1.8 g
550 nm
(c) Span-80 2.0 g
(c) Span-80 2.0 g
720 nm
Log differenrial instrusion
Total pore area (m2/g) Average particle size (µm)Fra bibliotekHD0.2
350
68.6
13.3
50.8
IO/MP (3:2)
1.0
100
60.5
34.0
38.6
IO/MP (4:1)
1.0
180
71.2
26.6
51.53
3.2 稀释剂对微球形貌与孔径的影响 实验结果显示，油相中加入稀释剂后，微球孔径变
第 10 卷第 3 期 2010 年 6 月
过程工程学报 The Chinese Journal of Process Engineering
Vol.10 No.3 June 2010
超大孔聚(苯乙烯−甲基丙烯酸缩水甘油酯)共聚微球的 制备及孔结构的调控
李 燕 ， 1,2 周炜清 1 ， 马光辉 1
2.2 微球制备 在烧杯中加入一定配比(表 1)的单体、交联剂、稀
释剂、表面活性剂和引发剂(BPO)，配成油相，搅拌至 BPO 完全溶解. 将一定量稳定剂(PVA)、无水 Na2SO4, SDS 和 HQ 溶解于去离子水中配成水相，在搅拌(200 r/min)条件下将油相分散于水相制成 O/W 乳液. 通氮气 1 h 后，将温度升至 75 ℃，氮气气氛下聚合 20 h. 所得 聚合物微球分别用水和乙醇清洗数次. 微球内未聚合的 物质如表面活性剂、稀释剂等再用丙酮抽提 24 h 去除. 室温真空干燥后，即得成品. 2.3 微球表征
第3期
李燕等：超大孔聚(苯乙烯−甲基丙烯酸缩水甘油酯)共聚微球的制备及孔结构的调控
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合物的相分离进一步增强，水相形成大孔. 因此，微球 的孔结构直接决定于 W/S/O 乳液的微结构.
超大孔聚苯乙烯微球用途极为广泛，如作为色谱分 离纯化介质[17,18]可有效提高流动相传质速率，在高流速、 低床层压力下进行分离；作为固定化酶载体时[19,20]，因 酶一般是大分子，若载体孔径小，酶难进入载体内部固 定，催化反应时底物和产物进出载体的传质过程会受影 响. 如果固定在超大孔微球上，既利于酶固定，也利于 提高底物与酶之间的传质速度，提高反应效率[21]. 因 此，这种大孔径材料作为固定化酶载体会更具优势. 但 由于聚苯乙烯骨架上没有可修饰的基团，限制了其应 用，因而常采用胺化、羧化等较剧烈的功能化方法[22,23] 进行修饰. 本研究利用甲基丙烯酸缩水甘油酯(Glycidyl Methacrylate, GMA)含环氧基团的特点制备聚(苯乙烯− 甲基丙烯酸缩水甘油酯[P(ST−GMA)]超大孔微球，控制 GMA 加入量提供功能基密度不同的微球，以利在温和 条件下进行修饰. 但超大孔微球的制备加入 GMA 会造 成体系的极性变化而影响成孔过程，需要进行详细考 察，实现对孔结构的控制. 因此，考察了功能单体 GMA 比例、油溶性表面活性剂、稀释剂、交联剂在反应体系 中对聚合物微球孔结构的影响规律，通过优化实验条件 合成出了具有特定孔径的不同 GMA 含量的超大孔 P(ST−GMA)共聚微球，以满足不同应用领域的要求.
表2 稀释剂对微球孔结构的影响(GMA 50%)
Table 2 Effect of diluent on pore structure of P(ST−GMA) microspheres (GMA 50%)
Diluent
Mass (g) Main pore size (nm) Porosity (%)
酶的固定化.
关键词：表面活性剂反胶团；超大孔共聚微球；孔结构
中图分类号：TB383; TQ317.4
文献标识码：A
文章编号：1009−606X(2010)03−0608−05
1 前言
随着生物技术的迅速发展，越来越多的生物大分子 如蛋白质和多肽等需要进行分析、分离和纯化. 多孔聚 合物微球由于其高的比表面积和多样的表面特征，常被 用作色谱分离纯化的介质[1−5]. 然而，常规多孔聚合物微 球的孔径在 10~30 nm，由于孔径较小，生物大分子只 能以扩散方式通过介质，传质速率慢，造成分离时间长、 容易失活等问题[6,7]. 因此，具有超大孔(溶质分子直径 的 10 或 20 倍以上)的聚合物微球日益成为科技和工业 领域关注的热点[8−10].
本实验室开发了一种新型制备超大孔微球方法— 表面活性剂反胶团溶胀法，已成功制备出超大孔聚苯乙 烯微球(Polystyrene, PST)和超大孔甲基丙烯酸缩水甘油 酯聚合物微球[Poly(glycidyl methacrylate), PGMA]，孔径 可达 500 nm 以上[15,16]. 这种制备方法与常规悬浮聚合 类似，区别在于油相内加入较高含量的表面活性剂，其 机理如图 1 所示，表面活性剂在油相内形成大量反胶团 聚集体，油相分散到水相中后，油相液滴内的反胶团可 自发从外水相中吸收水分而溶胀. 此时，液滴实际是一 种水/表面活性剂/油(W/S/O)乳液. 聚合反应后，水和聚
介质的应用停滞不前. 基于这一不足，研究人员又开发 了很多方法制备超大孔微球，如聚合物致孔剂法[12]、高 内 相 乳 液 聚 合 (Polymerization of High Internal Phase Emulsions, PolyHIPE)法[13]、固体−有机溶剂共致孔剂法[14] 等，取得很多进展，但都存在制备过程较复杂、机械强 度较弱等问题. 如 PolyHIPE 法先要制备出高内相乳液， 再将其分散到外水相，然后进行聚合. 因此，发展一种 简便易行的制备超大孔微球的方法，对降低分离介质成 本、进行规模化生产意义重大.
图 1 聚合物微球超大孔形成示意图 Fig.1 Schematic diagram of the formation of macropores in a polymer particle
收稿日期：2010−02−01，修回日期：2010−04−01 作者简介：李燕(1984−)，女，内蒙古乌兰察布市人，硕士研究生，生物化工专业；周炜清，通讯联系人，Tel: 010-62546099, E-mail: wqzhou@.
P(ST−GMA) microspheres
Water phase
Mass (g)
Oil phase
Mass (g)
PVA
3
BPO
0.16
Na2SO4 SDS
0.1
Total monomer
3
0.015
DVB
1.0
HQ
0.01
Diluents
0.2/1.0
Water
100
Span-80
1.6
3 结果与讨论