一种凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于无皂乳液聚合技术领域，涉及一种凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
乳液聚合一般是单体借助乳化剂和机械搅拌，使单体分散在水中形成乳液，再加入引发剂引发单体聚合的一种反应，是合成高分子材料的一种重要制备方法。其优点在于：(1)聚合速度快，产品分子量高；(2)用水作分散剂介质，有利于传热控温；(3)反应达高转化率后，乳聚体系的粘度仍很低，分散体系稳定，较易控制和实现连续操作等。但传统乳液聚合亦存在诸多问题，例如：乳化剂的加入会增加后期处理难度，且会降低聚合物产品的耐水性、耐溶剂性和力学性能。Matsumoto和Ochi(文献)于1960年在完全不含乳化剂的条件下，合成了具有粒度均匀乳胶粒的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚醋酸乙烯酯乳液，此后无皂乳液聚合制备聚合物微球便迅速发展起来。由无皂乳液聚合法合成的乳胶粒径单一分散、表面洁净，不需要去除乳化剂这一后处理。产品广泛应用于临床医学、细胞学、材料科学、色谱分离等领域。
近年来均匀聚合物微球因具有形态可控、分子量可调、易于在表面引入不同功能基团等特性，受到广泛关注。在聚合物微球中，以聚苯乙烯颗粒的制备与应用最为广泛，其为有序低维纳米结构的构筑提供了模板或构筑单元。
早期对聚苯乙烯颗粒的研究，多在于将其制备为分散性单一、外观球形、表面光滑且规整，以作标准球或模板使用；近年来，制备形貌不规整的颗粒(特别是Janus颗粒)成为热门。Gennes在1991年诺贝尔获奖致辞中首次借用Janus表示同时具有2种不同特性的颗粒。传统制备Janus颗粒的方法是Pickering乳液模板法，该方法实验操作复杂，且制备粒子不够纯净。Janus颗粒的各向异性导致用途广泛，近几年相关制备方法研究越来越多。目前，微米级别的凹陷空心聚苯乙烯颗粒制备已经实现，纳米级别的凹陷空心聚苯乙烯颗粒制备仍是一大挑战。
发明内容
为拓宽聚苯乙烯颗粒的应用范围，克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的制备方法，以苯乙烯为单体，在溶剂和小分子醇存在的条件下，通过复合引发剂(双引发剂)引发的无皂乳液聚合反应制备而成。制备时，在搅拌条件下，使苯乙烯分散于水中，然后加入小分子醇，形成均一透明的混合液；向混合液中加入复合引发剂溶液混合均匀形成初始反应液；在恒温水浴搅拌条件下，于反应过程中取一定体积的反应液稀释并继续反应完毕。经离心分离(醇洗、水洗)，可得目标产物。本发明所得目标产物是一种均匀较好、储存稳定性优异、光学性能良好的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。
本发明利用传统无皂乳液法，在稀释条件下，一步法便可制备出凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒，且产物纯净无表面活性剂，大大拓宽了其应用领域。
本发明提供了一种凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：在容器中加入苯乙烯、溶剂和小分子醇，搅拌至混合液澄清透明，然后超声均一化形成混合液。
步骤(2)：向上述步骤(1)的混合液中加入复合引发剂形成初始反应液，然后进行无皂乳液聚合反应。
步骤(3)：取步骤(2)不同反应时间的反应液，用含有复合引发剂的小分子醇水溶液作为稀释液进行稀释并反应完毕。
步骤(4)：将步骤(3)反应得到的产物经离心、水洗、再分散的处理方法，制得凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。
步骤(1)中，所述溶剂为去离子水、二次蒸馏水、高纯水等中的一种或两种，以减少外来杂质的影响；优选地，为二次蒸馏水。
步骤(1)中，所述容器可以是三颈烧瓶或者其它规格的烧瓶或锥形瓶。
步骤(1)中，向所述容器中加入小分子醇的方式优选为滴加。
步骤(1)中，所述小分子醇是指C1-C8的醇，包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇等中的一种或几种；优选地，为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇。其作用是降低溶剂的表面张力，便于苯乙烯分散于溶剂中。
步骤(1)中，所述搅拌的温度为20-25℃；优选地，为25℃。
步骤(1)中，所述搅拌的时间为10-15min；优选地，为15min。
步骤(1)中，所述搅拌的转速为50-100rmp；优选地，为100rmp。
步骤(1)中，所述超声的温度为20-25℃；优选地，为25℃。
步骤(1)中，所述超声的时间为10-15min；优选地，为15min。
步骤(1)中，所述溶剂与苯乙烯的体积比为(80-90)：(7-8)；
优选地，为80:7。
步骤(1)中，所述小分子醇与苯乙烯的体积比为(120-140)：(7-8)；优选地，为120：7。
步骤(2)中，所述复合引发剂为引发剂与还原剂的组合。
其中，所述引发剂为过硫酸钾(KPS)、偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化二苯甲酰(BPO)等中的一种或几种；优选地，为过硫酸钾(KPS)。
其中，所述还原剂为亚硫酸氢钠(NaHSO3)、亚硫酸钠(NaSO3)等中的一种或几种；优选地，为亚硫酸氢钠(NaHSO3)。
其中，所述引发剂与还原剂的质量比为(1-2)：(0.7-1.4)；优选地，为(1-2)：(0.7-1.3)；进一步优选地，为2：1.3。
步骤(2)中，优选将所述复合引发剂与小分子醇和溶剂配成溶液后，加入步骤(1)的混合液中。具体地，制备复合引发剂的步骤为：将引发剂、小分子醇与溶剂配成混合溶液(A)，然后将还原剂、小分子醇与溶剂配成混合溶液(B)，最后将两种混合溶液混合。优选地，先将引发剂、乙醇与水配成混合溶液(A)，然后将还原剂、乙醇与水配成混合溶液(B)，最后将两种混合溶液混合。
步骤(2)中，所述复合引发剂与苯乙烯的质量比为(0.01-0.02)：(0.5-1)；优选地，为0.02：1。
步骤(2)中，所述还原剂与苯乙烯的质量比为(0.01-0.013)：(0.5-1)；优选地，为0.013：1。
步骤(2)中，所述无皂乳液聚合反应的温度为20-30℃；优选地，为25℃。
步骤(2)中，所述无皂乳液聚合反应优选为恒温无皂乳液聚合反应。
步骤(2)中，所述无皂乳液聚合反应的搅拌速度为150-350rmp；优选地，为250rmp。
步骤(3)中，所述不同反应时间的反应液为反应20min-400min时的反应液；优选地，为80min，250min。
步骤(3)中，所述稀释的倍数为5-30倍；优选地，为5-20倍；进一步优选地，为10倍，20倍。
步骤(3)中，所述含有复合引发剂的小分子醇水溶液为与初始反应液中浓度相同的含有复合引发剂的小分子醇水溶液。
其中，所述小分子醇与水的体积比为(0-40)：(100-60)；优选地，为0：100或20：80。
步骤(3)中，经稀释操作后的样品后续在25℃搅拌下继续反应4-7天；优选地，为4天。
步骤(4)中，所述离心、水洗、再分散的处理过程，处理1-3次即可；优选地，为3次。
其中，所述离心的参数条件为：转速10000-12000转，离心5-10min；优选地，为转速12000转，离心10min。
其中，所述水洗的步骤为二次蒸馏水洗涤后超声分散。
步骤(4)中，所述凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为180-250nm；优选地，为200nm。
进一步地，本发明步骤(1)之前还包括对苯乙烯纯化的步骤，具体步骤为：将苯乙烯先用溶液洗涤，然后用溶剂清洗，经过减压蒸馏得到纯化后的苯乙烯。
其中，所述溶液为氢氧化钠溶液、碱性氧化铝等中的一种；优选地，为氢氧化钠溶液。
其中，所使用的溶液的浓度为5-10wt％；优选地，为10wt％。
其中，所述用溶液洗涤苯乙烯的目的是为去除苯乙烯中的阻聚剂，判断阻聚剂是否除净的标准为分液出的溶液为澄清透明。
其中，所述溶液洗涤的次数为1-3次；优选地，为3次。
其中，所述溶剂为二次蒸馏水、高纯水等中的一种或几种；优选地，为二次蒸馏水。
其中，所述用溶剂的目的是清洗苯乙烯至中性。
其中，所述溶剂洗涤的次数为2-4次；优选地，为4次。
其中，所述减压蒸馏的温度为18-25℃；优选地，为25℃。
其中，所述减压蒸馏的时间为20-50min；优选地，为40min。
其中，所述减压蒸馏过程中，20℃左右的馏取物即为纯化后的苯乙烯。
其中，对苯乙烯纯化的步骤后，将苯乙烯置于密闭容器中干燥低温保存。
本发明还提出了一种由上述方法制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。
其中，所述凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的粒径为180-250nm；优选地，为200nm。
常规制备方法仅进行步骤(1)和(2)时，最终得到的是单分散的球形聚苯乙烯纳米颗粒，本发明还需进行第(3)步稀释反应的目的是改变步骤(1)和(2)反应液的反应环境，使颗粒内部的未反应的苯乙烯、短链低聚物因条件的改变而发生溶出，从而得到本发明的目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。
采用传统的模板法制备凹陷空心聚苯乙烯颗粒时，空心模板的移除是个非常复杂的过程并且会对产生的凹陷空心结构产生不利的影响，而本发明制备方法仅在常规无皂乳液聚合法的基础上进行简单的稀释操作，大大缩短反应步骤且简单易操作，产品也可批量制备，反应过程中无需添加其它试剂和加热操作，合成工艺过程环境友好。
本发明还提出了所述的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒在制备药物、基因传输载体中的应用。
本发明还提出了所述的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒在制备癌症诊断与治疗的产品中的应用。
在一个具体的实施方式中，本发明所述开口可调控的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒制备方法，具体包括以下步骤：
步骤(a)：将苯乙烯先用溶液洗涤，然后用溶剂清洗，经过减压蒸馏得到纯化后的苯乙烯；
步骤(b)：将步骤(a)得到的纯化后的苯乙烯与上述步骤(a)相同的溶剂加入容器中，然后滴加小分子醇，搅拌至混合液澄清透明，然后超声均一化形成初始混合液；
步骤(c)：将复合引发剂过硫酸钾(KPS)和亚硫酸氢钠(NaHSO3)加入步骤(b)中的混合液形成初始反应液，初始反应液进行无皂乳液反应。
步骤(d)：取步骤(c)一定反应时间的反应液，用含有与初始反应液中浓度相同的复合引发剂的小分子醇水溶液稀释。
步骤(e)：将步骤(d)反应得到的产物经离心、水洗、再分散的处理方法，制得开口可调控的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。
其中，步骤(a)中，所述溶液为氢氧化钠溶液或碱性氧化铝中的一种或两种。
其中，步骤(d)中，对于稀释倍数较高的样品可加入聚沉剂，例如氯化铵等将苯乙烯聚沉下来。所述沉积时间一般为1-2天；优选地，为1天。
本发明所称的“稀释”是指，苯乙烯无皂乳液聚合反应过程中，取不同反应时间的反应液加入与初始反应液中浓度相同的双引发剂的小分子醇水溶液，以进行稀释反应步骤。
本发明步骤(c)中，优选制备复合引发剂的步骤为：将引发剂、小分子醇与溶剂配成混合溶液(A)，然后将还原剂、小分子醇与溶剂配成混合溶液(B)，最后将两种混合溶液混合。优选地，先将引发剂、乙醇与水配成混合溶液(A)，然后将还原剂、乙醇与水配成混合溶液(B)，最后将两种混合溶液混合。
本发明中，所述溶液是指氢氧化钠溶液或碱性氧化铝中的一种或两种。
本发明中，所述溶剂是指二次蒸馏水、高纯水中的一种或两种。
本发明中，所述原混合液指经减压蒸馏的苯乙烯与溶剂、小分子醇混合成为澄清透明的混合液。
本发明的有益效果在于：本发明提供的开口可调控的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的制备方法和现有技术相比，具有以下优点：
(1)制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒开口大小可以调控且均匀性好，可根据简单的稀释倍数、取样时间、稀释液中小分子醇的含量以及加入的小分子醇的种类即可实现对颗粒开口大小的调控；
(2)应用胶体方面知识，采用无皂乳液聚合法制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒的分散体系，储存稳定性好；
(3)采用一步法反应，制备过程简单；
(4)小分子醇毒性小，对环境污染小；
(5)过程无需使用稳定剂，不需要额外清除产物中的稳定剂；
(6)原料及产物无毒无害，较为环保；
(6)产品可批量制备；
(7)制备的产品凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒可广泛应用于临床医学、细胞学、材料科学、色谱分离等领域。
附图说明
图1为实施例1制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
图2为实施例2制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
图3为实施例3制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
图4为实施例4制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
图5为实施例5制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
图6为实施例6制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒电镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。具体实施例均以本发明的技术方案为前提进行实施，包括详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例前期为苯乙烯与水、小分子醇混合液制备阶段，其方法步骤为：
量取纯化的苯乙烯单体3.5ml、纯水40ml加入250mL锥形瓶中，在边搅拌(搅拌速度适宜，～300rmp)边通氩气的操作下，加入乙醇溶液约60ml(所选用乙醇规格为沪式，分析纯，含量≥99.7％)至混合液变为均一、澄清透明，再将锥形瓶放置于超声仪中(超声功率设置为99％，超声时间设置为15min)。取0.0566g过硫酸钾KPS(所选用过硫酸钾规格为沪式，分析纯，含量≥99.5％)与30ml乙醇与水混合液配成溶液，取0.0400g亚硫酸氢钠NaHSO3(所选用亚硫酸氢钠规格为沪式，分析纯，含量≥58.5％)与5ml乙醇与水混合液配成溶液，25℃水浴锅中搅拌反应(转速一般为250rmp)。其中，所提到的乙醇与水混合液体积比为乙醇：水＝3:2。
将反应物按以下实施例1～6的方法稀释，具体操作步骤为：
实施例1
本实施例为在反应过程进行至80min时取样，将混合液稀释至10倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，用水约6ml将0.0037g K2S2O8配成溶液，用水约3ml与0.0025g还原剂NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于乙醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图1所示，从图1整体看每个颗粒均为碗状。
实施例2
本实施例为在反应过程进行至80min时取样，将混合液稀释至20倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，用水约12.5ml将0.0077g K2S2O8配成溶液，用水约6.5ml与0.0055g还原剂NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于乙醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图2所示，从图2中可以看到大部分颗粒为半球状。
实施例3
本实施例为在反应过程进行至250min时取样，将混合液稀释至10倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，用水约6ml将0.0037g K2S2O8配成溶液，用水约3ml与0.0025g还原剂NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于乙醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图3所示，从图3中可以看到，每个颗粒相对于实施例1、2中颗粒形态，开口明显变小。
实施例4
本实施例为在反应过程进行至250min时取样，将混合液稀释至20倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，用水约12.5ml将0.0077g K2S2O8配成溶液，用水约6.5ml与还原剂0.0055g NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于乙醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图4所示，从图4中可以看到，每个颗粒相对于实施例1、2、3中颗粒形态，开口大小明显变小。
实施例5
本实施例的小分子醇为叔丁醇，在反应过程进行至200min时取样，将混合液稀释至10倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，用水约6ml将0.0037g K2S2O8配成溶液，用水约3ml与0.0025g还原剂NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于叔丁醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图5所示，从图5整体看每个颗粒相对于实施例1、2、3中颗粒形态，开口大小明显变小且有的出现多个开口。
实施例6
本实施例为在反应过程进行至250min时取样，将混合液稀释至10倍左右，其方法包括如下步骤：
量取反应液1ml于150ml锥形瓶中，稀释液中乙醇与水的体积比为20：80，即约4.8ml水和1.2ml乙醇溶液将0.0037g K2S2O8配成溶液，用2.4ml水和0.6ml乙醇溶液将0.0025g还原剂NaHSO3配成溶液，将两溶液快速加入上述锥形瓶中，置于25℃恒温水浴中搅拌反应4天，转速为250rmp。产物经离心、水洗、再分散步骤即可得目标产物凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒。产物溶解于乙醇中用TEM表征。本实施例制备得到的凹陷空心聚苯乙烯纳米颗粒如图6所示，从图6中可以看到，每个颗粒相对于实施例3中颗粒形态，开口大小及凹陷程度减小。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
