種子溶脹聚合制備單分散聚苯乙烯磁性微球

杜 昕，徐 林，解希銘，段海東，張宇婷，常 璐

（1. 中國石化 北京北化院燕山分院，北京 102500；2. 甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730000）

石油化工新材料

種子溶脹聚合制備單分散聚苯乙烯磁性微球

杜 昕1，徐 林1，解希銘1，段海東1，張宇婷1，常 璐2

（1. 中國石化 北京北化院燕山分院，北京 102500；2. 甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730000）

以無皂乳液聚合法制備的粒徑約為500 nm的聚苯乙烯（PS）微球為種子，在苯乙烯分散的Fe3O4磁性溶膠存在下，通過種子溶脹法制備了單分散PS磁性微球。通過SEM，TEM，XRD，TG等表征手段研究了PS磁性微球的形貌、粒徑、組成及其熱穩定性，并采用振動樣品磁強計測定了PS磁性微球的磁響應性。研究結果表明，PS磁性微球的平均粒徑約為900 nm，具有良好的均一性、單分散性、熱穩定性和超順磁性，室溫下沒有發現剩磁和磁矯頑力，飽和磁化強度約為12 emu/g，可通過外加磁場有效分離，具有優異的磁響應性。

種子溶脹聚合；單分散磁性聚苯乙烯微球；苯乙烯

磁性材料具有比表面積大、低毒、穩定、生物可相容和特殊的磁性能等特點［1-3］，近年來受到極大關注。其中，具有良好的單分散性、膠體穩定性和強磁響應性的磁性微球前景廣闊，廣泛應用于生物合成［4］、有機催化［5-6］、數據存儲［7］和環境治理［8］等領域。

制備磁性微球的傳統方法包括原位生成技術、核殼制備工藝、乳液聚合、細乳液聚合、分散聚合、懸浮聚合和交聯技術等［9-11］。這些方法合成的微球往往粒徑分布較寬且磁含量無法均勻分散在每個微球中。因此，需開發全新的制備方法以滿足科研和生產的應用需求。

本工作提出了一種簡單新穎的種子溶脹聚合法用于制備單分散聚苯乙烯（PS）磁性微球，并通過多種表征方法對制得的磁性微球的性質進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

芐醚：純度大于等于97%，Sigma-Aldrich試劑公司；1，2-十二烷二醇：純度大于90.0%，梯希愛（上海）化成工業發展有限公司；油酸（純度99%）、油胺（純度大于98.0%）、乙酰丙酮鐵（純度大于99.0%）：上海紫一試劑廠；異丙醇（純度大于等于99.9%）、正己烷（分析純）、苯乙烯（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；二乙烯基苯（純度大于等于80.0%）、過硫酸鉀（純度99.5%）、十二烷基苯磺酸鈉（純度95%）、過氧化二苯甲酰（純度98%）：百靈威科技有限公司。

Hitachi公司S-4800型冷場發射掃描電子顯微鏡；FEI公司Tecnai G2 F30型場發射透射電子顯微鏡；Rigaku公司D/MAX-2400型X射線衍射儀；Lake Shore公司7304型振動樣品磁強計；NETZSCH公司STA 449 C Jupiter型熱重分析儀。

1.2 Fe3O4磁性納米粒子的制備

采用高溫液相法［12］制備Fe3O4磁性納米粒子：在100 mL三口燒瓶中依次加入20 mL芐醚、2 mmol乙酰丙酮鐵、10 mmol 1，2-十二烷二醇、10 mmol油酸和2 mmol油胺，氬氣保護下進行磁力攪拌，使反應物完全溶解；加熱至120 ℃保溫1 h，然后升溫至200 ℃保溫1 h；將反應液加熱至280 ℃左右恒溫回流2 h，反應液由黑褐色變為黑色。

反應完成后，反應液自然冷卻至室溫，加入異丙醇進行沉淀，得到的黑色粉末用體積比為1∶1的異丙醇-正己烷溶液洗滌3～5次，離心除去未反應的原料和雜質。所得產物用苯乙烯分散形成苯乙烯- Fe3O4磁性溶膠。

1.3 PS微球種子的制備

采用無皂乳液聚合法［13］制備PS微球種子：在250 mL三口燒瓶中依次加入100 mL去離子水、10 mL苯乙烯和0.5 mL二乙烯基苯，攪拌下溶解，然后加入40 mL過硫酸鉀水溶液（含過硫酸鉀0.05 g），70 ℃下聚合反應12 h。離心分離產物，用去離子水洗滌。

1.4 PS磁性微球的制備

采用種子溶脹聚合法制備PS磁性微球：準備2份50 mL 0.25%（w）的十二烷基苯磺酸鈉水溶液，在其中一份中加入5 mL苯乙烯- Fe3O4磁性溶膠；另一份中加入15 mL含PS種子的苯乙烯溶液。將兩份溶液在室溫下攪拌2 h后混合并溶脹12 h，然后升溫至70 ℃，加入0.1 g過氧化二苯甲酰聚合反應12 h。產物進行磁分離后用去離子水洗滌。

2 結果與討論

圖1為不同階段產物的SEM和TEM照片。

圖1 PS微球種子的SEM照片（a）、Fe3O4磁性納米粒子的TEM照片（b）、PS磁性微球的SEM照片（c）及其TEM照片（d）Fig.1 SEM image of polystyrene(PS) microsphere seeds(a)，TEM image of Fe3O4magnetic nanoparticles(b)，SEM(c) and TEM images(d) of magnetic PS microspheres.

由圖1a可看出，無皂乳液聚合法制備的PS微 球種子的分散性良好，呈均一球形，粒徑約為500nm；由圖1b可看出，高溫液相法制備的Fe3O4磁性納米粒子的形貌近似球形，平均粒徑在7 nm左右；由圖1c可看出，種子溶脹聚合法制備的PS磁性微球呈球形，粒徑約為900 nm，具有較好的單分散性，由其TEM照片（圖1d）可清晰地看到PS磁性微球表面上修飾的Fe3O4磁性納米粒子。

圖2為Fe3O4磁性納米粒子和PS磁性微球的XRD譜圖。由圖2可看出，Fe3O4磁性納米粒子和PS磁性微球的XRD譜圖中均出現了Fe3O4的特征衍射峰（29.8°， 35.4°， 43.5°， 54.2°， 57.1°， 63.0°），且兩者的峰形和位置完全一致。根據JCPDS19-629可知，這些峰分別歸屬于（220），（311），（400），（422），（511），（440）晶面的特征衍射峰。由此可看出，PS磁性微球中含有Fe3O4磁性納米粒子，且在種子溶脹聚合過程中，Fe3O4磁性納米粒子的晶體結構未發生變化。由Scherrer公式（見式（1））估算出Fe3O4磁性納米粒子的晶粒尺寸約為7.3 nm。

式中，d為晶粒尺寸，nm；k=0.89；λ=0.154 1 nm；β為半峰寬，rad；θ為衍射角，°。

圖2 Fe3O4磁性納米粒子（a）和PS磁性微球（b）的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of magnetic Fe3O4nanoparticles(a) and magnetic PS microspheres(b).

采用振動樣品磁強計測試了Fe3O4磁性納米粒子和PS磁性微球的室溫磁滯回線（見圖3）。由圖3可看出，室溫下Fe3O4磁性納米粒子的飽和磁化強度（MS）為57.5 emu/g，而PS磁性微球的MS為12.2 emu/g；同時可看出，制備的Fe3O4磁性納米粒子具有優異的磁性能，室溫下沒有發現剩磁和磁矯頑力，呈超順磁性［12］。而制備的PS磁性微球同樣具有令人滿意的磁響應性，可通過外加磁場在30 s內從體系中簡單分離（見圖4），當外加磁場撤除時，通過輕微的震蕩，聚集的PS磁性微球可以再次分散在溶液中。

圖4 外加磁場對PS磁性微球的分離效果Fig.4 Effect of external magnetic feld on the magnetic PS microspheres.

PS磁性微球的TG曲線見圖5。由圖5可看出，所制備的PS磁性微球具有良好的熱穩定性，在200℃以內沒有明顯的失重；從200 ℃開始至400 ℃，TG曲線出現明顯的下降趨勢，之后趨于平緩，說明PS磁性微球中的聚合物成分在200～400 ℃內大量分解。在100～800 ℃的溫度范圍內，PS磁性微球約失重11%。

圖5 PS磁性微球的TG曲線Fig.5 TG curve of magnetic PS microspheres. Heating rate 10 ℃/min with nitrogen protection.

3 結論

1） 通過種子溶脹聚合法制備了單分散PS磁性微球。

2） 所制備的PS磁性微球具有良好的均一性、單分散性和超順磁性，平均粒徑約為900 nm，飽和磁化強度約為12 emu/g，可通過外加磁場有效分離。

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（編輯 安 靜）

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Preparation of Monodisperse Magnetic Polystyrene Microspheres by Seed Swelling Polymerization

Du Xin1，Xu Lin1，Xie Ximing1，Duan Haidong1，Zhang Yuting1，Chang Lu2
（1. SINOPEC YanShan Branch of Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 102500，China；2. Gansu Environment Monitoring Center，Lanzhou Gansu 730000，China）

Monodisperse magnetic polystyrene(PS) microspheres were prepared via seed swelling polymerization in the presence of magnetic Fe3O4sol-gel dispersed in styrene. The seeds were PS microspheres with an average diameter of 500 nm prepared by soap-free emulsion polymerization. The morphology，particle size，composition，thermal stability and magnetic response of the magnetic PS microspheres were investigated by means of SEM，TEM，XRD，TG and vibrating sample magnetometer. The results showed that the PS microspheres exhibited uniform particle size distribution with the average particle size of about 900 nm，good monodispersity，high thermal stability and superparamagnetism. There were no remanence and coercivity at ambient temperature. The saturation magnetization of the PS microspheres reached 12 emu/g. The PS microspheres can be separated by magnetic f eld effectively.

seed swelling polymerization；monodisperse magnetic polystyrene microspheres；styrene

1000 - 8144（2014）01 - 0087 - 04

TQ 325.2

A

2013 - 07 - 26；［修改稿日期］ 2013 - 09 - 25。

杜昕（1981—），男，甘肅省蘭州市人，博士，工程師，電話 010 - 81330842，電郵 duxin.bjhy@sinopec.com。