RAFT聚合法制備丙烯酰胺納米凝膠的工藝優化

龔　霞，胡瑩瑩，尤祥宇，謝衛紅

(湖北工業大學，湖北 武漢 430068)

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RAFT聚合法制備丙烯酰胺納米凝膠的工藝優化

龔霞，胡瑩瑩，尤祥宇，謝衛紅

(湖北工業大學，湖北 武漢 430068)

對聚合物的粒徑和分散性的精密控制是當前聚合物研究的重要課題。采用可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合法制備了丙烯酰胺納米凝膠，考察了聚合時間、單體(AAm)+交聯劑(EGDMA)用量、鏈轉移劑(BDC)+引發劑(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合溫度等對制備工藝的影響。結果表明，當延長聚合時間、增加AAm+EGDMA用量、升高聚合溫度、減少BDC+AIBN用量、減少BDC用量、減小n(AAm)∶n(EGDMA)比值時，納米凝膠的粒徑和分散性增大；且粒徑基本上與分散性呈正相關關系。通過控制反應條件，可以得到單分散、粒徑在幾十到幾百納米的丙烯酰胺納米凝膠。

可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合；丙烯酰胺；納米凝膠；優化

納米凝膠是一種以納米顆粒(粒徑為1～1 000nm)形式存在的分子內交聯聚合凝膠，其內部結構為典型的網絡結構。與大顆粒聚合物不同，納米凝膠粒徑小[1]、比表面積大、傳質能力強、結合位點易接近、表面熱交換效率高、在外部條件下易收縮和膨脹[2]，達到了彈性和剛性的平衡。納米凝膠在生物醫學(如藥物載體[3-6]和基因傳遞[7])、酶固定化及酶活性調控、診斷[8-9]、治療[10]等領域具有廣闊的應用前景。

可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合反應是指在傳統的自由基聚合體系中，引入一種具有高鏈轉移常數的二硫代酯結構的鏈轉移試劑，從而實現自由基聚合的活性/可控。RAFT屬于活性/可控自由基聚合中的一種，其基本原理是通過衰減鏈轉移從而提供可逆失活的聚合反應過程(圖1)。

圖1　RAFT聚合的反應機理Fig.1　Reaction mechanism of RAFT polymerization

由于RAFT聚合是活性自由基鏈(生長鏈)和“休眠物種”(RAFT基團鏈)之間的動態可逆平衡過程，從而能夠有效地控制自由基聚合體系中活性增長自由基的濃度，避免不可逆偶合終止和歧化終止等副反應的發生，使得自由基聚合反應具有活性/可控特征[11-15]。RAFT涉及到低聚物的形成和增長。在聚合反應開始后，所有的鏈被引發，自由基與鏈轉移劑結合，分枝型快速增長，在反應介質中形成大量的帶有三維網絡結構的低聚物。低聚物捕捉反應體系中的單體和低聚物，形成高交聯度的粒子，使得單體轉化率、聚合物粒徑和分散性呈線性增長。RAFT聚合法具有適用單體范圍廣(幾乎所有自由基聚合法的單體均適用)、反應條件溫和等特點，能夠在傳統自由基聚合體系中或采用多種聚合方法[16](如本體聚合、溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合等)制備特殊結構聚合物，是制備新型聚合物的常用方法。作者采用RAFT聚合法制備丙烯酰胺納米凝膠，并對聚合時間、單體(AAm)+交聯劑(EGDMA)用量、鏈轉移劑(BDC)+引發劑(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合溫度等制備工藝進行了優化，擬為探索簡單、高效、通用的納米凝膠制備方法提供幫助。納米凝膠的制備過程如圖2所示。

圖2　丙烯酰胺納米凝膠的制備過程Fig.2　Preparation of acrylamide nanogels

1　實驗

1.1試劑與儀器

丙烯酰胺(AAm)、二甲基亞砜(DMSO)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA，98%)，Sigma公司；二乙基二硫代氨基甲酸芐酯(BDC)，分析純，武漢大學；偶氮二異丁腈(AIBN，98%)，上海源葉生物科技有限公司。

KQ5200G型超聲波清洗器，昆山超聲儀器有限公司；IKA-RET型控溫電磁攪拌器，德國IKA公司；VP30型真空抽濾泵，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；Zetasizer nano型粒度分析儀，馬爾文儀器有限公司。

1.2制備方法

向反應瓶中加入10 mL的DMSO和一定量的功能單體AAm、交聯劑EGDMA、鏈轉移劑BDC、引發劑AIBN，超聲5 min使之充分混合均勻。吸取混合液分裝在12支試管中，每支試管10 mL，試管上部連接帶有充滿氮氣的氣球的三通管，每支試管用真空抽濾泵抽真空12 min，每3 min通氮氣30 s。除氧完成后，將試管置于65 ℃油浴加熱，不斷攪拌反應一段時間后，浸入冰水浴冷卻至室溫，即得丙烯酰胺納米凝膠，取2 mL進行粒徑(D)和聚合物分散指數(PDI)分析。

1.3制備工藝優化

分別考察聚合時間、AAm+EGDMA用量(體積分數，下同)、BDC+AIBN用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合溫度對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，以確定最優的制備工藝。

2　結果與討論

2.1聚合時間對納米凝膠的影響

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(BDC)∶n(AIBN)=30∶90∶4∶1、AAm+EGDMA用量為0.8%、DMSO用量為10 mL、聚合溫度為65 ℃的條件下，考察聚合時間對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖3。

由圖3可看出，隨著聚合時間的延長，納米凝膠的粒徑不斷增大，當粒徑超過200 nm后，分散性劇烈變化。這是因為，聚合時間越長，粒子表面殘余的乙烯基基團捕獲的低聚物自由基越多，導致顆粒越來越大，納米凝膠的粒徑相應增大。

圖3　聚合時間對納米凝膠的影響Fig.3　Effect of polymerization time on nanogels

2.2AAm+EGDMA用量對納米凝膠的影響

在n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1、DMSO用量為10 mL、聚合溫度為65 ℃、聚合時間為100 min的條件下，考察AAm+EGDMA用量對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖4。

圖4　AAm+EGDMA用量對納米凝膠的影響Fig.4　Effect of AAm+EGDMA dosage on nanogels

由圖4可看出，當AAm+EGDMA用量為0.6%～1.0%時，納米凝膠的粒徑從30 nm線性增大到180 nm，為單分散體系；當AAm+EGDMA用量為1.2%時，為多分散體系。這是因為，AAm+EGDMA用量增大，最初形成的分枝低聚物增加，導致粒子表面殘余的乙烯基基團更容易捕獲溶液中的低聚物自由基，使顆粒不斷增長。

2.3BDC+AIBN用量對納米凝膠的影響

在n(AAm)∶n(EGDMA)=30∶90、DMSO用量為10 mL、AAm+EGDMA用量為0.8%、聚合溫度為65 ℃、聚合時間為100 min的條件下，考察BDC+AIBN用量[以原料配比中的比例表示，n(BDC)∶n(AIBN)=2.4∶0.6、3.2∶0.8、4∶1、4.8∶1.2]對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖5。

圖5　BDC+AIBN用量對納米凝膠的影響Fig.5　Effect of BDC+AIBN dosage on nanogels

由圖5可看出，隨著BDC+AIBN用量的增加，納米凝膠的粒徑先增大后減小，在用量為5.0[n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1]時達到最大；分散指數變化不大。這是因為，引發劑AIBN濃度增大會促使正在增長的低聚物自由基濃度瞬間增大，同時加快低聚物聚積速度，促使體系中不穩定的聚合物核形成較大的粒子；隨著鏈轉移劑BDC濃度的增大，它與低聚物自由基形成暫時失活的休眠聚合物，降低和控制了自由基濃度。表明引發劑和鏈轉移劑是相互制約的。

2.4BDC用量對納米凝膠的影響

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(AIBN)=30∶90∶1、DMSO用量為10 mL、AAm+EGDMA用量為0.8%、聚合溫度為65 ℃、聚合時間為100 min的條件下，考察BDC用量(以原料配比中的比例表示)對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖6。

圖6　BDC用量對納米凝膠的影響Fig.6　Effect of BDC dosage on nanogels

由圖6可以看出，BDC用量與納米凝膠的粒徑和分散指數成反比。這是因為，隨著BDC用量的增加，它與低聚物自由基形成暫時失活的休眠聚合物的量增加，降低和控制了自由基濃度，體系中游離的自由基相應減少，聚合反應速率減慢，導致粒徑和分散指數減小。表明，與常規聚合方法相比，加入鏈轉移劑可使聚合物分散性更好。

2.5n(AAm)∶n(EGDMA)比值對納米凝膠的影響

在聚合反應中，加入交聯劑使納米凝膠形成一定的剛性結構，維持其三維網絡結構，但若交聯劑過量會導致凝膠缺少柔韌性而影響傳質。因此，適宜的單體與交聯劑配比對納米凝膠的性質影響較大。為此，在n(BDC)∶n(AIBN)=4∶1、DMSO用量為10 mL、AAm+EGDMA用量為0.8%、聚合溫度為65 ℃、聚合時間為100 min的條件下，考察n(AAm)∶n(EGDMA)比值對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖7。

圖7　n(AAm)∶n(EGDMA)比值對納米凝膠的影響Fig.7　Effect of n(AAm)∶n(EGDMA) ratio on nanogels

由圖7可以看出，隨著n(AAm)∶n(EGDMA)比值的增大，即單體AAm用量的增加，納米凝膠的粒徑從110 nm減小到50 nm，而分散指數變化不大。這是因為，交聯劑占比增大，顆粒的網狀結構增大，乙烯基濃度也增大，粒徑相應增大。

2.6聚合溫度對納米凝膠的影響

在n(AAm)∶n(EGDMA)∶n(BDC)∶n(AIBN)=30∶90∶4∶1、AAm+EGDMA用量為0.8%、DMSO用量為10 mL、聚合時間為100 min的條件下，考察聚合溫度對納米凝膠的粒徑和分散指數的影響，結果見圖8。

從圖8可以看出，當聚合溫度在60～75 ℃范圍內時，納米凝膠的粒徑變化范圍為50～160 nm，分散指數變化范圍為0.16～0.25；聚合溫度越高，粒徑越大，分散性越差。這主要是因為，聚合溫度升高時，引發劑分解產生的初級自由基增多，反應速率加快，導致納米凝膠的粒徑增大。

3　結論

對聚合物的粒徑和分散性的精密控制是當前聚合物研究的重要課題。采用可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合法制備了丙烯酰胺納米凝膠，考察了聚合時間、單體(AAm)+交聯劑(EGDMA)用量、鏈轉移劑(BDC)+引發劑(AIBN)用量、BDC用量、n(AAm)∶n(EGDMA)比值、聚合溫度等對制備工藝的影響。結果表明，當延長聚合時間、增加AAm+ EGDMA用量、升高聚合溫度、減少BDC+AIBN用量、減少BDC用量、減小n(AAm)∶n(EGDMA)比值時，納米凝膠的粒徑和分散性增大；且粒徑基本上與分散性呈正相關關系。通過控制反應條件，可以得到單分散、粒徑在幾十到幾百納米的納米凝膠。當納米凝膠的粒徑在200 nm以下時，基本上呈單分散體系。聚合時間、AAm+EGDMA用量和n(AAm)∶n(EGDMA)比值對納米凝膠的粒徑和分散指數影響最大。也可以對功能基團進行修飾(如嫁接親水基團)，提高生物相容性，進一步拓寬納米凝膠的應用范圍。

圖8　聚合溫度對納米凝膠的影響Fig.8　Effect of polymerization temperature on nanogels

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Process Optimization of Acrylamide Nanogels Prepared by RAFT Polymerization

GONG Xia,HU Ying-ying,YOU Xiang-yu,XIE Wei-hong

(HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Precisioncontroloftheparticlesizeanddispersityofpolymersisanimportanttopicofcurrentpolymerresearch.Acrylamidenanogelswerepreparedbyreversibleaddition-fragmentationchaintransfer(RAFT)polymerization.Theeffectsofpolymerizationtime,dosageofmonomer(AAm)andcross-linker(EGDMA),dosageofchaintransferagent(BDC)andinitiator(AIBN),dosageofBDC,n(AAm)∶n(EGDMA)ratio,andpolymerizationtemperatureonpreparationprocesswereinvestigated.Resultsindicatedthat,whenincreasingthepolymerizationtime,thedosageofAAm+EGDMA,polymerizationtemperature,andreducingthedosageofBDC+AIBN,thedosageofBDC,n(AAm)∶n(EGDMA)ratio,theparticlesizeanddispersityofnanogelsincreased.Therewasapositivecorrelationbetweentheparticlesizeandthedispersity.Bycontrollingthereactionconditions,themonodispersedacrylamidenanogelwasprepared,anditsparticlesizewasintherangeoftenstohundredsofnanometers.

reversibleaddition-fragmentationchaintransfer(RAFT)polymerization;acrylamide;nanogel;optimization

中科院病毒所國家重點實驗室開放研究基金資助項目(20875024)

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.008

TQ 317

A

1672-5425(2016)10-0035-04

龔霞，胡瑩瑩，尤祥宇，等.RAFT聚合法制備丙烯酰胺納米凝膠的工藝優化[J].化學與生物工程，2016，33(10)：35-38，44.