單分散聚合物微球的制備技術進展

張 潔，劉振杰，袁 浩，邵 清 ，宋文波

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

高分子微球材料因具有特殊的形貌尺寸，在涂料、化妝品等許多領域廣泛應用。但在液晶顯示及生物醫用等對微球粒徑及粒徑分布要求較高的領域，常規的微球產品無法滿足應用需求。20世紀50年代，研究人員成功開發出單分散聚合物微球，開辟了高分子微球材料的新領域［1］。單分散聚合物微球泛指外觀、形態及尺寸等均勻一致的聚合物微球，它不僅具有常規微球產品的優異性能，還具有粒徑分布均勻的特點，因此被廣泛應用于生物醫學［2］、磁性材料［3-4］、固定化酶［5］、色譜分析［6］及液晶顯示［7］等領域。

為制備出性能優異的單分散微球產品并拓寬應用領域，科研工作者們不斷開發完善聚合物微球的制備工藝。微球的制備方法主要有物理法及化學法。物理法一般包括噴霧干燥法［8］、乳液-溶劑揮發法［9］及自組裝法［10］等。物理法簡單便捷，但存在產物粒徑分布不均勻等缺點，因此應用范圍較窄?；瘜W法所得產物的結構及性能更可控，適用于高性能單分散聚合物微球的生產。目前，單分散聚合物微球常用的化學制備法主要包括懸浮聚合、沉淀聚合、分散聚合、乳液聚合及種子溶脹聚合法等。

本文綜述了單分散聚合物微球的化學制備技術，分析了各類聚合方法的原理、優缺點及產物特點，并對單分散聚合物微球未來的研究方向進行了展望。

1 懸浮聚合

20世紀初，研究人員開發了懸浮聚合方法，現如今該方法被廣泛用于微球產品的開發［11］。懸浮聚合體系一般由連續相和分散相構成，在分散劑保護和機械攪拌下，單體在油溶性引發劑的作用下以小液滴的形式分散在水相中進行聚合［12］。分散劑的引入不僅可以降低體系表面張力、有利于單體分散成小液滴，同時也能抑制小液滴的二次聚并。目前，懸浮聚合采用的分散劑按組成主要分為水溶性高分子穩定劑及非水溶性無機穩定劑。其中，水溶性高分子穩定劑最為常用，主要包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、羧甲基纖維素及明膠等。徐昊垠等［13］以明膠和羥乙基纖維素為穩定劑實現了苯乙烯的懸浮聚合，并通過調控原料用量及攪拌轉速等條件得到了單分散交聯聚苯乙烯微球。Abd El Mageed等［14］以α-烯丙基烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑（Hitenol BC）為穩定劑，通過懸浮聚合制備了粒徑均勻且磁性穩定的聚苯乙烯磁性微球。

懸浮聚合操作簡單、聚合熱易排除且綠色環保，但反應過程中的液滴粒徑不易控制，需通過精準調控攪拌轉速及使用分散劑才能得到單分散聚合物微球?；诖?，研究者進一步開發出微懸浮聚合及Shirasu多孔玻璃（SPG）膜乳化-懸浮聚合聯用等多種懸浮聚合體系。

1.1 微懸浮聚合

微懸浮聚合是利用特殊的懸浮體系，通過離子型表面活性劑和長鏈烷烴/長鏈脂肪醇復合乳化劑降低單體油滴及水相間的表面張力，并通過剪切力將單體分散成微米或亞微米級油滴，從而實現小粒徑單分散微球產品的制備。戚棟明等［15］以聚乙烯醇為分散劑，十六烷烴為助穩定劑通過超聲微懸浮聚合制備了尺寸可控的單分散聚苯乙烯微球。Glasing等［16］以纖維素納米晶為穩定劑實現了苯乙烯的微懸浮自聚，所得微球粒徑為18～20 μm且單分散性良好。在此基礎上，還進一步制備了單分散苯乙烯/N，N-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯共聚物微球。與傳統懸浮聚合相比，微懸浮聚合更易于制備單分散聚合物微球，但表面活性劑用量過大，因而在制備高純度產品時存在局限性。

1.2 SPG膜乳化-懸浮聚合聯用

20世紀七、八十年代，Nakashima開發出一種新型SPG膜。SPG膜的主要成分為親水性SiO2-Al2O3，孔徑均一且可以按需調節［17］。SPG 膜乳化技術可用于輔助懸浮聚合制備粒徑均勻的微米級單分散聚合物微球［18-19］，制備過程見圖1。從圖1可看出，油相原料在壓力作用下通過SPG膜形成粒徑均勻的單體油滴，之后通過懸浮聚合得到單分散的聚合物微球。由于 SPG 膜的孔徑可以按需調節，因此所得單分散微球產品也具有粒徑可控的特點。

圖1 SPG膜乳化制備單分散微球示意圖Fig.1 Preparation of monodisperse microspheres through Shirasu porous glass(SPG) emulsification.

穆銳等［20］以去離子水為連續相、丙烯酸酯為單體，通過孔徑分別為1.35，5.25，9.50 μm的SPG膜得到3種乳化液，之后分別經懸浮聚合制得粒徑為11.43，28.59，45.92 μm的單分散聚丙烯酸酯微球。范星河等［21］通過SPG膜乳化-懸浮聚合聯用制備了單分散聚苯乙烯微球并研究了分散相壓力及連續相流動速率對產品性能的影響。實驗結果表明，微球尺寸主要取決于SPG膜尺寸，分散相壓力及連續相的流動速率對微球尺寸及粒徑分布幾乎無影響。

SPG 膜乳化-懸浮聚合的重復性好、不使用有機溶劑且聚合過程中易實現活性物質的包埋［22］。但SPG膜為親水性玻璃膜，僅適用于疏水性單體的乳化，而且SPG膜的裝置復雜、制作成本較高，不利于單分散微球的工業化生產。

2 沉淀聚合

20世紀90年代Li等［23］提出了沉淀聚合，并利用該方法制備了單分散聚苯乙烯微球，該微球的SEM照片見圖2。在沉淀聚合初期，單體聚合形成的低聚物聚集成初級核，隨后初級核通過捕獲溶液中的單體和可溶性低聚物實現尺寸的不斷增大［24］，當鏈段達到臨界長度后會從體系中自發析出沉淀。與其他聚合方法相比，沉淀聚合的最大特點在于無需使用表面活性劑及穩定劑，因此后處理工序簡單且產品純度較高。St?ver課題組［25］以乙腈為溶劑分別得到了聚二乙烯基苯微球、二乙烯基苯/苯乙烯共聚微球及二乙烯基苯/丙烯酸酯單分散共聚微球，并通過沉淀聚合對微球材料改性，得到具有不同結構及性能的單分散微球產品［26］。

圖2 沉淀聚合法所得聚苯乙烯微球的SEM照片［23］Fig.2 SEM image of polystyrene microspheres prepared by precipitation polymerization［23］.

戈成彪等［27］以乙醇/水為混合溶劑，K2S2O8/NaHSO3為引發劑，在室溫下通過沉淀聚合制備了單分散聚苯乙烯微球，并研究了反應條件及原料用量等對微球形貌尺寸的影響。盧春霞等［28］在乙腈溶液中以4-乙烯基吡啶為單體，偶氮二異丁腈為引發劑，二乙烯基苯/三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯為混合交聯劑，通過沉淀聚合制備了單分散三元共聚物微球。Sun等［29］以異佛爾酮二異氰酸酯為單體，丙酮/水混合溶劑為介質通過沉淀聚合制備了單分散聚脲微球。

傳統沉淀聚合具有工藝簡單、無需外加穩定劑等優點，但反應體系原料濃度低、聚合效率不高且多采用甲苯和乙腈等毒性較大的溶劑，因此無法實現綠色環保、節能減排的生產目標。于是，研究者又相繼開發出蒸餾沉淀聚合、回流沉淀聚合、溶劑熱沉淀聚合及自穩定沉淀聚合等多種新型聚合方法。

2.1 蒸餾沉淀聚合

蒸餾沉淀聚合是一種通過蒸餾溶劑來控制聚合反應的特殊沉淀聚合，該方法對溶劑要求較高。當達到蒸餾溫度時，單體反應成核并從溶液中沉淀析出，沉淀形成的初級核繼續捕捉單體及低聚物，最終得到單分散微球產品。乙腈作為一種應用較廣泛的反應介質，可滿足上述對溶劑的要求。Bai等［30］在乙腈中以2，2'-偶氮雙（2-甲基丙腈）為引發劑制備了粒徑為1.10～3.41 μm的單分散聚二乙烯基苯微球并研究了反應條件對粒徑大小及分布的影響。Zhang等［31］以4-氟苯乙烯、苯乙烯為單體、二乙烯基苯為交聯劑，在乙腈溶液中制備了粒徑可控的氟化聚苯乙烯單分散微球。 蒸餾沉淀聚合過程中，為了始終維持高單體濃度，溶劑需不斷從體系中蒸出，因而聚合速率快，但由于操作過程繁瑣、裝置設計復雜且蒸餾過程不易控制，故不利于工業化放大生產。

2.2 回流沉淀聚合

在蒸餾沉淀聚合的基礎上，金莎等［32-33］提出了回流沉淀聚合并制備了一系列單分散聚合物水凝膠微球。研究結果表明，反應時間、混合溶劑比、單體固含量及交聯劑用量等均會影響產物的形貌及分散性。通過調控上述參數可以制備得到不同尺寸的水凝膠微球，為新型生物醫用材料的開發提供了基礎。與蒸餾沉淀聚合相比，回流沉淀聚合免去了部分繁瑣復雜的聚合裝置并在聚合過程中引入磁力攪拌，改善了聚合物顆粒之間的黏并現象，提高了反應的可控制性。

2.3 溶劑熱沉淀聚合

常規沉淀聚合存在單體負載率低、收率不高等缺陷。Huang等［34］開發了溶劑熱沉淀聚合，將溶劑、單體及引發劑等加入水熱釜中并將體系溫度升至溶劑沸點以上，在此密閉空間中靜置進行反應。該反應的時間短（4 h左右）、單體投入量高（20%（w））且產物收率高（90%）。 Shim等［35-36］利用該方法實現了二乙烯基苯與不同單體的共聚，分別制備了月桂基甲基丙烯酸酯/二乙烯基苯、甲基丙烯酸縮水甘油酯/二乙烯基苯及甲基丙烯酸/二乙烯基苯等單分散共聚物微球。與常規沉淀聚合相比，溶劑熱沉淀聚合操作簡單、普適性強、單體負載率高且產率高，有利于單分散聚合物微球的工業化生產。

2.4 光引發沉淀聚合

在傳統熱引發沉淀聚合的基礎上，Limé等［37-38］提出了光引發沉淀聚合。在150 W氙氣短弧燈輻射下，以偶氮二異丁腈為引發劑制備了苯乙烯/二乙烯基苯共聚物微球及2，3-環氧丙基甲基丙烯酸酯/二乙烯基苯共聚物微球。該系列微球產品表現出良好的單分散性及優異的力學性能，可用于液相色譜中色譜填料的制備。與常規熱引發聚合相比，光引發沉淀聚合所得微球產品的單分散性更高且避免了熱聚合過程中常見的熱漏現象，但聚合產率較低（20%左右），聚合時間較長（48 h左右）

2.5 活性自由基沉淀聚合

Zhang 等［39］將活性自由基聚合引入沉淀聚合體系，開發了活性自由基沉淀聚合。通過調節反應條件、原料用量及混合溶劑比等參數制備了一系列不同形貌的單分散聚合物微球，微球粒徑在0.36～1.95 μm范圍，粒徑分布指數小于1.01，單分散性良好。Jiang等［40］還實現了室溫下的活性自由基沉淀聚合，以乙醇為溶劑制備了單分散高交聯的聚合物微球材料。與普通沉淀聚合相比，活性自由基沉淀聚合法可通過殘留在微球表面的活性自由基進一步引發聚合，便于微球材料的改性。

2.6 自穩定沉淀聚合

楊萬泰課題組［41］在無外加攪拌及穩定劑的條件下僅通過調節反應介質的溶解度參數就得到了一系列單分散聚合物微球［42-43］，并將該方法命名為“自穩定沉淀聚合法”（見圖3）。郝國亮等［44］通過該方法制備了粒徑為290～640 nm的聚苯乙烯/馬來酸酐單分散共聚物微球并研究了反應時間對單體轉化率、產物分子量及微球尺寸的影響。Xing等［45-46］將該方法應用于馬來酸酐/醋酸乙烯酯及馬來酸酐/α-甲基苯乙烯的共聚反應，制備了一系列不同形貌尺寸的單分散共聚物微球。其中，馬來酸酐/α-甲基苯乙烯共聚物微球具有良好的光致發光特性，在新型半導體激光照明用熒光材料領域具有很好的應用［47］。鮑方健等［48］也將自穩定沉淀聚合應用于C4，C5等石化原料的共聚，得到了一系列含酸酐等功能性基團的聚烯烴產品。與傳統沉淀聚合相比，自穩定沉淀聚合工藝簡單、聚合產率高且可制備含多種功能性基團的微球產品。

圖3 自穩定沉淀聚合［41］Fig.3 Self-stabilizied precipitation polymerization［41］.

3 分散聚合

20世紀80年代出現了以極性介質為主的分散聚合，在微米級單分散聚合物微球的制備領域得到了廣泛應用［49］。從嚴格意義上講，分散聚合是一類特殊的沉淀聚合［50］。聚合反應開始前，單體、分散劑、引發劑及反應溶劑等形成均相體系；隨反應的進行，聚合物鏈段不斷增長，當鏈段達到臨界值后從溶液中析出并相互聚集形成小顆粒；隨后，小顆粒在分散劑及機械攪拌的作用下以微球形式分散在介質中，并形成動態穩定的聚合物微球分散體系［51］。因此，穩定劑在分散聚合中起到重要作用。目前常用的穩定劑有聚乙烯吡咯烷酮、乳酸、聚丙烯酸及羥基丙基纖維素等。王勝廣等［52］以聚乙烯吡咯烷酮為穩定劑、乳酸為共穩定劑、過氧化二苯甲酰為引發劑、異丙醇/乙醇混合溶劑為分散介質制備了粒徑在 2.22～4.15 μm的單分散聚苯乙烯微球，并研究了溶劑比及原料濃度等對產物粒徑及形貌的影響。專利［53］以偶氮二異丁腈為引發劑，聚乙二醇為分散劑，在乙醇和丙二醇甲醚混合溶液中制備了表面含有羧基等功能性基團的單分散聚苯乙烯-馬來酸酐共聚物微球。

分散聚合操作簡單，產物吸附性強、比表面積大、表面易于改性且力學性能優良。近些年，微波及超聲等新型引發方式為分散聚合提供了新的發展思路。與常規熱引發相比，微波及超聲輻射等新能源具有反應周期短、聚合效率高及易于控制等優點，逐漸成為分散聚合領域內重要的綠色技術。

3.1 超聲輻射分散聚合

超聲波具有強分散、強攪拌、快引發等特點，因此被廣泛用于乳液聚合及分散聚合等聚合體系。程艷玲等［54］以聚乙烯吡咯烷酮為穩定劑，通過超聲輻射分散聚合實現了苯乙烯的聚合，并通過調控反應條件及原料用量得到尺寸均一的聚苯乙烯微球。與傳統聚合體系相比，超聲輻射分散聚合無反應誘導期，聚合速率快且可以實現小粒徑產品的制備。

3.2 微波輻射分散聚合

微波頻率與化學基團的振動頻率接近，因而引發聚合具有反應速率快、單體轉化率高等優點。鄧字巍等［55］在微波輻射作用下實現了聚氧乙烯大分子單體與苯乙烯單體的分散聚合，得到了單分散的接枝共聚物微球。熊圣東等［56］以乙醇/冰水混合物為分散介質、聚乙烯吡咯烷酮為穩定劑得到了單分散聚甲基丙烯酸甲酯微球，并研究了微波功率、乙醇含量及原料濃度等對微球尺寸及粒徑分布的影響。與超聲輻射分散聚合相似，微波輻射分散聚合也利于制備小粒徑單分散聚合物微球，且聚合速率快、單體轉化率高。

4 乳液聚合

20世紀50年代Harkins［57］提出了乳液聚合，該方法為單分散聚合物微球的常用制備方法之一［58］。傳統的乳液聚合一般由單體、水、水溶性乳化劑及水溶性引發劑等4部分組成。水溶性乳化劑一般包含極性及非極性基團，按基團類別可分為4類［59］（見表1）。其中，陰離子型乳化劑應用最廣泛并常與非離子型乳化劑配合使用。乳液聚合工藝成熟且產物單分散性好，常被用于小粒徑（50～800 nm）單分散微球的制備。

表1 常見乳化劑類型Table 1 Common types of emulsifying agent

賀杰等［60］以苯乙烯和丙烯酰胺為單體、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，通過乳液聚合制備了粒徑小于1 μm的聚合物顆粒，且僅當丙烯酰胺與馬來酸酐質量比小于3∶17、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺用量不大于18.5 g/L時才能得到粒徑均一的單分散聚合物微球。蔡青等［61］以乙醇/水混合溶劑為反應介質、過硫酸鉀為引發劑、十二烷基苯磺酸鈉為乳化劑制備了聚苯乙烯磁性微球。實驗結果表明，較低的醇水質量比、較少的引發劑用量、較高的乳化劑用量及較低的反應溫度有利于得到小尺寸的單分散微球。

乳液聚合操作簡單、聚合速率快且產物分子量高，但乳化劑用量較多，影響微球產品的使用性能，因此，無皂乳液聚合、微乳液聚合等綠色環保的新方法被不斷地應用于單分散聚合物微球的制備。

4.1 無皂乳液聚合

通常情況下，乳液聚合中的乳化劑較難清洗，易殘留在產品表面，使產品在醫用材料領域內的應用受限。無皂乳液聚合無需使用表面活性劑即可制備表面潔凈度高且攜帶功能性基團的單分散聚合物微球產品，產品可應用于生物醫用領域［62-63］。無皂乳液聚合通過引發劑及極性單體將親水性基團引入聚合物微球表面，使得微球產物本身即為表面活性劑。表2為無皂乳液聚合常用共聚單體［32］。

表2 無皂乳液聚合常用共聚單體［32］Table 2 Copolymeric monomer of soap-free emulsion polymerization［32］

王翔等［64］以苯乙烯為單體、過硫酸鉀為引發劑、二乙烯基苯為交聯劑，通過無皂乳液聚合制備了一系列聚苯乙烯納米微球，并通過調整原料用量及反應時間得到了單分散性良好的聚苯乙烯微球。Abdollahi等［65］以乙烯和聚甲基苯烯酸甲酯為原料通過無皂乳液聚合制備了一系列功能性聚合物納米顆粒。其中，表面含羥基、環氧基團的甲基苯烯酸甲酯與表面含酰胺基團的苯乙烯共聚可得高度規整的單分散聚合物微球。Yang等［66］以不同的離子單體為原料，過硫酸鉀為引發劑，通過無皂乳液聚合制備了含羧基或磺酸基等功能性基團的單分散聚苯乙烯微球，并研究了微球的成核生長機理。無皂乳液聚合操作簡單且產品純度高，但聚合速率較慢且乳液穩定性較差，較難工業化。

4.2 細乳液聚合

與常規乳液聚合不同，細乳液聚合過程中還需引入十二烷基硫醇及十六醇等助乳化劑，并通過微乳化技術將大尺寸單體液滴分散成尺寸較小的亞微米級小液滴。單體原料在形成的小液滴內進行本體聚合，所得微球產品的粒徑接近于初始液滴的尺寸［67］。Cordeiro等［68］通過細乳液聚合制備了含磁性納米顆粒及古巴油的聚甲基丙烯酸甲酯類單分散聚合物微球。Mangia等［69］以甲基丙烯酸甲酯及丙烯酸為原料，通過細乳液聚合制備了單分散的聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸共聚物，并用該微球實現了轉錄激活酶的包覆。與常規乳液聚合相比，細乳液聚合體系的穩定性更高，并且可以實現尺寸較小及形貌較復雜的單分散微球產品的制備。

4.3 微乳液聚合

與上述乳液聚合體系不同，微乳液聚合體系為熱力學穩定體系，無需強力攪拌即可自發形成乳液。乳膠粒徑一般在100～150 nm，所得產物尺寸為10～80 nm且清亮透明，因此可用于制備高透明小尺寸的單分散微球產品。Santim等［70］以十二烷基硫酸鈉為表面活性劑，過硫酸銨為氧化劑，在低溫下得到了單分散聚吡咯烷酮納米微球。宋瑾等［71］以苯乙烯為單體、雙氧水/硫酸亞鐵為引發劑、拉開粉為乳化劑、正丁醇為助劑，通過微乳液聚合制備了一系列聚苯乙烯微球，當反應溫度為45 ℃、去離子水與苯乙烯的質量比為17∶1、拉開粉與正丁醇的質量比為2.5∶1、雙氧水與硫酸亞鐵的質量比為3.5∶1時可得到單分散的聚苯乙烯微球。

5 種子溶脹聚合

種子溶脹聚合主要用于制備大尺寸單分散聚合物微球，所得微球粒徑一般為1～100 μm。該方法首先通過乳液聚合或分散聚合等得到單分散小粒徑微球并將其作為種子模板，之后進一步溶脹得到大粒徑單分散微球產品。與種子微球相比，溶脹后的微球粒徑大多能增長兩倍以上，且依然保持種子微球良好的單分散性。根據溶脹過程的不同，種子溶脹聚合一般分為兩步溶脹法及一步溶脹法。

5.1 兩步溶脹法

兩步溶脹法一般包括單體、引發劑、反應介質及溶脹劑，溶脹過程中首先通過特定的溶脹劑活化種子微球，之后將活化后的種子微球進行單體溶脹并升溫聚合。Kao等［72］首先通過乳液聚合法制備粒徑0.55 μm的聚甲基丙烯酸甲酯種子微球，然后加入辛硫醇、十二烷基硫酸鈉及聚乙烯醇對種子微球進行活化，最后將活化的種子微球進一步進行單體溶脹并升溫聚合，從而得到粒徑1～4 μm的單分散聚甲基丙烯酸甲酯交聯微球。兩步溶脹法具有較好的膨脹效果，但溶脹劑會影響微球產品的性能且后處理工序較為繁瑣。

5.2 一步溶脹法

與兩步溶脹法不同，一步溶脹法免去溶脹劑的使用，直接通過溶脹單體實現種子微球的活化與溶脹。Tian等［73］以聚苯乙烯-4-乙烯基苯磺酸鈉微球為種子微球、苯乙烯為溶脹單體、二乙烯基苯為交聯劑，得到了一系列實心及空心的單分散聚二乙烯基苯/甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物微球。徐國武等［74］以分散聚合所得聚苯乙烯微球作為種子顆粒，通過一步溶脹法制備了粒徑大于5 μm的單分散聚苯乙烯微球。種子溶脹聚合有利于制備表面功能化的大粒徑單分散微球，但反應過程復雜、聚合時間長且生產成本較高。

6 結語

聚合物微球材料的粒徑及其分布是決定材料性能及應用的主要因素，因此建立健全的制備方法、實現微球結構及尺寸的可控是開發單分散聚合物微球的關鍵所在。單分散聚合物微球常用的制備方法有乳液聚合、懸浮聚合、沉淀聚合、分散聚合及種子溶脹聚合等，通過不同的聚合方法可以得到不同粒徑及形貌的微球產物。其中，乳液聚合適用于制備數納米至數百納米微球產品，沉淀聚合及分散聚合所得產品尺寸為1 μm左右，而懸浮聚合及種子溶脹聚合則可實現數微米至數百微米大粒徑微球的開發。目前，大多數單分散聚合物微球的制備方法還處于實驗室研究階段。隨著各行各業對單分散聚合物微球需求量的增大，實現單分散聚合物微球高效環保的工業化生產將成為未來的發展方向。