孫立國,欒羽佳,王彥杰,李 鵬

(黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

聚合物微珠是一種新型功能材料,具有尺寸均勻和表面易于功能化的特點。因具有這些特點,聚合物微珠可應(yīng)用于以下領(lǐng)域:可以作為一種性能優(yōu)良的熱紅外偽裝涂料用填料而不會影響涂料的常規(guī)使用性能和增加涂料的表面發(fā)射率,具有明顯的消光作用而且降溫效果顯著[1];可以吸附或者固定生物分子,成為編碼微珠載體[2];通過共價法和物理吸附法固定抗原或者抗體分子,可應(yīng)用于免疫反應(yīng)分析[3];有特殊生物相容性的聚合物微珠可被用作可生物降解的藥物緩釋/控釋骨架[4];作為增強材料,與橡膠、塑料進行復(fù)合,提高橡膠的韌性和塑料的抗沖性能。目前制備聚合物微珠的主要方法有懸浮聚合法和傳統(tǒng)的機械攪拌法。其中懸浮聚合法制得的微珠,粒徑為50～1 000 μ m,當粒徑偏大時,均一性不夠好,并且產(chǎn)物中有分散劑殘留的缺點。機械攪拌法制得的微珠,粒徑偏大,形態(tài)難以控制,單分散性較差[5]。在這種情況下,出現(xiàn)了控制液滴和制備聚合物微珠的微流控技術(shù)。

本文基于T型垂直微通道原理,利用自主構(gòu)建的微流控裝置對PMMA聚合物微珠的制備進行了研究。該裝置操作簡潔,并且能夠批量制備單分散性好、尺寸可控和球形度良好的聚合物微珠,克服了傳統(tǒng)方法制備聚合物微珠的弊端。通過實驗,得出了最適宜聚合物微珠固化的溫度與轉(zhuǎn)速條件。討論了聚合物溶液相流速、流動相流速和聚合物溶液濃度3個主要因素對液珠粒徑大小的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

微流控裝置液滴成型原理見圖1。兩種不相溶的流體在三通處相遇,聚合物溶液在交匯處不斷累積,直到打破重力,浮力,流動相水平方向的推力與表面張力的作用,從三通處分裂出來,進入流動相。在流動相中,當少量水溶性液體混合入油相時,界面處分子因受力不均,能量較其他分子更高。為了降低體系的吉布斯自由能,水溶性液體自動在垂直于界面指向凹面的表面張力作用下,形成一個表面積最小的形態(tài),即球形液滴。

微流控制備聚合物微球的基本過程見圖2:處于注射器A1中的聚合物溶液或溶膠以一定的流速進入三通,被注射器A2中的一定流速的流動相快速剪切。由于親疏水性不同,聚合物進入流動相后在表面張力的作用下形成球形液滴。液滴隨著流動相進入接收裝置。由于液滴密度與梨形瓶中的接收液密度接近,液珠懸浮于接收液中,隨著梨形瓶在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上以一定的速度旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)。隨著溶劑的揮發(fā),微珠不斷固化,最后成為聚合物微珠。

1.2 儀器藥品

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(Mn=200 000,南京揚子石化集團有限公司)、正己烷(AR,天津市進豐化工有限公司)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(AR,國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、聚二甲基硅氧烷(υ=5×10-4m2s-1,日本信越公司)、雙道微量注射泵(WZS-50F,浙江史密斯醫(yī)學(xué)儀器有限公司)、數(shù)控超聲波清洗器(KQ-50DA,昆山市超聲儀器有限公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(R-201,上海申生科技有限公司)、生物顯微鏡(XSP-2CBA,上海光學(xué)儀器廠)、數(shù)碼相機(DMC-FS12,Panasonic)

1.3 實驗裝置

本實驗基于T型垂直微通道原理的微流控思路[6-8],自行設(shè)計了微流控實驗裝置。實驗裝置由3部分構(gòu)成 (圖3),第一部分為動力裝置,第二部分為液珠形成裝置,第三部分為微珠形成裝置。動力裝置由一次性注射器A1、A2、雙通道注射泵組成。注射器A1、A2分別用來裝載形成液珠的聚合物溶液與反相流動相,雙通道注射泵用以提供兩個不同大小的推動力。液珠生成裝置為整個裝置的核心部分,以 Teflon管聯(lián)合三通,液珠在此生成,再由流動相推動,進入微珠形成裝置。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的勻速轉(zhuǎn)動下,液珠均勻分散開,防止固化過程中的聚集與粘連。

圖3 實驗裝置照片F(xiàn)ig.3 Digital photo of the microfludic device

1.4 實驗步驟

1.4.1 聚合物溶液的配置

量取PMMA顆粒10 g,充分溶解于60 mL DMF,置于60℃烘箱內(nèi),溶解48 h,期間不斷震蕩。配制成質(zhì)量分數(shù)為15%的聚合物溶液,超聲分散10 min后靜置10 min,使氣泡完全消失。

1.4.2 液珠形成過程

注射器A1吸取2 mL配置好的聚合物溶液,裝載在雙通道注射泵的上通道上;注射器A2吸取50 mL硅油,裝載在雙通道注射泵的下通道上。注意排除兩個注射器內(nèi)的氣泡。分別設(shè)定兩個通道的注射總量和推進速度,同時啟動注射泵。通過適當改變兩通道的推進速度,調(diào)整液珠的尺寸,以達期望大小。待三通出口處液珠形成穩(wěn)定,液珠之間間距適合接收后,通過Teflon管,引入梨形瓶,開始接收。

1.4.3 液珠固化過程

梨形瓶內(nèi)置150 mL與流動相相同的硅油,置于恒溫水浴鍋內(nèi),以一定速度旋轉(zhuǎn)。由于液珠密度與瓶中硅油密度相近,過程中液珠穩(wěn)定地懸浮著,從各個角度蒸發(fā)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微珠的形貌及尺寸

圖4是微流控技術(shù)制備的聚合物微珠,由圖4(a)可見,產(chǎn)物粒徑均勻,球形良好。由圖 4 (b)可估測,聚合物的粒徑在270 μ m左右,與懸浮聚合的產(chǎn)物粒徑相似,故微流控技術(shù)在絕緣性與透明性要求較高的情況下,可以代替懸浮聚合制造聚合物微珠。

2.2 固化溫度和轉(zhuǎn)速的確定

初期加熱溫度不能太高,否則將發(fā)生聚合物PMMA過快固化,無法處于最圓狀態(tài),影響球形度的狀況;溫度過低則整個旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的時間過長,降低實驗效率。經(jīng)過多次嘗試,得到了30℃這一適宜溫度。除此之外,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的速度也是粒徑是否均一的一個決定因素。在液珠形成初期,由于大量溶劑的存在和PMMA尚未固化成型,液珠表現(xiàn)的非常脆弱。此時若轉(zhuǎn)動速度過快,則液珠易破裂,分裂成若干個更小的液珠;轉(zhuǎn)動速度過慢,則液珠易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象,粘合成更大的液珠,影響最終產(chǎn)物及聚合物微珠的粒徑均一性。經(jīng)過反復(fù)實驗,得出旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)初期適宜的轉(zhuǎn)速為50 rpm。3 h后,大部分的溶劑基本揮發(fā),外層聚甲基丙烯酸甲酯基本固化,具有了一定的硬度,密度也變大。此時可調(diào)快轉(zhuǎn)速至120 rpm,防止密度過大導(dǎo)致的微珠沉底,互相粘連。升溫至50℃,使得尚未揮發(fā)的DMF繼續(xù)揮發(fā)。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)24 h,可認為微珠固化完全。

圖4 聚合物微珠的形貌與尺寸(標尺刻度為1 mm)Fig.4 Figure and size of the polymer beads (length of the scale is 1 mm)

2.3 聚合物溶液流速對液珠粒徑大小的影響曲線

由圖5可知,在保持流動相流速不變的情況下,隨著聚合物溶液流速的增加,形成液珠的粒徑也在不斷變大。這是因為聚合物溶液流速增大后,在同等流動相流速的推動下,更多的聚合物溶液進入了流動相,從而形成了更大的聚合物液珠。但當液珠粒徑增加到2.0 mm附近后,增大速度明顯趨緩,有出現(xiàn)平臺的趨勢。這種現(xiàn)象主要是由 Teflon管的管徑限制液珠大小所引起。隨著流速不斷下降,電壓不穩(wěn)對推速的影響漸漸明顯,聚合物液滴間距的均勻度與液滴的大小出現(xiàn)波動。本組實驗取得的流速最小值是1.0 mL/h,當取值小于該值時,液珠體積從小到大,再到小,直至消失,不斷波動,對最終產(chǎn)品的粒徑均一度產(chǎn)生較大影響。

圖5 聚合物溶液流速與液珠粒徑大小的關(guān)系曲線Fig.5 Relation between polymer phase flow rate and the liqiud droplet size

2.4 流動相流速對液珠粒徑大小的影響曲線

從圖6曲線的變化趨勢可知,在保持聚合物溶液流速不變的情況下,增大流動相流速,聚合物液珠的直徑不斷減小。這是因為流動相流速增加時,對聚合物溶液的剪切作用變快,可供聚合物溶液在反相中形成液珠的時間變短,故聚合物溶液只能成一個更小的液珠,隨流動相一起運動。但當液珠粒徑小到0.8 mm附近時,再增大流速,液珠體積減小不再明顯。這主要是因為,在實驗條件的限制下,三通出口處未經(jīng)疏水處理,液珠中的聚甲基丙烯酸甲酯有一定的親水性,故液珠有粘附在三通出口處的趨勢,使得液珠體積的減小受到限制。

圖6 流動相流速對液珠粒徑大小的影響Fig.6 Effect of mobile phase flow rate on the liqiud droplet size

2.5 濃度對粒徑大小的影響

由圖7可見,隨著聚合物溶液濃度的不斷增大,液珠粒徑也存在著不斷增大的趨勢。由于聚合物的濃度增大將導(dǎo)致聚合物溶液的黏度變大,故在相同的推動力下,濃度大的聚合物更不容易被從三通處分離,所以只能有少量溶液形成液珠,液珠變小。由于聚合物溶液的密度要與流動相的密度保持相近,故本組實驗數(shù)據(jù)的取值范圍較小,只在1.36%到5.46%中間取值,液珠直徑變化并不明顯。

圖7 聚合物溶液濃度對液滴直徑的影響曲線Fig.7 Effect of the concentration of polymer phase on the liqiud droplet size

實驗中發(fā)現(xiàn),對粒徑的影響因素還有很多,除了上述探討的流速,濃度,轉(zhuǎn)速外,還有三通出口處的大小。出口處越小,形成的液珠也越小。另外,當液珠在 Teflon管中傳輸時,若不慎從三通處或注射液內(nèi)引入氣泡,則應(yīng)舍棄該段液珠。由于氣泡的密度小于聚合物溶液與流動相,故懸浮在Teflon管中。由管內(nèi)液體流動情況可知,流體在圓形管道內(nèi)層流動時,管壁處的速度最小,而中心處的流速最大。故氣泡無法以相同速度隨流動相快速排出,而是緩慢前進。當液珠經(jīng)過時,受到氣泡的阻礙,流動速度明顯降低,與后續(xù)液珠粘合在一起,影響粒徑的均一性。故注意保持裝置的氣密性也是制得均一粒徑聚合物微珠的重要因素。

3 結(jié) 論

本實驗基于T型垂直微通道原理,利用自主構(gòu)建的微流控裝置,制備了均一、尺寸可調(diào)、球形度好的聚合物微珠,并從動力學(xué)角度對微珠的形成給出了解釋。實驗證明,在聚合物微珠的制備過程中,液珠粒徑變化趨勢與聚合物溶液流速相同,而隨著聚合物溶液濃度與流動相流速的增長,不斷減小。除此之外,固化過程中恒溫水浴的溫度、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的轉(zhuǎn)速與體系的氣密性也是影響球形度與微珠粒徑單分散性的重要因素。

[1]費逸偉,黃之杰,劉 芳,等.聚合物微球-新型紅外涂料用填料性能研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2003,21(2):270-273.

[2]吳增茹,李有勇,徐筱杰.組合庫的篩選及在新藥研究中的應(yīng)用[J].北京大學(xué)學(xué)報,2000,36(2):275-285.

[3]R.F.Service.Radio Tags Speed Compound Synthesis [J].Science,1995,270:577.

[4]K.C.Nicolaou,X.Y.Xiao,Z.Parandoosh,et al. Radiofrequency Encoded Combinatorial Chemistry[J]. Angew.Chem.Int.Ed,1995,34:2 289-2 291.

[5]張 艷,雷建都,林 海,等.利用微流控裝置制備微球的進展[J].過程工程學(xué)報,2009,9(5): 1 028-1 034.

[6]S.Sugiura,M.Nakajima,H.Itou,et al.Synthesis of Polymeric Microspheres with Narrow Size Distributions Employing Microchannel Emulsification[J].Macromol.Rapid Commun.,2001,22:773-778.

[7]S.Sugiura,M.Nakajima,M.Seki.Effect of Channel Structure on Microchannel Emulsification[J].Langmuir,2002,18(15):5 708-5 712.

[8]S.Sugiura,M.Nakajima,M.Seki,et al.Prediction of Droplet Diameter for Microchannal Emulsification [J].Langmuir,2002,18(10):3 854-3 859.