JP3695616B2

JP3695616B2 - 高分子超微粒子集合体の製造方法

Info

Publication number: JP3695616B2
Application number: JP16528997A
Authority: JP
Inventors: 満明石; 武芹澤; 孝太谷口
Original assignee: 明石満; ユニケミカル株式会社
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: JPH10338710A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子超微粒子集合体の製造方法に関し、特に異なる荷電性を有する少なくとも２種類のマクロモノマー法により合成された高分子超微粒子集合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
表面積の大きい高分子超微粒子は、塗料、接着剤、クロマトグラフィーの固定相、化粧品、医薬品等多くの材料分野に応用の可能性がある。
【０００３】
このような高分子超微粒子として、本発明者等は、極性溶媒中乳化剤なしで親水性マクロモノマーと疎水性マクロモノマーとをフリーラジカル重合させるいわゆるマクロモノマー法により、表面には親水性マクロモノマーが集積し、内部は実質的に疎水性ポリマーからなる高分子超微粒子を合成した（ケミカル・エンジニヤリング, 1994年 6月号, 505頁、J. Polym. Sci. Part.A: Polym. Chem., 34 巻，2213頁, 1996年）。この高分子超微粒子は水中に単独で分散する。
【０００４】
マクロモノマー法により、高分子超微粒子の表面に機能性を与える種々の親水性マクロモノマーを集積化することができ、かつ超微粒子のサイズも制御することができた。この高分子超微粒子の応用について、医療診断用微粒子（「高分子加工」, 44 巻, 6号, 242 頁, 1995年）、ドラッグキャリヤー等の用途検討を行ってきた。このような高分子超微粒子の特徴は、粒子表面に他の分子を容易に導入できるために機能性マクロモノマー鎖を有するようにできるとともに、各粒子が会合せず分散安定性があるので単分散性が高いことである。
【０００５】
一方、高分子超微粒子集合体の製造方法としては、ラテックス粒子の集合、集積（Langmuir 12 号, 2374頁, 1996年、同12号, 2385頁, 1996年）、ポリマーと球状シリカとの凝集（Colloids and Surf., 63 巻, 103 頁, 1992年）等の技術が報告されている。
【０００６】
ところがマクロモノマー法により合成したマクロモノマー鎖が表面に集積した高分子超微粒子（以下単に「マクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子」という）は、無機超微粒子に比較して多様な表面構造の形成が可能であり、単分散性であるという利点を有する反面、集合体の製造が困難であるという問題がある。そのためマクロモノマー法により合成したマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の集合体はまだ実現していない。
【０００７】
従って本発明の目的は上記問題点を解消し、軽量で、化学修飾が容易で、種々のモノマーの使用が可能なマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の集合体の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、マクロモノマー法により合成されたカチオン性マクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子及びアニオン性マクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子のそれぞれ少なくとも１種類ずつを溶液中に分散後、放置し、静電相互作用により集合・沈殿させることにより、軽量で、化学修飾が容易で、種々のモノマーの使用が可能なマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の集合体が得られることを発見し、本発明に想到した。
【０００９】
すなわち本発明の高分子超微粒子集合体の製造方法は、異なる荷電性を有する少なくとも２種類のマクロモノマー法により合成された高分子超微粒子を溶液中に分散させて集合させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい実施例では、荷電性高分子超微粒子は表面に荷電性のマクロモノマー鎖を有し、かつ平均粒径が10nm〜５μm である。さらに前記荷電性高分子超微粒子の少なくとも一種類の粒径分布（C.V.値）は20％以下であるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１２】
[1] 荷電性マクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子
(1) 製造方法
荷電性を有するマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子は、例えば以下のようなマクロモノマー法により合成することができる。
【００１３】
(a) カチオン性のマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の場合
N-ビニルアセトアミド等のN-ビニルアミド誘導体（CH₂＝CH-NH-CO-R、ただしＲはアルキル基、置換又は無置換のベンゼン基等）を、連鎖移動剤及びアゾビスイソブチロニトリル（AIBN）等の重合開始剤の存在下で、エタノール等のアルコールのような極性溶媒中でラジカル重合させ、末端に水酸基、アミノ基、カルボキシル基等の官能基を有するオリゴ（N-ビニルアミド誘導体）を合成する。連鎖移動剤としては、末端にチオール基を有するアルキルアルコール、アルキルアミン、アルキルカルボン酸等が好ましく、特に2-メルカプトエタノールが好ましい。
【００１４】
次いでオリゴ（N-ビニルアミド誘導体）をクロルメチルスチレン等のビニルベンジルハライドと縮合させてビニルベンジル基を導入したマクロモノマーを合成する。この反応は、ジメチルホルムアミド（DMF ）等の極性溶媒中において、水酸化カリウム等の塩基や、テトラブチルホスホニウムブロミド等の相間移動触媒の存在下で加熱することによって行うことができる。
【００１５】
得られたマクロモノマーをアゾビスイソブチロニトリル（AIBN）等の重合開始剤の存在下で、エタノール等のアルコールのような極性溶媒中でスチレン系モノマー又はアクリル系モノマー等のコモノマーとラジカル共重合させる。スチレン系モノマーとしてはスチレン、モノメチルスチレン、ジメチルスチレン、クロルスチレン、ハロゲン化アルキルスチレン等が挙げられ、またアクリル系モノマーとしてはアクリル酸アルキルエステル、メタクリル酸アルキルエステル、アクリルアミド、メタクリルアミド等が挙げられる。
【００１６】
続いて塩酸等の酸の存在下で、アルコールのような極性溶媒中でアセトアミド基を加水分解することにより、カチオン性のアミノ基を有する表面マクロモノマー鎖を有する高分子超微粒子が得られる。
【００１７】
図１は、マクロモノマーに対してラジカル共重合用コモノマーとして例えばスチレンを使用した場合に、高分子超微粒子が得られる典型的なメカニズムを図式的に表したものである。各マクロモノマー１はN-ビニルアセトアミド単位１ａとビニルベンジル基１ｂとからなる。まずマクロモノマー１とスチレンモノマー２とを混合し（工程Ａ）、スチレンモノマーを重合させると、スチレンモノマーの単独重合（工程Ｂ）が部分的に起こるが、ビニルベンジル基１ｂとの共重合（工程Ｃ）が同時に起こる。共重合の結果、あたかもスチレン重合体にマクロモノマー鎖がグラフト化したかのような構造を有する高分子が得られる。反応は極性溶媒中で行われるので、疎水性のスチレン単位は内側に親水性のマクロモノマー１は外側に選択的に集積する（工程Ｄ）。このようにして重合が完了すると、スチレン単位のコア部３の表面にマクロモノマー鎖４が位置する高分子超微粒子10が得られる（工程Ｅ）。これに加水分解処理を施すと、マクロモノマー鎖４のアミド基はアミノ基に転化する（工程Ｆ）。
【００１８】
(b) アニオン性のマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の場合
カチオン性のマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の製造方法において、N-ビニルアミド誘導体の代わりに（メタ）アクリル酸アルキルエステルを使用することにより、アニオン性の官能基（カルボキシル基）を有するマクロモノマー鎖を表面に有する高分子超微粒子が得られる。
【００１９】
(2) マクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の粒径
高分子超微粒子の平均粒径は、反応条件や使用する試薬のモル比を変えることで数nm〜数十μm の範囲で得られるが、粒径分布のばらつきを小さくするため、また実際の使用時の作業性の観点等から10nm〜５μm の範囲が好ましく、50nm〜３μm の範囲がより好ましい。粒径は電子顕微鏡、レーザー光散乱法等により測定することができる。
【００２０】
本発明に使用する高分子超微粒子の少なくとも一種類のC.V.値は20％以下であるのが好ましく、15％以下と単分散性のものがより好ましい。さらにいずれの種類でもC.V.値が20％以下の高分子超微粒子を使用するのがより好ましい。C.V.値が20％を超えると、粒径のばらつきが大きくなり、高分子超微粒子集合体の構造が不均一になるため好ましくない。粒径分布（C.V.）は、測定により得られた平均粒子径（Ｒ）と標準偏差（S.D.）とから、C.V.＝S.D.／Ｒ（％）により算出する。
【００２１】
[2] 集合体の製造方法
本発明の方法において、高分子超微粒子集合体は、例えばマクロモノマー法により合成したカチオン性の高分子超微粒子とアニオン性の高分子超微粒子とを水中で混合・分散し、数時間〜数十時間放置することにより製造できる。これらの超微粒子は単独では水中で安定に懸濁しているが、共存させると静電相互作用により両粒子が複数集まった集合体となる。
【００２２】
カチオン性の高分子超微粒子とアニオン性の高分子超微粒子との好ましい混合比率は、それぞれの電荷を発現する官能基の種類により水中での解離度が異なるため一様には決まらないが、例えばマクロモノマー鎖にアミノ基を有するカチオン性高分子超微粒子と、マクロモノマー鎖にカルボキシル基を有するアニオン性高分子超微粒子との組み合わせの場合に、カチオン性高分子超微粒子の方が大粒径のときには、（カチオン性高分子超微粒子の数）：（アニオン性高分子超微粒子の数）が１：５〜１：40の範囲内となるのが好ましく、１：10〜１：30の範囲がより好ましい。またアニオン性高分子超微粒子の方が大粒径のときには、（カチオン性高分子超微粒子の数）：（アニオン性高分子超微粒子の数）が20：１〜１：40の範囲内となるのが好ましい。高分子超微粒子の分散濃度は１×10⁷〜10¹⁸個／mlの範囲が好ましく、１×10⁸〜10¹⁷個／mlの範囲がより好ましい。高分子超微粒子集合体の生成量は、分散濃度を高くすることにより増加する。
【００２３】
分散媒は水、特に純水が好ましいが、荷電性を損なわず、かつ高分子超微粒子を浸潤しないものであれば特に限定されず、極性溶媒でも使用することができる。
【００２４】
高分子超微粒子集合体生成温度は、高分子超微粒子の集合を促進するために、10〜60℃程度の範囲が好ましく、20〜40℃程度の範囲がより好ましい。
【００２５】
高分子超微粒子集合体の生成量は、高分子超微粒子の組み合わせにより異なるが、放置時間を長くすることにより増加する傾向を示す。好ましい放置時間は１〜50時間である。放置後は使用目的によりそのまま水中に保存するか、あるいは室温または加熱下で静置あるいは送風して乾燥した状態で保存することができる。
【００２６】
上述の10nm〜５μm の平均粒径を有するマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子は比表面積が大きいため、本発明の高分子超微粒子集合体の表面積もその高分子超微粒子の集合粒子数に応じて大きくなる。
【００２７】
【実施例】
以下実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
製造例１
カチオン性のマクロモノマー鎖を表面に有する高分子超微粒子の製造 (1)
N-ビニルアセトアミド20ｇ（234mmol ）をエタノール100ml に溶解し、2-メルカプトエタノール4.579 ｇ（58.6mmol）及びアゾビスイソブチロニトリル（AIBN）0.481 ｇ（2.93mmol）を加え、窒素気流下60℃で６時間反応させ、末端に水酸基を有するN-ビニルアセトアミドオリゴマー（NVA オリゴマー）を得た。反応終了後、ジエチルエーテルで再沈殿を数回行ってNVA オリゴマーを精製した。得られたNVA オリゴマーの数平均分子量（Mn）は3,900 であった。
【００２９】
NVA オリゴマー6.0 ｇ［1.54mmol（数平均分子量より求めた）］をジメチルホルムアミド（DMF ）100ml に溶解し、50重量％水酸化カリウム水溶液1.73ｇ（15.4mmol）、テトラブチルホスホニウムブロミド0.523 ｇ（1.54mmol）、及びp-クロルメチルスチレン2.35ｇ（15.4mmol）を加え、60℃で６時間反応させ、NVA マクロモノマーを得た。反応終了後、ジエチルエーテルで再沈殿を数回行いNVA マクロモノマーを精製した。¹Ｈ-NMR測定の結果、末端へのビニルベンジル基導入率はほぼ100 ％であることが分かった。またゲルパーミエーションクロマトグラフィー（GPC ）により測定したNVA マクロモノマーの数平均分子量（Mn）は4,000 であった。
【００３０】
次にNVA マクロモノマー0.60ｇ［0.15mmol（数平均分子量より求めた）］とスチレン0.625 ｇ（6.0 mmol）をエタノール10mlに溶解し、AIBN10.1mg（0.0615mmol）を加え、脱気封管後60℃で24時間共重合させた。反応終了後メタノール及び水でそれぞれ透析し、精製した。
【００３１】
得られた高分子超微粒子の粒径をレーザー光散乱法により測定したところ（測定装置：コールター社製N4SD）、平均粒径は320 nmであった。この高分子超微粒子をエタノールに分散させ、塩酸を加えて２Ｎとして95℃で12時間反応させ、アセトアミド基をアミノ基に転化した。加水分解後、反応液の上澄みを除去し、水で透析することにより精製した。得られたポリビニルアミン（マクロモノマー鎖）が結合したポリスチレン（PVAmPS）超微粒子の平均粒径は545 nmであった。この高分子超微粒子を生成する反応式(1) は
【化１】

（ただし、ｌ、ｍ、ｎは重合度を表す整数である。）により表されると考えられる。
【００３２】
製造例２
カチオン性のマクロモノマー鎖を表面に有する高分子超微粒子の製造 (2)
NVA マクロモノマーを0.532 ｇ（0.133 mmol）とした以外は製造例１と同様に反応を行った。得られたポリスチレン（PVAmPS）超微粒子の平均粒径は600 nmであった。
【００３３】
製造例３
アニオン性のマクロモノマー鎖を表面に有する高分子超微粒子の製造 (1)
t-ブチルメタクリレート(t-BMA) 20ｇ（141 mmol）をテトラヒドロフラン(THF) 60mlに溶解し、2-メルカプトエタノール0.22ｇ（2.82mmol）及びAIBN0.236 ｇ（1.438 mmol）を加え、窒素気流下60℃で６時間反応させ、末端に水酸基を有するt-BMA オリゴマーを得た。反応終了後、水／メタノール（容量比１／１）の混合液に沈殿させ、イソプロパノール溶液から水／メタノールへの再沈殿を数回行い精製した。得られたt-BMA オリゴマーの数平均分子量（Mn）は3,100 であった。
【００３４】
t-BMA オリゴマー6.45ｇ（2.08mmol）をDMF 100ml に溶解し、50重量％の水酸化カリウム水溶液2.34ｇ（20.8mmol）、テトラブチルホスホニウムブロミド0.706 ｇ（2.08mmol）とp-クロルメチルスチレン3.18ｇ（20.8mmol）を加え、60℃で６時間反応させ、t-BMA マクロモノマーを得た。反応終了後ジエチルエーテルで再沈殿を数回行い、t-BMA マクロモノマーを精製した。¹Ｈ-NMR測定により、末端へのビニルベンジル基導入率は約65％であることを確認した。またGPC により測定したt-BMA マクロモノマーの数平均分子量（Mn）は3,300 であった。
【００３５】
次にt-BMA マクロモノマー0.528 ｇ（0.160 mmol）とスチレン0.667 ｇ（6.40mmol）をエタノール10mlに溶解し、AIBN10.8mg（0.0656mmol）を加え、脱気封管後60℃で24時間共重合させた。反応終了後、メタノール中で透析し、精製した。
【００３６】
得られた高分子超微粒子の粒径をコールター社製N4SDを使用してレーザー光散乱法により測定したところ、平均粒径は365 nmであった。この高分子超微粒子をエタノールに分散させ、塩酸を加えて２Ｎとし、70℃で48時間反応させ、t-ブチルエステル基をカルボキシル基に転化した。加水分解後、反応液の上澄みを除去し、水で透析することにより精製した。得られたポリメタクリル酸グラフト化ポリスチレン（PMAAPS）超微粒子の平均粒径は395 nmであった。
【００３７】
製造例４
アニオン性のマクロモノマー鎖を表面に有する高分子超微粒子の製造 (2)
2-メルカプトエタノールを0.264 ｇ（3.38mmol）とした以外は製造例３と同様に反応を行い、数平均分子量（Mn）2,700 のt-BMA マクロモノマーを得た。得られたt-BMA マクロモノマー0.324 ｇ（3.11mmol）を使用した以外は製造例３と同様にして反応を行った。得られたポリメタクリル酸グラフト化ポリスチレン（PMAAPS）超微粒子の平均粒径は1000nmであった。
【００３８】
製造例１、２で得られたPVAmPS超微粒子、及び製造例３、４で得られたPMAAPS超微粒子の粒径及び粒径分布（C.V.）を表１に示す。
【００３９】

【００４０】
実施例１
製造例１で得たPVAmPS超微粒子及び製造例３で得たPMAAPS超微粒子を表２に示す比率でかつ種々の合計濃度で水中に分散・混合し、48時間放置した。その後上澄み液を取って乾燥し、沈殿することなく上澄み液中に懸濁していた粒子の重量を測定し、上澄み液中に懸濁していた粒子数を算出した。その値から各合計濃度（全粒子数により表す）における集合体の生成率を求めた。結果を図２に示す。
【００４１】

【００４２】
図２から明らかなように、PVAmPS超微粒子の平均粒径がPMAAPS超微粒子の平均粒径よりも大きい場合には、PVAmPS超微粒子数：PMAAPS超微粒子数が１：10〜１：20のとき、集合体の生成率が良好であった。
【００４３】
サンプルNo. １（PVAmPS：PMAAPS＝１：20）において、全粒子数が７×10¹⁰個／mlのときに得られた集合体をＳＥＭ観察した。結果を図３に示す。
【００４４】
実施例２
集合体生成量の少なかったサンプルNo. ３及び４の分散液とPVAmPS超微粒子数：PMAAPS超微粒子数の比率を変えずに、全粒子数を１万倍としたサンプルNo. ５及び６について、48時間放置した後で、集合体の生成率を求めた。結果を図４に示す。
【００４５】
図２及び図４から明らかなように、PVAmPS：PMAAPSの粒子数比率が同じサンプル同士（No. ３と５、及びNo. ４と６）を比較すると、粒子の分散濃度を高くすることにより、生成率が著しく上昇することが認められた。
【００４６】
実施例３
製造例２で得たPVAmPS超微粒子及び製造例４で得たPMAAPS超微粒子を表３に示す比率でかつ種々の合計濃度で水中に分散・混合し、48時間放置した後で、集合体の生成率を求めた。結果を図５に示す。
【００４７】

【００４８】
図５から明らかなように、PMAAPS超微粒子の平均粒径がPVAmPS超微粒子の平均粒径よりも大きい場合には、PVAmPS超微粒子数：PMAAPS超微粒子数が10：１〜１：20のとき、集合体の生成率が良好であった。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の方法により軽量で、化学修飾が容易で、種々のモノマーが使用可能で、かつ多様な表面構造が形成できるマクロモノマー鎖表面集積型高分子超微粒子の集合体を得ることができる。得られた高分子超微粒子集合体は、低摩擦性や耐摩耗性等の表面特性改質材料や、広い表面積からクロマトグラフィーの固定相等への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高分子超微粒子が得られるメカニズムを表す概略図である。
【図２】実施例１のサンプルNo. １〜４において、各PVAmPS：PMAAPSの粒子数比率における全粒子数と高分子超微粒子集合体の生成率との関係を示すグラフである。
【図３】実施例１のサンプルNo. １の高分子超微粒子集合体のＳＥＭ写真（倍率１万倍）である。
【図４】実施例２のサンプルNo. ５及び６において、高分子超微粒子集合体の生成率と全粒子数との関係を示すグラフである。
【図５】実施例３のサンプルNo. ７〜12において、高分子超微粒子集合体の生成率と全粒子数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・マクロモノマー
１ａ・・N-ビニルアセトアミド単位
１ｂ・・ビニルベンジル基
２・・・スチレンモノマー
３・・・スチレン単位のコア部
４・・・マクロモノマー鎖
10・・・高分子超微粒子

Claims

異なる荷電性を有する少なくとも２種類のマクロモノマー法により合成された高分子超微粒子を溶液中に分散させて集合させることを特徴とする高分子超微粒子集合体の製造方法。
請求項１に記載の高分子超微粒子集合体の製造方法において、前記高分子超微粒子がカチオン性高分子超微粒子及びアニオン性高分子超微粒子からなることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の高分子超微粒子集合体の製造方法において、前記荷電性高分子超微粒子が表面に荷電性のマクロモノマー鎖を有し、かつ平均粒径が10nm〜５μm であることを特徴とする方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の高分子超微粒子集合体の製造方法において、前記荷電性高分子超微粒子の少なくとも一種類の粒径分布（C.V.値）が20％以下であることを特徴とする方法。