复合颗粒及其制备方法.pdf

提供复合颗粒的制备方法，该复合颗粒均包括聚合物化合物和固体颗粒，该方法包括：(1)将含有单体和有机溶剂的第一液体与固体颗粒混合以制备混合溶液；(2)制备第二液体；(3)将该混合溶液和该第二液体混合以形成乳液；(4)将该第一液体从该乳液的分散质分馏；和(5)分馏后聚合残留在分散质中的单体。由此可得到均以高比例均匀地包括固体颗粒并且具有优异的尺寸均匀性和分散性的复合颗粒。

1.  复合颗粒的制备方法，该复合颗粒均包括聚合物化合物和固体颗粒，其特征在于包括如下步骤：
(1)将含有单体和有机溶剂的第一液体与固体颗粒混合以得到混合溶液；
(2)将该混合溶液与第二液体混合以形成乳液；
(3)将该第一液体从该乳液的分散质分馏；和
(4)分馏后聚合残留在分散质中的单体。

2.  根据权利要求1的复合颗粒的制备方法，其特征在于分馏包括减压下的操作。

3.  根据权利要求1的复合颗粒的制备方法，其特征在于有机溶剂为挥发性有机溶剂。

4.  根据权利要求3的复合颗粒的制备方法，其特征在于该挥发性有机溶剂具有低于单体沸点的沸点。

5.  根据权利要求1的复合颗粒的制备方法，其特征在于该第二液体为水或水溶液。

6.  根据权利要求1的复合颗粒的制备方法，其特征在于该固体颗粒为磁性材料的颗粒。

7.  根据权利要求1的复合颗粒的制备方法，其特征在于该固体颗粒为磁铁矿的颗粒。

8.  复合颗粒，其均包括聚合物化合物和固体颗粒，其特征在于该复合颗粒具有不大于1.3的由数均粒径(Dn)和重均粒径(Dw)计算的多分散指数(Dw/Dn)和不大于1.3的水中平均流体动力学粒径(Df)和平均干燥粒径(Dd)之比(Df/Dd)；每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量为50wt％～80wt％，并且不少于80％的固体颗粒是具有不大于20nm的粒径的颗粒。

9.  根据权利要求8的复合颗粒，其特征在于该复合颗粒具有50nm～300nm范围内的平均干燥粒径。

10.  根据权利要求8的复合颗粒，其特征在于该固体颗粒是磁性材料的颗粒。

11.  根据权利要求10的复合颗粒，其特征在于该固体颗粒是磁铁矿的颗粒。

复合颗粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及可应用于广范围工业领域包括电子材料、光学材料和医用材料的复合颗粒(composite particles)以及该复合颗粒的制备方法。
背景技术
近年来，以应用于各种工业领域为目的，关于复合颗粒的研究和开发已积极进行。例如，含有聚合物化合物和磁性材料的磁性颗粒预计具有各种应用，尤其将关注集中在用作医学和诊断领域例如药物和诊断药物中的基体上。
作为是均含有聚合物化合物和磁性材料的复合颗粒的磁性颗粒(后文简称为“磁性颗粒”)的制备方法，已经提出使用无皂乳液聚合和微乳液聚合的方法。
日本专利申请公开号2004-099844公开了制备磁性颗粒的方法，其包括将具有纳米尺寸的磁铁矿细颗粒分散在油性单体中并进行微乳液聚合的步骤。但是，在该方法中，装入磁铁矿的量受限并且难以基本上防止聚合工艺中磁铁矿颗粒的分离。因此，存在一些对每个磁性颗粒中磁铁矿含量降低的担忧。
日本专利申请公开号2006-131771公开了在无皂乳液聚合中通过使用具有纳米尺寸的磁铁矿细颗粒作为种子颗粒可制备具有窄粒径分布的磁性颗粒。但是，在该方法中，难以防止聚合工艺中种子颗粒互相聚结，并且因此在颗粒与颗粒之间磁性颗粒在磁铁矿含量上变得不均匀，以致磁化倾向于不均匀。此外，存在聚结的种子颗粒起到铁磁材料作用的可能，并且因此存在残留磁化的影响损害磁性颗粒的分散性的担忧。
从磁性材料的含量、磁化均匀性、粒径分布和分散性的观点考虑，由上述公开在已知文献中的制备方法得到的磁性颗粒仍不足，因此在目前的环境下不总是具有高的实际应用。因此，要求均在均匀状态下以高比例含有以磁性材料颗粒为代表的固体颗粒并且均具有优异的尺寸均匀性和分散性的复合颗粒。
发明内容
本发明提供的复合颗粒的制备方法是制备均包括聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒的方法，其特征在于包括步骤：(1)将含有单体和有机溶剂的第一液体与固体颗粒混合以得到混合溶液；(2)将该混合溶液与第二液体混合以形成乳液；(3)将该第一液体从该乳液的分散质(dispersoid)分馏(fractionating)；和(4)分馏后聚合残留在该分散质中的单体。
本发明提供的复合颗粒是均包括聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒，其特征在于该复合颗粒具有不大于1.3的由数均粒径(Dn)和重均粒径(Dw)计算的多分散指数(Dw/Dn)和不大于1.3的水中平均流体动力学粒径(Df)和平均干燥粒径(Dd)之比(Df/Dd)；每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量是50wt％～80wt％，并且不少于80％的固体颗粒是具有不大于20nm的粒径的颗粒。
本发明的进一步的特点和方面将由以下参照附图对示例性实施方案的详细说明变得显而易见。
附图说明
图1为示意性例示基于本发明的复合颗粒形成机理的示意图。
图2为本发明中得到的复合颗粒的透射电子显微照片。
图3为示意性例示基于微乳液聚合的复合颗粒形成机理的示意图。
具体实施方式
以下将具体说明本发明。
本发明的复合颗粒的制备方法为均包括聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒的制备方法，并且包括以下步骤。
即(1)将含有单体和有机溶剂的第一液体与固体颗粒混合以得到混合溶液；
(2)将该混合溶液与第二液体混合以形成乳液；
(3)将该第一液体从该乳液的分散质分馏；和
(4)分馏后聚合残留在该分散质中的单体。
在本发明中，第一液体包括至少一种单体和至少一种有机溶剂。
可没有任何限制地使用本发明中的单体，只要其为可聚合化合物。
自由基聚合中使用的单体的具体实例包括以下。
即，可聚合不饱和芳香族化合物例如苯乙烯、氯苯乙烯、α-甲基苯乙烯、二乙烯基苯和乙烯基甲苯；
可聚合不饱和羧酸例如(甲基)丙烯酸、衣康酸、马来酸和富马酸，或者它们的盐；
可聚合不饱和磺酸例如苯乙烯磺酸钠盐、或其盐；
可聚合羧酸酯例如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸正丁酯、(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯、(甲基)丙烯酸缩水甘油酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酸三溴苯基酯；
不饱和羧酸酰胺，可聚合不饱和腈，卤代乙烯或者共轭二烯例如(甲基)丙烯腈、(甲基)丙烯醛、(甲基)丙烯酰胺、亚甲基双(甲基)丙烯酰胺、丁二烯、异戊二烯、乙酸乙烯酯、乙烯基吡啶、N-乙烯基吡咯烷酮、氯乙烯、偏氯乙烯和溴乙烯；和
在高分子量链段例如聚苯乙烯、聚乙二醇或聚甲基丙烯酸甲酯中具有可聚合官能团例如乙烯基、甲基丙烯酰基或二羟基基团的大分子单体。
另外，在本发明中也可使用用于加成聚合的单体。
用于加成聚合的单体的具体实例包括以下。
即，脂肪族或芳香族异氰酸酯例如二苯基甲烷二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、四甲基二甲苯二异氰酸酯、二甲苯二异氰酸酯、二环己烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯；烯酮；含环氧基的化合物；或者含乙烯基的化合物。
另外，与上述化合物基团反应的单体包括具有带有活性氢的官能团例如羟基或者氨基的化合物。
该化合物的具体实例包括多元醇例如乙二醇、二甘醇、丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇、山梨糖醇、亚甲基苷、蔗糖和双(羟乙基)苯；
多元胺例如乙二胺、六亚甲基二胺、N，N′-二异丙基亚甲基二胺和N，N′-二仲丁基-对苯二胺、1，3，5-三氨基苯；和肟。
本发明中，可以单独使用这些单体或者将它们中的两种或更多种混合使用。而且，单体以外能起到交联剂作用的多官能化合物可以共存。
多官能化合物的实例包括以下。
即，N-羟甲基丙烯酰胺、N-乙醇丙烯酰胺、N-丙醇丙烯酰胺、N-羟甲基马来酰亚胺、N-羟乙基马来酰亚胺、N-羟甲基马来酰胺酸、N-羟甲基马来酰胺酸酯、乙烯基芳族酸的N-羟烷基酰胺(例如，N-羟甲基-对乙烯基苯甲酰胺)，和N-(异丁氧基甲基)丙烯酰胺。
另外，在上述单体中，也可使用多官能单体例如二乙烯基苯、二乙烯基萘、二乙烯基环己烷、1，3-二丙烯基苯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯、二甘醇二(甲基)丙烯酸酯、丁二醇、三羟甲基乙烷三(甲基)丙烯酸酯和季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯作为交联剂。
在此情形中，可以单独使用这些多官能化合物或者可以将它们的两种或更多种混合使用。
作为本发明中的有机溶剂，可应用任何溶剂，只要它具有在水中的低溶解性并且与单体相容。优选地，有机溶剂为挥发性有机溶剂，特别地，为具有比单体低的沸点的有机溶剂。
这样的有机溶剂的实例包括以下。
即，卤代烃(二氯甲烷、氯仿、氯乙烷、二氯乙烷、三氯乙烷、四氯化碳等)；酮(例如丙酮、甲乙酮和甲基异丁基酮)；醚(四氢呋喃、乙醚、异丁醚等)；酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯等)；和芳族烃(苯、甲苯、二甲苯等)。
这些有机溶剂可以单独使用，或者能将它们的两种或更多种以适当比例混合使用。
本发明中的第二液体为水或者水溶液。
在本发明中，为了稳定乳液，可使表面活性剂作为分散剂共存于第一液体和第二液体的一种或两种中。
表面活性剂并不特别限制，只要它能用于常规的乳液聚合。
阴离子表面活性剂的实例包括以下。
即，十二烷基苯磺酸、癸基苯磺酸、十一烷基苯磺酸、十三烷基苯磺酸和壬基苯磺酸以及它们的钠、钾和铵盐。
阳离子表面活性剂的实例包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基氯化吡啶鎓和十六烷基三甲基氯化铵。
另外，非离子表面活性剂的实例除了聚乙烯醇外还包括各种市售可得的表面活性剂。
在上述表面活性剂中，优选阴离子表面活性剂。
另外，可使用能与上述油溶性单体聚合的反应性表面活性剂(可接受阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的任一种)。
反应性表面活性剂中的反应性基团的优选实例包括具有烯属不饱和基团例如乙烯基、烯丙基或(甲基)丙烯酰基的基团。
反应性表面活性剂可以为具有常规表面活性剂能力的任一种，只要它具有上述的反应性基团。反应性表面活性剂的实例包括日本专利申请公开号H09-279073中所述的那些。
反应性表面活性剂的具体实例为：
阴离子表面活性剂，包括烷基苯磺酸盐例如月桂基(烯丙基苯)磺酸盐、月桂基苯乙烯磺酸盐、硬脂基(烯丙基苯)磺酸盐和硬脂基苯乙烯磺酸盐、和它们的聚氧化乙烯加成物；烷基磺基琥珀酸酯例如月桂基烯丙基磺基琥珀酸酯、月桂基乙烯基磺基琥珀酸酯、硬脂基烯丙基磺基琥珀酸酯和硬脂基乙烯基磺基琥珀酸酯和它们的聚氧化乙烯加成物；烷基或烯基磺酸盐例如(甲基)丙烯酸月桂酯磺酸盐和油基磺酸盐；烷基或烯基硫酸盐例如硬脂基(甲基)丙烯酸酯硫酸盐和油基硫酸盐，以及它们的聚氧化乙烯加成物；等；
阳离子表面活性剂，包括季铵盐例如月桂基三烯丙基氯化铵、硬脂基三烯丙基氯化铵、二硬脂基二烯丙基氯化铵等；和
非离子表面活性剂，包括聚乙二醇烷基或烯基苯基醚例如聚乙二醇辛基(烯丙基苯基)醚、聚乙二醇壬基(烯丙基苯基)醚、聚乙二醇油基苯基醚；甘油脂肪酸酯例如单烯丙基甘油基单硬脂酸酯和单烯丙基甘油基二硬脂酸酯，和它们的聚氧化乙烯加成物；脱水山梨醇脂肪酸酯例如单烯丙基脱水山梨醇单硬脂酸酯和单烯丙基脱水山梨醇三硬脂酸酯，以及它们的聚氧化乙烯加成物；和(甲基)丙烯酸的聚氧化乙烯酯例如聚乙二醇单(甲基)丙烯酸酯和聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯；等。
上述表面活性剂可以单独使用，或者将它们的两种或更多种混合使用。
表面活性剂的使用量，基于100重量份单体，可以不少于0.01重量份，优选不少于0.1重量份，特别优选不少于0.5重量份。通常，可以在不多于50重量份的范围内使用表面活性剂，优选在不多于30重量份的范围内。
在本发明中，为了稳定乳液，可以使可溶于第一液体中并且具有不大于0.01g/L水中溶解度的疏水物(助表面活性剂)与第一液体共存。
本发明中使用的疏水物的具体实例包括以下。
(a)线型、支化和环状的C8～C30烷烃例如十六烷、角鲨烷和环辛烷；
(b)C8～C30烷基丙烯酸酯例如甲基丙烯酸硬脂酯和甲基丙烯酸十二烷基酯；
(c)C8～C30烷基醇例如鲸蜡醇；
(d)C8～C30烷基硫醇例如十二烷基硫醇；
(e)聚合物例如聚氨酯、聚酯和聚苯乙烯；和
(f)长链脂肪族或芳族羧酸、长链脂肪族或芳族羧酸酯、长链脂肪族或芳族胺、酮、卤代烷烃、硅烷、硅氧烷和异氰酸酯。
另外，也可使用长链油溶性引发剂例如过氧化月桂酰。
它们中，优选使用具有不少于12个碳原子的烷烃，更优选使用具有12～20个碳原子的烷烃。
本发明中的固体颗粒是与气体颗粒或液体颗粒对应使用的术语，是包括晶体固体颗粒、非晶体无定形(玻璃态)固体颗粒和具有晶体部分和无定形部分的固体颗粒的概念。
本发明中所指的固体颗粒是包括无机材料颗粒、金属材料颗粒、氧化物材料颗粒、半导体材料颗粒等的概念。该固体颗粒可取决于要得到的复合颗粒从它们中适当选择。
在本发明中，固体颗粒的尺寸并不总是受限，但由于在形成乳液状态后得到复合颗粒，因此该固体颗粒可为具有亚微米尺寸(不大于1微米，即不大于1000nm)的超细颗粒。
特别地，当使用本发明的制备方法作为制备磁性颗粒的方法时，磁性材料可用作细固体颗粒。更优选地，使用细顺磁材料颗粒作为细固体颗粒。
该细顺磁材料颗粒可取决于目的而任意选择并优选是磁性材料的细颗粒，其中当对该细顺磁材料颗粒施加5000Oe(奥斯特)的强磁场并且然后使该磁场返回到0磁场时，磁化强度(剩余磁化强度)不大于当对其施加5000Oe的磁场时的磁化强度(饱和磁化强度)的1/3。
磁性材料的实例包括各种铁氧体例如四氧化三铁(Fe₃O₄)和γ-重质三氧化二铁(γ-Fe₂O₃)；和金属例如铁、锰和钴或者它们的合金。
由于存在在应用例如诊断用途等中需要具有较强磁力的复合颗粒的趋势，在以上磁性材料中优选分类为块状铁磁材料的磁性材料。从这样的观点考虑，更优选铁氧体，并且特别优选Fe₃O₄(磁铁矿)。要指出的是，在能实现本发明目的的范围内并不限制磁性材料的种类。
使用的细顺磁材料颗粒的粒径小于目标复合颗粒的粒径。在此情形中，为了防止磁性材料暴露于复合颗粒的表面，使用具有优选不大于50nm、更优选不大于30nm、特别优选不大于20nm的粒径的磁性材料。此外，当使用磁铁矿作为细顺磁材料颗粒时，粒径优选不大于30nm，更优选不大于20nm。这是因为当磁铁矿的粒径大于30nm时，会使剩余磁化强度的影响增加由此损害复合颗粒的分散性。
另一方面，当磁性材料颗粒较小时，更难以使磁性材料颗粒在乳液的分散质中稳定，并因此使用具有优选不小于3nm、更优选不小于5nm、特别不小于6nm的粒径的磁性材料颗粒。
而且，作为磁性材料，可以使用通过以硅烷偶联剂为代表的各种偶联剂或者通过已知的表面处理剂例如高级脂肪酸进行了表面处理的磁性材料。表面处理的具体实例包括疏水处理和亲水处理。
在可实现本发明目的的范围内，本发明中的乳液包括具有任何物理性质的乳液，但优选的乳液具有1个峰的粒径分布和50nm～1000nm范围内的平均粒径。更优选地，可使用具有100nm～500nm的平均粒径和不大于1.5的多分散指数的单分散乳液。
这样的乳液可通过传统上已知的乳化方法来制备。
传统上已知的乳化方法包括例如间歇摇动法，使用混合器例如螺旋桨式搅拌器或汽轮式搅拌器的搅拌法，胶体磨法，均化器法和超声辐射法。这些方法可单独使用或者将它们中的多种组合使用。此外，可以以一段乳化或多段乳化制备本发明的乳液。
本发明中的分馏意指通过其优先将目标组分从乳液的分散质抽提(extract)的操作。例如，当分散质包括功能性材料、单体和有机溶剂时，通过选择分馏条件，可优先将有机溶剂抽提，或者可优先抽提有机溶剂和单体。要指出的是，在本发明的分馏中，可以在能实现本发明目的的范围内适当改变单体或有机溶剂的抽提程度。
可通过任何传统上已知的方法进行分馏，可采取减压下分馏、分子分馏、超声分馏等。一般地，优选涉及使用减压装置例如蒸发器在减压下的操作。这是因为可通过减压条件容易地控制分馏程度。当待分馏的单体或有机溶剂具有低沸点时，也可只通过使静置长期的时间或者加热将其分馏。但是，此时，需要采取充分的措施防止乳液的沉降或聚结以及功能性材料从乳液的分离。
本发明中可使用的聚合引发剂的实例包括以下。
即，偶氮(偶氮二腈)类引发剂例如2，2′-偶氮二异丁腈、2，2′-偶氮二-(2-甲基丙腈)、2，2′-偶氮二-(2，4-二甲基戊腈)、2，2′-偶氮二-(2-甲基丁腈)、1，1′-偶氮二-(环己腈)、2，2′-偶氮二-(2，4-二甲基-4-甲氧基戊腈)、2，2′-偶氮二-(2，4-二甲基戊腈)和3，2′-偶氮二-(2-脒基丙烷)盐酸盐；以及
过氧化物类引发剂例如过氧化苯甲酰、氢过氧化异丙苯、过氧化氢、过氧化乙酰、过氧化月桂酰、过硫酸盐(例如过硫酸铵)、过酸酯(例如过辛酸叔丁酯、过氧新戊酸α-枯基酯和过辛酸叔丁酯)。
此外，引发剂的实例包括抗坏血酸/硫酸铁II/过二硫酸钠、叔丁基过氧化氢/亚硫酸氢钠(sodium disulfite)和叔丁基过氧化氢/羟基甲烷亚磺酸钠。
而且，还可使用氧化还原型引发剂例如混合物，例如，羟基甲烷亚磺酸的钠盐和亚硫酸氢钠的混合物作为每种组分例如还原组分。
另外，聚合引发剂可以单独使用或者可将它们的多种组合使用。
聚合引发剂的使用量，基于单体，通常选自0.1～30wt％的范围，并且可以将这些聚合引发剂在乳化之前或之后添加到第一液体或第二液体。
当乳化后添加时，可以在分馏之前或之后的任何时间添加聚合引发剂。
其次，在与使用微乳液聚合的常规方法比较的同时说明本发明中复合颗粒的形成机理。
已经说明了通过使用微乳液聚合的传统方法难以得到具有高含量固体颗粒的复合颗粒。这是因为就制备方法的原理而言每个单体单元可保持的固体颗粒量存在上限，并且在聚合过程中不能根本上防止固体颗粒分离的事实。
作为微乳液聚合中复合颗粒形成的机理，可考虑图3中例示的机理。
图3，A表示固体颗粒11和单体10的混合溶液。图1，B中，为了乳化将混合溶液A与水12混合，并由此形成O/W型乳液。图3，C中，使乳液B中分散质的单体聚合以由此得到其中均含有聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒13分散于水12中的分散液。顺带提及，在图3中省略了表面活性剂和疏水物。
根据图3中例示的机理，从下述两个问题估计，在微乳液聚合中难以将固体颗粒11以高浓度结合到每个复合颗粒13中。
第一个问题是难以将图3的A中例示的固体颗粒11和单体10的混合溶液中装载的固体颗粒11的量增加到大于一定量。
这是因为混合溶液A的粘度随着装载的固体颗粒11的量增加而增加并因此不能很好地进行乳化步骤和不能制备乳液B(单分散状态)。在日本专利申请公开号2004-099844中，将其中分散有固体颗粒11的有机溶剂与单体混合，并由此在保持每个单体装载的固体颗粒11的量的同时降低混合溶液A中固体颗粒11的浓度，以致实现良好的乳化。但是，推测下述第二个问题在日本专利申请公开号2004-099844的方法中变得显著，因此该方法在一些情况中可能不适合。
第二个问题是在通过聚合步骤从乳液B(单分散状态)转变为复合颗粒13的情况(参见图3中C)中，由于分散质(单体10和固体颗粒11)中引起的体积收缩，将固体颗粒11从分散质或复合颗粒13中分离。
这样的现象由分散质的液体组分(单体)中固体颗粒11的高度自由引起，并因此可通过增加混合溶液A中固体颗粒11的浓度来防止。但是，随着混合溶液A中固体颗粒11的浓度增加，第一个问题变得显著，并且因此该方法可能在一些情况中并不适合。
另外，通过改变添加剂、固体颗粒11和单体的组合等可防止第二个问题，但是它并不能避免该根本性问题。
使用在图1中例示的实例来说明本发明中复合颗粒形成的机理。图1例示以下步骤：(1)将含有单体和有机溶剂的第一液体21与固体颗粒11混合以得到混合溶液A的步骤；(2)将该混合溶液A与水12混合乳化以制备O/W(水包油)型单分散乳液B的步骤(第二液体可以为代替水的水溶液)；(3)从该单分散乳液B的分散质分馏含有单体和有机溶剂的第一液体21的步骤(图1，C例示分馏后乳液的状态。附图标记14表示水中分布的单体14)；(4)分馏后使用单分散乳液作为模板使单体聚合的步骤(水中分布的单体14彼此结合形成图1，D例示的聚合中间态的低聚物15)；和(5)当进一步进行聚合时，得到复合颗粒31分散于其中的分散液，如图1，E中所例示(图1中省略了表面活性剂和疏水物)。
在图1中，通过进行分馏解决了参照图3解释的微乳液聚合中的两个问题。以下将说明这些解决方案。
解决第一个问题的原因是在制备混合溶液A中使用单体和有机溶剂的混合溶液21，并因此理想地对每个单体单元所装载的固体颗粒11的量没有产生限制。如日本专利申请公开号2004-099844中所例示，单体和有机溶剂的混合溶液也可应用于微乳液聚合。但是，本发明人已经通过实验确认当应用于不进行分馏的微乳液聚合时在聚合过程中相反地促进固体颗粒11的分离。
解决第二个问题的原因如下。由于分散质中液体组分在分馏后在单分散乳液C中下降，分散质中固体颗粒11之间的相互作用增加。此外，当分馏度大时，固体颗粒11在分散质中形成聚集体。当分馏度大得多时，分散质中的固体颗粒11没有分散于单体20中，而是单体20处于与固体颗粒11的聚集体的润湿状态。这是因为当有机溶剂的沸点远低于单体的沸点时，优先通过分馏将有机溶剂蒸发并除去到体系的外部。如上所述，固体颗粒11的自由度在C例示的分馏后在单分散乳液中显著降低。甚至不会由体积收缩引起固体颗粒11从分馏后的单分散乳液或复合颗粒31中分离，该体积收缩发生在由C例示的分馏后的单分散乳液通过聚合步骤转变成由E例示的复合颗粒31的分散液的情形中。
另外，本发明的制备方法还包括不同于微乳液聚合的现象。
即从分散质中萃取的部分单体作为C例示的分馏后的单分散乳液中水中分布的单体14存在。因此，认为乳液在由C例示的分馏后的单分散乳液转变为由E表示的复合颗粒31的分散液的情形中经历由D例示的中间态。在中间态D中分布在水中的单体14通过聚合反应形成低聚物15，并且该低聚物不能以溶解于水中的状态保持并由此沉淀在复合颗粒的表面上。此现象表明本发明的一个优点，即可通过控制分馏程度来实施复合颗粒的表面设计。
如上所述，本发明中复合颗粒的制备方法具有改善使用微乳液聚合的传统制备方法的方面和不同于微乳液聚合的方面。
其次，对本发明中复合颗粒进行说明。
本发明的复合颗粒为包括聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒。
本发明的复合颗粒的特征在于，该复合颗粒具有1.0～1.3的由数均粒径(Dn)和重均粒径(Dw)计算的多分散指数(Dw/Dn)和1.0～1.3的水中平均流体动力学粒径(Df)与平均干燥粒径(Dd)之比(Df/Dd)。此外，每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量为50wt％～80wt％，并且不少于80％的固体颗粒是具有不大于20nm的粒径的颗粒。
由于本发明的复合颗粒具有不大于1.3的多分散指数(Dw/Dn)，可防止作为复合颗粒的特性变动。
由于本发明的复合颗粒具有不大于1.3的水中平均流体动力学粒径(Df)与平均干燥粒径(Dd)之比(Df/Dd)，可降低液体中分散复合颗粒的状态和干燥该复合颗粒的状态之间的差别。由此，可降低水中溶胀程度，并且可确保耐久性和形状稳定性抵抗环境变化例如pH变化和温度变化。
而且，由于本发明的每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量不少于50wt％，可充分地显示固体颗粒拥有的功能。此外，由于本发明的每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量不大于80wt％，可防止大量固体颗粒暴露于复合颗粒的表面所引起的不利影响发生。此处所指的具体不利影响是包括固体颗粒从复合颗粒分离和分散性等的表面物理性质的劣化。此外，由于本发明的不少于80％的固体颗粒是具有不大于20nm的粒径的颗粒，可防止固体颗粒暴露于复合颗粒表面的速率极大地增加。
为本发明的复合颗粒定义的数均粒径(Dn)和重均粒径(Dw)可如下测定。
通过传统上已知的粒径测定技术能测定数均粒径和重均粒径，但可优选基于动态光散射法测定。作为具体的测定装置，可使用动态光散射光度计，由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造的DLS-8000等。
另外，本发明中水中平均流体动力学粒径(Df)和平均干燥粒径(Dd)分别是指本发明的复合颗粒的水中平均粒径和干燥状态的平均粒径。更具体地，水中平均流体动力学粒径(Df)为通过动态光散射光度计，由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造的DLS-8000等基于动态光散射法测定的平均粒径值。平均干燥粒径(Dd)为通过透射电子显微镜(TEM)观测的颗粒干燥状态的平均粒径值。
另外，每个复合颗粒中固体颗粒所占的含量可通过传统上已知的方法测定或计算，但优选基于热重法测定。
另外，本发明的复合颗粒优选为具有1.0～1.5范围内、更优选1.0～1.2范围内的平均纵横比(长轴/短轴)并显现出增大的球形度的颗粒。这样的真球形复合颗粒是有利的，因为例如当以分散于液体中的状态使用时其表现出良好的流动性。
在本发明的复合颗粒中，可以取决于预期的目的控制平均粒径。
本发明的复合颗粒的平均干燥粒径优选在50nm～1000nm的范围内，更优选在50nm～500nm的范围内，还更优选在50nm～300nm的范围内。复合颗粒的比表面积效应可通过将平均粒径调整为不大于1000nm而得到，这在使用复合颗粒作为生物分子等的分离载体的情形中变得有利。该比表面积效应可通过将平均粒径调整为不大于500nm而进一步增大并且通过将平均粒径调整为不大于300nm，该效应极为显著。此外，通过将平均粒径调整为大于50nm可改善复合颗粒的可处理性。
使用上述本发明的复合颗粒的制备方法，可制备本发明的复合颗粒。另外，复合颗粒的粒径的控制可通过调整添加的分散剂的量、有机溶剂、单体和水的装载比例、乳化步骤中的设备条件等来进行。
另外，复合颗粒中固体颗粒所占的含量可通过调整装载的固体颗粒、有机溶剂和单体的比例来控制。
如上所述，本发明的每个复合颗粒中细固体颗粒可由无机材料颗粒、金属材料颗粒、氧化物材料颗粒、半导体材料颗粒等组成。优选使用磁性材料颗粒作为细固体颗粒，因为能充分显示出作为磁性材料的功能。作为磁性材料，优选细顺磁材料颗粒。
用作磁性材料时，取决于目的可任意地使用细顺磁材料颗粒。
但是，优选使用对细顺磁材料颗粒施加5000Oe的强磁场，然后使该磁场返回到零磁场时磁化强度(剩余磁化强度)不超过对其施加5000Oe的磁场时磁化强度(饱和磁化强度)的1/3的磁性材料。
磁性材料的实例包括各种铁氧体例如四氧化三铁(Fe₃O₄)和γ-重质三氧化二铁(γ-Fe₂O₃)；和金属例如铁、锰和钴或者它们的合金。
由于存在需要具有较强磁力的复合颗粒用于诊断用途等的趋势，在这些磁性材料中优选使用归类为块状铁磁材料的磁性材料。而且，更优选铁氧体，特别优选Fe₃O₄(磁铁矿)。
使用的细顺磁材料颗粒的粒径是小于目标复合颗粒的粒径。在这种情形中，为了防止磁性材料暴露在复合颗粒的表面，使用具有优选不大于50nm、更优选不大于30nm、还更优选不大于20nm的粒径的磁性材料。
另一方面，当磁性材料颗粒较小时，更难以稳定地使磁性材料颗粒分散于乳液的分散质中，因此磁性材料具有优选不小于3nm、更优选不小于5nm、还更优选不小于6nm的粒径。此外，将磁铁矿用作细顺磁材料颗粒时，粒径优选不大于30nm、更优选不大于20nm。这是因为通过将磁铁矿的粒径调整到不大于30nm，可降低剩余磁化强度的影响以由此良好地保持复合颗粒的分散性。
以下将通过实施例具体说明本发明，但本发明并不意在限于这些实施例。
(实施例)
(实施例1)复合颗粒1的制备
将FeCl₃和FeCl₂溶解在水中以制备溶解溶液。将该溶解溶液保持在室温下并在剧烈搅拌的同时将氨水加入溶液以制备磁铁矿的悬浮液。
在搅拌的同时将油酸加入该悬浮液并在70℃搅拌混合物1小时并在110℃搅拌1小时以制备淤浆。用大量水清洗该淤浆，然后在减压下干燥以制备疏水性磁铁矿粉末。
用透射电子显微镜(TEM)评价得到的疏水性磁铁矿，结果平均粒径为11nm且分子量分布为1.3。
其次，称量2g苯乙烯和3g疏水性磁铁矿到4g氯仿中以制备氯仿混合溶液。另一方面，将0.01g十二烷基硫酸钠(SDS)溶解在12g水中以制备SDS水溶液。混合氯仿混合溶液和SDS水溶液以制备混合溶液，并用搅拌均化器将该混合溶液剪切30分钟，然后用超声均化器剪切4分钟以由此制备乳液。其次，在减压下用蒸发器对该乳液进行处理以由此优先地将氯仿从分散质分馏。
通过氮冒泡将通过上述处理得到的乳液脱氧后，将0.01g聚合引发剂(2，2′-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐)加入得到的乳液，使苯乙烯在70℃下聚合6小时以得到复合颗粒。
通过DLS-8000(由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价得到的复合颗粒，确认了数均粒径(Dn)、重均粒径和多分散指数(Dw/Dn)分别为152nm、187nm和1.23。其次，使用DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价复合颗粒的水中平均流体动力学粒径(Df)并且使用透射电子显微镜评价复合颗粒干燥状态的平均干燥粒径(Dd)。平均流体动力学粒径(Df)、平均干燥粒径(Dd)和Df/Dd分别为187nm、182nm和1.03。
另外，将复合颗粒埋入环氧树脂中并用切片机剖开后，用透射电子显微镜观测横截面，确认了在该复合颗粒中含有的至少80％磁铁矿有具有不大于20nm的粒径的颗粒。此外，通过TG-DTA(同步差式热和热重测定：热重/差式热分析)分析评价复合颗粒，确认了复合颗粒中磁性材料的含量为63％。
图2中例示本实施例中得到的复合颗粒的透射电子显微照片(在上述剖开之前)。
(实施例2)复合颗粒2的制备
将FeC1₃和FeCl₂溶解在水中以制备溶解溶液。在剧烈搅拌的同时将氨水加入该溶解溶液以制备磁铁矿的悬浮液。
在搅拌的同时将油酸加入该悬浮液并在70℃搅拌混合物1小时并在110℃搅拌1小时以制备淤浆。用大量水清洗该淤浆，然后在减压下干燥以制备疏水性磁铁矿粉末。
将得到的疏水性磁铁矿分散在氯仿中并通过DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价该分散液，结果平均粒径为11nm并且分子量分布为1.3。
称量3g甲基丙烯酸甲酯和3g疏水性磁铁矿到3g氯仿中以制备氯仿混合溶液。另一方面，将0.01g十二烷基硫酸钠(SDS)溶解在12g水中以制备SDS水溶液。混合氯仿混合溶液和SDS水溶液以制备混合溶液，用搅拌均化器将该混合溶液剪切30分钟，然后用超声均化器剪切4分钟以由此制备乳液。
其次，在减压下用蒸发器对该乳液进行处理以由此优先地将氯仿从分散质分馏。
通过氮冒泡将通过上述处理得到的乳液脱氧后，将0.01g聚合引发剂(2，2′-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐)加入得到的乳液，使甲基丙烯酸甲酯在70℃下聚合6小时以得到复合颗粒。用DLS-8000(由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价得到的复合颗粒，并确认了数均粒径(Dn)、重均粒径和多分散指数(Dw/Dn)分别为140nm、168nm和1.20。
其次，以与实施例1中相同的方式使用DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)和透射电子显微镜评价复合颗粒的水中平均流体动力学粒径(Df)和干燥状态的平均干燥粒径(Dd)。平均流体动力学粒径(Df)、平均干燥粒径(Dd)和Df/Dd分别为168nm、165nm和1.02。
另外，以与实施例1中相同的方式将复合颗粒埋入环氧树脂中并用切片机剖开后，用透射电子显微镜观测横截面，并确认了该复合颗粒中含有的至少80％的磁铁矿有具有不大于20nm的粒径的颗粒。
此外，以与实施例1中相同的方式通过TG-DTA分析评价复合颗粒，并确认了在复合颗粒中磁性材料的含量为52％。
(实施例3)复合颗粒3的制备
将FeCl₃和FeCl₂溶解在水中以制备溶解溶液。将溶解溶液保持在40℃下并在剧烈搅拌的同时将氨水加入该溶液以制备磁铁矿的悬浮液。
在搅拌的同时将油酸加入该悬浮液并在70℃搅拌混合物1小时并在110℃搅拌1小时以制备淤浆。用大量水清洗该淤浆，然后在减压下干燥以制备疏水性磁铁矿粉末。
以与实施例1中相同的方式通过透射电子显微镜(TEM)评价得到的疏水性磁铁矿，结果平均粒径为6nm并且分子量分布为1.2。
其次，称量2g苯乙烯、1g甲基丙烯酸缩水甘油酯和3g疏水性磁铁矿到3g氯仿中以制备氯仿混合溶液。另一方面，将0.01g十二烷基硫酸钠(SDS)溶解在12g水中以制备SDS水溶液。混合氯仿混合溶液和SDS水溶液以制备混合溶液，并用搅拌均化器将该混合溶液剪切30分钟，然后用超声均化器剪切4分钟以由此制备乳液。其次，在减压下用蒸发器对该乳液进行处理以由此优先地将氯仿从分散质分馏。
通过氮冒泡将通过上述处理得到的乳液脱氧后，将0.01g聚合引发剂过硫酸钾加入得到的乳液，并使苯乙烯和甲基丙烯酸缩水甘油酯在70℃下聚合6小时以得到复合颗粒。
以与实施例1中相同的方式通过DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价得到的复合颗粒，并确认了数均粒径(Dn)、重均粒径和多分散指数(Dw/Dn)分别为181.25nm、232nm和1.28。其次，以与实施例1中相同的方式使用DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)和透射电子显微镜评价复合颗粒的水中平均流体动力学粒径(Df)和干燥状态的平均干燥粒径(Dd)。平均流体动力学粒径(Df)、平均干燥粒径(Dd)和Df/Dd分别为232nm、183nm和1.27。
另外，以与实施例1中相同的方式将复合颗粒埋入环氧树脂中并用切片机剖开后，用透射电子显微镜观测横截面，并确认了该复合颗粒中含有的至少80％的磁铁矿有具有不大于20nm的粒径的颗粒。此外，以与实施例1中相同的方式通过TG-DTA(同步差式热和热重测定：热重/差式热分析)分析评价复合颗粒，并确认了复合颗粒中磁性材料的含量为54％。
(比较例1)
除了不使用氯仿外，用与实施例1中相同的程序和条件制备复合颗粒，结果复合颗粒聚集且不能得到均匀的颗粒。
(比较例2)
除了没有进行分馏步骤外，以与实施例1中相同的程序和条件制备复合颗粒。
以与实施例1中相同的方式通过DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价得到的复合颗粒，并确认了数均粒径(Dn)、重均粒径(Dw)和多分散指数(Dw/Dn)分别为151nm、181nm和1.20。其次，使用DLS-8000(由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造)和透射电子显微镜测定了复合颗粒的水中平均流体动力学粒径(Df)和干燥状态的平均干燥粒径(Dd)。平均流体动力学粒径(Df)、平均干燥粒径(Dd)和Df/Dd分别为181nm、179nm和1.01。
另外，将复合颗粒埋入环氧树脂中并用切片机剖开后，用透射电子显微镜观测横截面，并确认了该复合颗粒中含有的至少80％的磁铁矿具有粒径不大于20nm的颗粒。此外，通过TG-DTA(同步差式热和热重测定：热重/差式热分析)分析评价复合颗粒，并确认了复合颗粒中磁性材料的含量为32％。在本比较例中，复合颗粒中磁性材料的含量未达到50％，因此，不能始终充分显示出作为磁性材料的功能。
(比较例3)
将3g的N-异丙基丙烯酰胺(NI PAM)和0.5g甲基丙烯酸(MAc)溶解在甲苯中并使得到的溶液进行氮冒泡30分钟，将0.01g偶氮二异丁基丙烯酰胺作为引发剂加入该溶液并在60℃下进行聚合反应3小时。将得到的溶解在甲苯中的NIPAM-Mac共聚物溶液加入大量的二乙醚以沉淀的操作重复3次，由此提纯NIPAM-MAc共聚物。
将该NIPAM-MAc共聚物和FeCl₃溶解在水中并使得到的溶液进行氮冒泡1小时后，将氨加入该溶液以由此形成复合颗粒。通过使用磁铁的倾析、离心分离和使用1μm孔径的亲水性过滤器的过滤提纯复合颗粒在水中的分散液。
以与实施例1中相同的方式通过DLS-8000(由OTSUKAELECTRONICS CO.，LTD.制造)评价得到的复合颗粒，并确认了数均粒径(Dn)、重均粒径(Dw)和多分散指数(Dw/Dn)分别为180nm、232nm和1.29。其次，以与实施例1中相同的方式使用DLS-8000(由OTSUKA ELECTRONICS CO.，LTD.制造)和透射电子显微镜(TEM)评价了复合颗粒的水中平均流体动力学粒径(Df)和干燥状态的平均干燥粒径(Dd)。平均流体动力学粒径(Df)、平均干燥粒径(Dd)和Df/Dd分别为232nm、164nm和1.42。但是，由透射电子显微镜观测的复合颗粒为无定形，并且因此计算最大长轴和最小短轴的平均作为复合颗粒的粒径。
另外，以与实施例1中相同的方式将复合颗粒埋入环氧树脂中并用切片机剖开后，用透射电子显微镜观测横截面，但未能得到良好的观测条件。此外，以与实施例1中相同的方式通过TG-DTA分析评价复合颗粒，并确认了复合颗粒中磁性材料的含量为69％。
本比较例中复合颗粒具有大于1.3的Df/Dd，因此对抗环境变化的稳定性不足。
工业应用性
根据上述本发明的优选实施例，提供均包括聚合物化合物和固体颗粒的复合颗粒，其可应用于宽范围的工业领域，包括电子材料、光学材料和医用材料。在均包括聚合物化合物和磁性材料的磁性颗粒的情形中，可提供具有高含量的磁性材料和优异的磁化强度均匀性、尺寸均匀性和分散性的磁性颗粒。
尽管已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解本发明并不限于公开的示例性实施例。对以下权利要求的范围应给予最宽泛的解释以包括所有这样的变形和等同结构及功能。
该申请要求于2007年6月28日提交的日本专利申请号2007-170232的权益，由此在本文中将其全文引为参考。