Nghiên cứu tổng hợp poly metylmetacrylat bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương

Công nghệ bào chế dược phẩm ngày càng hiện đại, yêu cầu về phương diện hiệu quả trị bệnh, thuận tiện, an toàn trong sử dụng…đối với thuốc ngày càng cao đòi hỏi tá dược phải có những tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC -o0o -

THIỀU THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP POLY METYLMETACRYLAT BẰNG PHƯƠNG

PHÁP TRÙNG HỢP NHŨ TƯƠNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

HÀ NỘI, 2012

NP9: Nonyl phenol etoxylat

NSAID: Thuốc kháng viêm không thuộc dạng steroid

PEG : Poly(etylen glycol)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT TRÙNG HỢP 3

1.1.1 Phản ứng trùng hợp 3

1.1.1.1 Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc 3

1.1.1.2 Động học của quá trình trùng hợp gốc tự do 6

1.1.1.3 Chiều dài chuỗi động học trung bình (V) 7

1.1.1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình trùng hợp gốc 8

1.1.2 Các phương pháp tiến hành trùng hợp 9

1.1.2.1 Trùng hợp khối 9

1.1.2.2 Trùng hợp dung dịch 10

1.1.2.3 Trùng hợp nhũ tương 10

1.1.2.4 Trùng hợp huyền phù 12

1.2 TỔNG HỢP POLY METYLMETACRYLAT 13

1.2.1 Giới thiệu chung 13

1.2.2 Ứng dụng của poly metyl metacrylat 14

1.2.2.1 Ứng dụng trong khoa học và công nghiệp 15

1.2.2.2 Ứng dụng trong nghệ thuật 15

1.2.2.3 Ứng dụng trong y sinh 15

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp PMMA 16

1.2.4.1 Tổng hợp PMMA từ MMA 17

1.2.4.2 Kĩ thuật tổng hợp PMMA trên cơ sở pre - formed polyme 19

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23

2.1 HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ 23

2.1.1 Hóa chất 23

2.1.2 Dụng cụ 23

2.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 23

2.2.1 Trùng hợp nhũ tương MMA 23

2.2.2 Nội dung cần khảo sát 24

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 24

2.3.1 Xác định hiệu suất chuyển hóa bằng phương pháp trọng lượng 24

2.3.2 Xác định độ bền nhũ bằng phương pháp theo dõi khoảng tách pha 24 2.3.3 Xác định khối lượng phân tử polyme bằng phương pháp đo độ nhớt25 2.3.4 Phổ hồng ngoại 28

2.3.5 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 28

2.2.6 Nhiệt vi sai quét (DSC) 28

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP 29

3.1.1 Ảnh hưởng của loại chất tạo nhũ đến quá trình trùng hợp 29

3.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất nhũ hoá 30

3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 32

3.1.4 Ảnh hưởng của thời gian 33

3.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào 34

3.1.6 Ảnh hưởng của nồng độ monome 36

3.2 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG LÝ HOÁ CỦA SẢN PHẨM 37

3.2.1 Phổ hồng ngoại 37

3.2.2 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 38

3.2.3 Nhiệt vi sai quét (DSC) 39

3.2.4 Hình thái học bề mặt 39

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, polime gắn bó mật thiết đối với mọi ngành,

mọi lĩnh vực của sản xuất cũng như trong sinh hoạt của người dân do những tính chất ưu việt của nó (độ bền cao, khả năng uốn dẻo, độ bền kéo đứt cao…), trong công nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh

Chức năng điều trị bệnh phụ thuộc vào dược chất, nhưng hiệu quả điều trị bệnh còn phụ thuộc nhiều vào tá dược đi kèm Do đó, trong công nghệ bào chế dược phẩm, tá dược đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu Công nghệ bào chế dược phẩm ngày càng hiện đại, yêu cầu về phương diện hiệu quả trị bệnh, thuận tiện, an toàn trong sử dụng…đối với thuốc ngày càng cao đòi hỏi tá dược phải có những tính chất phù hợp không những với công nghệ, thiết bị bào chế mà còn phù hợp với yêu cầu cụ thể về khả năng tương thích của tá dược với hoạt chất, không làm biến đổi hoạt chất của từng loại thuốc, yêu cầu về các tính chất như: tính kết dính, độ trơn chảy, hoà tan, khả năng trương nở, phân rã, thời gian phân rã nhanh hoặc chậm…Chính vì thế

mà trên thế giới, từ các nguồn nguyên liệu khác nhau người ta nghiên cứu tạo

ra những tá dược khác nhau, và thậm chí ngay cả từ cùng một nguồn nguyên liệu ban đầu, qua các phương pháp tổng hợp, biến tính khác nhau người ta cũng tạo ra được nhiều loại tá dược có các công dụng khác nhau để sử dụng trong bào chế dược phẩm

Trong số đó phải kể đến PMMA, nó được sử dụng để tạo các hạt nano hoặc micro trong một số lĩnh vực y sinh PMMA như một chất mang để nhả thuốc ngày càng tăng Những ứng dụng y sinh tiềm năng của các hạt PMMA như là một chất bổ trợ cho vắc xin và là chất mang đối với nhiều loại thuốc như: thuốc kháng sinh, chất chống oxi hoá, chất chống ung thư, thuốc chống nấm

Hơn nữa, PMMA và các dẫn xuất của nó được ứng dụng làm tá dược bao phim bao phim Copolime của MMA và MAA làm tá dược bao phim nhả thuốc trong khoảng pH từ 3 đến 8, diễn ra rất nhanh ở pH >6 Copolyme của

axit metacrylic và MMA đƣợc sử dụng làm hệ mang Cisplatin PMMA vi bao bọc natri diclofenac đƣợc sử dụng để điều khiển quá trình nhả thuốc trong dạ dày, ở ruột non…

Chính vì tính thiết thực của PMMA nêu ở trên nên em đã thực hiện đề

tài: ‘‘ Nghiên cứu tổng hợp poly metylmetacrylat bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tóm tắt lí thuyết trùng hợp

1.1.1 Phản ứng trùng hợp [1]

Phản ứng trùng hợp là một quá trình trong đó các phân tử nhỏ (monome)

kết hợp với nhau tạo thành một phân tử lớn (polyme) có phân tử lượng cao

Phản ứng trùng hợp polyme có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau

như: cơ chế gốc, cơ chế cation, cơ chế anion…Trong đó trùng hợp theo cơ

chế gốc tự do có nhiều ứng dụng trong công nghiệp nhất

Trùng hợp gốc: Phản ứng trùng hợp các hợp chất chưa no như olefin,

các đien, các dẫn xuất axit chưa no… với sự có mặt của gốc tự do và sự lớn

mạch phân tử bắt đầu bằng sự kết hợp của monome với gốc tự do để hình

thành đại phân tử

1.1.1.1 Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc

a Giai đoạn khơi mào

Giai đoạn này gồm hai phản ứng: hình thành gốc khơi mào và đưa gốc

khơi mào tới monome để hình thành gốc monome

Chất khơi mào (I) K d 2R.

b Giai đoạn phát triển mạch

Bao gồm các phản ứng phát triển mạch, đó là quá trình đưa gốc monome

tới monome khác theo cách đưa lần lượt các gốc oligome tới monome

Mỗi bước cộng ưu tiên theo hướng cộng đầu tới đuôi như phản ứng (3), (4)

(4)

Điều này là do sự kết hợp hiệu ứng không gian và hiệu ứng electron, lực đẩy không gian ưu tiên sự tấn công của gốc tự do vào cacbon ở nối đôi có độ

cản trở không gian nhỏ nhất và hiệu ứng electron làm ổn định gốc tự do sinh ra

c Giai đoạn ngắt mạch

Giai đoạn phát triển mạch tiếp tục cho đến khi có một số phản ứng ngắt mạch xảy ra Hai con đường chính mà sự ngắt mạch có thể xảy ra trong trùng hợp gốc tự do là kết hợp gốc (5) và phản ứng dị li (6)

K tc

K td

n

R CH2 CH

X

CH CH X

R CH2 CH CH2 CH2

X X

+ Chuyển mạch lên monome

+ Chuyển mạch lên chất khơi mào

Ví dụ: chất khơi mào là tert – butyl peoxit

~ H

~

CH2

(13) Các kí kiệu là:

Kd: Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy chất khơi mào

Ki: Hằng số tốc độ phản ứng khơi mào

Kp: Hằng số tốc độ phát triển mạch

Ktc: Hằng số tốc độ phản ứng ngắt mạch kiểu kết hợp

Ktd: Hằng số tốc độ phản ứng đứt mạch kiểu dị li

tế tham gia giai đoạn phát triển mạch)

Các gốc khơi mào tham gia giai đoạn phát triển mạch

f =

Các gốc khơi mào đƣợc tạo ra

Do sự khác nhau về khả năng phản ứng của các gốc đang phát triển là

rất nhỏ, do đó có thể bỏ qua và sử dụng đại lƣợng [R.

] để biểu diễn chung các

gốc trong hệ Thừa nhận f không thay đổi trong quá trình trùng hợp, tốc độ vi

tỉ lệ thuận với đại lƣợng [I], vậy tốc độ biến mất các gốc vt là:

vt =

dt

R

d[ ] = 2.(Ktc + Ktd) [R.

] 2 (16)

Bắt đầu từ một thời điểm nào đó, ở những mức độ chuyển hóa không sâu,

tốc độ hình thành của các gốc có thể coi nhƣ bằng tốc độ biến mất của chúng (điều kiện dừng) Từ (3) và (4) ta có:

2.(Ktc + Ktd) [R.

] = 2.f Kd [I] (17)

[R.

] =

2 ] [

td tc

d

K K

I K f

td tc

d

K K

K f

[I]1/2 [M] (21)

Theo lí thuyết tốc độ trùng hợp tỷ lệ với căn bậc hai của nồng độ chất khởi đầu, và tỷ lệ tuyến tính với nồng độ monome

1.1.1.3 Chiều dài trung bình mạch động học (V)

Khi không có sự chuyển mạch thì V đƣợc định nghĩa là số lƣợng monome trung bình trên một mạch polime, đƣợc xác định bằng tỉ số giữa số phân tử monome đƣợc tiêu thụ và số phần tử hoạt động, tức bằng tỉ số của tốc

Ta thấy, nếu f và [I] tăng, tức nồng độ của chất khơi mào và hiệu suất khơi mào tăng thì chiều dài trung bình của mạch polyme giảm (bởi sự lớn lên

về số mạch làm tăng quá trình ngắt mạch) Do đó thay đổi nồng độ chất khơi mào là một trong những cách thay đổi khối lượng phân tử của monome

1.1.1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình trùng hợp gốc

a Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nói chung tất cả các phản ứng trùng hợp đều là phản ứng toả nhiệt, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng và phụ thuộc vào hiệu ứng nhiệt Khi nhiệt độ tăng thì làm tăng tất cả các phản ứng hoá học kể cả các phản ứng cơ

sở trong quá trình trùng hợp Việc tăng vận tốc quá trình làm hình thành các trung tâm hoạt động và vận tốc phát triển mạch lớn, do đó làm tăng quá trình chuyển hoá monome thành polyme và đồng thời cũng làm tăng vận tốc của phản ứng đứt mạch dẫn đến làm giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme nhận được

b Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào

Khi tăng nồng độ chất khơi mào, số gốc tự do tạo thành khi phân hủy cũng tăng lên dẫn đến làm tăng số trung tâm hoạt động, do đó vận tốc trùng hợp chung cũng tăng nhưng khối lượng phân tử trung bình của polyme tạo thành giảm (phương trình (24))

c Ảnh hưởng của nồng độ monome

Khi tiến hành trùng hợp trong dung môi nước hay trong môi trường pha loãng, vận tốc trùng hợp và khối lượng phân tử trung bình tăng theo nồng độ monome Nếu monome bị pha loãng nhiều có khả năng xảy ra phản ứng chuyển mạch, do đó làm giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme nhận được (phương trình (24))

d Ảnh hưởng của áp suất

Khi tăng áp suất lên khoảng vài hay hàng chục atmosphe thì hầu như không có ảnh hưởng gì đến quá trình trùng hợp Nhưng ở áp suất cao hàng chục nghìn atmosphe, vận tốc phản ứng trùng hợp tăng lên khá nhiều nhưng không làm giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme nhận được

Ngoài ra, các yếu tố như thời gian, lượng oxy cũng ảnh hưởng tới phản ứng trùng hợp gốc tự do

1.1.2 Các phương pháp tiến hành phản ứng trùng hợp [55]

Phụ thuộc vào từng loại monome và điều kiện gia công, sử dụng, có thể tiến hành trùng hợp theo các phương pháp sau: trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù

1.1.2.1 Trùng hợp khối

Là quá trình trùng hợp tiến hành với monome tinh khiết, có thể khơi mào theo phương pháp nhiệt, quang hoặc sử dụng chất khơi mào Trong trường hợp cần thiết có thể cho vào chất điều chỉnh hoặc chất hóa dẻo Ngoài một lượng nhỏ chất khơi mào, trong khối polyme nhận được chỉ còn một số monome tham gia phản ứng Do đó, polyme nhận được rất tinh khiết, trong suốt, thường được dùng trong công nghệ thuỷ tinh hữu cơ nhưng có nhược điểm là khi độ chuyển hoá cao, độ nhớt của hỗn hợp phản ứng lớn, khả năng dẫn nhiệt kém nên nhiệt phản ứng thoát ra tương đối khó khăn dẫn đến hiện tượng quá nhiệt cục bộ Do nhiệt độ không đồng nhất nên sự phân bố khối lượng phân tử không đồng đều Ngoài ra, trong sản phẩm có thể có bọt khí làm giảm tính chất cơ lí

1.1.2.2.Trùng hợp dung dịch

Phản ứng xảy ra trong đó monome hòa tan trong dung môi còn sản phẩm tạo thành có thể hòa tan hay không hoà tan trong dung môi

Trùng hợp dung dịch khắc phục được nhược điểm chủ yếu của trùng hợp khối là hiện tượng quá nhiệt cục bộ Độ nhớt của môi trường nhỏ nên sự khuấy trộn tốt hơn Xong so với trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch ít được

sử dụng trong công nghiệp hơn vì cần phải có dung môi có độ tinh khiết cao

và thêm công đoạn tách dung môi ra khỏi polyme Trùng hợp dung dịch được

sử dụng trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quy luật của trùng hợp gốc

Độ trùng hợp trung bình tỷ lệ thuận với nồng độ monome Do vậy, khi pha loãng monome sẽ làm giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme thấp hơn so với trùng hợp khối, đồng thời vận tốc trung bình giảm Độ trùng hợp

có thể giảm do phản ứng chuyển mạch lên dung môi

1.1.2.3 Trùng hợp nhũ tương

Là phương pháp quan trọng trong công nghiệp và sản phẩm của nó có nhiều ứng dụng trong thực tế Bằng phương pháp này người ta có thể tổng hợp được hàng chục triệu tấn polyme mỗi năm Đặc điểm của trùng hợp nhũ tương là tốc độ của quá trình trùng hợp cao, khối lượng phân tử lớn, các polyme có tính đồng đều cao và khả năng thoát nhiệt lớn, nhưng nhược điểm

là polyme có độ sạch không cao

Để tiến hành trùng hợp nhũ tương, monone phải khuyếch tán trong một chất lỏng, chất này không hòa tan cả monome và polyme sản phẩm và dung dịch keo của polyme dễ dàng keo tụ theo phương pháp thông thường – dung dịch này gần giống với latex của cao su thiên nhiên nên còn gọi là latex tổng hợp [56]

Để dễ dàng khuyếch tán monome, ổn định dung dịch nhũ tương monome

và latex, phải cho vào hệ thống các chất nhũ hóa đặc biệt (muối của các axit béo no, muối của sunfoaxit hữu cơ) các chất này không những có nhiệm vụ làm giảm sức căng bề mặt ở lớp tiếp xúc giữa monome – nước mà còn tạo ra một màng chắn cơ học nằm giữa hai pha Nếu không có chất nhũ hóa, dung

dịch nhũ tương monome khuyếch tán cơ học trong nước sẽ phân thành hai lớp ngay sau khi ngừng khuấy do sức căng bề mặt lớn nên có khuynh hướng giảm

bề mặt phân lớp Nhưng nếu cho vào các chất nhũ hóa, trên bề mặt các chất khuyếch tán sẽ tạo thành một lớp bảo vệ ổn định ngăn hiện tượng phân lớp Theo định luật động học trùng hợp trong môi trường đồng thể, độ trùng hợp tỷ lệ nghịch với vận tốc trùng hợp Như vậy là công thức động học trong môi trường đồng thể không ứng dụng được cho quá trình trùng hợp nhũ tương

Từ đó có thể giả thiết rằng cơ cấu phản ứng khơi mào, phát triển mạch và đứt mạch của trùng hợp nhũ tương là không giống với quá trình trùng hợp trong môi trường đồng thể

* Cơ chế trùng hợp nhũ tương

Trước khi xem xét cơ chế trùng hợp nhũ tương chúng ta xét đến tính chất của dung dịch chất HĐBM trong nước vì dung dịch này sử dụng làm môi trường phản ứng, chất HĐBM hòa tan rất ít trong nước, đến một nồng độ giới hạn nào đó, các phân tử chất HĐBM sẽ tập hợp lại thành một nhóm gọi là mixen gồm từ vài chục đến vài trăm phân tử Có nhiều công trình nghiên cứu cấu tạo của mixen và tất cả đều thống nhất một quan điểm, gốc hiđrocacbon

kị nước của phân tử chất HĐBM hướng về phía trong mixen, còn phần có cực

ưa nước hướng về phía ngoài Các mixen có dạng hình cầu hoặc hình phẳng Những monome không tan trong nước có thể khuếch tán vào trong mixen

và monome có thể xem như tan trong nước, ví dụ styren hoàn toàn không tan trong nước, có thể tan 6,9% trong dung dịch chất HĐBM, và isopren lên đến 9% Theo nhiều tác giả, quá trình trùng hợp các monome không tan trong nước – styren, vinyl axetat, butađien, isopren, vinyl clorua bắt đầu trong mixen có chứa monome hòa tan vì các chất khơi mào tan trong nước nên các gốc tự do đầu tiên hình thành trong nước sau đó khuyếch tán vào trong mixen, tác dụng với monome khơi mào trùng hợp Trong quá trình trùng hợp, lượng

monome được bổ sung dần dần từ những giọt monome nhũ hóa, phản ứng phát triển mạch tiếp tục cho đến khi trong mixen không xuất hiện gốc tự do thứ hai và không xảy ra phản ứng đứt mạch Như vậy là monome nhũ hóa dần dần chuyển sang hạt polyme, những hạt này cũng hấp thụ phân tử chất HĐBM, các hạt polyme tăng lên làm nồng độ chất HĐBM giảm xuống dưới mức cần thiết để tạo mixen Theo W D Harkin các mixen chất HĐBM này bị phá vỡ hoàn toàn khi monome đã chuyển hóa được 13 – 14% và tạo thành một lớp bảo vệ quanh hạt polyme Bắt đầu giai đoạn này quá trình trùng hợp tiến hành trong hạt polyme

Khi độ chuyển hóa đạt 60% các monome nhũ hóa còn rất ít, chủ yếu là các hạt polyme Kích thước các hạt này tăng theo độ chuyển hóa, cuối cùng

hệ thống trùng hợp là một latex tổng hợp, ở đây các hạt polyme rắn được ổn định bằng các phân tử chất HĐBM Nếu cho vào latex các chất điện li (axit, muối, kiềm…) và đun nóng các hạt polyme sẽ keo tụ dưới dạng bột

1.1.2.4 Trùng hợp huyền phù

Một lượng lớn polyme nhân tạo đặc biệt là những chất dẻo tổng hợp, được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp huyền phù Thuật ngữ “trùng hợp huyền phù” được áp dụng trong hệ thống mà ở đó monome tan trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ Trong thực tế, thuật ngữ trên còn phụ thuộc vào bản chất của monome mà ta chọn nước hay dung môi hữu cơ là pha liên tục Huyền phù là những hạt lỏng lơ lửng trong pha liên tục Chất khơi mào

có thể hoà tan trong monome lỏng hoặc pha liên tục Cũng có thể gọi quá trình trùng hợp huyền phù là quá trình trùng hợp hạt vì nó là biến thể của quá trình trùng hợp khối Trong quá trình trùng hợp khối chỉ có monome và chất khơi mào được dùng, monome chuyển hoá rất cao, kết quả quá trình gel hoá tăng nhanh nhưng quá trình truyền nhiệt kém Quá trình trùng hợp khối chỉ được sử dụng khi lượng nhiệt thoát ra từ sản phẩm nhỏ hoặc thu được sản

phẩm có tính chất cơ lí mà các phương pháp khác không thu được Trong quá trình trùng hợp huyền phù có sử dụng chất hoạt động bề mặt và các chất ổn định huyền phù khác

Phương pháp trùng hợp huyền phù có thuận lợi là quá trình truyền nhiệt rất tốt và khối hỗn hợp đặc có thể được khuấy hoặc bơm bằng các thiết bị chuyển hoá phụ trợ Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm so với phương pháp trùng hợp khối là phải có công đoạn tách và làm khô sản phẩm

ra khỏi pha liên tục và chất HĐBM được sử dụng để phân tán và chống sự kết

tụ những hạt monome có thể bị hấp thụ lên bề mặt sản phẩm polyme

1.2 Tổng hợp poly metylmetacrylat

1.2.1 Giới thiệu chung

PMMA được tổng hợp từ quá trình trùng hợp monome MMA Monome MMA còn có tên gọi khác là: methyl 2-methylpropenoate (IUPAC) hay MMA, 2-(methoxycarbonyl)-1-propene

- Công thức cấu tạo:

Tỷ lệ hấp thụ nước tối đa: 0,3 – 0,4% (tính theo khối lượng)

Poly(metylmetacrylat) là loại nhựa nhiệt dẻo rất bền, cứng, trong suốt, do

đó nó được gọi là thuỷ tinh hữu cơ hay plexiglas Plexiglas không bị vỡ vụn khi va chạm và bền nhiệt PMMA không tan trong nước, axit, bazơ, xăng, ancol nhưng tan trong benzen, đồng đẳng của benzen, este, xeton Plexiglas

có khối lượng riêng nhỏ hơn silicat, dễ pha màu và dễ tạo dáng ở nhiệt độ cao Chính vì vậy nó được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: khoa học, công nghiệp, nghệ thuật, y học…

1.2.2 Ứng dụng của poly metylmetacrylat

Lần đầu tiên PMMA được tổng hợp là vào năm 1877 bởi nhà hóa học người Đức: Fittig và Paul Năm 1933 các nhà hóa học người Đức Otto Röhm được cấp bằng sáng chế và đăng ký thương hiệu Plexiglas Năm 1936 lần đầu tiên kính an toàn PMMA bắt đầu được sản xuất trên quy mô công nghiệp Trong Chiến tranh thế giới thứ II, kính PMMA đã được sử dụng làm kính tiềm vọng cho tàu ngầm, kính chắn gió và cửa sổ máy bay PMMA có nhiều tên thương mại như: Policril, Plexiglas, Gavrieli, Vitroflex, Limacryl, R-Cast,-Clax Per, Perspex, Plazcryl, Acrylex, Acrylite, Acrylplast, Altuglas, Polycast, Oroglass, Optix và Lucite và thường được gọi là acrylic, Perspex hoặc Plexiglas Năm 1928, PMMA được cho thêm các polyme hay copolyme

chứa polyacrylonitrin tạo ra loại vật liệu mới và đã được đưa ra thị trường vào năm 1933 bởi Công ty Rohm và Haass

1.2.2.1 Ứng dụng trong khoa học và công nghiệp

William Feinbloom là người đầu tiên chế tạo ống kính từ PMMA, chúng được gọi là ống kính “cứng” PMMA được sử dụng làm lá chắn để ngăn chặn bức xạ β phát ra từ các chất phóng xạ PMMA được sử dụng trong các phương tiện truyền thông đĩa laser quang học, chế tạo đèn trong màn hình TFT – LCD

PMMA là môt nhựa nhiệt dẻo rất bền, cứng, chịu được áp lực lớn nên đã được sử dụng làm kính áp lực của tàu ngầm, thiết kế làm cửa sổ máy bay, làm kính ô tô, chế tạo ống kính ngọn hải đăng, bể nuôi cá…

Ngoài ra PMMA còn được sử dụng làm chất phân tán bột gốm ổn định

hệ keo trong các chất pha màu không nước

1.2.2.2 Ứng dụng trong nghệ thuật

Vào những năm 1960, 1970 các nhà sản xuất đồ gỗ nội thất hiện đại đã tạo ra các sản phẩm nội thất thẩm mỹ bằng cách kết hợp PMMA vào trong các thiết kế của mình đặc biệt là sử dụng làm ghế văn phòng

Từ những năm 1960, nhà điêu khắc – nghệ sĩ thủy tinh Leroy Lamis đã bắt đầu sử dụng PMMA để chế tạo các tấm thủy tinh Chúng còn được sử dụng làm khung ảnh thay cho kính thông thường bởi giá thành tương đối rẻ, trọng lượng nhẹ, khó vỡ, tính thẩm mỹ cao, có thể chế tạo ở kích cỡ lớn

Từ năm 1950 trở đi, PMMA trở thành vật liệu phổ biến để chế tạo đồ trang sức, giầy dép, túi sách…

1.2.2.3 Ứng dụng trong y sinh

Việc sử dụng PMMA như một polyme y sinh đánh dấu một mốc quan trọng trong lịch sử vi bọc kể từ công trình của giáo sư Speiser và các cộng sự [2] Những ứng dụng của PMMA như một chất mang được sử dụng trong việc

phát triển các hạt nano sử dụng trong tiêm vắc xin [3; 4], và được ứng dụng làm các hạt để bù vào chỗ khuyết tật khi phẫu thuật viêm tủy xương mãn tính [5]

PMMA là một polime rất an toàn cho những ứng dụng y sinh Một vài năm qua, trong kĩ thuật chỉnh hình, PMMA đã được sử dụng như một chất bột cấy ghép thay thế các khớp háng và được sử dụng như một chất ổn định cột sống cho bệnh nhân loãng xương [6; 7] Ngoài ra PMMA còn được sử dụng làm vật liệu giả trong chỉnh răng và hàm dưới [8], và để cấy ghép vĩnh viễn thủy tinh thể trong mắt sau khi phẫu thuật đục thủy tinh thể [6]

Từ năm 1970, PMMA đã được sử dụng làm chất nhả thuốc kháng sinh

để sử dụng trong chỉnh hình và chữa nhiễm trùng cơ xương Các kháng sinh phổ biến nhất được sử dụng là aminoglycosit, gentamicin hoặc tobramycin [9]

Một vài công bố gần đây đã chỉ ra rằng có thể sử dụng PMMA làm chất mang dùng cho các kháng sinh khác như: daptomycin [10; 11; 12; 13], thuốc kháng viêm không thuộc dạng steroid (NSAID) giống indomethacin, olmetin

và axit mefenamic [14], thuốc chống ung thư và các tác nhân antiresorptive như methotrexate [15], doxorubicin và pamidronate [16], và thuốc chống nấm như amphotericin B [17]

Thêm vào đó, PMMA cũng được sử dụng để tạo các hạt nano hoặc micro trong một số lĩnh vực y sinh [18] Nó đóng vai trò quan trọng trong vật liệu vi sinh bởi tính tương hợp sinh học, và những công bố gần đây đã cho thấy việc sử dụng PMMA như một chất mang để nhả thuốc ngày càng tăng Hơn thế, bằng sáng chế về việc điều chế các hạt PMMA có khả năng ứng dụng làm chất nhả thuốc đã được công nhận [19]

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp PMMA

Các hạt PMMA ở dạng khối (cấu tạo nguyên khối) hoặc ở dạng viên nang (chứa các chất) có thể được tổng hợp bằng cách trùng hợp trực tiếp monome MMA hoặc từ pre - formed polyme Mỗi phương pháp có ưu và

nhược điểm riêng cần được đánh giá cẩn thận trước khi lựa chọn các kĩ thuật tổng hợp phù hợp cho ứng dụng của các hạt mang PMMA

1.2.3.1 Tổng hợp PMMA từ MMA

* Trùng hợp nhũ tương

Phương pháp hay dùng nhất để tổng hợp PMMA thông qua trùng hợp monome vẫn là trùng hợp nhũ tương [20] Quá trình trùng hợp thường sử dụng các chất khơi mào hóa học như amoni pesunfat (APS), hoặc chất khơi mào vật lý như: tia gamma, bức xạ vi sóng Dựa trên việc sử dụng chất hoạt động bề mặt, có thể phân loại thành trùng hợp truyền thống và trùng hợp nhũ tương không có chất hoạt động bề mặt (SFEP) [21]

- Trùng hợp nhũ tương truyền thống

Trùng hợp nhũ tương truyền thống là một trong những phương pháp nhanh nhất để điều chế PMMA [22] Cheng [23] tổng hợp các hạt PMMA - silica sử dụng chất nhũ hóa anionic (natri dodecyl sunfat) và không ion (CA897) Gần đây, Bonfa´ [24] đã tổng hợp được các hạt nano của PMMA – poly(etylen glycol), đường kính 195 15 nm, sử dụng polysorbate 20 (Tween 20) làm chất hoạt động bề mặt Buendı´a [25] đã tổng hợp được các hạt nano

từ tính PMMA – Fe(0) khi sử dụng chất hoạt động bề mặt không ion Rhodasurf L-4

- Trùng hợp nhũ tương không sử dụng chất hoạt động bề mặt

Ngoài phương pháp trùng hợp nhũ tương truyền thống, SFEP đã mở ra một phương pháp đơn giản cho việc tổng hợp PMMA mà không cần cho thêm hay lấy ra các chất hoạt động bề mặt [26]

Kreuter và các cộng sự [27; 28; 20; 2] đã tổng hợp được các hạt PMMA kích thước từ 50 – 300 nm bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương mà không cần thêm bất kì một chất nào khác Quá trình trùng hợp được tiến hành bằng cách chiếu xạ tia gamma hoặc bằng các chất hóa học sử dụng kali pesunfat

(KPS) làm chất khơi mào và nhiệt độ lên đến 85oC Trong suốt quá trình này, khối lượng phân tử và kích thước các hạt sẽ tăng lên phụ thuộc các thông số như: nồng độ monome, nồng độ chất khơi mào và nhiệt độ Các hạt nano PMMA tổng hợp bằng phương pháp SFEP được sử dụng làm chất bổ trợ cho vắc xin

Một số tác giả đã tiến hành SFEP dùng bức xạ vi sóng, làm tăng tốc độ phân hủy kali pesunfat [29] Ngoài ra, An và cộng sự [30] đã kết hợp phương pháp vi sóng với SFEP để tổng hợp những hạt nano PMMA liên kết ngang với nhóm chức OH trong đoạn dài 50nm Camli và cộng sự [31; 32] đã sử dụng phương pháp SFEP bức xạ tự do để tổng hợp các polyme đồng nhất cỡ

100 nm và các hạt PMMA có nhóm chức amit, sử dụng APS làm chất khơi mào và axeton làm dung môi PMMA được sản xuất theo phương pháp này dùng để bổ trợ cho thuốc kháng vi rút cúm

Sairam và cộng sự [33] đã tổng hợp các vi cầu PMMA – poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) kích thước khoảng 5µm được dung nạp với cefadroxil (tan trong nước) và indomethacin (không tan trong nước) Pimpha [34] đã thu được các hạt nano bao gồm nhân PMMA bao quanh bởi các lớp vỏ axit khác nhau được tổng hợp dùng tert-butyl peoxit (TBHP) làm chất khơi mào bằng cách ghép PMMA với polyme thiên nhiên chitosan (CS) sử dụng SFEP Do tính tích điện dương nên nó đã được nghiên cứu rộng rãi để làm hệ mang và nhả các tác nhân tích điện âm

Điều này cho thấy rằng những vật liệu này có tiềm năng trở thành những chất mang mới cho việc nhả DNA cũng như đặc tính kháng khuẩn đối với

Coli Staphylococcus aureus và Escherichia

- Kĩ thuật vi nhũ

Không nhiều nghiên cứu đề cập đến quá trình tổng hợp PMMA bằng phương pháp vi nhũ Trong trùng hợp vi nhũ chất khơi mào thường tan trong nước, được thêm vào pha nước của vi nhũ chứa các mixen bị trương [21] Chen và cộng sự [35] đã thu được PMMA với đường kính trung bình cỡ 18,4

nm sử dụng phương pháp trùng hợp vi nhũ thay đổi Khác với các phương pháp truyền thống, monome được cung cấp ở pha khí cho phép tổng hợp các hạt sử dụng rất ít chất hoạt động bề mặt

Ziegler và cộng sự [36] đã tổng hợp các hạt nano PMMA chứa nhóm chức photphat với kích thước từ 102 đến 312 nm Các hạt nano được tổng hợp trong một hệ vi nhũ bằng phương pháp đồng trùng hợp các gốc tự do của axit vinyl photphonic và MMA Rất gần đây, Lan và cộng sự [37] đã điều chế thành công vật liệu hình cầu nano PMMA-Fe3O4 siêu thuận từ với đường kính khoảng 90 nm bằng phương pháp vi nhũ

1.2.3.2 Kĩ thuật tổng hợp PMMA trên cơ sở pre - formed polyme

Một số kĩ thuật, bao gồm phương pháp dung môi bay hơi/chiết, kết tủa dạng nano, sấy phun, kết tinh đã được sử dụng để tổng hợp PMMA từ tiền PMMA khối lượng phân tử khác nhau và pha trộn với các polyme khác nhau, như poly( -caprolacton) [38] và CS [39]

- Các phương pháp dung môi bay hơi/chiết

Quá trình nhũ hóa bằng phương pháp bay hơi dung môi với nhũ tương dầu – nước (o/w) đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất PMMA, đó là phương pháp tổng hợp tương đối dễ hơn so với các phương pháp khác [40] Phương pháp này dựa trên cơ sở nhũ tương hóa pha hữu cơ chứa PMMA kị nước nằm trong pha nước, chứa chất hoạt động bề mặt Sau quá trình nhũ hóa, dung môi được cho bay hơi bằng cách khuấy nhũ tương ở nhiệt độ phòng, kết quả là polyme kết tủa và hình thành ở dạng hạt [41] Thông thường điclometan (DCM) được lựa chọn làm dung môi và PVA được chọn làm chất hoạt động

bề mặt Gần đây, Cui và cộng sự [42] đã được cấp bằng sáng chế do đã tổng hợp được hạt cầu cỡ micro PMMA bằng phương pháp nhũ tương sử dụng PVA làm chất hoạt động bề mặt

Streubel và cộng sự [43] đã tổng hợp thành công các viên sủi PMMA bao gồm một chất mang có độ xốp cao (bọt bột polypropylene), thuốc (verapamil HCl) và polyme (PMMA) bằng phương pháp bay hơi dung môi o/w thích hợp Điểm khác biệt với phương pháp truyền thống là sự phân tán của bột bọt polypropylene trong pha hữu cơ (thuốc/dung dịch polime trong DCM) Giống như phương pháp truyền thống, pha hữu cơ trong được nhũ hóa trong một dung dịch nước PVA bên ngoài Gần đây, phương pháp tiếp tục được cải tiến [44] để tổng hợp chlorpheniramine maleate (CPM), diltiazem HCl, theophylline và verapamil dung nạp các vi hạt PMMA bằng cách ngâm các vi bọt xốp trong một dung dịch hữu cơ của thuốc và polime, sử dụng DCM hoặc etanol làm dung môi hữu cơ mà không sử dụng bất kì một bước nhũ hóa nào Hiệu quả bọc thuốc đã được cải thiện đáng kể, trong hầu hết các trường hợp có thể đạt gần 100% Nó rất quan trọng trong việc cải thiện đáng

kể quá trình tổng hợp thuốc ưa nước có tỉ trọng thấp Hiệu quả bẫy của những thuốc, thậm chí là những phân tử có khả năng tan trong nước cao, đã được điều chỉnh trong pha nước bên ngoài

Sivakumar và cộng sự [8] đã tổng hợp vi cầu chức năng của dạng tổng hợp pre - formed PMMA sử dụng axit thioglycolic làm tác nhân chuyển mạch Những vi hạt PMMA biến tính với nhóm chức cacboxyl có hoạt tính sinh học được dùng để điều trị bệnh và chữa mô xương

Các nghiên cứu khác đã đưa ra phương pháp tổng hợp PMMA dựa trên

kĩ thuật nhũ hóa dầu trong dầu Theophylline- và indomethacin dung nạp các

vi hạt PMMA đã được tổng hợp [45; 46; 47] dùng axeton làm dung môi hòa

tan PMMA, dầu khoáng hoặc dầu lỏng là các chất lỏng được lựa chọn làm pha ngoài và magie hoặc sacroza stearat được sử dụng làm chất hoạt động bề mặt

Mestiri và cộng sự [48] có thể bọc một chất có khả năng hòa tan như cisplatin trong PMMA với hiệu quả bọc cao, phân bố kích thước hạt hẹp và điều khiển quá trình nhả thuốc bằng cách lựa chọn các thông số quá trình thích hợp Các điều kiện khác nhau của quá trình tổng hợp hạt đã được đánh giá như: bản chất và nồng độ của tác nhân nhũ hóa, tỉ lệ của pha nước và dung môi hữu cơ, nồng độ của dung dịch polyme và sự thêm vào tác nhân tạo độ xốp (PEG 4000)

- Kĩ thuật kết tủa dạng nano

Kĩ thuật kết tủa dạng nano được gọi là “quá trình dịch chuyển dung môi” hoặc “quá trình Ouzo” Nguyên lý cơ bản của kĩ thuật đơn giản này dựa trên

sự kết tủa các phân tử polime thành các hạt cỡ nano trong quá trình thay thế một dung môi bằng không dung môi Tính khả dụng của nó bị hạn chế đối với các dung môi tan trong nước, trong đó tốc độ khuếch tán đủ để tạo nhũ tức thời [49]

Aubry và cộng sự [50] đã tổng hợp các hạt PMMA không tải bằng kĩ thuật kết tủa dạng nano trong nước bằng cách cho dung dịch PMMA vào tetrahiđrofuran (THF) hoặc axeton (dung môi) Paiphansiri và cộng sự [51]

đã thu được các viên nang nano PMMA chứa tác nhân khử trùng ưa nước sử dụng quá trình kết tủa nano có kiểm soát đối với các hạt vi nhũ nước/dầu Gần đây, Perevyazko [52] cũng đã sử dụng kĩ thuật kết tủa dạng nano để điều chế các hạt nano từ dung dịch PMMA và các copolyme của nó

- Kĩ thuật sấy phun và kết tinh

Trong kĩ thuật sấy phun các hạt được hình thành bằng cách phun nhũ tương vào dòng khí nóng dưới điều kiện dung môi bay hơi mạnh [53] Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau đến hình thái của PMMA không tải được

tổng hợp bằng kĩ thuật sấy phun đã được nghiên cứu Kích thước của các hạt PMMA thu được từ dung dịch loãng PMMA – axeton nhỏ hơn từ dung dịch loãng PMMA – THF Điều này được giải thích là do tương tác PMMA – axeton mạnh hơn, vì axeton hòa tan PMMA tốt hơn THF

Kim và cộng sự [54] đã tổng hợp được các hạt PMMA cỡ nano/micro từ dung dịch bằng công nghệ kết tinh Các hạt được tổng hợp bằng cách làm lạnh dung dịch polyme trong 1-propanol và kích thước hạt trung bình từ 0,1-

10 mm có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tốc độ làm mát 0,1-10 K/phút và nồng độ polyme 0,5 – 5% (khối lượng)