包含官能化颗粒的聚合物基质复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含多孔聚合物网络；以及分布在所述聚合物网络结构内的多个官能化颗粒，并且其中通过“气流阻力测试”所测量，所述聚合物基质复合材料在25℃下的气流阻力小于300秒/50cm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含官能化颗粒的聚合物基质复合材料及其制备方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年11月16日提交的美国临时专利申请62/587041的权益，该临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术介绍
色谱树脂广泛用于生物技术工业领域内，用于各种生物分子(例如蛋白质、酶、疫苗、DNA和RNA)的大规模分离和/或纯化。使用高流速进行纯化的柱色谱法受制于粒度和严格的颗粒填充技术，以防止床破裂而引起污染旁路。如果色谱树脂颗粒的平均尺寸小于约40微米，则填充有颗粒的色谱柱中的背压可能变得过大而无法接受，尤其是对于可用于纯化或分离大生物分子的大型柱而言。虽然平均粒度可大至2000微米，但典型的平均粒度不大于200微米。如果平均粒度大于约200微米，色谱方法的效率则可能是低的，对于纯化或分离通常对树脂的孔具有低扩散速率的大的生物大分子(例如蛋白质)而言尤其如此。例如，为了用较大的树脂获得与使用40微米至200微米的树脂能得到的相同程度的分离或纯化，可能需要更多量的树脂、更长的色谱柱、更慢的流速或它们的组合。
技术实现思路
在一个方面，本公开描述了一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：多孔聚合物网络结构；以及分布在所述聚合物网络结构内的多个官能化颗粒，其中通过实施例中所述的“气流阻力测试”所测量，所述聚合物基质复合材料在25℃下的气流阻力小于300秒/50cm3/500微米(在一些实施方案中，小于250秒/50cm3/500微米、200秒/50cm3/500微米、100秒/50cm3/500微米、50秒/50cm3/500微米、25秒/50cm3/500微米、20秒/50cm3/500微米、15秒/50cm3/500微米、10秒/50cm3/500微米或甚至小于5秒/50cm3/500微米)。如本文所用，“官能化颗粒”是指包含至少一种官能团G的颗粒，所述至少一种官能团G能够为所述颗粒提供吸收功能、吸附功能、络合功能、催化功能、分离功能或试剂功能中的至少一者。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第一方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、溶剂和多个官能化颗粒组合(例如，混合或共混)以提供浆液；使所述浆液成形为制品(例如，层)；在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中的所述溶剂的重量计至少90重量％(在一些实施方案中，至少91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或甚至至少99.5重量％)的所述溶剂，并且溶解基于所述热塑性聚合物的总重量计至少50％(在一些实施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％或甚至100％)的所述热塑性聚合物；以及诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离以提供所述聚合物基质复合材料。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第二方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、用于所述热塑性聚合物的溶剂和多个官能化颗粒组合(例如，混合或共混)以在可混溶的热塑性聚合物-溶剂溶液中形成官能化颗粒的悬浮液；诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离；以及去除所述溶剂的至少一部分以提供所述聚合物基质复合材料。如本文所用，“可混溶的”是指物质以所有比例混合(即，以任何浓度彼此完全溶解)形成溶液的能力，其中对于某些溶剂-聚合物体系，可需要热使聚合物与溶剂混溶。相反，如果很大一部分没有形成溶液，则物质是不混溶的。例如，丁酮在水中是显著可溶的，但这两种溶剂是不可混溶的，因为它们不能以所有比例溶解。如本文所用，“相分离”是指其中颗粒均匀地分散在均相聚合物-溶剂溶液中的过程，所述均相聚合物-溶剂溶液(例如通过温度或溶剂浓度的变化)转变成连续的三维聚合物基质复合材料。在第一方法中，在聚合物变得可与溶剂混溶之前形成期望制品，并且相分离是热诱导相分离(TIPS)方法。在第二方法中，聚合物可在形成期望制品之前与溶剂混溶。在第二方法中，通过使用湿法或干法的溶剂诱导相分离(SIPS)或热诱导相分离方法实现相分离。在SIPS湿法中，将溶解聚合物的溶剂与非溶剂交换以诱导相分离。所述体系中的新的交换溶剂成为聚合物的孔形成剂。在SIPS干法中，蒸发溶解聚合物的溶剂以诱导相分离。在干法中，还通过溶解聚合物的溶剂将非溶剂溶解在溶液中。当溶解溶剂蒸发时，聚合物的这种非溶剂变成聚合物的孔形成剂。由于不使用附加的交换液体，因此该方法被视为“干法”。非溶剂通常也是挥发性的，但是沸点比溶剂低至少30℃。在TIPS方法中，使用升高的温度使非溶剂变成聚合物的溶剂，然后降低温度，使溶剂返回到用于聚合物的非溶剂中。有效地，当去除足够的热时，热溶剂变成孔形成剂，并且失去溶剂化能力。用于热相分离方法中的溶剂可以是挥发性或非挥发性的。出乎意料的是，在制备聚合物基质复合材料的第一方法中，相对高的颗粒载量允许制备可成型为层的浆液，该浆液在加热溶剂以保持与聚合物可混溶时保持其形式。所用的溶剂通常是挥发性的，并且随后蒸发。在使用TIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二方法中，所用溶剂通常是非挥发性的。在通过湿法或干法SIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二方法中，溶剂对于湿法通常是非挥发性的，而对于干法是挥发性的。通常，基于粒子和粘结剂的体积，在传统的粒子填充的复合材料(例如致密的聚合物膜和粘合剂)中可以达到的最大粒子载量不大于约40体积％至60体积％。将大于6体积％的颗粒掺入传统的颗粒填充的复合材料中通常是不可实现的，因为此类高颗粒载量的材料不能经由涂布或挤出方法来加工并且/或者所得复合材料变得非常易碎。常规的复合材料通常还用粘结剂完全包封颗粒，从而防止进入颗粒表面并且最小化潜在的颗粒与颗粒接触。令人惊奇的是，用本文所述的方法获得的高含量的溶剂和相分离形态使得能够以相对较低量的高分子量粘结剂实现相对较高的颗粒载量。高颗粒载量也有助于最小化可在相分离期间形成的薄无孔聚合物层的形成。此外，本文所述的聚合物基质复合材料是相对柔性的，并且倾向于不脱落颗粒。虽然不想受到理论的限制，但据信本文所述的聚合物基质复合材料的实施方案的另一个优点在于，颗粒不用粘结剂完全涂布，从而能够实现高度的颗粒表面接触，而不会由于粘结剂的多孔性质而掩蔽。复合材料基质的多孔性质允许通过颗粒间隙孔的流体动力流动或快速扩散。较慢的扩散传输通常在通过多孔颗粒介质的较小孔时发生。保留颗粒的高开孔表面积降低了缓慢扩散传输效应，从而有助于提供高分离度和分离能力，如通常存在于深度过滤器介质中的那样。即使在升高的温度(例如，135℃)下，高分子量粘结剂也不易于在不存在溶剂的情况下流动，使得有可能蒸汽灭菌。本文所述的聚合物基质复合材料可用作例如过滤器或纯化装置(例如，吸收剂、络合剂、酶或其他蛋白质承载载体)或色谱制品。根据特定应用，本文所述的聚合物基质复合材料可以是可重复使用的或一次性的。在一些实施方案中，本文所述的聚合物基质复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：/n多孔聚合物网络；以及/n分布在所述聚合物网络结构内的多个官能化颗粒，/n其中通过气流阻力测试所测量，所述聚合物基质复合材料在25℃下的气流阻力小于300秒/50cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171116 US 62/587,0411.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：
多孔聚合物网络；以及
分布在所述聚合物网络结构内的多个官能化颗粒，
其中通过气流阻力测试所测量，所述聚合物基质复合材料在25℃下的气流阻力小于300秒/50cm3/500微米。


2.根据权利要求1所述的聚合物基质复合材料，其中基于所述官能化颗粒和所述聚合物的总重量计，所述官能化颗粒在1重量％至99重量％的范围内存在。


3.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有至少0.1g/cm3的密度。


4.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有小于90％的孔隙率。


5.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述官能化颗粒包含至少一种官能团，所述至少一种官能团能够为所述颗粒提供吸收功能、吸附功能、络合功能、催化功能、分离功能或试剂功能中的至少一者。


6.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述官能化颗粒具有在0.1微米至5000微米范围内的平均粒度。


7.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段共聚物、氯化聚合物、氟化聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的共聚物。


8.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含相分离的多个互连形态。


9.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含数均分子量在5×104g/mol至1×107g/mol范围内的聚合物，并且其中所述聚合物基质复合材料呈厚度在50微米至7000微米范围内的层的形式。


10.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有至少0.5psi的泡点压力。


11.一种制备根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性聚合物、溶剂和多个官能化颗粒组合以提供浆液；
使所述浆液成形为制品；
在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中的所述溶剂的重量计至少90重量％的所述溶剂，并且溶解基于所述热塑性聚合物的总重量计至少50重量％的所述热塑性聚合物；以及
诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离以提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德·K·拉斯穆森，德里克·J·德纳，小克林顿·P·沃勒，巴拉特·R·阿查理雅，萨蒂德尔·K·纳亚尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US