（化学工程专业论文）聚乳酸合成工艺的研究.pdf

硕士论文聚乳酸合成工艺的研究 摘要 本文研究了丙交酯开环聚合合成聚乳酸的制备工艺。先通过优化实验得到高纯 度、高收率的丙交酯，再以自制丙交酯为原料合成聚乳酸。 在丙交酯制备工艺优化过程中，通过控制脱水时间和催化剂加入量调控低聚乳 酸的相对分子质量，再在此基础上进行工艺的优化并得到了较佳工艺条件：以5 0 r a l ， 质量分数为8 0 的口上乳酸为原料，3 o r a l 辛酸亚锡为催化剂，减压脱水温度为 1 8 0 ，初始解聚温度为1 5 0 ，甘油加入量为7 m l ，最终解聚温度为2 5 0 ，得到 丙交酯粗产品收率最高为8 5 o ，适宜解聚的低聚乳酸粘均相对分子质量在1 7 0 0 左 右。同时以上述工艺得到的粗丙交酯为原料，对重结晶工艺进行了研究，结果表明： 以乙醇为重结晶溶剂，三次重结晶后丙交酯总收率为6 4 8 ，熔程为1 2 7 4 1 2 8 3 。 在聚乳酸合成工艺优化过程中，以实验室现有工艺条件为基础，采用减压蒸馏 的方法对催化体系进行提纯并调整引发剂用量和反应时间，得到实验室条件下最佳 工艺条件：以安瓿瓶作为反应容器，三次重结晶丙交酯为原料，聆( 蚴：刀( d = 6 0 0 0 ：1 ， 反应温度1 3 0 ，封管真空度为0 0 9 8 m p a ，反应4 8 h ，产物特征黏度能达到2 3 ld l 儋， 粘均相对分子质量为3 1 6 万，( 氯仿为溶剂，乌氏黏度计测量，( 2 5 o - a ：o 1 ) ， 【们= 2 2 1 x 1 0 4 彬j 7 ) 。同时采用工业氮气代替高真空度的方法来简便实际工业化生 产，结果显示产物粘均相对分子质量也能达到2 8 8 万，为工业化生产提供一个方向。 关键词：乳酸丙交酯开环聚合聚乳酸 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es y n t h e t i cp r o c e s s e so f p o l y l a c t i ca c i d ( p l a ) b yr i n g o p e n i n g p o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d ew e r es t u d i e d h i g hp u r i t yw i t hh i g hy i e l dl a c t i d ew a sp r e p a r e d b yo p t i m a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ep r e p a r t i o no fl a c t i d e ，a n dt h e nt h ep r e p a r a t i o n p r o c e s so fp l ab yr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d em a d ei nl a bw a ss t u d i e d f o rt h es t u d yo fp r e p a r i n gt h el a c t i d e ，t h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so f p r e p a r i n gh i g hp u r i t yw i t hh i g hy i e l dl a c t i d ew e r er e s e a r c h e d t h es u i t a b l em o l e c u l a r w e i g h to fo l i g o m e r i cl a c t i ca c i dw a ss t u d i e db yc o n t r o l l i n gt h et i m eo fd e h y d r a t i o na n d t h ea m o u n to f c a t a l y s t t h e nt h eo p t i m a le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tf o ro b t a i n i n gt h eb e s t t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s r e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ss u c h 弱u s i n g 3 0 r n l s n ( o c t ) 2 嬲c a t a l y s t ，i n i t i a ld e c o m p o s i n gt e m p e r a t u r e 1 5 0 c ，d e h y d r a t i o n t e m p e r a t u r e18 0 c ，7 m lg l y c e r o la sd i l u e n ta n du l t i m a t ed e c o m p o s i n gt e m p e r a t u r e 2 5 0 。c ，t h eh i g h e s ty i e l do fc r u d el a c t i d er e a c h e d8 5 7 r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev i e l do f l a e t i d er e a c h e d6 4 8 w h e ne t h a n o lu s e da ss o l v e n t ，a n di t sm e l t i n g p o i n tr a n g e df r o m 1 2 7 4 t o1 2 8 3 a f t e rt h r e et i m e so f r e c r y s t a l l i z a t i o n f o rt h es t u d yo fr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d et os y n t h e s i z ep l a ，t h e c a t a l y s ts y s t e mw a sp u r i f i e db yu s i n gt h em e t h o do fv a c u u md i s t i l l a t i o n , t h e nt h e o p t i m a le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tf o ro b t a i n i n gt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ：t h e a m p o u l e sa st h er e a c t i o nv e s s e l ，一：刀= 6 0 0 0 ：l ，t h er e a c t i o nw a st e m p e r a t u r e1 3 0 r e a c t i o nt i m ew a s4 8 h ，t h ei n t r i n s i cv i s c o s i t yo ft h ep r o d u c tw a s2 3ld l g 。a n d t h e r e l a t i v em o l e c u l a rm a s sw a s316 ，0 0 0 ，( u s i n gc h l o r o f o r ma s s o l v e n t ，u b b e l o h d e v i s c o m e t e rm e a s u r e m e n t , ( 2 5 0 - a ：0 1 ) ，m = 2 2 1x1 0 一m v 0 - 7 7 ) i no r d e rt o s i m u l a t e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h ei n d u s t r i a ln i t r o g e nw a su s e dt oi n s t e a dt h eh i g hv a c u u m t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tm o l e c u l a rw e i g h tc a nb eu pt o2 8 8 ，0 0 0 i tc o u l db eag o o dd i r e c t i o n f o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：l a c t i ca c i d ，l a c t i d e ，r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ，p l a ( p o l y l a c t i ca c i d ) 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：獐 主兰，。 加b 年f 月刁日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 日 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 1 绪论 随着社会的发展，塑料的广泛使用使废弃物迅速增加，世界年废塑料量估计可 达2 0 0 0 万吨，已引起了严重的环境污染问题。因此寻求环境友好型的高分子合成材 料成为高分子科学和技术发展的一大方向。 聚乳酸( p o l y l a c t i d e ，简称p l a ) 是以乳酸( l a ) 为原料经化学合成的高分子 生物材料，无毒，可生物降解，并且具有良好的生物相容性【2 ”，其降解最终产物为 h 2 0 和c 0 2 ，不会造成环境污染，中间产物乳酸也是人体正常的糖代谢产物【4 5 】，具 有很好的生物降解和相容性能；此外由于原料乳酸来源广泛，是常见的天然化合物， 因此在众多的可降解生物降解材料中，对于聚乳酸的研究格外引人注目【6 】。 制备高相对分子质量的聚乳酸主要是通过二步法先得到中间体一丙交酯，再将丙 交酯开环聚合。国内对聚乳酸的研究和应用还处在起步阶段，产物水平还比较低。 目前，关于丙交酯的研究中还存在的高能耗、高成本、产率和纯度不够等问题，是 造成聚乳酸成本过高的主要原因；此外聚乳酸产物相对分子质量还处在较低水平， 无法满足生物材料所需的机械强度及强度保持时间，限制了聚乳酸的应用范围。因 此对聚乳酸工艺进行研究，优化工艺流程，降低生产成本，提高产物相对分子质量， 对于聚乳酸工业化生产和应用的推广具有很重要的意义r 瓦s 1 。 1 1 乳酸结构及性质 乳酸是生物体内的正常糖代谢的产物，是以玉米、小麦、木薯等一些植物中提 取的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸杆菌发酵得到的，原料 方便易得，工艺趋向成熟【9 1 。乳酸是最简单的手性分子之一，有2 种旋光异构体： 乳酸和d 乳酸，分子式c 3 h 6 0 3 ，结构式如下( 1 0 j ： c h 3 c h 3 伊乳酸l 一乳酸 ( 式1 i ) 由于构象上的差异，导致不同类型的乳酸具有不同的理化性质，具体如下表1 1 所示： 1 绪论 聚乳酸合成工艺研究 表1 1 不同类型乳酸的理化性质差异 1 2 丙交酯 1 2 1 丙交酯的结构及性质 丙交酯( l a c t i d e ，简称l a ) ，分子中含有羟基和羧基双官能团，兼有醇和羧酸 的性质。由于分子中含有两个不对称的c 原子，根据光学活性不同，可分为三种异 构体：伊丙交酯、三一丙交酯、m e s o 一丙交酯( 内消旋丙交酯) 【n j ，之外，由等量的 俨丙交酯和三一丙交酯混合还可成为外消旋的d ，三一丙交酯。如下式1 2 所示： 、 o = 弋 o 谚乍d o 文。火。至爻。 d 一丙交酯 l 一丙交酯 m e s o 一丙交酯 ( 式1 2 ) 不同类型的丙交酯理化性质如下表1 2 所示： 表1 2 不同类型丙交酯性质差异 1 2 - 1 4 】 1 2 2 丙交酯的制备 从合成丙交酯的原料上来看，丙交酯一般由乳酸盐或者乳酸合成得来。 当采用乳酸盐为原料进行反应时，虽然反应时间较快，产物纯度高，但乳酸盐 成本太高，且产物一般混有乙酸等杂质，不易提纯，产物收率很低，此法在实验室 研究及工业上应用都很少【1 4 1 。 2 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 而采用生物发酵得到的乳酸为原料进行反应则更为经济，产物收率较高，目前 研究的较为深入。其工艺流程为先将乳酸酯化脱水生成乳酸低聚物，再在较高的温 度下进行裂解反应催化解聚得丙交酯，反应式如下1 3 式所示【1 5 1 ： 低聚乳酸 o l i c o l 符c h 3 o ( 式1 3 ) 1 2 3 丙交酯研究现状 丙交酯的制备常用的方法有常压法、减压法等。两种方法面临的主要问题都是 如何降低反应液在解聚过程中出现的焦化碳化现象，从而提高丙交酯收率。 常压法的设计思想是向反应体系中通入“惰性气体 ，借助这些惰性气体，将生 成的丙交酯带出反应体系。日本的o k u y 锄a 等人【1 6 】采用常压法制备丙交酯，即向反应 体系中通入“惰性气流 n 2 或者c 0 2 ，以降低丙交酯蒸汽的分压并将生成的丙交酯连 续从反应体系中带出。反应器中氧气被惰性气体取代，避免了氧化引起的变色、焦化 等副反应，一定程度上提高了丙交酯的产率和纯度，该方法技术难度低，操作成功性 高，但常压法的不足之处是脱水时间长，生产效率低，产物收率不高【l 7 1 。 目前丙交酯合成使用较多的还是减压法，其设计思想是将整个反应体系处于高 真空度的状态下，可迅速的将生成的丙交酯蒸出，此外高真空下隔绝氧气，减少氧 化反应的发生，提高丙交酯收率【1 8 】。在减压法的基础上，研究者发现在反应体系中 加入一定量的“惰性溶剂能很好的改善反应液易焦化碳化的现象。如h o t s u t a 1 9 】、 李南【2 0 】等分别向减压系统中加入甘油、高级醇溶剂，认为这些惰性溶剂不仅可以将 生成的丙交酯带出，还可改善反应溶液在反应后期的粘稠程度，不至于局部温度过 高发生副反应。2 0 0 5 年王华林等1 2 1 】人在低聚乳酸解聚时的反应体系中加入一种高沸 点、惰性稀释剂一乙二醇，取得了不错的效果，使得丙交酯的收率由3 6 。8 提高到 5 1 3 。本实验室研究生景巍巍【2 2 】也在这方面进行过研究，在解聚反应前加入一定 量的甘油，可改善反应液发生焦化碳化的现象，丙交酯粗收率由原来的7 0 提高到 7 6 。 除了上述工艺上的改进，研究者还对引发剂的种类及低聚乳酸相对分子质量进 行研究。 在催化剂的选择上除了上述提到的锡类引发剂，还有研究者采用乳酸盐及稀土 金属化合物进行反应。如2 0 0 8 年邱奎等1 2 3 1 采用乳酸钠为催化剂，并在反应后期加入 3 c 卜双 地 n 一2 温一旦 毛 -ti，量r 吼 0 p l饼 王i啡，叫 t 1 即 l 绪论聚乳酸合成工艺研究 醇类稀释剂，制备得到丙交酯粗产品收率最高达8 1 0 。朱久进等人【2 4 】等采用稀土 金属化合物三氧化镧、钛酸镧符合氧化物等催化剂催化乳酸脱水继而裂解环化成丙 交酯，丙交酯粗收率能达到8 2 5 。 近年来关于低聚乳酸相对分子质量对丙交酯解聚影响也引起研究者的注意。国 内的石梁萍【2 5 】认为低聚乳酸适宜的聚合度在5 8 ，数均相对分子质量在4 0 0 - 1 0 0 0 最为合适。魏军等人【2 6 】在催化剂种类和用量时间相同的条件下，通过控制脱水时间， 使乳酸脱水缩聚得到不同分子量的乳酸低聚物，并且通过对不同分子质量的低聚物 进行解聚，结果显示，当乳酸低聚物的粘均相对分子质量( 以下简称为觚) 在2 l o o 时，丙交酯的粗收率最高，可达8 6 7 。关于低聚乳酸相对分子质量对解聚的影响 一般都认为当分子量较小时，解聚生成的丙交酯较少乳酸较多；当低聚乳酸相对分 子质量较大时，超过了适宜解聚的上限，解聚时生成的残渣较多，丙交酯收率也不 高【2 7 1 。但在关于低聚乳酸相对分子质量大小对丙交酯收率影响的报道中，适宜解聚 的低聚乳酸胍范围却不尽相同。除了上述两个报道外，m u l l e r 等t 2 8 认为6 0 0 - - 8 0 0 最为适宜，s u o n g t 2 9 】等则认为低聚乳酸相对分子质量在1 0 0 0 - 2 0 0 0 较为适宜。 l - 3 聚乳酸 1 3 1 聚乳酸结构及性能 聚乳酸( p o l y l a c t i d e ，简称p l a ) 是由乳酸经过缩聚反应而来。由于乳酸分子 中具有一个手性碳原子，根据其光学活性不同可分为三乳酸和d 乳酸。由它得到的 聚乳酸也具有三种基本立体异构体( p d l a ，p l l a ，p d l l a ) 。其中p d l a 与p l l a 具有结晶性，p d l l a 则是非结晶性的【3 0 1 。具体结构如下： h 十归量音 c 虮4 ) c h 3 。 由于构象结构上的差异，导致三种异构体聚乳酸具有不同的物理性质，具体如下表 1 3 所示【2 0 】： 4 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 溶解性 固体结构 熔点， 均可溶于乙氰、氯仿、二氯甲烷等，但p ( d 工) l a 溶解性更好。均不 溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等 结晶性半结晶性无定形 1 8 01 7 0 - - 1 8 0一 水解性月 4 64 - - 62 3 注：水解性为在3 7 c 生理食盐水中的强度减半所需时间 此外，聚乳酸产物相对分子质量的大小对聚乳酸的物理机械性能也有着很大的影 响，如下表1 4 所示： 表1 4 不同相对分子质量的聚乳酸性能的差异 1 3 2 聚乳酸的合成方法 聚乳酸的合成方法主要有直接缩聚法和开环聚合法两种。 1 3 2 1 直接缩聚法 直接缩聚法的工艺路线是将乳酸经过蒸馏脱水，形成聚乳酸。根据其反应形式 的不同又可分为在溶液中反应的溶液聚合法以及不使用溶剂的熔融聚合法【3 1 1 。 直接聚合法主要特点是工艺简单，成本较间接缩聚法低。但一般不易得到高分 子量的聚合产物，产品性能差、易分解，限制了其应用领域。具体反应式如t t 3 2 】： o 广1 1 1 n h o c 。h c o o h 叶h q i - o - - c h - - c ：- j f o h + ( n - 1 ) h 2 0 亡h 3 。 6 h 3 j r ( 式1 5 ) 5 1 绪论聚乳酸合成工艺研究 由直接法合成聚乳酸相对分子质量不高的主要原因在于脱水缩聚过程是个可逆 反应。水分的脱除是整个工艺的关键因素，在反应进行到一定程度后，体系中微量 的水分都可能导致缩聚反应的终止，从而影响最终产物的相对分子质量。 1 3 2 2 间接缩聚法 乳酸先在一定条件下脱水聚合成低分子量的乳酸低聚物，然后在较高温度下裂 解生成中间体丙交酯，丙交酯经过重结晶提纯后然后在引发剂的作用下开环聚合成 聚乳酸，其反应过程如下【3 3 】： 脚o i h o c hc “刊坐，崎汁鹫c 丫文甲 n c h 3 一i 一“一o h 骂崎9 h 一凸却里i 。丫吣甲 乩n 队少c 嚆 h 3 c n 乳酸 低聚乳酸 取h 声 吒沪譬卜c o 和h 亡h 3 n 聚乳酸 o 丙交酯 ( 式1 6 ) ( 式1 7 ) 一直以来，人们比较关注的还是丙交酯的开环聚合，这种方法较易实现，且可 制得相对分子质量高达7 0 - 1 0 0 万的聚乳酸。但采取间接法时，丙交酯必须提纯才能 聚合得到高分子量的产品，这也是造成间接法价格较高的主要原因【3 4 1 。 1 3 。3 聚乳酸的应用 目前，塑料制品应用在生产和生活中的各个领域，但在给社会提供便利的同时 也给环境造成了极大的污染问题，对生态系统产生了极大的危害；再者随着生产原 料石油资源日渐匮乏，势必会引起严重的能源危机。 聚乳酸是一种具有优良的生物相容性和可生物降解的聚合物，其降解产物对环 境没有危害，是一种很好的塑料替代品。目前聚乳酸及其共聚物无论是工农业还是 在生物医学领域都得到了很好的应用【3 鲥。 1 3 3 1 工农业生产及生活领域 由于聚乳酸具有很好的韧性，能够对其进行很好的加工成型，可以用来生产农 6 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 用地膜、农副产品保险袋、快餐盒及其他的食品包装袋【3 6 1 。 用聚乳酸制造的可降解纤维，可以和通常的聚酯纤维一样制成短丝、单丝、长 丝和非织造布等多种制品，并可与各种天然纤维混纺，广泛应用于服装及非服装领 域，加工条件及设备与目前聚酯纤维相同【3 7 1 。 此外，国内外关于聚乳酸降解塑料的开发也呈现较大的兴趣，各种包装袋、透 明食品袋及盒子、拉伸薄膜和发泡容器等产品相继开发出来。但由于目前聚乳酸产 品价格昂贵，推广和应用受到限制。有些生产企业将廉价的可生物降解材料作为添 加到聚乳酸中，以降低生产成本。 1 3 3 2 生物医学领域 聚乳酸在医学方面的应用大致可分为药物控制释放材料、可吸收缝合线、骨科 固定及组织修复材料。 ( 1 ) 药物控释剂释放材料 许多疾病的治疗都需要将药物引入人体，通常，由于大部分药物在起作用前会 被排出，因此需要大量服用药物，这个过程的结果是病人要交替承受化学试剂的过 量和缺乏。对许多疾病来说，缓慢、持续的药物释放有着决定性的优势。 聚乳酸用作药物释放材料时，可以克服一般高分子作为药物载体释放完毕后载 体必须从活体中取出的缺点。只要控制好聚乳酸的降解速率，使缓释剂材料的降解 速率与药物释放溶度相匹配，就能使药物长期恒量释放，而植入的药物载体在药物 释放完全后在体内完全降解，不需要手术取出，减少病人的痛苦【3 引。 ( 2 ) 可吸收缝合线 直到最近，大部分的手术缝合线都是羊肠线，但羊肠线相对惰性，通常需要在 组织愈合后进行缝合线的移除手术，聚乳酸用作医用缝合线时具有较强的初始强度 且可稳定维持一段时间，由于其生物降解性，只要有效地控制聚合物降解速率，随 着伤口的愈合，缝线缓慢降解，无需二次手术【3 引。 ( 3 ) 骨科固定及组织修复材料 目前市场上常用的骨科固定材料为不锈钢金属材料，其强度和韧性远远大于人 体骨骼，而且力学性能不能随着愈合过程动态的变化，导致骨折部位骨质疏松和退 化现象【”】。因此，理想的体内可分解性骨折内固定材料的条件是：a 有一定的初始 力学性能；b 随时间的增加，可降解材料力学性能下降速度与骨愈合速度相匹配； c 骨完全愈合后，固定材料及时降解，才能达到较好的骨愈合效果( 4 们。 近年来，聚乳酸类骨折固定材料研究活跃，如国内的邓先模等将高分子量 p d l l a 用于狗骨固定治疗效果良好【4 们。近年来，根据仿生原理制备的纳米羟基磷灰 石聚乳酸复合材料应用于骨折内固定材料也引起了研究者广泛的兴趣，此复合材料 中的主要成分是纳米羟基磷灰石，不仅增强了复合材料的初始强度，而且最重要的 7 l 绪论聚乳酸合成工艺研究 是羟基磷灰石是天然骨中的主要成分，细胞在复合材料中具有很好的粘附性能，能 加快愈合【4 。 1 3 4 聚乳酸合成方法研究进展 聚乳酸的研究和开发可以追溯到上世纪二三十年代，美国化学家卡罗瑟斯在 1 9 3 2 年缩聚合成了聚乳酸，但由于所得到的聚乳酸产量低，分子量小，机械性能差， 作为强度材料基本上没什么实际用途，未引起人们的重视，直到上世纪5 0 年代，人 们对于聚乳酸的合成方法进行了大量的研究，逐步的除了两条路线，直接法和间接 法【4 2 1 。 1 3 4 1 直接缩聚法 直接缩聚法包含溶液聚合熔融聚合两种形式。 溶液聚合就是在反应中采用一种不参与聚合反应能够溶解聚合物的高沸点有机 溶剂与单体乳酸、水进行共沸回流除水，从而获得高相对分子质量的聚乳酸1 4 ”。 在这方面如1 9 9 5 年，a j i o k a 等 4 4 】采用二苯醚做溶剂直接合成出数均相对分子质 量( 以下简称为) 达3 0 万的聚乳酸，实现了聚乳酸的商品化生产。德国的h a n s1 l k r i c h e l d o r fp j , b u 2 m g 为催化剂，甲苯或二恶烷为溶剂，低温下引发三一丙交酯或d ，l 一 丙交酯聚合，得到数均摩尔质量达3 1 0 5 9 m o l 的聚乳酸。由于m 9 2 + 与人体的新陈代 谢完全相容，因而该方法是合成医用聚乳酸较好的聚合工艺【4 5 】。 熔融聚合法是指乳酸在催化剂的存在下直接缩聚成聚乳酸，反应特点是温度高， 有利于提高反应速率。如国内的汪朝阳等【4 6 l 采用熔融一固相缩聚法合成了平均分子 量为2 6 5 万的聚乳酸。日本的m i y o s h ir 等采用间歇式搅拌器和双螺杆挤出机组，由 乳酸通过连续熔融缩聚，成功地获取了重均摩尔质量为1 5 x 1 0 5 9 m o l 的聚乳【4 7 】。 直接聚合方法虽然工艺较为简单，但是由于反应本身是个可逆反应，限制了聚 乳酸相对分子质量的提高，且产物相对分子质量分布较宽，直接影响了产品的应用 范围，只能应用在一些物理机械性能要求不高的领域【4 引。 1 3 4 2 间接开环聚合法 开环聚合间接法是在1 9 5 4 年由美国杜邦公司率先提出，即先环化制备丙交酯， 丙交酯经过提纯后再开环聚合得到高相对分子质量的聚乳酸【4 射。此后经过研究者的 努力，聚乳酸的研究取得了长足的发展。 在聚乳酸相对分子质量的提高上，国外具有代表性的为k r i c h e l d o r f 等人。1 9 9 5 年，k r i c h e l d o r f 等1 4 9 】以重结晶两次的丙交酯为原料，以m g b u 2 和格氏试剂作为引发 体系，1 2 c r o w n 4 冠醚做溶剂，o c 下引发丙交酯开环聚合，产物高达1 0 0 万的 聚乳酸，收率为8 5 ，产物中的催化剂通过沉淀或用水冲洗可以比较容易地除去。 但是目前还没有关于这种催化剂的研究报道，而且其用于测试聚乳酸相对分子质量 8 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 的方法未见说明。 国内关于聚乳酸合成的报道也很多，目前水平最高的是：1 9 9 5 年邓先模、熊成 东等【5 0 】利用异丁基铝复合催化剂，如( i b u ) 3 a i h 3 p 0 4 h 2 0 等对丙交酯进行开环聚合， 得到了超高相对分子质量的p l l a ( 大于1 0 0 万，g p c 测定) ，转化率达9 0 以上。 另外，邓先模等【5 1 】以烷基稀土化合物和烯丙基稀土配合物为催化剂，在惰性气体保 护下用丙交酯开环聚合法得到了眠达1 0 0 万的聚乳酸。但是上所述几种催化剂均是 其自己配制的，且制备方法和聚合工艺包括产物后处理方法和相对分子质量的测定 方法也未见说明。 上述两者所报道的水平虽然为目前文献中出现的最高值，但在合成时所使用的 引发剂均为自己合成所得，且在后续的研究者中也未见这类引发剂用于高相对分子 质量聚乳酸的合成。在合成反应中使用的催化体系中，几乎所有的锡盐，如如氯化 亚锡、氧化锡、四氯化锡、乙酸亚锡和辛酸亚锡等【见5 4 j 对内酯的开环聚合均具有催 化活性，其中辛酸亚锡s n ( o c t ) 2 ，是目前公认的效果较好的催化剂，其具有较高的催化 效率，即使在单体与催化剂物质的量比达到1 0 4 时，也能接近完全反应。另外，其毒性 较其他重金属催化剂要小得多，已经获得美国f d a 认证。 目前，使用辛酸亚锡为催化剂合成聚乳酸具有代表性的是：1 9 9 9 年卢泽俭等1 5 5 j 以异辛酸亚锡为引发剂进行丙交酯本体聚合制备聚( 三乳酸) ( p l l a ) ，详细比较了 三角瓶和安瓿瓶作为反应容器时工艺差距，结果显示不同的聚合形式，反应体系中 水分、氧等杂质含量不同产物相对分子质量有着很大的差异。得到产物p l l a 经过甲 醇洗涤出去水分及未反应的单体丙交酯后最高达到8 7 万( 氯仿为溶剂，乌氏黏度 计测量，( 3 0 o a ：o 1 ) ，【r = 4 4 1 1 0 。4 彬7 2 ) 。 在聚d ，乳酸合成方面，1 9 9 7 年s u o n g t 2 9 】等人采用辛酸亚锡为催化剂，以( 岣： n ( ) = 6 0 0 0 ：1 ，真空度提高到约0 1 p a ，1 3 0 下反应7 2 h ，产物最高m ，能够达到6 8 万。 ( 氯仿为溶剂，乌氏黏度计测量，( 2 5 o 士o 1 ) ，【t i = 2 2 1 1 0 4 埘7 7 ) 。 2 0 0 0 年全大萍等【5 6 】采用辛酸亚锡为引发剂，重点考察了引发剂用量对聚乳酸相 对分子质量的影响，并考察了反应体系中羟基含量对聚乳酸相对分子质量的影响， 结果显示当引发剂用量刀( 蚴：甩( d = ( 4 0 0 0 6 0 0 0 ) ：1 时，产物经过酮溶解水沉淀除去未反 应的单体和低聚物，产物p d l l a 的鸩为9 4 2 万( 苯为溶剂，乌氏黏度计，( 3 0 o a ：o d c ， m = 2 2 4 x 1 0 。1 心) 。 当然也有用其他催化剂引发聚合反应，但合成得到聚乳酸的相对分子质量都不 是太高。2 0 0 3 年范宁伟等【5 7 l 采用间接开环聚合法合成了眠为4 4 5 万( 四氢呋喃为溶 剂，乌氏黏度计测量，( 3 7 o a ：o 1 ) ，【r = 1 0 4 x 1 0 4 彬7 3 ) 的聚乳酸，其工艺条件为： 丙交酯经过重结晶提纯，在9 3 1 k p a ，聚合温度为1 7 0 ( 2 下，使用z n o 为催化剂，用量 为0 0 8 ，产物经乙酸乙酯溶解、去离子水沉淀、真空干燥处理。 9 l 绪论聚乳酸合成工艺研究 本课题组对聚乳酸的合成工艺进行了较为系统的研究，对整个聚合过程有了很 好的认识。 在丙交酯工艺的研究中，2 0 0 4 年，刘英豪 5 8 】以工业d ，乳酸为原料，4 氧化锌 或者5 辛酸亚锡为催化剂，制备出了丙交酯，粗品产率达到了4 2 o ，重结晶后总 产率达到3 5 ；2 0 0 7 年，周莉【5 9 】在此基础上对工艺进行优化，自制高收率丙交酯粗 产品收率为7 1 4 ，经过3 次重结晶后，总产率为5 3 8 ，丙交酯的熔点可达到1 2 7 ， 熔程在l 以内；2 0 0 9 年，景巍巍【6 1 】在实验室已有工艺条件的基础上，引入甲苯分散 体系和在反应后期加入甘油作为稀释剂，丙交酯粗收率达到7 9 6 ，三次重结晶后丙 交酯总收率达5 9 7 ，熔点1 2 7 3 1 2 8 1 。 在聚乳酸的合成研究中，2 0 0 6 年吴晓莉【6 0 l 以实验室自制丙交酯为原料，分别以 z n o 和s n ( o c t ) 2 为催化剂，反应温度1 7 0 ，反应时间7 h ，得到从为2 4 万和2 3 5 万的聚乳酸( 四氢呋喃为溶剂，乌氏黏度计测量，( 3 7 0 士0 1 ) ，【r d = 1 0 4 x 1 0 4 彬7 3 ) ， 产物经乙酸乙酯溶解，坩埚风干、真空干燥。其后周莉和景巍巍f 6 l j 也分别对聚乳酸 的合成工艺进行了优化，得到了实验室条件下最佳工艺条件：催化剂s n ( o e 0 2 甲苯 溶液、用量为0 4 m l ，n ( m ) ：n ( ) = 1 0 0 0 ：1 、反应温度为1 3 0 c 、反应时间为7 h 。产物 尬达到2 8 万( 四氢呋喃为溶剂，乌氏黏度计测量，( 3 7 0 士0 1 ，【哆】- 1 0 4 x 1 0 4 彬一3 ) 。 1 4 存在问题 随着人们对降解材料认识的加强，聚乳酸作为完全生物降解材料正处于不断发 展的阶段，对它的研究也将会不断的深入，以其为材料制成的医疗用品也将不断增 加，在医疗上的应用范围将迅速扩大【6 2 】。但是聚乳酸的合成工艺路线复杂，原料及 中间产物耗资较大，合成聚乳酸的相对分子质量较低，大大限制了聚乳酸材料的应 用。若能提供一种工艺简单、成本低廉、环保且能得到高相对分子质量聚合物的生 产方法，那么，聚乳酸必将有更广泛的应用前景。从现有文献报道以及实验室已有 的经验来看主要存在以下几方面的问题： ( 1 ) 丙交酯粗收率还有待提高。在丙交酯制备后期，由于体系变得粘稠，再加 上高温，易发生焦化现象，影响丙交酯粗产品收率。从前面的文献综述中可以看出， 研究者先后采用减压，“惰性溶剂等手段来解决方法，产物粗收率确实较有提高。 但从前期探索性试验及课题组已有的经验来看，总体来说未能从根本上解决和解释 该问题，在解聚反应后期还会存在大量黑色粘稠物，未能实现原材料的最大化利用， 造成生产成本过高。 ( 2 ) 造成聚乳酸工艺条件成本过高的另一个原因是中间体丙交酯必须达到一 定的纯度才能合成出高相对分子质量的聚乳酸产品，常用的提纯为重结晶方法，在 重结晶过程中流失的丙交酯单体，同样也造成了工艺成本的提高。 l o 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 ( 3 ) 聚乳酸的相对分子质量与文献报道的最高值还存在较大的差距，这极大的 限制了聚乳酸的应用范围。此外从文献综述中可以看出，在合成出来的高相对分子 质量的聚乳酸的文献中，工艺条件都相对复杂苛刻( 如高真空) ，在工业化生产中 较难已实现，这也限制了聚乳酸工业化的推广。 1 5 本次研究内容、目标及研究意义 1 5 1 研究内容 本组前入虽然对聚乳酸的合成工艺进行了较为深入的研究，也取得了很好的结 果，但聚乳酸的合成工艺还有但聚乳酸合成工艺中还有一些地方可以继续进行优化， 本次研究工作主要有以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 高纯度、高收率丙交酯的合成 针对在反应过程中加热系统容易造成反应液在反应器壁上的焦结现象，本次研 究拟在原有工艺的基础上改善加热系统，并控制反应液面高度来解决此问题。同时 根据前期实验探索和文献查阅，通过控制脱水时间和催化剂加入的量，得到适合解 聚的低聚乳酸相对分子质量范围，从根本上解决反应液易焦化的问题。 ( 2 ) 丙交酯重结晶研究 对影响重结晶工艺因素，如重结晶温度、重结晶时间、重结晶溶剂比进行系统 的研究，得到较佳重结晶工艺条件。 ( 3 ) 高相对分子质量聚乳酸的合成 在现有工艺条件的基础上对引发体系进行改善，包括引发体系的提纯和引发剂 用量的调整，以期能使产物相对分子质量得到提高：另外对聚乳酸合成容器形式进行 改善，使工艺条件在工业化生产中更易于实现。 1 5 2 研究目标 本次研究在本组前人工作已有水平基础上对丙交酯合成工艺进行进一步优化， 从改善加热系统，控制低聚乳酸相对分子质量等措施优化现有丙交酯工艺条件，并 对重结晶工艺进行系统的研究。目标使三次重结晶后丙交酯总收率达到6 5 0 ，熔 程在1 内。 在聚d ，三乳酸合成方面，通过对催化体系提纯处理及优化工艺条件，使聚d z 乳酸粘均相对分子质量在现有水平上( 约l o 万，氯仿为溶剂，乌氏黏度计测量， ( 2 5 o 士o 1 ) ，【们= 2 2 1 ，( 1 0 m j 7 ) 接近或达到现有最高水平( 6 8 万，氯仿为溶剂， 乌氏黏度计测量，( 2 5 o a ：o 1 ) p t = 2 2 1 x 1 0 4 彬j 7 ) 。 1 5 3 研究意义 1 绪论聚乳酸合成工艺研究 通过对丙交酯的制备工艺进行优化得到高收率、纯度高的丙交酯，并采用自制 的丙交酯合成高相对分子质量的聚乳酸产品。通过优化实验，得到工艺条件对中间 体丙交酯收率和聚乳酸相对分子质量的影响规律，降低聚乳酸生产成本，简便操作 流程，为聚乳酸产品系列化和工业化生产打下基础。 1 2 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 2 相关原理 2 1 缩聚反应机理 缩聚反应是缩合聚合的简称，是多次缩合重复结果形成缩聚物的过程。 缩聚反应的过程包含两个方面：逐步和可逆删 ( 1 ) 逐步特性 以二元酸和二元醇的缩聚为例，两者第一步缩聚，形成二聚体羟基酸。 h o r o h + h o o c r c o o h ；兰h o r o o c r c o o h + h 2 0 ( 式2 1 ) 二聚体的端羟基或端羧基可以与二元酸或者二元醇反应形成三聚体， h o r o o c r c o o h + h o r o h , e l - - - - h o r o o c r c o o r o h+ h ，o ( 式2 2 ) h o r o o c r - c o o h + h o o c r c o o h ；竺h o r o o c r c o o c r c o o h + h ，o ( 式2 - 3 ) 二聚体也可以自身相互缩聚，形成四聚体 2 h o r o o c r c o o h ；三h o o r t c o o r o o c r c o o r o h+ h 2 0 ( 式2 4 ) 缩聚反应无特定的活性种，各步反应速率常数和活化能基本相等，缩聚早期， 单体消失很快，转变成二、三、四聚体等齐聚物，以后则是齐聚物间的缩聚，使分 子量逐步增加。 本次试验中乳酸脱水缩聚成低聚乳酸的机理如下所示f 6 0 j ： 2 c 卜蜃一c o o h 半c h 3 一f c 。0 。l 0 0 h + h 2 。 c 式2 乳酸- - 聚体 即料嗍+ 卟严咖寺- e 甲。印+ 印 b o h 哪 o h m 掷瓶粼 ( 式2 6 ) 2 c 卜o 彳一h 。善c o o h 等h 争c c h h 一3c 中h 偈。 二聚体四聚体 ( 式2 7 ) ( 2 ) 可逆平衡反应，聚酯化是可逆反应。正反应是酯化，逆反应是水解1 1 。 1 3 2 相关原理聚乳酸合成工艺研究 - o h+ - c o o h = o c o + h 2 0 。 ( 式2 8 ) 反应平衡常数表达式为： k ：生：! ：q 竺q 尘f 羔2 q ! t l 【- o h 】 c o o h ( 式2 9 ) 从上式2 9 可知，当平衡常数k 很小时，低分子副产物的存在对分子量的提高 有着很大的影响。 2 2 低聚乳酸裂解反应机理 高聚物的热降解是指在无氧或极少接触氧的情况下，由热能直接作用而发生的 断链过程。热降解通常包括基团的消去、成环等复杂反应过程。【6 2 1 。聚乳酸热裂解 生成六元环的反应历程如下式所示： 卜午h q o o c h c 0 - 护甲h q 唾护午h c o 一一 c h 3c r 3c r 3c h 3 低聚乳酸 h c o o c h o 。+2 d c h c 口 iil c h 3 c h 3 c h 3 自由基 l o 人；。 o = c y o c ih ，丙交酯 图2 1 低聚乳酸裂解反应 聚乳酸的热裂解是一个复杂的反应，若温度控制的不合适，则副反应的会使产 物收率大大的下降。温度过高，一方面会加快丙交酯的生成，生成的丙交酯排除不 及时及会发生分解等副反应，另外温度过高，还会导致聚乳酸发生碳化、焦化等反 应，这是影响丙交酯收率的主要原因。因此在裂解反应过程中应该常常加入一些高 温惰性溶剂或者尽可能的提高反应真空度来缓解这类现象。 2 2 影响缩聚反应工艺条件的因素【6 1 l 缩聚平衡反应在的存在是需要一定条件。条件一旦发生改变，平衡就被破坏， 就要发生平衡的转移。在缩聚反应过程中，这种转移是向形成缩聚物的方向进行， 还是向相反方向进行，除与反应性质( 平衡常数) 有关外，还与反应条件有着密切 联系。 硕士论文聚乳酸合成工艺研究 ( 1 ) 温度 从物理化学中得知，温度与平衡常数的关系可用等压方程式来表示，即 h 鲁一丝r 哇一旁 毛、z互7 ( 式2 1 0 ) 式中卜缩聚反应的平衡常数 么曰l 缩聚反应的恒压热效应k j m o l 4 卜绝对温度 r 一气体常数 由于缩聚反应的反应热一般都不大( 3 3 4 2 k j t o o l j ) ，因而提高反应温度对平衡 常数的影响不大。温度需控制在一个合适的范围内，适当温度不仅可以加快反应尽 早达到平衡，还可以及时的将生成的水分排出反应体系使反应向正方向进行。此外， 温度的控制还会影响生成的低聚乳酸相对分子质量的大小，进而影响后面解聚反应 的进行，若生成的低聚乳酸相对分子质量超过一定的范围，则会使解聚难以进行， 进而影响丙交酯收率。合适的缩聚温度一般控制在1 2 0 1 5 0 c 1 6 1 】。 ( 2 ) 催化剂 缩聚反应按照是否加入催化剂可分为自催化聚合反应和外加酸催化缩聚反应。无 外加酸催化时，单体本身含有的羧基作为酯化反应的催化剂，但产物相对分子质量 增长缓慢【6 1 1 。 外加酸作为催化剂时要考虑两点，即催化剂的类型以及加入的量。常见的催化剂 有氧化物、金属氧化物以及锡类化合物等l e w i s 酸催化剂，各催化剂之间催化活性 存在一定的差异。再者要控制催化剂加入的量，因为只有生成合适大小相对分子质 量的聚乳酸才能使解聚反应更好的进行，催化剂加入量过多，反应进程加快，生成 的低聚乳酸相对分子质量过大，解聚反应不易进行，影响丙交酯收率【6 2 】。 ( 3 ) 压强 乳酸缩聚的过程中有水分生成，如果不将生成的水份及时的从反应体系中排除， 则会影响整个缩聚反应的进行，这也正是采用一步法不能合成高相对分子质量聚乳 酸的原因。因此维持反应体系一定的真空度对于生成合适相对分子质量大小的聚乳 酸很