（材料学专业论文）高分子量PDLLA的合成研究(1).pdf

“g - l ￥i ￥性w 卫 摘要 聚乳酸是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的聚合物，随着高 分子材料聚乳酸及其共聚物在生物材料领域，特别是作为组织工程支架材料、 药物释放材料和骨折内固定件的应用日益广泛，其研制与开发日益受到人们 的重视，同时聚合单体丙交酯也越来越受到重视。长期以来丙交酯的成本一 直是制约聚乳酸推广应用的最重要的因素之一，本文致力于设计出一套能最 大限度降低丙交酯成本的工艺过程，并对丙交酯聚合过程中影响聚乳酸分子 量的因素进行了初步探讨。可以相信，聚乳酸一旦工业化，它在医用材料和 降解塑料方面将有难以估量的应用前景。 本文在总结了目前众多聚乳酸单体丙交酯的合成技术的基础上；选 用减压蒸馏工艺并加以改进，设计出最佳的实验装置，使丙交酯的产率从3 0 提高到4 5 ，并对重结晶后的母液进行有效的回收，回收率也能达到4 0 ，对回收后的丙交酯进行了测试分析，证明了回收过程的可行性。 首先，从改善合成丙交酯反应的条件入手，通过对丙交酯合成反应的机 理分析，对反应过程中催化剂用量、种类、脱水温度、时间、压力、解聚温 度、时间、压力等做了详细的研究，得出最佳的合成条件和工艺过程。脱水 温度，1 4 0 ；脱水时间，4 小时，使脱水量达到9 4 左右；解聚温度，2 4 0 ；解聚时间，2 小时；终止温度，2 7 0 。 其次。回收重结晶母液使损失在乙酸乙酯中的丙交酯得到循环利用，对 回收工艺过程进行了周密分析和探讨，并比较了以上两种过程的异同。 然后，用甲醇钠非水滴定法测定丙交酯中残存乳酸，卡尔一费休法测定 丙交酯中残存水的含量，用提勒管测定精制丙交酯熔点，用红外吸收光谱、 紫外光谱、差热分析对合成的丙交酯以及回收的丙交酯进行表征。结果表明 重结晶三次后丙交酯纯度在9 9 5 以上。 最后，对精制后的丙交酯本体开环熔融聚合过程进行分析，对反应过程 中聚合温度、聚合时间以及引发剂用量做了详细研究，并对p i ) l l a 的性能进 行多种测试分析，证明工艺过程是可行的。 关键词：丙交酯，合成工艺，回收工艺，产率 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o l y l a c t i d ei so n eo fp o l y m e rm a t e r i a l st h a th a v eg o o db i o c o m p a t i b i l i t y a n dn op o i s o n o u s n e s sc a nb ed e g r a d e db yo r g a n i s m s t h ea p p l i c a t i o no f p o l y l a c t i d e a n di t sc o p o l y m e r si s i n c r e a s i n g i nt h ef i e l d so fb i o m a t e r i a l ， e s p e c i a l l y i nt h et i s s u e e n g i n e e r i n g a ss c a f f o l dm a t e r i a l ，c a r r i e rf o r p h a r m a c e u t i c a lr e l e a s ea n d i n t e r n a lf i x a t i o no fb o n ef r a c t u r e t h ed e v e l o p m e n to f p l aa n ds y n t h e s i so fi t sm o n o m e r 一l a c t i d ea r ec a t c h i n gm o r ea t t e n t i o ni nt h i s f i e l d t h ec o s to f l a c t i d ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a th a m p e rt h ep l a f r o mw i d e l yu s ef o ral o n gt i m e i nt h i sp a p e ras e r i e so fa p p a r a t u sw h i c hc a n b o o s tt h ep r o d u c tr a t i ot ot h eu t m o s tw a sf o c u s e do n m e a n w h i l et h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h em o l e c u l a rw e i g h to fp l ai nt h ep o l y m e r i z a t i o nw e r ea l s od i s c u s s e d o n c et h em a n u f a c t u r eo fp o l y l a c t i d ei si n d u s t r i a l i z e d ，i tc a nb e o fw i d e a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so fm e d i c i n em a t e r i a l sa n dd e g r a d e dp l a s t i c sw i t h o u ta d o u b i t t h i sa p p a r a t u sw a sd e s i g n e db a s e do ns u m m a r i z i n gt h em o s ts y n t h e t i c p r o c e s s e so fl a c t i d ep r e s e n t l y t h er e d u c e dp r e s s u r ed i s t i l l a t i o nw a s c h o o s e da n d i m p r o v e dt oo b t a i nl a c t i d ew i t hh i g hp r o d u c tr a t i o t h ep r o d u c tr a t i ow a s i n c r e a s e dt o4 5 f r o m3 0 f u r t h e r m o r e ，l a c t i d ew a sr e c y c l e df r o mt h ee t h y l a c e t a t er e c r y s t a l l i z a t i o ns o l u t i o n ，a n ds t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e dw i t hi ra n du v s p e c t r u m t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s si ss u i t a b l ea n df e a s i b l e ，a n dt h e p r o d u c tr a t i oi sb e y o n d4 0 f i r s t l y , t h r o u g ha n a l y s i s f o r t h e s y n t h e t i cm e c h a n i s m o fl a c t i d ea n d a c c o r d i n gt oi m p r o v et h ec o n d i t i o no fs y n t h e t i cp r o c e s st h ef a c t o r sr e l a t e dw e r e s t u d i e di nd e t a i l t h e s ef a c t o r si n c l u d e dt h ea m o u n to fa c t i v a t o r ，t e m p e r a t u r ea n d t i m eo fd e h y d r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo fd e p o l y m e r i z a t i o n ，p r e s s u r eo ft h e v e s s e lc ta 1 t h eo p t i m a ls y n t h e t i cc o n d i t i o na n dp r o c e s se n g i n e e r i n gw e r ed r a w u l t i m a t e l y t h eo p t i m a ld e h y d r a t i o nt e m p e r a t u r ei s1 4 0 ，d e h y d r a t i o nt i m ei s4 h o u r s ，d e h y d r a t i o na m o u n tr e a c h9 4 ，d e p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ei s2 4 0 c ， d e p o l y m e r i z a t i o nt i m ei s2 h o u r sa n df i n i s ha t2 7 0 0 s e c o n d l y , t h er e c o v e ro fl a c t i d ef r o mt h ee t h y la c e t a t er e c r y s t a l l i z a t i o n s o l u t i o nr e u t i l i z e dt h ew a s t es o l u t i o na n dh e i g h t e nt h eg e n e r a lp r o d u c tr a t i o t h e r e c o v e r yp r o c e s sw a sa n a l y z e da n ds t u d i e dc a r e f u l l y m o r e o v e rt h et w op r o c c s s a 工工 武汉理工大学硕士学位论文 a b o v ew e r ec o m p a r e di nd i f f e r e n ta s p e c t s a f t e r w a r d s ，t h er e m n a n tl a c t i ca c i di nl a c t i d ew a sm e a s u r e db yn o n a q u e o u s t i t r a t i o nw i t hs o d i u mm e t h o x i d ea n dt h er e m n a n tw a t e rw a ss u r v e y e db y k a r l - f i s h e rm e t h o d t h em e l t i n gp o i n tw a si n v e s t i g a t e db yt h i e l et u b ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a c t i d ew e r ea n a l y z e db yi r ，u vs p e c t r u m ，t ga n dd s c r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h ep u r i t yo fl a c t i d ew h i c hh a db e e n r e e r y s t a l l i z e dt h r i c ec a nr e a c h9 9 5 f i n a l l y , t h ep r o c e s so fr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fc y c l i cd i l a c t i d e s w h i c hh a sb e e np u r i f i e dw a sa n a l y z e d t h em a i nf a c t o r sw h i c hm a ya f f e c tt h e m o l e c u l a rw e i g h to fp o l y l a c t i d ew e r es t u d i e di nd e t a i l t h ep e r f o r m a n c eo f p d l l aw a si n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o c e s si s f e a s i b l e r a t i o k e y w o r d s ：l a c t i d e ，s y n t h e t i cp r o c e s s ，r e c o v e r yp r o c e s s ，p r o d u c t 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 生物降解高分子材料 生物降解高分子材料( b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r ) 【l 】是指在特定环境里能被 微生物( 细菌、霉菌等) 在一定时间分解或水解、酶解而丧失表面形态，最 后成为无毒无害小分子物质，如水和二氧化碳的高分子材料，也叫生物可吸 收高分子材料( b i o a b s o r b a b l ep o l y m e r ) ，从生物降解的角度来说可分为全生 物降解高分子( b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r ) 和生物破坏高分子( b i o d e s t r u c t i b l e p o l y m e r ) 【2 】。生物降解高分子材料是降解材料的一种，高分子材料发展至今， 生物降解高分子材料受到了普遍的关注。生物降解高分子材料可分为三大类 【3 】：l 天然高分子，即自然界大量存在的高分子，如纤维素、淀粉、木质素、 甲壳素、壳聚糖【4 】等生物体本身的主要活性成分：2 微生物合成的高分子如 p h b v i s , 6 1 ；3 合成高分子f 7 1 ，即通过各种人工物理化学方法合成的生物降解 高分子，主要指脂肪族聚酯。 1 1 1 生物降解高分子的现状 早期的降解高分子，大多是在聚烯烃【8 】( 主要是p e ) 、脂肪族聚酸【9 】中 混入少量的淀粉以作为填充剂，但随着进一步的研究，人们对这种所谓降解 高分子的降解性产生了怀疑，材料中的淀粉成分被分解以后留下的聚合物碎 片无法继续降解，对环境仍有负荷，因此人们纷纷将注意力投向完全生物降 解高分子的开发研究。相比而言，天然高分子降解后几乎不留痕迹，最终降 解产物无毒无害，不会对环境产生二次污染，因此，基于天然高分子的开发 研究得到飞速发展。近年来在生物降解塑料部分替代通用塑料研究方面的进 展，在环保材料和包装容器材料得到广泛应用，此外还在生物功能材料、生 物医用材料等具有独特应用。 随着高分子工业的迅速发展，人类已面临两个难以解决又急需解决的难 题：即环境污染和资源短缺。无论是为解决塑料垃圾污染问题，还是日趋枯 竭的石油资源问题，研究开发生物降解高分子材料都具有极其重要的意义。 1 1 2 生物降解高分子材料的展望 生物降解高分子材料在制各和加工上存在的问题使其价格高昂，但是为 了最大限度地保护资源和环境，留给我们的后代一个健康的生存空间，生物 武汉理工大学硕士学位论文 降解高分子材料的发展前景不会因暂时的价格障碍而停滞，相反这正说明我 们还有很多问题需要好好研究，我们才刚刚开始。 生物降解高分子材料的用途并不仅仅在于需求量大，而且在很多需求量 不大，但性能远比价格更重要的领域也有广泛的应用，如医药食品工业、旋 光异构化学物质的基质材料，甚至可以用于光电器械。相信随着技术的进步， 公众环保意识的进一步增强，生物降解高分子的应用必将越来越广泛，生物 降解高分子的研究和应用，无论是从环保角度还是学术角度都有重要意义。 1 2 乳酸的发展 1 2 1 乳酸的物理化学性质”“川 乳酸是一种天然形成，具有广泛用途的有机酸，同时也是一种可通过发 酵或化学合成的方法制备的重要的化工产品。它存在于很多天然或微生物发 酵制品中，是大多数活生物体中基本的新陈代谢媒介。目前，乳酸主要应用 于食品工业中的酸味剂和防腐剂以及医药工业中的外用杀菌剂和内服药品。 但是随着全球环境污染的日盏恶化，尤其是产量大的惊人的“白色污染”一 直都严重地破坏着人类赖以生存地生态环境，这种恶劣的后果势必将持续影 响几代或好几代人。由于具有广阔的应用前景，近年来乳酸及其聚合物慢慢 浮出水厩并日益受到国内外的关注。 纯的无水乳酸( l a c t i ca c i d ) 为白色结晶固体，熔点较低。纯正的无水 乳酸很难制各，它通常以乙烯的或浓的水溶液形式存在。乳酸是最简单的羟 基酸之一，具有光学活性，但乳酸的很多物理性质都不受光学组成的影响。 无水乳酸的熔点是5 2 7 5 2 8 。 0 h ，c o o h h 6 h 。 图1 1 乳酸的两种立体异构形式 f i g1 it w os t e r e o i s o m e r so fl a c t i ca c i d 乳酸又名丙醇酸，学名n 一羟基丙酸，分子式为c 。h 5 0 c 0 0 h ，相对分子量 为9 0 0 8 ，相对密度在2 5 。c 下为1 2 0 6 。乳酸有一个不对称碳原子，具有旋 光性，以两种立体异构形式存在( 图1 1 ) 。l - $ l 酸为右旋性，d 一乳酸为左旋 2 h h 0 l c 。、j 矿 c c 0 h 0 3 h 武汉理工人学硕士学位论文 性，乳酸易与水互溶，乳酸浓度达到6 0 以上时，具有很高的吸湿性，乳酸 所特有的官能团使其能广泛起反应，乳酸主要的羟基反应为氧化、缩聚、取 代等。 1 2 2 乳酸的生产 乳酸的生产方法主要是有机物发酵法和化学合成法，目前主要是采用发 酵法，全世界乳酸年产量已超过6 万吨【12 1 。 1 2 3 乳酸的提纯 乳酸生产因原料和工艺的不同有很大差异，但乳酸提纯不外乎酯化、离 子交换、萃取、重结晶、蒸馏和电渗析、液相色谱提纯技术及各种膜分离技 术。 1 2 4 乳酸作为生物降解材料原料的特点“3 1 乳酸在食品、医药、化工等领域都具有十分广阔的用途。食品工业上乳 酸是很重要的酸味剂和防腐剂，竞争力甚至比柠檬酸、苹果酸更强：在医药 工业上，乳酸可直接制成药品或制成乳酸盐类，内服可用于肠内消毒以及某 些疾病的预防，外用可用作收敛性杀菌剂；另外，乳酸是生产聚乳酸的最主 要的原料，直到今天其地位仍稳如泰山。 总之，乳酸在食品、医药及制造生物降解材料方面具有很广泛的应用， 尤其在制造可生物降解高分子材料方面的应用更有待人们进一步开拓。 1 3 聚乳酸的现状 谈到生物可降解高分子材料就不能不讲讲聚乳酸材料，聚乳酸是一种发 展较完善、应用很广泛的生物可降解高分子。 1 3 1 聚乳酸材料的发展历史 聚乳酸类高分子在高分子科学诞生之初就已经出现，其发展的道路十分 曲折。最早b i s c h o f f ”和w a l d e n ”在1 8 9 3 年发现了g a 的聚合现象，虽然 当时还没有高分子的相关概念。上世纪4 0 年代c a r o t h e r s 1 6 1 在其具有开创性 的研究中也包涵了l a 、g a 、c l 的聚合。尽管早期工作中，聚乳酸的分子量只 有几千左右，远远达不到聚酯的分子量只有在2 5 ，0 0 0 以上才有使用性能的 要求，但聚乳酸就是这样慢慢发展起来的。 到了1 9 6 2 年，美国c y a n a m i d 公司的科学家开始寻找一种高强度、可成 纤、可取向、可降解的高分子材料来取代传统变性胶原时发现了p g a 的潜力， 武汉理工丈学硕士学位论文 并开发出第一个可吸收手术缝合线，商品名d e x o n 1 7 l 。1 9 6 6 年，k u l k a r n i 1 8 】 等提出p l a 在体内能降解，最终代谢产物是c o ，和h ：o ，中间产物乳酸也是 体内正常代谢产物，不会在体内积累，聚乳酸便开始了在生物医学中的应用， 并呈现出广阔的前景。如今聚乳酸在医用领域被公认为最重要的可降解高分 子，已经在手术缝合线、药物释放、骨折内固定材料和组织工程支架材料等 方面被广泛开发利用。后来s a l z b d c r g 、k l e i n e 、k u l k a r n i f ”j 等相继开始对合 成高分子量和光学活性( d 型或l 型) 的聚乳酸展开深入研究，现在一般采 用k u l k a r n i 的两步法制备丙交酯和聚乳酸。 在过去几年里，全社会对塑料废弃物的白色污染问题日益关注，一些科 学家提出了生物降解的解决方案，聚乳酸作为一种疏水性的完全降解材料， 越来越受到广泛地关注。 1 3 2 聚乳酸材料的结构特点 聚乳酸是一大类高分子，通过共聚并调节各组分单体( e 己内酯、乙交 酯、丙交酯、环氧乙烷等) 的种类和配比可得到性能各异的可降解材料。因 乳酸具有光学活性，具有d 型和l 型两种，其二聚体丙交酯也因此可分为左 旋、右旋、混旋三种类型。故聚乳酸均聚物根据手性单体的配比不同，可得 到一系列性能差异的聚乳酸产品，d p l a 、l p l a 、d l p l a 和m e s o p l a ， 这也是聚乳酸与其他可降解高分子材料相比所具有的一个显著特点。其中 d 。p l a 和l p l a 是两种有规立构聚合物，具有光学活性，聚合物链排列比较 规整，有较高的结晶度和机械强度，适合用于需要高机械强度和韧性的地方， 如缝合线、肘钉和矫形器件等。d l p l a 无光学活性，呈非晶态，适用于作 药物载体，m e s o p l a 属内消旋，不常使用。聚乳酸产品基本性能如表1 1 所 示。 表1 1 聚乳酸产品的性能【2 0 j t a b l e1 1t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tp l ap r o d u c t s 类型m 。( 1 0 5 )拉伸强度弯曲强度断裂延伸率t 。( ) t 。( )t 。( ) l p l a0 52 81 2 0 06 o5 41 7 02 2 4 l p l a1 05 02 7 0 03 35 8 31 5 92 3 5 l p l a3 04 83 0 0 02 05 91 7 82 5 5 d l - p l a1 12 91 9 0 06 05 l?2 5 4 d l p l a5 53 52 4 0 05 o5 32 5 5 武汉理工大学硕士学位论文 聚乳酸具有优良的机械力学性能，和其他高分子材料一样，加工过程、 分子量大小、分子量分布等因素对聚乳酸的性能有很大影响。但可通过共聚 调节其性能。例如，丙交酯与乙交酯共聚可以得到高强度、高模量的玻璃态 聚合物材料，其拉伸强度在9 0 1 3 8 m p a 之间，这已经接近常见热塑性材料 的拉伸强度；而丙交酯与e 一己内酯共聚可以制备一系列拉伸强度在4 8 9 6 m p a 之间，伸长率在l 4 0 0 之间变化的材料；此外丙交酯与环氧乙烷共 聚可改善聚乳酸的脆性。聚乳酸最具特色的是各种手性单体的比例对其性能 的影响。 自然，聚乳酸具有良好的降解性能。聚乳酸是完全生物降解的，在环境 中缓慢降解为对无毒无害的物质。 1 3 3 聚乳酸材料存在的问题及发展前景 除了以上的优势外，聚乳酸材料也存在一些问题需要解决。最主要的问 题是聚乳酸的成本太高，从乳酸到成品聚乳酸的工艺过程太复杂，原料及中 间产物不必要的损失太多，严重限制了聚乳酸的进一步推广应用。聚乳酸是 由淀粉发酵产生的乳酸预聚得到分子量为几千的寡聚体，再经热裂解得到丙 交酯，最后用丙交酯开环聚合得到高分子量的聚乳酸。这是包括世界上最大 的聚乳酸生产商美国c a r g i l l 公司【2 0 】都在采用的生产路线。此外，聚乳酸的加 工是要求非常严格的精细操作，对温度、湿度的要求非常苛刻，还无法用传 统的塑料加工工艺处理大量的聚乳酸聚合物。 由于乳酸本身就具有一o h 和c o o h ，从理论上讲完全可以直接缩聚制各 聚乳酸，近年来聚乳酸直接缩聚的研究也层出不穷，其中以日本科研人员的 工作较突出，已有人报道【2 l 】由直接缩聚法得到分子量高达2 7 万的聚乳酸。 美国c a r g i l l 公司1 2 u j 也报道可以采用直接缩聚法制备低成本、高分子量的聚乳 酸。规模是解决成本问题的一个重要因素，为解决聚乳酸价格过高问题，并 保持美国在聚乳酸生产上的霸主地位，d o w 公司已经与c a r g i l l 公司组成 c a r g i l l d o w p o l y m e r 公司【2 “，使聚乳酸在2 0 0 2 年的产量超过1 5 万吨。一旦 解决了聚乳酸的价格问题，聚乳酸不仅在组织修复材料、骨折内固定材料、 药物控制释放等医学领域占有广阔的市场，还将在农业( 如农药释放基质材 料) 、日用包装材料领域取得一席之地。 1 4 聚乳酸合成的研究现状 目前聚乳酸的合成主要有两种方法，即丙交酯开环聚合法 武汉理工大学硕士学位论文 ( r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ) 和直接缩聚法( d i r e c tp 0 1 y c o n d e s a t i o n ) 。 这两种方法都是以乳酸为原料，也有采用其他物质为原料的尝试【2 3 】，如t s u d a 提出用乳酸丁酯代替乳酸，可降低反应溶液的粘度，无生成水的副反应，使 产物具有高纯度、弱吸湿性、易处理的优点：h i r o s h i 及h a n g 等以2 氯代丙 酸碱金属盐或碱土金属盐为原料，非水溶剂为介质制得丙交酯，但未反应的 氯代丙酸盐不易除去；o h a r a 及k a w a m o t o 等用乳酸铵通过加热同时脱氨脱水 制得丙交酯；c o z a c h 及v a n 等以乳酸酯为原料、甲基苯磺酸为催化剂，通过 加热时同时脱醇脱水也获得丙交酯，但是较成熟的生产和制备原料仍是乳酸。 1 4 1 直接缩聚法制备聚乳酸 利用乳酸的活性，通过分子间加热脱水合成聚乳酸的研究早在上个世纪 三、四十年代就已经开始，但聚乳酸产品分子量低、性能差、易分解。 直接缩聚法主要有溶液缩聚法和熔融缩聚( 本体聚合) 法两种。日本m i t s u i t o a t s u 2 4 1 化学公司的研究中心采用溶液缩聚法制得了重均分子量( m 。) 达3 6 万的p d l l a ，该方法将乳酸、催化剂和高沸点有机溶剂( 一般为二苄醚) 一 起放入反应容器中，在1 4 0 脱水两小时，然后在1 3 0 下将高沸点有机溶剂 和水一起蒸出，在3 a 分子筛中脱水2 0 4 0 小时，直至通过分子筛的水含量 小于3 p p m 后停止。这种方法中，反应生成的丙交酯和有机溶剂经循环返回 反应体系继续脱水反应，避免了p d l l a 分解现象，而在熔融缩聚法中则采 用适当的催化剂使反应平衡向有利于脱水而抑制丙交酯生成的方向进行。 s u n g i m 【2 5 】等考察了不同催化体系对反应体系的影响，提出了用锡的氧化物 和氯化物作催化剂能有效提高聚乳酸的分子量的观点，反应温度控制在比 p d l l a 的熔点1 7 0 稍高的1 8 0 。c 进行缩聚。反应体系的极性对催化剂的活 性有很大影响，通过加入热稳定性好而又不易挥发的质子酸如t s a 作助催化 剂，可制得重均分子量( m 。) 达l 万以上的聚乳酸。h i l t u n e k a r i 等【2 6 】还研 究了不同催化剂和反应条件对用熔融缩聚法合成低分子量聚乳酸的影响。 直接缩聚法合成聚乳酸，脱去产生的缩合水的过程最为关键，脱水时间 过长或温度过高都会导致聚乳酸变色，一般采用分子筛脱水或采用高效脱水 剂如d c c ( 二环己基碳二亚胺) 1 27 j 对乳酸预聚物进行脱水。大多数商业化聚 酯单体的o h 或一c o o h 是一级的或位于位阻较小的苯环上，乳酸的一o h 和 c o o h 却不是一级的，直接缩聚的反应平衡很不利于高分子量的聚乳酸的生 成，而且在反应过程中乳酸单体易发生成环反应，反应得到的一些寡聚体在 高温下又会分解为丙交酯，故要获得高分子量的聚乳酸仍需要直接缩聚法获 6 武汉理工大学硕士学拉论文 得很大突破。 近年来由于聚乳酸在药物控制释放领域的运用范围的扩大，对低分子量 聚乳酸生产的研究和应用也在深入【2 8 , 2 9 , 3 0 。相对丙交酯开环聚合法直接缩聚 具有工艺流程简单，成本相对低廉的优势，是未来发展经济型生物可降解高 分子的一个可行方向，但直接缩聚法制备的聚乳酸目前在生物医学领域特别 是作为组织工程支架材料除了物理机械性能还达不到要求外，也缺乏组织相 容性和生物相容性评价，是故现在组织工程领域所使用的聚乳酸材料还是采 用两步法合成的。 1 4 2 丙交酯开环聚合法制备聚乳酸 丙交酯开环聚合法合成聚乳酸的过程如示意图1 2 p 。乳酸先在一定条 件下脱水聚合成低分子量的聚乳酸寡聚体，然后在较高温度下热裂解生成中 间产物也是聚合单体丙交酯即3 , 6 二甲基i ，4 二氧杂环己烷2 ，5 二酮，丙交 酯经过精制提纯后在一定催化剂条件下开环聚合制得高分子量聚乳酸1 3 引。 喁0o 铡一& 一c 嚣赢等肿一c f j 一3 士。一甲一8 壬。州 邕竺! 翌一? - r 2 竺! 一p l a - 夏；= ；= 忑蟊i 。c 人c ，d 1 面蕊眦 o l a 嫩 图1 2 丙交酯开环聚合法合成聚乳酸示意图 f i g1 2p r o c e s so fr i n g 0 1 3 e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fp l a 有很多化合物( 如四氯化锡、四苯基锡、辛酸亚锡、氧化锌、乙酰基丙 酮络合物i 矧、二价茂稀土配合物等) 都可以催化这个开环聚合过程，但聚合 机理却直众说纷纭。h r k r i c h e l d o r f 3 4 , 3 5 认为聚乳酸的聚合过程主要有三 种反应机理：1 阳离子开环聚合( c a t i o n t i cp o l y m e r i z a t i o n s ) ，2 阴离子开环 聚合( a n i o n i cp o l y m e r i z a t i o n s ) ，3 配位插入机理( c o o r d i n a t i o n i n s e r t i o n m e c h a n i s m ) 。 现阶段在对材料性能要求很高的领域所用聚乳酸仍需要采用丙交酯开 武汉理工大学硕士学位论文 环聚合来获得，这种聚合方法较易实现，且可制得分子量高达7 0 万1 0 0 万的聚乳酸。人们对丙交酯开环聚合的的反应条件做了详尽的研究，这些 因素主要包括催化剂浓度、单体纯度、聚合真空度、聚合温度、聚合时间 等 3 6 , 3 ”。开环聚合所用的催化剂不同，聚合机理也不同。到目前为止，主要 有三类丙交酯开环聚合的催化剂体系 3 8 , 3 9 ：阳离子催化剂体系、阴离子催化 剂体系、配位型催化剂体系。 。o l 强一m e，o c 丑一m e c 嬲。3 十。赛器麟一。 弘。! = ；咯；h ：霉：絮 ，o 一翎一m em e m e c 粉甜嚯c 肌q 警= 妇妇魄 + h ：o m e峰m e擎 l l o c h c 妁一o c h - c 0 0 一c 垡l c 昭一0 一c h e 0 2 m e f s 0 3 图1 3阳离子催化机理示意图 f i g1 3 s c h e m eo fc a t i o n t i ci n i t i a t o r s 第一类是阳离子催化剂体系，催化机理如图1 3 ，催化剂包括质子酸、 烷基化试剂、路易斯酸金属盐及其氧化物，如三氟磺酸甲酯( c f 。s o 。m e ) 、甲 基苯磺酸、氟磺酸( f s o 。h ) 、z n c l 。、z n o 、s n c l 。、s n c i 。，使用这类催化剂反 应温度较高，只能采用本体聚合，而且催化剂用量大，由于引发涉及到烷氧 键的断裂，链增长在手性碳原子上得不到手性聚合物，并且不能用来引发共 聚反应。其中s n c l 。被认为是l l a 开环聚合的高效催化剂，以s n c i 。为催 化剂，在聚合温度较高的情况下( 1 6 0 ) 得到的聚合物仍保持原来单 体的构型，而不会发生消旋化； 第二类是阴离子催化剂体系，如图1 4 催化剂主要是碱金属有机物如醇 钠、醇钾、丁基锂，在这种催化反应过程中普遍存在副反应，得不到高分子 武汉理工大学硕士学位论文 量的聚乳酸； 蛾夕一r 一每m 妇e 一。蕊瑚：一r 十i ，l a c t i d e + h 2 0 m em e h - o 一瓢一c o 一0 一扭一c o 王。一r 螽、一r 一胁r + 舔疗 图1 4 阴离子催化机理示意图 f i g1 4 s c h e m eo fa n i o n i ci n i t i a t o r s 第三类是应用最广泛的配位型催化剂，这类催化剂效率高，催化机理如 图1 5 ，其中具代表性的有( 1 ) 金属烷氧基化合物如锡类化合物辛酸亚锡、 有机铝化合物异丙醇铝、烷基稀土化合物；( 2 ) 金属烷基化合物如a i e t 3 、 c d e t 2 、s r l p h 4 ；( 3 ) 双金属催化体系即在金属烷氧基化合物体系中增加另一 金属组分。 几乎所有的锡盐对丙交酯的开环聚合都具有催化活性，其中辛酸亚锡 是目前应用最多且最有效的催化剂之一，其优点是单体转化率高、催化剂 用量少、可制得高分子量的聚合物。k r ic h e l d o r f 3 8 1 认为辛酸亚锡只是催 化剂，真正的引发剂是体系内极少量的带羟基的杂质。k r i c h e l d o r f 在用 s n ( o c t ) 。作催化剂、用苄基醇作共引发剂丙交酯开环聚合时发现，在p l a 链的端基上存在的是苄基酯，而不是辛酸酯基团，这说明真正的引发剂是 羟基。稀土金属元素具有较强的络合能力，国内有学者认为用稀土类引发 剂引发丙交酯开环聚合，主要通过配位、脱质子化、插入几步完成，该反 应速度快、所得产物分子量高，具有活性聚合的特征。至今获美国f d a 认 可的辛酸亚锡仍是合成高分子量聚乳酸催化效率最高、运用最广泛的配位催 9 武汉理工大学硕士学位论文 化剂。 e t 3 a l 十r o h _ e t - h + e 2 a l o r 十l - l a c t i d e + i - 1 2 0 蜂母 e t 2 a i o - c 2 - i - c o o c i t c 0 2 - r m em e h o 一忐h c o o 一拓一c o 壬, o r 图1 5配位型催化剂催化机理示意图 f i g1 5 s c h e m eo fc o o r d i h a t ei n i t i a t o r s 1 4 3 聚合单体丙交酯的合成 丙交酯( 3 , 6 二甲基1 ，4 二氧杂环己烷2 ，5 二酮) 作为合成聚乳酸最重要 的原料，其制备成本的高低、纯度的高低直接决定了聚乳酸的成本和分子量， 成为制约高分子量聚乳酸材料发展的瓶颈。 迄今丙交酯的化学合成主要有一步法和两步法两种方法，由于一步法很 难制得高纯度的丙交酯，研究文献并不多见，其原理是乳酸缩合先得到乳酸 直链二聚体，然后二聚体环化缩合成环状二聚体；两步法可分为以乳酸为原 料合成和以其它原料合成两大类。 目前，两步法仍是最重要的合成高纯度丙交酯方法，第一步反应是乳酸 的羧基与羟基之间生成聚酯的缩聚反应，缩聚产生的水在减压下除去，打破 平衡使反应有利于缩聚，然后在较高温度、较高真空度下使乳酸寡聚体解聚 成环( 热拉链反应) ，生成丙交酯粗品，这一步通常使用催化剂，催化剂的作 用是降低温度和加速拉链反应。2 0 世纪8 0 年代出现了常压气流法【4 0 1 。常压 气流法的原理与减压法相同，只是无需减压操作，这种方法操作成功性高， 但产率比减压法低。也可在常压法中用高沸点的溶剂来降低丙交酯的分压并 峨 武汉理工人学硕士学位论文 将其共沸带出。 不管是减压法、常压气流法、一步法还是改变原料合成丙交酯，合成温 度都较高，反应过程中氧化和其他副反应的发生在所难免，导致产物焦化变 色。所以，开发无毒、高效催化剂使脱水和解聚反应在比较温和的条件下进 行是今后研究的重点。 要获得高纯度的丙交酯不能不谈到纯化方法，一般要求丙交酯单体的纯 度达到9 9 0 以上，水分含量低于0 1 5 。丙交酯常用的纯化方法有重结晶、 气助蒸发发和水解法三种。重结晶是使用最多的方法，所使用的溶剂一般为 乙酸乙酯等。张贞裕”等改进了丙交酯重结晶方法，使用苯乙酸乙酯混合 溶剂，该方法收率高、溶剂消耗小，李汝珍o 等使用甲醇钠非水滴定法、卡 尔一费休法对丙交酯中残存乳酸和水的量进行定量分析，有助于在丙交酯的提 纯和聚合工艺的精确控制。气助蒸发法是使环酯作为气流中的蒸气组分而迅 速与杂质分离，水解法主要是从粗丙交酯中除去内消旋异构体而获得高光学 纯度丙交酯的方法。 丙交酯的产率和纯度在许多研究者的努力下已有很大发展，但若投入批 量生产，在生产的连续性、产率、回收率及成本上仍有许多工作要做。聚乳 酸的合成工艺也在不断完善，但催化剂体系及聚合机理的研究仍是个没有得 到很好解决的重要课题，研制无毒、高效、反应条件温和、聚合物分子量及 分布可控的催化剂尤其是活性聚合催化剂仍是今后研究的重点。 1 5 论文的选题和拟解决的问题 l i p i n s k y 4 i 】于1 9 8 t 年在s c i e n c e 上撰文指出，生物可降解聚乳酸材料 是可替代石油树脂的优良品种，由于具有可降解性，可避免环境污染，用途 十分广泛，故聚乳酸的合成研究很多，但是，丙交酯产率和纯度较低是其工 业化的重要阻碍。本文在降低成本方面的研究将具有一定意义。 在生物降解高分子聚乳酸的应用范围日益扩大的今天，提供经济实用的 聚乳酸成为当务之急，本文在现阶段研究成果的基础上结合实验室的合成条 件，优化丙交酯的合成工艺、改善粗丙交酯的回收提纯效率、简化高分子量 聚乳酸的聚合方法，最后达到降低高分子量聚乳酸的成本的目标。 整个研究课题致力于在降低丙交酯成本的同时尽量提高其纯度，探索出 一条合成高分子量p d l l a 的简单工艺，并确定工艺参数。 研究内容主要有两大方面： ( 一) 围绕丙交酯展开，首先是确定合成方法，然后确定合成工艺过程， 武汉理工大学硕士学位论文 合成获得的粗丙交酯采用什么方法进行提纯，提纯后废弃溶液再回收循环利 用。 ( 二) 针对p d l l a 展开，确定合成高分子量p d l l a 的简单工艺过程， 并确定其工艺参数，最后对制得的高分子量p d l l a 材料进行相关测试。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章丙交酯的合成 2 1 前言 前文已经指出聚乳酸的合成有直接缩聚法和丙交酯开环聚合法两种路 线，直接缩聚法工艺简单，但聚乳酸分子量低，分子量分布较宽，且反应后 期处理困难，对于制备高分子量聚乳酸没有实际意义。目前组织工程领域所 用高分子量聚乳酸还是主要通过丙交酯的开环聚合来制备，如图1 3 所示。 本章的研究重点在于开环聚合法的第一步，即聚合单体丙交酯的合成。 丙交酯的合成工艺按收集丙交酯的方式主要有常压气流法”们和减压蒸馏法 两类。目前国内外对丙交酯合成反应的文献报道收率普遍在3 0 一4 0 之间， 且反应温度较高。这种现状对丙交酯乃至聚乳酸的产业化无疑是个不容忽视 的障碍，随着聚乳酸即其共聚物材料在生物医学领域的应用和研究如火如荼， 中间体丙交酯的合成研究开发也越来越受到科研工作者的重视。 2 2 乳酸合成丙交酯的反应机理 直接由两分子乳酸合成丙交酯的工艺“”是将乳酸蒸气通过载有脱水催 化剂( 如氧化铝) 的反应界面，让部分乳酸瞬时酯化，两分子乳酸之间环化 形成丙交酯或多个乳酸分子形成聚合度极低的寡聚体。目标产物外消旋d ， l 一丙交酯不溶于水和乳酸而得到分离。但此工艺对反应装置和条件的要求较 高，反复形成乳酸蒸气的环节也存在温度过高，氧化现象严重导致产率下降。 由于常压气流法的原理与减压法相同，只是无需减压操作，但收率一般 比减压法低，本章主要研究减压法制备丙交酯。先将8 5 的乳酸在一定温度 下减压脱水生成乳酸寡聚体( o l i g o m e r ) ，寡聚体再在一定温度下热裂解为丙 交酯，减压蒸出。我们认为乳酸脱水生成寡聚体的过程是分子问的脱水酯化 过程，该步反应如果进行彻底、脱水完全，也就是直接缩聚法制备聚乳酸的 工艺流程。但在本文以减压法合成丙交酯的第一阶段只是将乳酸脱水生成具 有一定聚合度的寡聚体，这类具有一定聚合度的寡聚体沸点较高，在高温裂 解时不会随产物丙交酯一起蒸出。以s n c i 。为催化剂为例，分析催化过程如 图2 1 所示。 作为催化剂的金属化合物与端羟基结合，金属原子提供空轨道与d 位羰 基氧上的富余电子，端羟基上的氧原子与缺电子的羰基碳原子有成键倾向。 武汉理工大学硕士学位论文 在金属原子与羰基氧的配位作用下羟基氧与金属原子之间化学键断开，羰基 氧原子与金属原子，羰基碳原子与端羟基氧原子分别成键。金