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北京服装学院硕士论文 直接法制备聚乳酸的工艺研究 摘要 本文首先采用乳酸直接熔融缩聚合成聚乳酸( p l a ) ，探索催化剂的种类和用量、反应 时间、反应温度、系统压力对聚乳酸分子量的影响；并通过调整脱水时间和脱水温度以及 添加抗氧化剂对反应工艺进行优化。其次，以熔融缩聚得到的分子量范围在3 0 0 0 - - , 1 0 3 6 0 的聚乳酸，采用酸醇缩合封端的方法进行扩链，探索预聚物分子量大小、扩链时间、扩链 温度、酸醇比值对扩链产物分子量的影响，并通过正交分解法系统地对这些影响因素进行 分析。得到最佳扩链工艺为：p l a 低真空与1 ，4 - 丁二醇( b d o ) 酸醇缩合2 小时，再加 入n n c o ：n o a = 1 ：1 的扩链剂甲苯2 ，4 二异氰酸酯( t d i ) ，在1 0 0 p a 的真空条件下扩链1 0 r a i n ， 产物的分子量最为理想。文章采用了红外光谱衍射法( f t - i r ) 、差示扫描量热法( d s c ) 以及广角x 射线衍射法( w a x d ) 对扩链前后聚合物的结构、热性能以及结晶性能进行了 表征，并通过熔融指数仪对聚乳酸的纺丝工艺进行了探索。 关键词：聚乳酸；熔融缩聚；酸醇缩合；扩链；正交实验法 a b s t r a c t t h es t u d yo ns y n t h e s i st e c h n o l o g ya b o u td i r e c t p r e p a r a t i o no f p o l y ( l a c t i c - a c i d ) a b s t r a c t t h ep a p e rf i r s ts t u d i e dt h es y n t h e s i so fp o l y ( 1 a c t i c - a c i d ) ( p l a ) b yd i r e c tm e l t o l y c o n d e n s a t i o ni nt h em a t e r i a lo fl a c t i o - a c i da n ds e a r c hf o rt h ei n f l u e n c eb yt h ef a c t ss u c h 弱 k i n d so fc a t a l y s t s ， q u a n t i t yo fc a t a l u s t s ，p o l y o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r ea n dv a c u u mi nt h e s y s t e m t h er e a c t i o np r o c e s sw a so p t i m i z e db yt h ec h a n g es u c hl i k et h et i m eo f w a t h e rd e p r i v e ， t h ea d j u n c t i o no fa n t i o x i d a n t t h e nw em a k et h ep l aw h i c hs u n t h e s i s e dt oc h a i n e x t e n t i o n e db y u s et h ew a yo fe n dg r o u pt e r m i n a t i o n ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c eo f t h em o l e c u l a ro f p r e p o l y m e r ， t h et i m ea n dt h et e m p e r a t u r eo fc h a i n - e x t e n t i o n ，t h er a t i oo fa c i da l c o h o la n dw es y s t e m a t i c a l l y t os t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fa l lt h e s ef a c t o r s f i n a l l yh a dt h eb e s tc h a i n - e x t e n t i o np r o c e s si s ：f i r s t l e tt h ep r e p o l y m e rt o e n dg r o u pt e r m i n a t i o nw i t h1 ，4 b u t a n e d i o l ( b d o ) a b o u t2h o u r s ，t h e n a d d e dt h et o l u e n e 一2 ，4 一d i i s o c y a n a t ei nt h er a t eo fn n c o ：r t o h = l ：l ，w h i c hr e a c t e d10 m i n u t e si n t h e10 0 p av a c u u m p a p e ra l s os t u d i e dt h es t r u c t u r e ，t h e r m a lp e r f o r m a n c ea n dc r y s t a l l i z a t i o n p e r f o r m a n c eo fp l a a n dp o l y ( 1 a c t i ca c i d ) b a s e dc a r b a m a t ew e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，d s c a n dw a x d ，a n ds t u d i e dt h ep l af i l a t u r et e c h n i cb ym e l ti n d e xi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) ；m e l tp o l y c o n d e n s a t i o n ；e n dg r o u pt e r m i n a t i o n ； c h a i n - e x t e n d i n gp o l y c o n d e n s a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：法程辉 日期：轨庐) 之月“日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 翩躲e 嘴爹 狠毙葺 1 日期：勿留年j z 月“日 日期：2 旷稻年厶z 月么日 北京服装学院硕士论文 引言 随着合成高分子的诞生，高分子工业的迅速发展给人类的生产、生活带来了许多性能 优良的合成高分子材料，为推动社会进步做出了积极的贡献。然而以塑料制品为例，塑料 在给人们生活带来便利，改善生活质量的同时，其大量使用产生的塑料废弃物也与日俱增， 给人类赖以生存的自然环境造成了不可忽视的负面影响。在人类生产的塑料中，用后废弃 的量大约占总量的5 0 - - 6 0 ，这些塑料废弃物难以分解( 普通塑料需2 0 0 年 4 0 0 年才能完 全分解掉) ，因而造成了大量的永久性的垃圾“白色污染”物，严重污染环境；人工处理成 本高、易造成二次污染；另外石油资源越用越少，有报道全世界的石油储量只能用4 0 年。 因而就世界而言，合成高分子材料面临两个难以解决的问题：环境污染和资源短缺【l 】。目 前有很多方法来解决这一难题，但是从源头上解决这一问题根本手段是应用可再生资源来 生产可生物降解聚合物材料。 玉米淀粉 光台作用 c 0 l + n 2 0 分解 丙交醴 啦 聚乳馥 拥工 聚巍酸制品 使用阶段 乳酸- 里塑l 一废弃钊晶 图1 聚乳酸类聚合物的资源循环示意图 聚乳酸( p l a ) 以玉米淀粉等可再生资源为起始原料来生产的可生物降解高分子材料， 使用后可降解为乳酸，最终分解为二氧化碳和水，是近二十年来国内外可生物降解高分子 材料的研究热点。聚乳酸的合成与应用是一个来源于可再生资源、使用寿命结束后降解产 物回归自然、参与到生物质资源再生的过程中去的一个理想的生态循环( 如图1 所示) ，属 于自然界碳循环的一部分，是一种典型的绿色化学品。聚乳酸无毒，无刺激性，具有优良 的生物相容性、生物可吸收性、可生物降解性，同时还具有优良的物理、力学性能，并可 1 引言 采用传统的方法成型加工，在农业、包装材料、日常生活、服装和生物医用材料等领域都 具用良好的应用前景，因而聚乳酸成为近年来研究开发最活跃的可生物降解高分子材料【2 】。 我国目前能源供应日益紧张，“白色污染 日益严重，而另一方面，几乎所有的农业 原料( 例如甘蔗和玉米) 以及农业生产的废料都可以用来发酵制备乳酸，从而原料有充分的 保证，而且该技术非常成熟，因而，在我国大力发展聚乳酸产业有望同时解决合成高分子 材料面临的环境污染和资源短缺的问题，前景广阔，意义重大。 2 北京服装学院硕士论文 第一章文献综述弟一早义陬碌怂 1 1 聚乳酸的性质和结构及其历史 1 1 1 聚乳酸的历史 早在三十年代，美国著名的高分子化学专家c a r o t h e r s 就曾对p l a 做过研究，但由于 所得聚合物的分子量较低，用途不大。1 9 5 4 年，杜邦( d u p o n t ) 公司由丙交酯( l a ) 开环聚合 制得了相对较高分子量的聚乳酸，并于1 9 5 4 年申请请了专利【3 1 。1 9 6 6 年，k u l k a m i 等【4 】 报道了聚左旋乳酸手术缝合线的合成和生物降解性。1 9 7 6 年，y o l l e s 等【5 】贝报道了聚乳酸 可广泛用作药物控释体系的载体，1 9 8 7 年，l e e n s l a g 等采用四苯基锡为催化剂，制备出高 相对分子量的聚乳酸，其力学性能有了很大改善。聚乳酸在人体内的降解性和降解产物的 高度安全性相继得到确认，其作为一种新型可生物降解的医用高分子材料的研究开始显示 出广阔的前景。近年来，研究主要集中在制备超高相对分子质量p l a ，制备具有特定组成 和结构、降解速度可控的p l a 及共聚物，致力于发现高效无毒的催化剂，以及在抗癌化疗 用药、多肽、疫苗制剂的应用。目前已经实现工业化的聚乳酸材料有缝合线纤维、骨折内 固定材料、组织缺损修补材料和药物缓释性载体。 1 1 2 聚乳酸的结构和性能 聚乳酸( p l a ) 分子结构式如图2 所示： o n , o - - c ir i - 岂桕 c i - 1 3 图2 聚乳酸结构 属于热塑性脂肪族聚酯树脂5 1 。p l a 是由乳酸在适当条件下脱水缩合而成，常温下为白色 粉状固体，玻璃化温度为5 0 6 0 。c ，熔点为1 7 0 - 1 8 0 。0 ，密度约1 2 5 9 c m 3 ，p l a 具有良好 的生物降解性、兼容性及可吸收性。p l a 的结构是乳酸单体的重复结构，乳酸分子中有一 个不对称的碳原子，具有左旋性的称为l 乳酸，右旋性的称为d 乳酸，若将这两者等量 混合，就得到外消旋乳酸( d ，l 乳酸) 【6 1 。l 乳酸和d 乳酸的结构如图3 所示： 第一章文献综述 严p 聃o 舶醛、o h b - i , a d i c 曩c i d l - l a a i el e i d 图3 乳酸的立体结构 由于乳酸具有旋光活性，因此p l a 也存在聚d 乳酸( p d l a ) ，聚l 乳酸( p l l a ) 和聚d ， l 乳酸( p d l l a ) 等几种旋光异构体。p l l a 是与p e t 性能相近的热塑性结晶高分子，性脆， 抗冲击性差。无定形的p d l l a 力学强度明显低于p l l a 。用增强工艺制备的直径为3 2 r a m 的p u a 和p d l l a 棒材的最大初始弯曲强度分别是2 7 0 m p a 和1 4 0 m p a ，前者几乎是后者 的2 倍【7 引。p l a 性质如表l 所示。 表1p l a 的基本性质 性能pd-la p - l - l a p ( d ，l ) 一l a 溶解性均可溶于二烷、乙腈、氯仿、二氯甲烷等，但p ( d ， l ) l a 溶 解性更好，均不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等。 固体结构 熔点 玻璃化温度 热分解温度 拉伸率 断裂强度( g d ) 水解性( 3 7 生理盐 水中的强度减半时 间) 结晶性 1 8 0 2 3 0 2 0 一3 0 4 0 5 o 4 6 个月 半结晶性 1 7 肚1 8 0 5 6 2 3 0 2 0 k 3 0 5 0 6 o 4 6 个月 无定形 5 0 k 6 0 2 0 5 2 3 0 2 - 3 个月 1 1 3p l a 的成型加工 p l a 是热塑性聚酯，其热塑性和p e t 相似，可采用传统的成型加工方法进行加工。因 为p l l a 的熔点在1 7 0 以上，其熔融温度和热分解起始温度比较接近，故n t 时应严格 控制成型温度。在p l l a 的分子链中，含有有序排列的光学活性中心，其结晶性和刚性都 比较高，因此在制备纤维和薄膜时，可用定向拉伸的办法增强其强度。通过双向拉伸成型 的薄膜，其透光率高达9 4 以上，抗张强度是聚乙烯薄膜的数倍，弹性与p e t 薄膜相当。 4 北京服装学院硕士论文 而且即使在1 0 0 。c 的温度下，其几何尺寸也不发生变化。此外p l l a 还可用真空成型法或 吹塑法加工成透明容器和泡沫体。 p l l a 的成型加工性优良，除了要注意控制水分外，别无特殊要求。因此，可以采用 挤出机制造薄膜、薄片、发泡制品、与其他材料的复合制品；采用注射成型制造各种成型 品，采用中空成型机制，通过纺丝加工成纤维，并且还容易真空成型、压力成型、制袋、 印刷等二次加工。 1 2 聚乳酸的应用 由于p l a 具有以上种种优良的性能，在纺织、医疗、农业、包装等领域有着日益广阔 的应用前景。早在1 9 6 6 年就发现聚左旋乳酸手术缝合线的合成和生物可降解性；1 9 7 6 年 发现p l a 可广泛用作药物控释体系的载体；1 9 8 0 年代以后，p l a 在人体内的降解性和降 解产物的高度安全性相继得到确认，并获得了美国f d a 认证，在生物医用领域可以作为 手术缝合线【9 1 和骨钉【1 0 l 等。此外，p l a 制品在农业、生洲1 、服装等领域也有着广阔的 应用前景。 1 2 1 包装及工农业中的应用 聚乳酸在包装上的应用是作为环境友好的完全生物降解性塑料可取代在塑料工业中 广泛应用的生物稳定的通用塑料。聚乳酸塑料对人体无毒无害，最适合加工成一次性饭盒 及其它各种食品、饮料的包装材料，也可用于休闲用品，如钓鱼、野外旅行用具等。聚乳 酸塑料还可用于生产仿棉纤维以及纺丝、纺丝纤维，也可与其它天然纤维混纺。这种聚乳 酸纤维织物抗皱性强、透气性好、穿着舒适。聚乳酸塑料在工农业生产领域应用广泛，由 于聚乳酸塑料韧性好，故适合加工成高附加值薄膜。这种薄膜在使用后可自动降解，不会 污染土地和水源。聚乳酸塑料还可用作林业木材、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。 1 2 2 生物医学应用 聚乳酸作为医用生物可吸收高分子材料是目前生物降解高分子材料最活跃的研究领 域，聚乳酸在生物医学上的应用表现在以下几个方面。 1 2 2 1 医用缝合线 通过熔融或溶液纺丝，聚乳酸可制成纤维，进而加工成缝合线材料，这种缝合线具有 一定的力学强度，既能满足缝孔强度要求，又能随伤口愈合而被机体缓慢分解吸收，无须 拆线，特别合适人体深部组织的伤口缝合。因而可以取代以前使用的聚丙烯、尼龙等不可 吸收线，在国内外已广泛应用。医用缝合线最早是从羊肠线入手，后来到胶原线，发展到 现在的聚乙交酯、聚乳酸及其共聚物、天然甲壳素缝合线等【1 3 。1 5 】。 气 第一章文献综述 1 2 2 2 药物控释载体 许多药物具有稳定性差、毒副作用大等特点，采用药物控释制剂可以有效地解决这个 问题。聚乳酸作为药物控释制剂的可蚀性基材载体，可以有效地拓宽给药途径，通过减少 给药次数和给药量，最大限度地减少药物对人体器官和组织特别是肝和肾的毒副作用。聚 乳酸的降解产物最终在体内代谢，对人体无不良反应。 目前聚乳酸及其共聚物类缓释制剂正式上市的产品有【1 6 】：促黄体激素释放激素l h r h 类药物、戈舍瑞林皮下植入剂( 商品名z o l a d e x ) 、亮丙瑞林肌肉注射混悬剂( 商品名e n a n t o n e 和l u p r o n ) 、皮下注射混悬剂( t a p 1 4 4 - s r ) 、促甲状腺激素释放激素t r h 类药物曲普瑞林 ( 商品名d e c a p e p t y l ) 、抗生素苯唑西林( 商品名p r o s t a ps r ) 等，t r h 类药物普罗瑞林的p l g a 缓释制剂在部分国家已上市，而我国从1 9 9 3 年起也有出售。部分制剂已处于临床观察阶 段，如l h r h 类药物布舍瑞林p l g a 皮下植入剂、那法瑞林p l g a 肌肉注射微球剂、炔诺 酮的p l g a 微球制剂等，不久也将上市。已经或正在研究的药物很多，主要是抗生素及抗 癌化疗用药、解热镇痛药、神经系统用药、激素及计划生育用药、多肤药物和疫苗等，都 处于实验室研究或动物试验阶段。 1 2 2 3 骨科内固定材料 这类器件主要有脊椎融合器、固定螺钉、铆钉、夹板和缝合线锚等【l7 】可吸收骨折内固 定螺钉及夹板是指在病人骨折时，用其将断裂骨骼连结，在骨折恢复期间起到暂时固定的 作用，而当骨折愈合后，其在体内逐步分解并被人体吸收。与传统的不锈钢等金属材料相 比，可吸收材料避免了取出螺钉的二次手术，减轻了病人的痛苦【l 引，节省了费用，同时其 刚性也与人体骨骼相近，从而不易产生金属材料与骨骼不匹配而造成的再次骨折。 早在1 9 7 7 年，k u l k a m i 在美国军方的资助下将开环聚合得到的p l a 制成棒状样品， 初始强度达4 2 5 1m p a ，并将2 m m 厚的p l a 片用于猴躁骨试验。g e t t e r 等将p l a 制成骨 板和骨钉应用于狗骨折固定。b o s t m a n 等5 年内用p l a 作骨科固定材料治疗了8 8 1 例不同 类型的骨折病人，在治疗同时与金属板钉比较，结果无明显差异。 概括起来聚乳酸可吸收骨科内固定主要有3 方面的进展：1 立体选择性合成p l l a 。 c l a e s 等用p l l a 作骨折内固定材料临床研究了5 7 位病人，被认为是最有希望的骨折内固 定材料。但近来报道p l l a 植人后三年，在缓慢降解的后期出现炎症和肿胀并发症，可能 是由于降解速度慢，长期存在的未降解部分产生副作用。2 高分子量p d l l a 的合成。中国 科学院成都有机化学研究所邓先模等将高分子量p d l l a 用于狗颧骨固定，治疗效果良好， 目前已有产品上市。3 增强技术的应用。用p g a 纤维、p l a 纤维、碳纤维、氢氧化铝、轻 6 北京服装学院硕士论文 基磷灰石、磷酸钙等增强p l a ，可大幅度提高固定材料的初始强度，具有相当的承载能力， 可与金属螺钉的强度相媲美。p a r t i o 等用自增强p l l a 固定5 1 例多处骨折患者，无一例失 败。此外，在骨科治疗中，将氨基青霉素置于骨固定物中，可预防感染发生：将骨生长因 子、骨生长调节蛋白置于固定物中，可对骨愈合产生有效调节作用。由于聚乳酸类可吸收 整形器件的优越性能，可以代替一部分力学性能要求不高的金属内固定器件，而整个治疗 的费用、时间和痛苦更少，因此具有广阔的市场前景【1 9 2 0 l 。 1 2 2 4p l a 在组织工程中的应用 组织工程是生物领域中迅速发展的新方向，其研究核心是应用生物学和工程学的原理 和方法研制具有生物活性的人工替代物来恢复、维持或提高组织和器官的功能。聚乳酸作 为组织工程支架材料，早期在其支架上培养组织细胞，随着组织和器官的逐渐长成，聚乳 酸缓慢降解并最终消失，目前包括软骨、皮肤、神经、血管和肝、腱等的研究已经取得了 可喜的进展【2 1 1 。 组织工程按方法可分为3 种：生物材料和活性细胞的混杂体系；纯生物材料体系； 纯活性细胞体系。其中，第一种方法最受重视，它成功的关键是理想的三维结构载体支架 的制备。作为支架材料的聚合物应当是无毒的、合适的生物降解性和良好的生物相容性以 及和某些具体细胞有一定相互作用的能力。这些生物材料制成的支架在结构上还应满足： 为细胞生长和输送营养所必需的孔结构；为支持和引导细胞生长所必需的足够的机械强度 和几何形状。另外，从基体中控释组织诱导因子、生长因子等对组织的生成也将是有益的。 p l a 及l a 和g a 的共聚物在本体性质上基本符合要求，工艺上也能制成包覆纤维或多孔 海绵体。用合成的这些高分子聚合物材料制备出的载体支架，已成功地制作出与机体组织 结构性能相近的各种形态的软骨，如关节软骨、颞下颌骨、耳朵形和窦鼻形软骨等【2 2 1 。 最近美国g e nz y m ec r o p 公司的软骨产品c a r - t i c e lt m 己获f d a 批准进入临床应用， 而r e p r o g e n e s i s 公司的软骨产品也进入三期临床试验。软骨是无血管、无神经、无淋巴分 布的组织，其特有的组织器官特异性及生物学特性不仅提供给组织工程化组织良好的研究 模型，而且其研究新成果必将促进其它组织和器官的组织工程是生物领域中迅速发展的新 方向，其研究核心是应用生物学和工程学的原理和方法研制具有生物活性的人工替代物来 恢复、维持或提高组织和器官的功能。聚乳酸作为组织工程支架材料，早期在其支架上培 养组织细胞，随着组织和器官的逐渐长成，聚乳酸缓慢降解并最终消失，目前包括软骨、 皮肤、神经、血管和肝、腱等的研究已经取得了可喜的进展f 2 3 1 。 7 第一章文献综述 1 2 3p l a 在纺织品方面的应用 聚乳酸纤维的物理性质和强度、拉伸率等品质指标与p e t 和p a 6 纤维也有较多相近之 处，几种纤维的基本性质如表2 所示。 p l a 纤维具有与涤纶相似的性能和真丝般的光泽，其吸湿和芯吸性都优于涤纶，因此 其织物的舒适性很好；它虽然不具阻燃性，但却具有低可燃性和低发烟量：它的弹性回复 和卷曲保持性很好，因此其织物具有很好的保形性和抗皱性，并且手感和悬垂性很好；它 的染色性能很好，可在常压下用分散染料沸染，并且具有良好的抗褪色和抗紫外线性。p l a 纤维可制成长丝、短纤、非织造布等多种产品。由于其良好的性能，被广泛用于医疗卫生、 服装( 内衣、运动衣) 、家具装饰布、人造草坪和地质工用纺织品等。特别是服装面料， 表2 几种纤维的基本性能 项目p l l a 长丝p e t 长丝p a 6 长丝 p ( g 锄。) 1 2 71 4 0 1 1 5 t m 1 7 52 6 52 2 2 t g 。c 5 86 95 0 t g p a0 4 0 o 5 50 4 4 , - - 0 6 10 3 6 0 5 0 沸水收缩率 8 1 58 1 58 1 5 染料种类分散分散 酸性 染色温度。c 1 0 01 3 01 0 0 由于p l a 纤维杨氏模量较低，其织物比较柔软，是一种优良的面料原料，并可加工成 短纤维、与棉、羊毛或黏胶等可分解性纤维混纺，不但耐用、吸湿性好，而且通过加工具 有优良的形态稳定性和抗皱性能。 1 2 4p l a 的发展方向 聚乳酸以其特殊的全生物降解性能以及良好的生物相容性，在医学领域不断拓宽应 用，引起了各个研究单位的重视。但其需要攻克的难题也很多，如研制无毒、高活性、反 应条件温和以及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；通过分子设 计合成具有不同组成和特定结构的聚乳酸及其共聚物；深入探讨聚合物的组成、结构与物 理机械性能、生物降解性能等问题；提高聚合物的强度及解决植入后期反应和并发症等方 面的问题；聚合物材料生产规模小，规格品种不全且价格昂贵的问题等，另外对药物释放 机制的稳定性、重复性的影响因素的研究仍有很大不足，要实现制剂工业化，生产出无菌 稳定且重复性好的合格产品，需要一套复杂的制造工艺，并非简单地采用实验室条件下的 工艺参数所能奏效。目前，肽类药物的聚乳酸及其共聚物缓释制剂己显示出优势，随着其 8 北京服装学院硕士论文 他多肽、蛋白、疫苗及基因药物的迅猛发展及特殊要求，聚乳酸及其共聚物在药物控释体 系中的应用面临良好的发展前景。 实际上，聚乳酸在包装领域的应用前景亦是无可限量的。首先，随着社会的进步，人 们生活节奏的加快，各类一次性包装用具的运用越来越广泛。困扰社会的白色污染问题越 来越严重，人们的环保意识也越来越强，政府对解决白色污染问题也越来越重视，而解决 这一问题的最有效的办法是用可降解材料代替现有的聚乙烯、聚丙烯等不可降解材料。聚 乳酸是一种完全生物降解材料，它降解后生成的乳酸、水和二氧化碳无污染，是理想的替 代材料。其次，目前大规模乳酸生产线的投产为聚乳酸包装用品的生产提供了良好的前提 条件，美、日、意、奥地利及瑞士等许多国家已禁止使用非降解塑料制品包装商品，无疑 会影响我国的外贸出口，这对我国该领域的研究会起到很大的促进作用。再次，现在食品 医药等包装容器中，以玻璃制品为主，而玻璃对环境造成的污染还没有引起人们足够的重 视，更没有开始玻璃降解方法的研究，如用可降解塑料容器替代玻璃容器，将具有运输轻 便、不易破损、不污染环境等优点。只要能研制出一种工艺简单、成本低廉的生产途径， 那么，聚乳酸完全生物降解包装用品将是未来世界的主流，其发展潜力将会十分巨大。 目前，聚乳酸的生产和应用已由起步阶段步入大力发展的新时期，生产主要集中在西 方发达国家。现在国际上出售的主要的聚乳酸产品见表3 【2 4 1 。 表3 世界上主要的聚乳酸产品 9 第一章文献综述 1 3 聚乳酸的合成方法 聚乳酸的合成方法主要有两种：( 1 ) 乳酸经缩合聚合直接得到聚乳酸，简称缩聚法；( 2 ) 乳酸经缩合聚合得到的乳酸低聚物分解成丙交酯，丙交酯经提纯后经开环聚合得到聚乳 酸，简称开环聚合法，如图4 所示。1 9 3 2 年，wh c a r o t h e r s 2 5 】采用直接缩聚即熔融缩聚 的方法首次合成了聚乳酸，但聚乳酸的分子量仅几千左右，力学性能差，实际用途不大。 2 0 世纪4 0 年代，f i l a c h i o n e 等【2 6 1 通过本体或溶液聚合方法直接利用乳酸的自酯化反应进行 了系统的探索，但分子量仍不足1 0 ，0 0 0 ，在材料方面没有应用价值。1 9 5 4 年，美国杜邦 公司采用先环化制备丙交酯除去副产物水、然后由丙交酯开环聚合的二步法( 见图4 ) 获得了 高分子量的聚乳酸。但当时人们对其性能认识不足，未能引起足够的注意。 1 4 纰- t t c c ；d x c 嗍厶 o h 书吖h c i - 1 3 图4 聚乳酸的合成方法 1 9 6 2 年，美国c y a n a m i d 公司发现用聚乳酸制作成的手术缝合线不会引起过敏，且具 有良好的生物相容性和生物可降解性；1 9 6 6 年k u a l k a m i 等【4 】报道了聚乳酸可作为手术植 入材料并能在人体内降解。此后，聚乳酸在人体内的降解性和高度安全性得到进一步确认， 应用研究逐渐扩展到药物缓释材料、体内植入材料等生物医用领域，而且人们发现聚乳酸 也具有通用塑料的性能。因此，聚乳酸分子量的提高，促进了聚乳酸应用领域的迅速扩大。 由于应用方面的拓展，在此后3 0 多年里聚乳酸合成的研究也日益活跃。由于聚乳酸 只有当其重均分子量大于7 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 时才具有较好的物理和力学性能，因此研究 几乎都集中于二步法上，并且重点在于丙交酯开环聚合中各种催化剂的研究。丙交酯开环 聚合二步法的不断完善，使聚乳酸的分子量明显提高，并在2 0 世纪9 0 年代聚乳酸开发形 l o 北京服装学院硕士论文 成热潮。但是，利用丙交酯的开环聚合合成聚乳酸，由于原料丙交酯生产和纯化的步骤冗 长，成本高，限制了聚乳酸的商品化生产，使聚乳酸的实际使用仅限于生物医学领域，而 无法满足当今世界对此类完全降解塑料的需求。 因此，早期曾经被研究过的、仅能获得低分子量聚乳酸的直接法因其过程简单、成 本低的优势又重新引起人们的注意，相继开发出溶液缩聚法、熔融缩聚法、熔融固相缩聚 法等新的乳酸缩聚方法，所得聚乳酸的分子量己可与开环聚合法相媲美，成为聚乳酸合成 研究的新热点。 1 3 1 开环聚合法 4 0 多年前，国外己有研究者由l a ( 丙交酯) 和g a ( 乙交酯) 开环聚合分别制得了高相对 分子质量的p l a ( 聚乳酸) 和p g a ( 聚乙醇酸) 。丙交酯开环聚合法是目前制备聚乳酸最常用 的方法。该方法分为两步，第一步，由乳酸脱水环化制得丙交酯；第二步，由精制的丙交 酯开环聚合制得相对分子质量较高的聚乳酸。此法可通过改变催化剂的种类和浓度，使所 得p l a 分子质量可高达7 0 万到1 0 0 万，机械强度高，适于用作医用材料。依据引发剂的 不同，l a 的开环聚合可分为阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合【2 7 1 。按照反应机理的不 同，可以将开环聚合法分成以下三类2 8 】： ( 1 ) 阳离子聚合 阳离子聚合采用的催化剂有质子酸、l e w i s 酸和烷基化试剂。 质子酸型主要有羧酸、f s 0 3 h 【2 9 1 、对甲苯磺酸等。其聚合机理一般理解为：催化剂中 h + 进攻单体环外的氧而生成氧豁离子，经烷氧键断裂，单分子开环，形成阳离子中间体酞 基正离子，以此为增长活性中心，再以阳离子聚合机理进行链增长。这类催化剂对开环聚 合有一定活性，一般需要在高温下进行本体聚合，且催化剂用量较大，产物的相对分子质 量亦不高。 l e w i s 酸型【3 0 1 主要有a i c l 3 ，f c c l 3 ， s n c l 2 等。此类催化剂的中心原子上有空轨道， 对丙交酯上的羰基有一定络合能力，因此对丙交酯的开环聚合有一定活性。但此类反应副 反应较多，产物相对分子质量低、反应温度较高、可控性差。此外，还有烷基化试剂如 c f 3 s 0 3 c h 3 等也可作为其阳离子开环聚合的催化剂。 阳离子聚合存在手性碳原子上的亲核取代，产物存在消旋现象，生成的聚乳酸物理和 机械性能较差，产物相对分子量不高。 ( 2 ) 阴离子聚合 丙交酯阴离子开环聚合的引发剂为强碱。如n a c 0 3 ，l i a i h 4 ， r o k ， r o l i 等，引 第一章文献综述 发机理为负离子亲核进攻丙交酯拨基，酞氧键断裂。l 丙交酯的阴离于开环聚合经常伴有 消旋现象，这主要是由于丙交酯环上叔碳原子脱质子所致。 此类反应的特点为活性高，反应速度快，既可进行本体聚合，也可进行溶液 聚合，但副反应极明显，不适宜制取高相对分子质量的p l l a 。 ( 3 ) 配位聚合 配位聚合也称配位一插入( c o o r d i n a t i o n - i n s e r t i o n ) 聚合，研究最深，应用最广。这类聚合 活性中心的活性相对较低，减少了分子间和分子内的酯交换，可防止聚合物相对分子质量 分布变宽。因此配位型引发剂己成为目前较为常用的引发剂类型，这类引发剂主要有锡盐 类催化剂、有机铝化合物型催化剂、稀土化合物类催化剂。 锡盐类催化剂包含大部分的锡盐，如辛酸亚锡、氯化亚锡、四氯化锡、氧化锡、乙酸 亚锡【3 1 】等，它们对丙交酯的开环聚合物有催化活性。由于辛酸亚锡( s n ( o c t ) 2 ) 无毒；且已通 过f d a 检验，被认为是丙交酯开环聚合应用最广、效率较高的催化剂之一，不仅活性高【3 2 】， 而且催化剂用量少，可制得高分子质量聚乳酸，缺点是只能进行高温本体聚合，且分子质 量最高时其转化率只有5 0 ，若要提高转化率，必须以降低分子质量为代价。 有机铝化合物催化剂【3 3 】是其中研究得较多的催化剂，如a i ( o e t ) 3 卟琳铝化合物等；此 类催化剂对内酯的开环聚合显示活性聚合特征，聚合物在低分子质量范围内( 1 0 0 0 0 ) 分子 质量分布比较窄，但随着聚合物分子质量的增加，易发生酯交换等副反应，分子质量分布 逐步变宽；因而难以制备高分子质量聚合物。 稀土化合物催化剂是近年来研究最为活跃的催化体系。这些催化剂具有活性高、反应 速度快等特点，同样可以制得高分子质量的聚乳酸，但是其制备及纯化较困难。我国的冯 新德、沈之廿【3 4 】等学者在聚乳酸及其共聚物合成的催化体系方面进行了大量的研究工作， 这类催化剂是由于稀土金属元素具有较强的络合能力，因而引发内酯的开环聚合反应一般 属于配位催化开环聚合。 就聚乳酸的合成而言，丙交酯的开环聚合，尤其是配位一插入开环聚合，能够控制聚合 物的分子量大小及分子量分布，是最佳的合成途径，但是该法的中间产物丙交酯产率低( 约 为3 0 4 0 ) 且需要多次重结晶提纯，导致目前高分子量聚乳酸的价格仍比较昂贵，难以与 通用塑料竞争，限制了聚乳酸的发展。 1 3 2 缩聚法 缩聚法是指乳酸脱水后进行缩聚以合成聚乳酸的方法，包括溶液缩聚、熔融缩聚、熔 融固相缩聚、超临界缩聚和酶催化缩聚等。在乳酸缩聚体系中存在着游离乳酸、水、聚合 1 2 北京服装学院硕士论文 物和丙交酯之间的复杂平衡，即脱水酯化水解平衡和成环链增长平衡，见图5 。在乳酸缩 聚过程中，随着反应程度的增加，体系粘度升高，小分子脱除困难，副反应加剧，因而不 易得到高分子量的聚乳酸，故c a r o t h e r s 3 5 】的早期研究中仅得到了分子量数千的聚乳酸。同 时，由于存在生成丙交酯副反应，熔融缩聚反应中随着反应程度的增加，聚乳酸产率持续 下降；由于存在变色、消旋化等副反应，使得聚乳酸的颜色变深，消旋化严重，影响产品 外观质量和内在品质。 要通过乳酸的缩聚反应获得高分子量、高质量的聚乳酸必须解决以下三个方面的问 题：( 1 ) 乳酸缩聚的平衡常数非常小，在热力学上来看，必然难以生成高分 o l l a 。七h l - l a c t i d e 图5 【广乳酸低聚物、聚乳酸和l 一丙交酯之间的 酯化水解平衡和环链平衡反应 子量的聚乳酸，必须从动力学控制的角度，有效地排出缩聚中生成的水，使反应平衡向生 成聚乳酸的方向移动；( 2 ) 抑制聚乳酸解聚生成丙交酯的副反应；( 3 ) 抑制变色、消旋化等副 反应。围绕这三个问题，众多研究者开展了广泛的研究，提出了许多新的缩聚新方法，主 要包括溶液缩聚法、熔融缩聚法、扩链法、超临界缩聚法、生物酶催化缩聚法和反应挤出 法等，分述如下。 1 3 2 1 溶液缩聚法 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的有机溶 剂与单体乳酸、水进行共沸回流除水，从而获得较高相对分了质量的聚乳酸。 1 9 9 5 年，a j i o k a 等【3 6 1 首次用溶液缩聚法得到了高分子量的p l l a 。他们认为从反应混 合物中除去缩聚中产生的水是获得高分子量聚乳酸的关键。因此，他们以锡化合物为催化 剂，在高真空的条件下，利用高沸点溶剂和水生成恒沸物将缩聚中产生的痕量水带出，有 力地促进了反应向正方向进行；同时，蒸出的溶剂( 含有水和丙交酯) 通过分子筛脱水后又 回流到反应系统中，有效地抑制了聚乳酸解聚生成丙交酯。在最优的条件下，获得了m w 。 h 第一章文献综述 高于3 0 0 ，0 0 0 的聚乳酸。 k i m 等【3 7 】采用苯、二氯甲烷、十氢萘、二苯醚等高沸点溶剂与水形成共沸物，将反应 生成的水从体系中不断带出，得到了为3 3 ，0 0 0 的聚乳酸。o t c r a 等【3 8 】利用d e a n s t a r k 装置，以十氢萘为溶剂，l 广乳酸o 0 1 ( 摩尔分数) 的l ，3 二取代四丁基二亚锡氧环为催化剂， 1 9 0 c 下反应2 4h ，得到聚乳酸的重均分子量( m w ) 为7 8 ，0 0 0 。同样条件下，以d 1 ，8 菇二烯为溶剂，1 7 0 。c ，反应2 4h ，聚乳酸的重均分子量为4 0 ，0 0 0 。他们认为催化剂表层 的丁基基团阻止了水向催化剂中心层具有重要催化作用的锡原子靠近，从而抑制了酯键断 裂的副反应，因此他们认为1 ，3 二取代四丁基二亚锡氧环为乳醉缩聚反应的高效催化剂。 a k u t s u 等【3 9 】以苯和二氯甲烷为带水剂及溶剂，室温反应2 4h 分别加入缩合试剂1 ，1 碳酞二咪哇( 1 ，l - c a r b o n y l d i i m i d a z o l e ) ，n ，n ，n ，n 一四甲基氯甲眯氯化按( n ，n ，n ， n t t e t r a r u n e t h y l c h l o r o f o r m c m m i d i n i u mc h l o r i d e ) ，n ，n 二环己基碳化二亚胺，4 二甲胺基 吡啶，n d i c y c l o h e x y l c a r b o d i i m i d e ) ，所得聚乳酸的分子量分别为6 7 0 、3 7 0 0 1 5 ，4 0 0 ，收 率分别为1 6 ，8 3 ，8 9 。 国内许多学者也开展了溶液缩聚法合成聚乳酸的研究。王征等【诎4 1 1 以二节醚为溶剂， 用聚合反应一共沸精馏祸合的方法合成了聚乳酸，但是m w 不足1 0 ，0 0 0 。秦志忠等 4 2 】先 将乳酸和溶剂二苯醚用分子筛进行脱水，然后加入锡粉和抗氧剂，采用低温低真空、中温 中真空和高温高真空的工艺路线获得了粘均分子量达2 4 0 ，0 0 0 的聚乳酸。严冰等【4 3 】以联 苯醚溶剂、锡粉为催化剂，在1 3 0 ，4 k p a 的条件下反应3 0 h 后得到了m w 为3 7 ，8 0 0 的聚乳酸。赵耀明等【4 4 】以联苯醚为溶剂，通过溶液直接聚合制得了粘均分子质量为4 万的 聚合物。他们还又通过熔融直接聚合法制得了粘均分子质量为1 0 ，1 0 0 的聚乳酸。刘文明 纠4 5 】用稀土氧化物y 2 0 3 直接催化合成聚乳酸，合成产物的粘均分子质量为8 5 7 0 。黎莉等 【删采用溶液共沸法直接缩聚制备p l a ，以二甲苯为溶剂，在氮气保护下反应3 5 h 得到重均 相对分子质量达6 6 ，0 0 0 的聚乳酸。溶液缩聚法较缓和，溶剂的加入降低了体系的粘度， 强化了传热，且有助于链段的移动，有利于加快反应速率和相对相对分子量的提高，能合 成出较高分子质量的聚乳酸。但聚合产品需要分离和精制，且包括溶剂的回收问题，使过 程较熔融缩聚复杂，增加了生产成本。由于溶液缩聚具有不少优点，也使其成为当前工业 上生产聚乳酸的主要方法之一。 1 3 2 2 熔融缩聚法 以乳酸为原料，直接加热进行缩聚反应，反应过程中反应体系始终处于熔融状态，生 成的低沸物，水等依靠真空排除【4 7 】聚合物分子量的大小取决于反应时间、反应温度和系统 1 4 北京服装学院硕士论文 的绝对压力。反应时间越长，反应温度越高，绝压越小，则分子量越高。但反应温度过高， 会导致聚合物降解，甚至炭化。一般情况下，熔融聚合反应的速度较慢，分子量较低。可 使用催化剂加速反应降低反应温度。因此研究的重点集中在催化剂的选择和反应条件的控 制上【4 8 1 。 该方法反应后期体系粘度大，反应水分难以脱除产品相对分子质量增加缓慢且不易控 制。但成本较低【4 9 1 。 h i l t u n e n 等【驯研究催化剂和反应条件对熔融缩聚合成低分子质量聚乳酸的影响，所用 催化剂有h 3 p 0 4 h 2 s 0 4 z n c l 2 s b 2 0 a 、乙酞丙酮铝、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、丁基 钦和异丙醇钦。结果表明，硫酸的催化效果最好，聚乳酸的结晶度达5 0 6 ，熔点1 6 4 。 随着反应温度升高，产物消旋化加剧。催化剂用量增加，聚乳酸的分子质量增大。聚乳酸 的玻璃化转变温度随分子质量的增大而升高。 m o o n 掣5 1 1 认为在l 乳酸聚合的初始阶段，l 乳酸及其低聚物含有端羟基和端羧基的 比例高，反应体系的极性大，随着反应的进行，羟基与羧基缩合为极性小的酯基团，导致 反应体系的极性减小，而反应体系极性的改变使得催化剂活性降低。他们以s n c l 2 2 h 2 0 为催化剂，研究热稳定性好挥发性低的质子酸硼酸、磷酸、对甲苯磺酸对反应的影响，发 现对甲苯磺酸的效果最好。对甲苯磺酸与s n c l 2 2 h 2 0 的用量为1 ：1 ( 质量比) ，1 8 0 ， 1 3 3 0 p a ，反应2 4 h 。添加对甲苯磺酸后，聚乳酸的颜色由黑色蜡状变为白色纤维状，重均 相对分子质量由4 ，0 0 0 升至1 0 0 ，0 0 0 ，结晶度也增大。 m a i 等【5 2 1 研究了催化体系及反应条件对l 乳酸熔融缩聚的影响，当用s n c l 2 为催化剂 时，最佳反应条件为：s n c l 2 用量o 5 ( 质量分数) ，1 8 0 。c ，1 0 h ，7 0 p a ，粘均相对分子质量 约1 1 ，0 0 0 。 汪朝阳 5 3 , 5 4 1 等使用添加量为0 5 的氯