（环境工程专业论文）微波辐射熔融缩聚合成聚乳酸及其共聚物研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 聚乳酸类材料有良好的生物降解性和生物可吸收性，且易于加工，是 一种理想的环境友好材料，具有广阔的开发前景。本文以l 乳酸( l l a c t i c a c i d ，l l a ) 单体为原料，引入微波辐射有机合成技术，研究了乳酸熔融缩 聚合成聚乳酸及其共聚物的工艺，系统考察了各种工艺条件对产物粘均分子 量及力学性能的影响，优化了工艺参数，得到最佳工艺条件。 在l 一乳酸脱水缩聚生成预聚乳酸( o l l a ) 的工艺研究中，使用辅助加 热介质，机械搅拌，采用分段控压的方法，考察了辅助加热介质、反应体系 真空度、微波功率和反应时间的影响，实验得到的最佳工艺条件是：微波功 率5 2 8 w ，4 0 9 辅助加热介质，机械搅拌，真空度为o 0 6 0 m p a 时反应 1 5 m i n ，将真空度调至o 0 9 5 m p a ，继续反应2 0 m i n ，可以得到粘均分子量约 为7 0 0 0 的o l l a 。 在o l l a 熔融缩聚生成聚乳酸均聚物的工艺研究中，考察了催化剂种 类和用量、催化剂配比、微波功率和反应时间的影响，实验得到的最佳工艺 条件是：微波功率5 2 8 w ，4 0 9 辅助加热介质，机械搅拌，采用复合催化剂 氯化亚锡对甲苯磺酸( 摩尔比为1 ：1 ) ，氯化亚锡的用量为 0 4 5 ( m m ) o l l a ，真空度为o 0 9 5 m p a ，反应时间为4 0 m i n ，聚乳酸产物的 分子量可以达到5 o l0 4 。 在l 乳酸与聚乙二醇( p e g ) 熔融缩聚合成聚乳酸聚乙二醇共聚物 ( p l e g ) 的工艺研究中，考察了催化剂种类、催化剂用量、反应时间、聚 乙二醇的分子量和加入量对共聚物性能的影响，实验得到的最佳工艺是：微 波功率5 2 8 w ，4 0 9 辅助加热介质，机械搅拌，催化剂为氯化亚锡，其用量 为o 4 5 ( m m ) 低聚物，真空度为o 0 9 5 m p a ，反应时间为4 0 m i n ，p e g 4 0 0 与l 乳酸的最佳摩尔比为1 ：3 0 0 。 采用傅立叶红外光谱分析( f t i r ) 和氢核磁共振分析( h n m r ) 对合 成的产物进行了结构表征，利用万能实验机对材料的力学性能进行测定，得 到良好的结果。微波辐射熔融缩聚合成聚乳酸及其聚乳酸一聚乙二醇的方 法，具有高效节能，操作简便等优点，是一种绿色环保的合成方法。 关键词微波辐射；聚乳酸；聚乳酸一聚乙二醇共聚物；熔融缩聚 堕玺鎏三些查耋三主要圭主竺鲨兰 a b s t r a c t t h e p o l y l a c t i ca c i d ( p l a ) i s ak i n do fm a t e r i a lf o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，w h i c hh a sg o o dq u a l i t i e sf o rb i o d e g r a d a t i o na n db i o a b s o r b a b i l i t y i t i sp r o n et op r o c e s sa n dh a saw i d ee x p l o i t u r ef o r e g r o u n d o nt h eb a s i so fl l a c t i c a c i d ( l - l a ) ，u n d e rm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ，t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g i e so fp l a a n di t s c o p o l y m e r st h r o u g hm e l t p o l y m e r i z a t i o nw e r er e v i e w e d t h et e c h n i c a l c o n d i t i o n sw h i c ha f f e c t s y n t h e s i s a n d p o l y m e r i z a t i o n w e r ed i s c u s s e d s y s t e m i c a l l ya n do p t i m i z e di n t h i s p a p e r t r a d i t i o n a lm e t h o da n dm i c r o w a v e i r r a d i a t i o nm e t h o dw e r ec o m p a r e d i nt h e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fo l l a ，u s ea s s i s t a n th e a t i n gm e d i u m ， m e c h a n i c a lm i xr o u n d ，t h e p r e s s w a sc o n t r o l l e d b ys t a g e s ，v a c u u md e g r e e ， m i c r o w a v ep o w e ra n dr e a c t i o nt i m ew e r er e v i e w e d t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o n t e c h n o l o g yw a sr e a c h e d ，t h em i c r o w a v ep o w e ri s5 2 8 w ：4 0 9a s s i s t a n th e a t i n g m e d i u m ，m e c h a n i c a lm i xr o u n d ，r e a c t s15 m i nu n d e ro 0 6 0 m p a , c o n t i n u et or e a c t 2 0 m i nu n d e ro 0 9 5 m p a t h em o l e c u l a rm a s so fo l l ar e a c h e dw a sa b o u t7 0 0 0 i nt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fp l af r o mo l l a t h ec a t a l y s tt y p e sa n d q u a l i t i e s ，t h em o l a r r a t i oo f m u l t i p l ec a t a l y s t ，m i c r o w a v ep o w e r a n dr e a c t i o nt i m e w e r er e v i e w e di nt h i sp a p e r t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw a s r e a c h e d ，t h e m i c r o w a v e p o w e r i s5 2 8 w ：4 0 9a s s i s t a n th e a t i n gm e d i u m ，m e c h a n i c a lm i xr o u n d ， t h ec a t a l y s ti ss n c l 2 2 h 2 0 t s a ( m o l a rr a t i oi s1 ：1 ) ，w h i c hq u a l i t yi so 4 5 ( m m ) o l l a ，t h er e a c t i o nt i m e i s 4 0 m i n ，t h ev a c u u md e g r e e i s0 0 9 5 m p a t h e m o l e c u l a rm a s so f p l ac a nr e a c h5 o x l 0 4 i nt h e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y o f p o l y - - l a c t i ca c i d - - p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p l e g ) f r o ml l aa n dp o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) ，t h ec a t a l y s tt y p e sa n dq u a l i t i e s ， r e a c t i o nt i m e ，t h ep e gm o l e c u l a rm a s sa n dq u a l i t i e sw e r er e v i e w e di nt h i sp a p e r t h e o p t i m a lp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw a sr e a c h e d ，t h em i c r o w a v ep o w e r i s5 2 8 w ， 4 0 9a s s i s t a n th e a t i n gm e d i u m ，m e c h a n i c a l m i x r o u n d ，t h ec a t a l y s ti ss n c l 2 2 h 2 0 ， w h i c hq u a l i t yi s 0 4 5 ( m m ) o l i g o m e r ，t h ev a c u u md e g r e e i s o 0 9 5 m p a ，t h e r e a c t i o nt i m ei s4 0 m i n t h eo p t i m a lm o l a rr m i oo fp e g 4 0 0t ol l ai s l ：3 0 0 i nt h ep a p e r , t h r o u g hf t i ra n d1 h - n m ra n a l y z e d t h es t r u c t u r e so fp l a a n di t sc o p o l y m e r sw e r ee x p r e s s e d ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e d ，g a i n e d 竺堡堡三些盔：三兰2 圭耋堡篁圣 a g o o d r e s u l t t h em i c r o w a v ei r r a d i a t i o nm e t h o do fp l a a n dp l e g t h r o u g h m e l t p o l y m e r i z a t i o nw o r k sh i g he f f i c i e n c y , o p e r a t e ds i m p l ya n dc o n v e n i e n t l y , w h i c h i sa ne n v i r o n m e n t f r i e n d l ys y n t h e s i z em e t h o d k e y w o r d sm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ；p o l y l a c t i c a c i d ( p l a ) ；p o l y - l a c t i c a c i d p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p l e g ) ；m e l t - p o l y m e r i z a t i o n - i i i - 堕玺鎏三些奎兰三耋翟圭耋堡篁三 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题为哈尔滨市科技攻关项目( 2 0 0 5 a a 4 c s l l 2 ) 。 1 2 课题研究的意义和目的 石油化工技术的进步，曾经为世界经济的飞速进展发挥了极其重要的作 用。人们在日常生活中均离不开石化产品一合成纤维、塑料器材和树脂包装薄 膜的存在，但由于石化合成产品的不可降解性，也给地球带来了严重的白色污 染。石油是不可再生资源，而且开采成本愈来愈高，其合成化学品的竞争优势 正在逐渐丧失i l 】。源自石油化工产品的传统塑料大多不可降解，对其处理采取 的一系列措施，像掩埋垃圾、焚烧发电，只能缓解环境污染。掩埋垃圾会占用 大量土地，并造成土壤劣化；焚烧处理易产生有害气体，造成二次污染。因 此，迫切需要大力开发以可再生资源为原料，易于回收和再利用的绿色塑料， 刁能从根本上解决污染问题。 现有的绿色高分子塑料按降解的方式分为三大类：光降解塑料、生物降解 塑料、光生物降解塑料。光降解塑料是较早的一代降解高分子，其缺点是降解 时间因日照和气候变化难以预测，无法控制降解时间。而且其降解后仍留有不 同长度的一c _ c _ 链，以塑料碎片的形式存在，这些碎片在自然环境中可稳定 存在数百年，因而其本质上是一种非完全降解的材料。生物降解塑料根据降解 过程不同又可分为完全生物降解型和生物崩解型。生物崩解型塑料主要是在聚 烯烃通用塑料中掺混入具有生物降解性的物质，能降解的仅是其中的生物质， 被填充的通用塑料只能崩解成碎片，需要3 0 0 5 0 0 年才能最后消失。这些聚烯 烃碎片在土壤中积累会使土壤严重劣化，因而遭到包括美国环保委员会在内的 许多专业部门和学者的一致反对【2 】。完全降解型塑料是指利用在微生物作用下 能完全分解成c 0 2 、h 2 0 或氨等的高分子材料，这是一种能完全纳入自然界物 质循环体系，对生态环境不造成任何危害的塑料材料，具有最理想的效果，是 人们追求的最终目标。 聚乳酸( p o l y 1 a c t i ca c i d ，p l a ) 是一种可完全生物降解、环境友好的脂肪 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 族聚酯类化合物，具有良好的可生物降解性、生物相容性和生物可吸收性，以 及较好的力学强度、弹性模量和热成型性等。其原料乳酸单体可以来源天然的 可再生资源淀粉发酵，对可持续发展具有重要意义。它在自然界中的微生 物、水、酸、碱等介质的作用下能完全分解成水和二氧化碳，对环境无毒无 害，是一种来源于自然界，使用后又回归自然界的环境友好材料。聚乳酸在体 内的代谢产物c 0 2 和h 2 0 由人体直接排出，无严重的急性组织反应及毒理反 应，安全性好并具有可控降解的特点，可用作骨折内固定材料、药物缓释剂、 神经套管、手术缝合线及各种人工脏器等，有效地解决了传统医药材料所不能 解决的问题，新的用途也不断地被开发，已成为医药领域中应用最广泛和最有 前景的高分子材料。此外，聚乳酸类塑料是与通用塑料物理机械性能相近的热 塑性高聚物，其加工性能良好，可以采用注射、挤出、拉伸、吹塑成形、熔融 纺丝法等不同方式加工，制成纤维、膜、棒、块、板等用于纺织、包装、一次 性容器等各种民用、工业应用和医疗特殊应用领域【3 1 。也可与通用塑料共混或 共聚，并且具有与烯烃类聚合物竞争的能力【4 ，可以替代聚苯乙烯、聚氯乙 烯、聚丙烯等，解决了废塑料公害问题。聚乳酸是一种绿色的高分子，它的研 究极具有医学意义和环境意义【5 】。 聚乳酸是种生物原料制品，换句话说，人类合成和利用聚乳酸是自然界 碳循环的一部分。因此，聚乳酸作为生物降解材料在全球范围内其研究日趋活 跃1 6 j 。但由于其制各工艺、生产成本的限制，在降解塑料领域起步较晚，应用 范围也基本局限在医用等特殊领域。目前，聚乳酸的合成方法主要有丙交酯开 环聚合法和乳酸直接缩聚法两种。前者工艺较易控制，产品分子量较高，但生 产流程冗长，产率低，聚乳酸成本高；后者工艺流程简单，合成成本较低，但 工艺控制严格，难以制备高分子量的产品。因此，本文期望在前人的基础 上，将微波辐射有机合成技术引入聚乳酸均聚物和共聚物的熔融缩聚合成工艺 中，探索出一条相对成熟的聚乳酸合成工艺，优化工艺条件，达到降低成本， 拓宽其使用范围的目的。 1 3 聚乳酸的研究现状 1 3 1 聚乳酸的理化性质 乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基两个官能团，具有相当的反应活性， 在适当条件下容易脱水缩合聚合生成聚乳酸。乳酸有两种旋光异构体即左旋 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( l l a ) 和右旋( d l a ) 乳酸，因此均聚物有3 种基本立体构型：聚左旋乳 酸( p l l a ) 、聚右旋乳酸( p d l a ) 、聚外消旋乳酸( p d l l a ) 。 其中p d l a 和p l 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，适合用于那些需要机械强度和韧性 的地方，如缝合线、肘钉和矫形器械等。p l l a 的熔融、溶液状态均可结晶， 结晶度6 0 左右，t 。和t 。分别为5 8 和2 1 5 口c 【“，p d l a 可结晶，t 。为 1 8 0 ，无玻璃态温度。p d l l a 无光学活性，是无定型非晶态，r 为5 8 ， 无熔融温度，适用于做药物载体。它们均可溶于二嗯烷、氯仿、二氯甲烷等， 不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等。其中，p d l l a 溶解性更好。 1 3 2 聚乳酸的合成方法 聚乳酸的制备方法按反应机理通常可以分为两大类：一类是间接法，即乳 酸单体聚合成相对分子量较低的聚乳酸，聚乳酸再裂解环化成丙交酯，丙交酯 进行开环聚合得到聚乳酸，该类方法一般称为丙交酯开环聚合法或二步法；另 一类是直接法，即以乳酸、乳酸酯和其他乳酸衍生物等为原料进行缩合聚合生 成聚乳酸，包括溶液聚合法、熔融聚合法、熔融固相聚合法和反应挤出法 等。 按加热方式可以分为传统加热法和微波辐射法。传统加热法通常采用电热 套或真空干燥箱提供反应所需能量，其反应时间较长；微波辐射法效率高，无 污染，节省能源，具有广阔的开发前景。 1 3 2 1 间接法( 丙交酯开环法或二步法) 此方法是先由乳酸合成丙交酯，再 由丙交酯开环聚合制备聚乳酸，其反应方程见式( i - 1 ) 。 由乳酸制备丙交酯的反应式如下： 丙交酯开环聚合制备聚乳酸的反应式如下 n - l a ) h 3 c 。v 人。o - 人夕。o 拶七一雕 m 堕查堡；：；些奎兰三兰堡圭兰竺鎏圭 开环聚合所用的催化剂不同，聚合机理也不同。目前主要有阳离子聚合、 阴离子聚合和配位聚合【8 1 。用于丙交酯开环聚合的阳离子有：质子酸、路易斯 酸、烷基化试剂等。有人认为阳离子开环聚合的催化机理与体系中的痕量水有 关。阴离子聚合为负离子亲核进攻丙交酯羰基，酰氧键断裂，引发剂为强碱 ( 如n a z c o ，r o l i 等) 。这类催化剂反应速度快，活性高，可进行本体或溶 液聚合，但副反应极为明显，不利于制备高分子量的聚合物。目前对配位插入 机理引发丙交酯开环聚合的催化体系研究得最多。其催化剂主要为过渡金属的 有机化合物和氧化物。s h w a c h 等 9 1 研究了锌和乳酸锌引发d ，l 丙交酯开环聚 合，分子量可达到1 0 万，但这类催化剂的活性不高。 1 3 2 2 直接缩聚法在脱水剂的存在下，乳酸分子中的羟基和羧基受热脱 水，直接缩聚合成低聚物，之后，加入催化剂，继续升温，低相对分子质量的 聚乳酸聚合成更高相对分子量的聚乳酸。它主要有溶液缩聚法、熔融缩聚( 本 体聚合) 法、熔融一固相缩聚法和反应挤出聚合法等。卡罗瑟斯曾探讨了乳 酸、聚乳酸、丙交酯之间的关系，认为乳酸直接缩聚生成聚乳酸的主要问题是 游离乳酸、水、低聚乳酸和丙交酯之间的平衡状态u ，反应副产物在粘性熔融 物中难以去除，使反应难以向正方向进行，所得聚合物相对分子质量一般较 低，且聚合温度高于1 8 0 ，通常导致产物带色。其反应过程如式( 1 - 2 ) 所 示。 n 。儿。、釜m 凡 h h o 、加 il 於。入c h 3 ( 1 - 2 ) 乳酸的直接缩聚酯化过程是按照酸催化反应进行的，反应包括羧基基团的 质子化，然后与羟基功能团反应生成酯键。如果不外加酸，乳酸自身可以作为 催化剂进行酯化反应。自催化聚合通常是三级反应，但也有二级反应，与羧基 浓度无关。聚合速率可以表示为： r i d c o o h d t = k c o o h 2 0 h 垂。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 乳酸缩聚合成聚乳酸的过程中，聚合链的扩展是通过单聚体、低聚体和多 聚体乳酸的羧基和羟基之间的酯化反应进行的。在相对较慢的速度下每个聚合 链的生长遵循c a r o t h e r s 关系式： x l _ 1 ( 1 一p ) 这里x 。是聚合度的平均值，即乳酸单体被缩聚成乳酸大分子的量度，p 是反应 的程度。要使得到的聚乳酸相对分子质量高，成膜或纤维的物理性质良好，反 应必须达到9 9 5 完成。这是不容易的，因为很难从很粘稠的熔融状态的聚乳 酸中除去水，此外，反应还会生成丙交酯，导致产物的分子量和产率下降。 ( 1 ) 溶液缩聚法即采用一种高沸点的溶剂和乳酸、水进行共沸，高沸 点溶剂脱水后再回流到溶液中，将反应中的水带出反应体系，促进反应正向进 行，合成聚乳酸。该方法虽然可以合成高分子量的聚乳酸，但是高沸点溶剂的 引入使产物的最后纯化比较困难，成本仍然较高。 据报道，o h t a 等u l j 用二苯醚等溶剂在高温下回流脱水，制得的聚乳酸分子 量可达1 0 万；a j i o k a - 等1 1 2 l 开发了连续共沸除水法直接聚合聚乳酸的工艺，分子 量高达3 0 万，使日本m i t s u it o a d s u 化学公司实现了聚乳酸的商品化生产。 1 9 9 3 年欧洲专利用二苯醚在高温下回流脱水可得相对分子质量1 0 万以上的聚乳 酸【1 3 j 。钟伟等【1 4 】以苯甲醚为溶剂带水，分子筛干燥后循环使用，常压下1 8 0 回流3 6h ，p l l a 的为2 6 万，使用l ，6 一己二异氰酸酯扩链后增加到1 4 2 万。 由此可见，溶液聚合易于获得相对分子质量较高的聚乳酸，而且对单体的 要求不高，有利于以外消旋乳酸为原料进行合成。但是，溶液聚合还有不足之 处：第一，由于使用溶剂，致使设备、装置复杂，不便于操作，且使成本增 加；第二，高沸点溶剂的使用给聚乳酸的纯化带来了困难，特别是残留的高沸 点溶剂气味，如果除不尽会影响聚乳酸的应用。因此，促使人们对不使用溶剂 的乳酸本体聚合予以关注。 ( 2 ) 熔融缩聚法即以乳酸单体为原料，直接缩聚合成聚乳酸。该方法 工艺路线简单，操作简单，要求高真空或者氮气保护。但是产物的分子量不 高，主要是因为反应后期由于体系的粘度较大，小分子水难以除去，因此有待 于进一步完善。2 0 0 0 年日本学者1 15 j 合成 缸超过1 0 万p l l a ，表明乳酸熔融 聚合可以获得高相对分子量的聚乳酸；k i n m u r a 等【16 j 采用二水合氯化亚锡和对 甲苯磺酸二元催化体系，分三步制备聚乳酸，分子量达到5 0 万。 熔融聚合比溶液聚合操作简单，免去了高沸点溶剂的提纯麻烦，是减少辅 助剂使用的最佳方法。它不仅对人类健康与环境污染方面具有巨大的优势，而 且有利于降低成本、提高安全性、提高产率、缩短反应时间，是绿色化学的重 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 要研究方向之- - 1 ”1 ，将是取代二步法合成聚乳酸的代表性方向。 ( 3 ) 熔融一固相缩聚法固相聚合是指在聚合温度低于预聚物的熔点而高 于其玻璃化转变温度进行的一种聚合方法。前人对固相缩聚产物的结晶度及熔 融行为分析发现，未经固相缩聚的熔融聚合物结晶度很低，分子量不高，可能 是反应体系长时间处于高温熔融状态下，体系中生成较多的乳酸低聚物以及丙 交酯等的缘故。当熔融聚合产物继续进行固相缩聚时，随结晶度的不断提高， 这些低分子物质以及大分子端基聚集在无定型区，可发生酯化反应，相互连 接，有利于反应向生成聚乳酸的方向进行，使分子链增长，这些加长的分子链 在晶区边缘集结结晶，又使聚合物结晶度增加，限制副反应的发生，促进残留 单体的转化率。 目前关于这方面的报道较少，赵耀明等 18 】以熔融聚合制得的m 。为5 0 0 0 的 聚乳酸为原料，进行变温固相聚合，分子量提高到反应前的5 3 倍。钱刚等【1 9 1 研究在真空密闭，存在脱水剂的条件下固相聚合，得到分子量达2 5 万的聚乳 酸。k i l t i h r a 等1 2 州采用本体熔融固相缩聚，得到相对分子量为2 6 6 万的聚合 物。宇恒星等【2 l j 通过固相聚合合成分子量为3 0 万的产物。 ( 4 ) 反应挤出法聚乳酸因其优良性能，以及原料乳酸可由农产品淀粉 肥料中得到而不污染环境，因此成为最具有前途的可生物降解材料。然而，要 得到高分子量的聚乳酸，直接缩聚法和丙交酯开环法流程太长，生产成本高， 不利于工业化。反应挤出法是一个经济和实用的聚合方法。反应挤出聚合相对 于其他聚合方法有几个突出的优点：成本低、速度快、聚合过程连续，所以对 反应挤出聚合的研究有特别的意义。m i y o s h i 等【2 2 】用间歇式搅拌反应器和双螺 杆挤出机组合，进行了连续的熔融聚合实验，结果成功地获得了分子量达1 5 万的聚乳酸。尤尼奇卡公司成功采用熔融挤出技术，由多构型乳酸聚合物生产 出绿色环保产品t e r r a m a c ，包括薄膜( 片) 、纤维和纺粘法非织造布等几大类 产品1 2 3 】。 ( 5 ) 其他方法由于丙交酯开环聚合的成本高，有些催化剂开环时容易 导致消旋化，因此人们在开发乳酸直接聚合的同时，也进行了其他方法的尝 试。杨凯等【2 4 1 采用熔融缩聚法合成一定分子量的聚乳酸，并用聚己内酯多元醇 ( p c l ) 的聚氨酯预聚体进行扩链，研究了扩链反应条件对产物分子量的影响 及产物的热性能，合成了具有良好热稳定性的产物。 另外，也有人利用超临界流体间接法来合成聚乳酸。超临界流体在聚乳酸 方面的研究尚处于起步阶段。d a v i d 【2 5 j 曾尝试将乙丙交酯在超临界二氧化碳中 共聚，得到了聚合物的m w 为3 0 2 万。总之，虽然这些尝试的效果并非理想， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 但它们给人们提供了新的思路，对于推动进一步的聚乳酸合成的创新性研究 仍具有启发意义。 1 3 3 聚乳酸的改性 随着聚乳酸应用领域的不断开拓，单独的乳酸均聚物已不能满足要求，特 别是在高分子药物控释释放体系中，要求不同药物的载体材料具有不同的降解 速度，同时要求进一步改进其冲击强度、渗透性和亲水性。而聚乳酸是一种疏 水性的高分子，对细胞的粘附性较差，缺乏柔性和弹性，从而限制了其在组织 工程等方面的应用1 2 “。由于聚乳酸良好的生物相容性和降解性以及降解产物的 矿化作用和可代谢性，可以利用共聚、共混、交联等进行改性，改善其性能， 推广应用。聚乳酸共聚的方法有直接缩聚法和丙交酯开环法。其聚合机理同乳 酸均聚物相同。 共聚改性，是指通过调节乳酸和其他单体的比例来改变聚合物的性能。根 据共聚物的相对分子质量及其共聚单体的种类和比例加以控制，改进聚合物的 冲击强度、渗透性和亲水性。近年来不断有聚乳酸与其他单体共聚改性方面的 研究报道【2 7 j 。 交联改性是指在交联剂的作用下，通过加入其他单体与聚乳酸发生交联反 应生成网状聚合物，从而改善其性能。p l a 用作骨固定材料时强度还不够高， 适度的交联可以提高其强度。交联剂通常是多官能团物质，针对不同的情况， 交联方式和交联程度都会有所不同。 共混改性是将两种以上的高分子聚合物进行一定的混合，以得到性能优良 的材料。由于聚乳酸的低活性，与其他聚合物共混时往往相容性差，共混改性 效果远不如共聚改性，因此研究不是很多。 在聚乳酸的共聚物中，比较多的属于聚酯聚酯共聚物，如乙交酯丙交酯 共聚物、丙交酯- 己内酯共聚物等，也有聚酯一聚醚型共聚物，已成功地合成出 的有聚乳酸聚乙二醇嵌段共聚物，聚乳酸一聚四亚甲基醚二醇嵌段共聚物等。 有关聚乳酸共聚物的合成和结构研究已有很多报道【2 8 】。熊成东等口卅设计合成了 以聚d ，l 乳酸为硬段、聚丙二醇或聚7 , - - 醇为软段的嵌段共聚物，通过调节亲 水链节与疏水链节的比例等因素来控制材料的生物医学性能与降解性能。汪朝 阳等【”4 z 】以乳酸和聚乙二醇1 0 0 0 ( p o l y e t h y l e n eg l y c o l1 0 0 0 ，p e g l 0 0 0 ) 为原料 合成生物降解材料聚乳酸聚乙二醇( p l e g ) ，其叮最高可达0 3 3 9 8 d l g ，并 发现p l e g 具有 l p d l l a 较好的亲水性能。宋谋道等【3 3 】研究聚乙二醇改性聚乳 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 酸时发现，p e g l a 共聚物是一种三嵌段结构h o p l a - p e g p l a - o h ，当p e g 含量增加时，强度下降，伸长率增加，共聚物逐渐由脆性向韧性转变，可用 p e g 改性p l a 来调控p l a 的性能。l i 等i j 4 j 分别对p l a 和p g a ( 聚羟基乙酸) 、 p c l ( 聚e 一己内酯) 的共聚物及均聚物的体内降解性质作了系统的研究，发现 可以通过调节l a 、g a 和c l 的比例来调节降解速度。 p e g 为最简单的低聚醚大分子，分子式为斗a 【2 - 卜吨，具有优良的生物 相容性和血液相容性、亲水性和柔软性，无毒，可通过肾脏排出体外，亦被广 泛用作生物材料，日益引起人们的重视。将p e g 引入聚乳酸链，得到p l e g ， 有利于增加材料的亲水性。葛建华等口5 l 在一定条件下制备丙交酯与p e g 的共聚 物，对产物进行f t i r 、1 h n m r 、d s c 和w 测试，结果表明，产物为p l a p e g - p l a 嵌段共聚物，与p l a 均聚物相比，结晶度明显降低，通过测试材料的 接触角，发现共聚后材料的亲水性得到明显改善。有人口”8 采用易于溶于水的 p e g 作大分子引发剂，与聚乳酸共聚，以改善材料的亲水性。目前，p l e g 主 要通过丙交酯与环氧乙烷【3 9 】、p e g 4 0 1 开环共聚合成。但丙交酯的成本高，使 p l e g 的成本很高，应用受到限制。因此，随着乳酸直接聚合法合成聚乳酸类 生物降解材料研究的不断深入，有必要采用l a 、p e g 直接合成p l e g ，以降低 成本。但是，关于用l a 直接缩合聚合法合成p l e g 的研究很少，仅有利用l a 先 直接缩合聚合生成聚乳酸衍生物、再在缩合剂的存在下与p e g 反应得到p l e g 的报道【4 ”。本文在乳酸熔融聚合研究的基础上，以l l a 、p e g 为原料，探索 了p l e g 的熔融缩聚工艺。结果表明，熔融聚合法直接合成p l e g 是可行的。 1 3 4 聚乳酸的应用 聚乳酸与传统的性能稳定的高分子材料( 如塑料、橡胶等) 不同，聚乳酸 材料在使用到一定时间后逐渐降解，并最终变成对人类、动植物和自然环境无 害的水和二氧化碳。聚乳酸作为完全可降解的高分子材料被称为“绿色塑 料”。 目前，美国卡其尔道公司年生产能力达1 0 3 t 以上，日本三井东辰化学公司 年生产能力达到1 0 0 0 t ，岛津制作所生产能力达到3 0 0 妇，美国c h r o n o p o l 公司建 有年生产能力为2 0 0 0 t 的生产装置【4 2 j 。南开大学采用丙交酯开环制得聚乳酸， 其分子量达到8 7 7 万，已经投入生产，实现工业化，并取得阶段性成果。2 0 0 0 年，美国c a r g i l l 公司和d o w 化学公司合资成立c a r g i l ld o w 聚合物公司，着手建 立世界上最大的年产3 0 亿磅聚乳酸的试验工厂h ”。国内，现有聚乳酸生产能力 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 约2 万讹，l 哥l 酸产量仅为1 0 0 0 t a 4 4 1 。据报道，2 0 0 4 年美 虱c o l l e g ef a r m 糖果公 司，开始在高速扭结包装设备中采用c d p 的p l a 作环境友好包装材料，生产效 率为1 3 0 0 块秒，其p l a 包装材料具有良好的透明性、扭结性和印刷性，优良的 阻隔性能保持糖果的香气【4 ”。 聚乳酸作为一种重要的绿色高分子，是绿色化学中目标产物绿色化的典型 代表。其应用主要表现在工业和农业领域和生物医学领域两个方面。 1 3 4 1 工业和农业领域的应用由于聚乳酸可以发生生物降解最终生成二氧 化碳和水，不会对环境形成污染，因此在生态学方面具有重要意义。 聚乳酸塑料是热塑性塑料，具有与聚乙烯和低密度聚苯乙烯相似的性能。 可以采用塑料的通用设备进行挤出、注射、拉伸、纺丝、吹塑等。聚乳酸塑料 对人体无毒无害，适合加工成一次性饭盒及各种食品、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 以及仿羊毛、仿丝绸纤维，也可与其他天然纤维混纺。这种聚乳酸纤维不仅有 高结晶性，还与聚酯、聚苯乙烯树脂具有同样的透明性，其织物抗皱性强，穿 着舒适。2 0 0 3 年上海华申公司以纯棉纱做经纱、玉米纤维长丝聚乳酸纤维作纬 纱，在进口片梭织机上开发试制成“玉米梭绢”等织物面料，已推向市场 4 “。 聚乳酸塑料在工农业领域应用广泛，由于聚乳酸塑料韧性好，故而适合加工成 高附加值的薄膜。聚乳酸还可用作纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容 器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。聚乳酸塑料还可 用作林业、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。如美国阿尔贡国立实验室 及c a r g i l l 公司已将聚乳酸用于制造一次性食品包装袋，农用药膜等。 1 3 4 2 生物医学领域的应用人类对医用高分子材料的需求日益增大，特别 是对用于人体内的高分子材料的要求愈渐苛刻，不仅要求材料具有良好的物化 性能，而且要求与人体组织有良好的相容性，有相当的机械强度和耐久性，可 经受各种消毒处理与良好的加工性能等。 目前可用的高分子材料有聚四氟乙烯、硅油、硅橡胶等数十种，但是从生 物医学的角度上看，这些材料还不算理想，在使用过程中多少都有些副作用， 而聚乳酸则是应运而生的一种新型医用高分子材料。聚乳酸具有良好的生物相 容性、无毒、可生物降解，降解产物乳酸可在生物体内参与代谢，不会在重要 器官聚集。同时，聚乳酸及其共聚物具有良好的物理化学性能，其强度、机械 性能、降解速率等可通过分子量控制、共聚体的组成及配比得以调节。而且成 品的形状可以制成微球、纤维、膜等模塑成品等。聚乳酸类材料除用于幼儿尿 布，妇女卫生用品外，还用于医用缝合线、药物缓释载体、骨科内固定材料以 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 及组织工程材料等。 ( 1 ) 医用缝合线通过熔融纺丝和溶液纺丝，聚乳酸可制成纤维缝合线 材料，这种缝合线具有一定的力学强度，既能满足缝合强度的要求，又能随伤 口愈合而被机体缓慢分解吸收，无需拆线，特别适合人体深部组织的伤口缝 合。 ( 2 ) 药物缓释载体一般高分子作为药物载体时，随着载体中药物含量 的减少，药物的释放速度变慢，无法保持药物的恒量释放。用生物降解性高分 子作药物载体时，随着高分子在体内的降解，药物载体的结构逐渐变得疏松， 使内含药物的溶解和扩散阻力减少，药物释放速度加快。当药物释放速度的加 快正好与含药量的减少所引起的释药速度变慢一致时，就实现了药物的长期恒 量释放。此外，用生物降解高分子作为载体的长效药物植入体内，在药物释放 完后，也不需要手术将其取出，可减少用药者的痛苦和麻烦。许多药物具有稳 定性差，毒副作用大等特点，采用药物控释剂可以有效解决这个问题。 聚乳酸作为药物控释剂的可蚀性基材载体，可以有效的拓宽给药途径，通 过减少给药次数和给药量，最大限度的减少药物对人体器官和组织特别是肝和 肾的毒副作用。高分子聚乳酸用作缓释药物制剂的载体可以有两种，一种是制 作药物胶囊，可以有效抑制吞噬细菌的作用，让药物定量持续释放以保持血药 浓度的相对平稳；另一种是作为囊膜材料用于药物酶制剂，生物制品微珠及微 珠的微型包覆膜，可有效控制药物剂量的平稳释放。 目前已商品化的聚乳酸及其共聚物类缓释制剂有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、亮丙瑞林肌肉注射混悬剂、促甲状腺激素 释放激素t r h 类药物曲普瑞林、抗生素苯唑西林等。已经或正在研究的药物很 多，主要有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、多肽药物和疫苗等。根据药物的性质、释放要求及给药途径，可制 成特定的药物剂型j 。 ( 3 ) 骨科内固定材料骨折和骨缺损疾病是骨科临床上的常见病，临床 治疗的内置物材料基本上是不锈钢和钛合金，但是不锈钢等的强度和韧性远大 于人体骨，而且其力学性能不能随骨的愈合过程动态地变化，出现了医学上的 “应力遮蔽”现象，导致骨折部位的骨质疏松和自身骨退化。同传统的金属固件 相比，聚乳酸类生物降解材料有两大优点：一是能降解吸收，避免了愈合后二 次手术；二是随着自身骨的愈合，可降解夹板的强度不断减弱，克服了应力遮 蔽，提高了自身骨修复效果。用p g a 纤维、p l a 纤维、碳纤维、氢氧化铝、羟 基磷灰石等增强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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 力，可与金属螺钉的强度相媲美。 羟基磷灰石是自然骨的结晶部分，约占人体骨总重量的7 0 9 0 ，人工合 成的羟基磷灰石在组成成分和结构上与自然骨组织钙盐一致，在生物特性方 面，也具有良好的生物相容性和骨传导性能，为新骨的形成提供生理支架作 用，与骨组织形成直接的骨性结合，具有比其它骨植入材料优越的特点。但羟 基磷灰石太脆，没有足够的强度和疲劳承受力，不能作为结构材料使用。将聚 乳酸和羟基磷灰石复合，各取所长，可以解决聚乳酸缺乏骨结合能力以及羟基 磷灰石没有作为承重骨固定材料的强度和硬度的问题。 武汉大学生物中心用m 。为5 0 万的聚乳酸与羟基磷灰石按一定比例混合， 再热压成型得到一种新型的聚乳酸羟基磷灰石复合材料，该材料的最高弯曲 强度为1 2 0 3 m p a 、剪切强度为8 4 5 m p a 、弹性模量为6 1 g p a 。研究表明，聚乳 酸羟基磷灰石复合材料用于骨折内固定件具有以下优点：该复合材料的力学 强度较聚乳酸有较大的提高，同时羟基磷灰石的加入降低了聚乳酸的降解速 度，延长了材料的保持时间，有利于骨折的愈合；该复合材料既有生物可吸收 性，又有生物活性，随着聚乳酸的逐渐降解吸收，羟基磷灰石逐渐溶解释放出 钙离子和磷酸银离子，参与新骨组织的形成；该复合材料植入早期可在x 光片 下显影，便于医生临床观察：该复合材料作为骨折内固定材料效果明显，实验 表明植入6 周后动物骨折已基本愈合，无关节积液和窦道形成，未出现迟发性 无菌性炎症，具有较强的骨结合能力。邓先模等 4 8 】将高分子量p d l l a 用于狗 骨固定，治疗效果良好。 1 4 微波技术的应用 微波是一种频率大约在3 0 0 m h z 3 0 0 g i - i z ( 即波长在l m 至l m m ) 范围内的 电磁波。目前，化学研究中通常采用2 4 5 0 m h z 的微波进行。这是因为有机化合 物中基团的旋转振动频率与此频率接近，所以微波辐射可以有选择的活化某些 基团，促进化学反应，将它应用到聚合反应中，给聚合反应研究提供了新的思 维方法 4 9 】。 微波化学作为一门研究在化学体系中微波场对化学反应的促进和改变作用 的学科，已成为目前迅速发展的前沿学科之一。微波技术应用在化学反应、化 学分析和环境保护等领域，并表现出节省能源和时间、简化操作程序、减少有 机溶剂的使用，提高反应速率和显著降低化学反应产生的废弃物对环境造成的 危害等优点。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 1 微波加热的机理 在通常情况下，物质分子做杂乱无章的运动，当微波作用到物质上时，微 波炉磁控管射出频率较高的微波，微波能量场做正负极性的高频变换，分子运 动由原来的杂乱无章运动变成有序的高频振动，可能产生电子极化、原子极 化、界面极化及偶极转向极化，其中偶极转向极化对物质的加热起主要作用。 极性电介质分子在无外电场作用时，宏观偶极矩为零。在微波场中，由于偶极 转向极化作用使得偶极矩不为零。物质分子偶极振动与微波振动具有相似的频 率，在快速振动的微波磁场中，分子偶极的振动往往滞后于磁场的振动，物质 分子吸收电磁能以每秒数十亿次的高速振动，由于介质损耗而产生了热能。此 种热量产生于介质内部，因此这种加热方式又称为“体加热”方式，也称为“无 温度梯度”的加热方式。 物质本身的介电特性决定着微波场对其作用的大小。极性分子的介电常数 较大，同微波有较强的耦合作用，非极性分子同微波不产生或只产生较弱的耦 合作用。在常见的物质中，金属导体因反射微波而用于屏蔽微波辐射；玻璃、 陶瓷等能透过微波，本身几乎不产生热效应，因而可用于反应器材料；大多数 有机化合物、极性无机盐及含水物质能很好的吸收微波，为微波介入化学反应 提供了可行性【5 0 】。 微波辐射作为一种高分子聚合方法，其聚合机理的研究报道很少。路建美 等1 5 l j 研究了微波辐射下单体均聚与共聚的反应机理，结果表明，微波辐射可以 引发共聚反应，且符合自由基机理，载体可以促进自由基的形成。 1 4 2 微波技术在有机化学反应方面的应用 自从1 9 8 6 年g e d y e 等发现微波可以促进有机化学反应以来，微波技术成功 应用于多种有机化学反应1 5 “。大量的实验结果表明，微波作用下的有机化学反 应的速率较传统的有机合成方法增加数倍，数十倍甚至上千倍，最大的可以提 高至u 1 2 4 0 倍。关于微波加速有机化学反应的原因，目前学术界有两种不同的观 点：一种观点认为，虽然微波是一种内加热，具有加热速度快、加热均匀、无 温度梯度、无滞后效应等特点，但是微波应用于化学反应仅仅是一种加热方 式，与传统的加热方式一样。对某个特定的反应而言