（材料加工工程专业论文）聚l乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究.pdf

- 、 ： f 舢 fy 17 4 0 2 7 聚l 一乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 摘要 聚乳酸( p l a ) 是一种在生物医用高分子材料领域有着重要地位的脂肪族聚 酯，它具有良好的生物相容性和生物可降解性，在药物控制释放体系、组织工程、 细胞培养和医用手术缝合线等方面有着广泛的应用。聚乙二醇( p e g ) 是一种具 有优良的生物相容性、亲水性、无毒性和非免疫原性等优点，常作为亲水性组分 引入到聚乳酸分子中形成两亲性嵌段共聚物。通过化学共聚方法可控制嵌段共聚 物的组成，调节共聚物的亲水性和降解速度，在选择性溶剂中可制备出具有核 壳结构的高分子微球。 本文首先以l 乳酸为原料，辛酸亚锡为催化剂，采用改进合成工艺，经缩聚 和解聚两步反应合成了l 丙交酯( l l a ) ，粗产率达8 1 2 ，浓度梯度法与交替溶 剂法相结合进行三次重结晶提高了精制l 丙交酯的总收率和纯度。然后分别以萘 钾和乙醇钾为引发剂，以不同的单体与引发剂摩尔比( m 】o 田o ) 的聚合体系引发 【广l a 开环聚合，分别得到了数均分子量( m n ) 最大为2 7 1 1 0 3 和3 6 5 1 0 3 的聚 l 乳酸且分子量分布较窄。在此分子量范围内，通过改变【m 】o i 】o ，能够有效的控 制聚l - - 孥l 酸的数均分子量。利用乳化溶剂挥发法，制备了可用于药物缓释体系 的聚l 乳酸微球。以萘钾和聚乙二醇为共引发剂引发l 丙交酯开环共聚，得到不 同嵌段含量的聚( l - - 孚l 酸) 聚乙二醇聚( l - 乳酸) - - 嵌段共聚物( p l l a p e g - p l l a ) ， 利用f t i r 和1 h - n m r 表征了三嵌段共聚物的结构。通过接触角和吸水率测试表 明了共聚物的亲水性是随着p e g 段重复单元与p l l a 段重复单元摩尔比( e 呲) 的增大而增强。差示扫描量热分析( d s c ) 和偏光显微镜( p o m ) 研究了共聚物的热性 能和结晶形貌，表明共聚物各段熔点比各自均聚物低且有一个玻璃化转变温度， 由于共聚物中e o l a 的不同，表现出某段的单独结晶或两段都不结晶。共聚物的 等温结晶形貌随嵌段含量不同而改变，不同温度下等温结晶时具有不同的晶体形 貌。共聚物在选择性溶剂中，可以通过自组装形成用于药物缓释体系的纳米微球。 因此，可通过调节嵌段共聚物中各嵌段比例，可以有效的改变聚合物的亲水性、 结晶性能及晶体形态，从而制备出合乎实际要求的生物医用材料，扩大聚乳酸材 料的应用范围。 关键词：l 丙交酯聚l 乳酸聚乙二醇阴离子开环聚合两亲性嵌段共聚物 s y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so f p o l y ( l l a c t i ca c r e ) a 全1 _ di t sa 加h 卫? h ，i cb l o c kc o p o i ，y r s a bs t r a c t p o l y ( 1 a e t i ca c i d ) ( p l a ) i si m p o r t a n ta l i p h a t i ep o l y e s t e ri nt h eb i o m e d i c a lp o l y m e r m a t e r i a l sf i e l d ，i th a s9 0 0 db i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o d e g r a d a b i l i t ya n daw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n ss u c ha sd r u gc o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m s ，t i s s u ee n g i n e e r i n g , c e l lc u l t u r e a n dm e d i c a ls u r g i c a ls u t u r el i n e s p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ( p e g ) i sa l le x c e l l e n t b i o e o m p a t i b l e ，h y d r o p h i l i gn o n - t o x i ca n dn o n - i m m u n o g e n i c i t yb i o m e d i c a lm a t e r i a l s ， i ti so f t e ni n t r o d u c e dt op o l y ( 1 a c t i ca c i d ) m o l e c u l e sa sah y d r o p h i l i ec o m p o n e n tt o f o r ma m p h i p h i l i eb l o c kc o p o l y m e rm a t e r i a l t h eb l o c kc o p o l y m e rc o m p o s i t i o nc a nb e c o n t r o l l e db yc o p o l y m e r i z a b l cm e t h o d st or e g u l a t ec o p o l y m e r sh y d r o p h i l i e i t ya n d d e g r a d a t i o nr a t e , i tc o u l db ep r e p a r e dw i t hc o r e - s h e l ls t r u c t u r ep o l y m e rm i c r o s p h e r e s i ns e l e c t i v es o l v e n t ss y s t e m i nt h i sp a p e r , l - l a c t i d ew a sp r e p a r e df r o ml a c t i ca c i d 、) l r i ms t a n n o u so e t o a t ea s c a t a l y s tb ym e a n so fc o n d e n s a t i o np o l y m e r i z a t i o na n dd e p o l y m e r i z a t i o nb yu s i n gt h e i m p r o v e ds y n t h e t i c a lt e c h n o l o g y , t h ec r u d ey i e l dc a nr e a c h81 2 ，p u r i f i c a t i o no f l a e t i d eb yr e e r y s t a l l i z a t i o nt h r e et i m e s 、玩t l lt h ec o m b i n e dm e t h o d so fa l t e r n a t i n g s o l v e n t sa n dc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t , b o t ht o t a ly i e l da n dt h ep u r i t yo ft h el - l a e t i d e w e r er a i s e d p l o y ( l - l a c t i ca c i d ) m i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db yu s i n ge m u l s i o n - s o l v e n t e v a p o r a t i o nm e t h o d t h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fb - l a c t i d ew i t hd i f f e r e n tm o l a r r i n g - o p e n i n ge o p o l y m e r i z a t i o n , u s m g m a c r o i n i t i a t o rw h i c hw a sm a d ef r o m p o t a s s i u m n a p h t h a l e n ea n dp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) t h es t r u c t u r e so ft h e s ec o p o l y m e r s w e , r ec h a r a c t e r i z e db yf t i ra n d1 h - n m r t h o rc o n t a c ta n g l ea n dw a t e ra b s o r p t i o n w e r et e s t e d ，i tw a gf o u n dt h a tt h eh y d r o p h i l i ce n h a n c e d 、) l ，i me o l ai n c r e a s i n g t h e r m a l p r o p e r t i e sa n dc r y s t a l l i n em o r p h o l o g yo ft r i b l o c kc o p o l y m e r sw e r es t u d i e db y m e a n so fd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n d p o l a r i z e do p t i a e a l m i e r o s c o p e ( p o m ) ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm e l t i n gp e a ko fe a c hb l o c kw o r el o w e rt h a n t h e i rh o m o p o l y m e r sa n do n l yo n et gw a so b s e r v e di ne a c he o p o l y m e r d e p e n d i n go n c o m p o s i t i o no ft h ee o p o l y m e r s ，o n l yo n eb l o c kc r y s t a l l i z e do rt w ob l o c k sd i d n t c r y s t a l l i z e t h ei s o t h e r m a lc r y s t a l l i z em o r p h o l o g yo fc o p o l y m e r c h a n g e da st h e b l o c k s c o n t e n ta l t e r i n g t h ec r y s t a l l i z em o r p h o l o g yc h a n g e dw i t ht h ei s o t h e r m a l c r y s t a l l i z et e m p e r a t u r e , e o p o l y m e r sn a n o p a r t i c l e sf o rd r u g - d e l i v e r ys y s t e mc a nb e f o r m e db ys e l f - a s s e m b l e di ns e l e c t i v es o l v e n t s ：。 t h e r e f o r e , t h eh y d r o p h i l i e i t y , t h e r m a lp r o p e r t i e sa n dc r y s t a l l i n em o r p h o l o g yo f t h e s et r i b l o c ke o p o l y m e rc o u l db ea v a i l a b l yi m p r o v e db ya d j u s t i n gt h ec o m p o s i t i o no f t r i b l o c ke o p o l y m e r s a v a i l a b l ep h a r m a c e u t i c a la n db i o m e d i c a lm a t e r i a l sc o u l db e g a i n e da c c o r d i n gt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n tw h i c he n l a r g e dt h ea p p l i c a t i o n so f t h ep l a m a t e a 1 k e y w o r d s ：l - l a c t i d e ；p o l y ( l - l a c t i d e ) ；p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ；a n i o n i c r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ；a m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r i 青岛科技大学研究生学位论文 目录 第一章文献综述1 前言1 1 1 聚乳酸1 1 1 1 聚乳酸的理化性质：1 1 1 2 合成聚乳酸的原料一乳酸和丙交酯3 1 1 3 乳酸合成丙交酯研究进展4 1 1 4 聚乳酸合成研究进展6 1 1 5 聚乳酸类共聚物1 0 1 1 6 聚乳酸的应用1 1 一1 2 聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物1 2 1 2 1 聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物概述1 2 1 2 2 聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物合成研究进展1 4 1 2 3 聚乳酸一聚乙二醇嵌段共聚物的应用1 5 1 3 两亲性嵌段共聚物1 6 1 3 1 两亲性嵌段共聚物1 6 1 3 2 两亲性嵌段共聚物的自组装1 7 1 4 课题意义1 9 1 5 课题来源与研究内容2 0 第二章l - 丙交酯的合成与纯化2 2 2 1 引言2 2 2 2l 一丙交酯的制备2 2 2 2 1 原料与试剂2 2 2 2 2 实验过程2 3 2 2 3l _ 丙交酯的提纯2 4 2 2 4 测试表征2 4 2 2 5 合成原理2 5 2 3 结果与讨论2 5 2 3 1 合成工艺优化，2 5 2 3 2 丙交酯产率的影响因素：2 6 聚l 乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 2 3 3l - 丙交酯的纯化3 0 2 3 4l - 丙交酯的红外光谱3 1 2 3 5l 一丙交酯的核磁氢谱3 2 2 4 本章小节3 3 第三章聚l _ 乳酸的合成及其微球制备3 4 3 1 引言3 4 3 2 实验部分。3 5 3 2 1 原料与试剂3 5 3 2 2 引发剂的制备3 5 3 2 3 聚l 一乳酸的合成3 6 3 2 4 聚l 一乳酸微球的制备3 6 3 2 5 聚l - 乳酸的测试表征3 6 3 3 结果与讨论3 7 3 3 1 聚合反应过程探讨3 7 3 3 2 聚l - - 孚l 酸的红外光谱4 l 3 3 3 聚l _ 乳酸的核磁氢谱4 2 3 3 4 聚l - - 孚l 酸的g p c 4 3 3 3 5 聚l - - 孚l 酸的热性能4 4 3 3 6 聚l - 乳酸微球4 6 3 4 本章小结4 7 第四章p l l a _ p e 争p l l a 两亲性三嵌段共聚物的合成及性能4 8 4 1 引言4 8 4 2 实验部分4 9 4 2 1 原料与试剂4 9 4 2 2 聚乙二醇钾的制备4 9 4 2 3p l l a - p e g p l l a 三嵌段共聚物的合成5 0 4 2 4 嵌段共聚物纳米微球的制备5 0 4 2 5 嵌段共聚物的测试表征5 0 4 3 嵌段共聚物的合成与表征5 l 4 3 1 嵌段共聚物的合成过程5 1 4 3 2 嵌段共聚物的红外光谱5 3 n 青岛科技大学研究生学位论文 4 3 3 嵌段共聚物的核磁氢谱5 5 4 3 4 嵌段共聚物的g p c 5 7 4 4 嵌段共聚物的性能研究5 7 4 4 1 嵌段共聚物的吸水率5 7 4 4 2 嵌段共聚物的接触角5 8 4 4 3 嵌段共聚物的热性能5 8 。4 4 嵌段共聚物的结晶形貌6 1 4 4 5 嵌段共聚物自组装成纳米微球6 5 4 5 本章小结6 8 结论6 9 参考文献7 l 致谢。7 8 攻读学位期间发表的学术论文目录7 9 独创性声明8 0 关于论文使用授权的说明8 0 青岛科技大学研究生学位论文 前言 第一章文献综述 生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体 组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。广泛用作药物控制释放材料、组 织工程材料、人体器官、仿生智能材料等，其用量呈持续上升的态势。近十年来， 随着生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料正以其特有的 生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的重视与研究。 聚乳酸( p l a ) 是一种在生物医用高分子材料领域有着重要地位的脂肪族聚 酯，具有良好的生物相容性和生物可降解性，可完全降解为二氧化碳和水，应用 研究范围广泛，在农业领域可与乙烯、淀粉等共混用作包装材料及农膜，在日用 领域可作化妆品的添加成分，但更多研究集中在药物控制释放体系、骨内固定物、 组织修复、细胞培养和医用手术缝合线等生物医学工程领域。 聚乳酸一聚乙二醇( p l a p e g ) 两亲性嵌段共聚物是一类很有研究价值与应用 前景的聚乳酸类共聚物高分子材料，兼备聚乙二醇的良好亲水性、无毒，残留易 于排除和聚乳酸的无毒无菌、良好生物相容性、生物可降解性及组织可吸收性等 优点，同时又赋予材料新的性能，其制备可通过调节共聚物组成大幅度地调控其 物理性质和降解性能，可以制成多种形式的载体，如微球、胶束及靶向制剂等。 目前已经在组织工程、药物载体和基因传输载体等研究方面显示出独特的作用。 因此，p l a p e g 两亲生物降解共聚物会在生物科学领域受到越来越多的重视，相 关研究层出不穷。 1 1 聚乳酸 1 1 1 聚乳酸的理化性质 聚乳酸( p o l yl a c t i ca c i d ) 又称聚丙交酯( p o l yl a c t i d e ) 是以玉米、小麦、甜菜等 含淀粉的农产品为原料，经发酵生成的乳酸，直接缩合或合成丙交酯后开环聚合 得到。其主链中含有酯键且不含杂原子，具有良好的生物可降解性。p l a 是一种 无毒、无刺激性、具有良好生物相容性、可生物分解吸收、强度高、可塑性好的 高分子材料。 聚乳酸有三种立体构型，即聚左旋乳酸( p u a ) 、聚右旋乳酸( p d l ，a ) ，聚消旋 乳( p d l l a ) ，分别由丙交酯或乳酸的左旋体( l l a ) 、右旋体( d l a ) 、消旋体 ( m e s o l a ) 聚合得到。 聚l 广乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 表1 - 1 聚乳酸的基本性质 t a b 1 1b a s i c a lc h a r a c t e ro fp o l y l a c t i d e 性能 p d l ap l l ap d l l a 溶解性均可溶于乙氰、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。 固体状态 熔点 玻璃化温度1 2 热分解温度 拉伸率 断裂强度 ( n m 2 ) 弹性模量g p a 结晶 1 8 0 2 0 0 2 0 3 0 4 o 5 o 半结晶 1 7 0 1 8 0 5 6 2 0 0 2 0 3 0 5 o 石0 无定形 2 1 72 1 6 表1 1 为p l a 的基本性质，其中p d l a 价格昂贵，不易得到，较为常用的为 p l l a 和p d l l a 。p l l a 的立构规整性较好，是热塑性结晶高聚物，在熔融、溶 液状态下均可结晶，其结晶度可达6 0 左右。 由等摩尔d 和l - 乳酸得到的消旋化的p d l l a 是一种非晶态结构，机械性能 较差。p l l a 、p d l a 分子序列中d 和l 单元的混合使得它们的热性能和机械性 能变得复杂。 p l a 具有以下优点：原材料来源充足，原料为玉米等可再生性资源，而无 需采用石油、木材等自然资源，对日渐枯竭的石油资源将起到保护作用和独特的 战略意义。能耗低，在p l a 的生产过程中，能耗明显低于p e t 、p a 、p a n 等 石油基树脂，只相当于后者的2 0 5 0 。优越的物理性能，在所有的生物可降解 聚合物中熔点最高，且结晶度大、透明度好，适用于吹塑、热塑、拉丝等各种加 工方法。可生物降解性，其最大的特点就是具有优越的生物可降解性。用p l a 替代普通塑料可解决当今困扰全世界的白色污染问题。生物相容性，p l a 也具 有优良的生物相容性，其降解物乳酸能参与人体代谢，可用作医用手术缝合线、 注射用胶囊、微球及埋植剂等。 然而，p l a 材料自身还存在一些缺陷：在生物医学方面应用时，p l a 表现出 亲水性差、易结晶、降解产物的酸性易引发炎症且没有功能侧基等缺点。同利用 石油和天然气制造的塑料比较起来，利用植物资源制造的p l a 塑料，成本较高， 2 6 5 乞 - o 5 5 8i 青岛科技大学研究生学位论文 而且在6 0 左右就会变形、较脆、抗冲击性较差，这些缺点限制了其应用范围。 1 1 2 合成聚乳酸的原料一乳酸和丙交酯 合成聚乳酸的原料主要有乳酸和它的环状二聚体丙交酯。 1 1 2 1 乳酸 乳酸( 1 a c t i ca c i d ) 又名2 羟基丙酸，是一种最简单的手性分子，以两种旋光异 构体存在，即l 乳酸和d 乳酸。外消旋乳酸含有相同数量的l 乳酸和d 乳酸( 如 图1 - 1 所示) 。 h 。一卜hh 一 l o n 图1 1 乳酸异构体结构 f i g 1 1s 虮l c t i l 他o ft h el a c t i ca c i d si s o m e r s d ，l - 乳酸，无色或淡黄色，无臭，有吸湿性，有酸味，相对密度1 2 4 9 2 ( 1 5 ) ，熔点1 8 ，沸点1 2 2 ( 2 0 0 0 p a ) ，8 2 8 5 ( 6 6 7 p a - 1 3 3 p ，折射率 ， 不溶于氯仿、二硫化碳、石油醚，溶于乙醇、水和丙酮。 a ) 1 4 3 9 2 【广乳酸，从乙醚和异丙醚中析出为无色晶体。熔点5 2 8 ，不溶于氯仿，微 溶于乙醚，溶于水、乙醇、丙酮和甘油。 d 乳酸，从乙酸和氯仿中析出为无色粉末状晶体，有吸湿性，熔点5 3 ，不 溶于氯仿，溶于水、乙醇。 1 2 2 2 丙交酯 丙交酯是由乳酸制得的环状二聚体，【广丙交酯和d 丙交酯可以分别由【广乳酸 和d 乳酸制取。m e s 0 丙交酯采用外消旋d ，l 乳酸制得，而外消旋d ，l - 丙交 酯是等摩尔的l 丙交酯和d 丙交酯的混合物，参见图1 2 。 3 聚【广乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 地c 厂玛h o 一h o 一玛 h 一弋广一hh 3 c 一弋c 一c h 3h 3 c 一弋广一h 纩一。纩一。纩一。 丙交酯开环聚合法给p l a 高聚体提供了一种潜在的可能性，即可根据最终产 品的性能要求裁剪、设计高聚物的分子结构。例如，通过控制停留时间、反应温 度、催化剂类型和单体起始浓度等，可以控制最终产品中d 乳酸与【广乳酸的比 例和排列顺序，从而赋予产品许多特殊的性质，如结晶度、熔点、机械强度等差 异。 1 1 3 乳酸合成丙交酯研究进展 聚乳酸是目前应用最为广泛的可降解材料之一，丙交酯是由乳酸制备聚乳酸 的中间体。乳酸合成丙交酯的过程主要分为两步：首先是乳酸分子间发生酯化反 应生成乳酸低聚物，低聚物再在较高的温度下裂解得到乳酸的环状二聚体丙交 酯，其反应过程如图1 3 所示。 嗵伽7 0 h d e h y d r a t i o n - - - - - o l i g o m c r s c a t a l y s t c a t a l y s t 以淑 图1 - 3 合成丙交酯的反应过程 f i g 1 - 3t h e r e a c t i o np r o c e s so f s y n t h e s i z i n gl a c t i d c 丙交酯在制备聚乳酸的生产中起着关键性的作用，其产率偏低是制约聚乳酸 大规模应用的关键。近几十年来，大量的科研工作者对丙交酯的合成进行了研究， 其产率一直是研究的焦点。为获得更高产率的丙交酯，主要应有针对性的解决以 下几个问题： ( 1 ) 控制合成过程中每一阶段的温度，寻找丙交酯高产率时的最优温度 其中包括脱水温度的控制和裂解温度的控制：乳酸脱水生成乳酸低聚物时， 4 青岛科技大学研究生学位论文 低聚物中的聚合度m 值是可变的，聚合程度对丙交酯产率有很大影响，平均分子 量在5 0 0 - - 2 0 0 0 低聚物适于热解制备丙交酯【1 1 。因此如何控制丙交酯的聚合度是 需要考虑的因素之一。 乳酸低聚物的高温裂解是制备丙交酯的关键步骤，般裂解温度控制在 2 2 0 - 、- 2 5 0 c ，过低的温度乳酸低聚物不易裂解，过高的温度会引起乳酸低聚物的 分解和碳化，同时升温过程也应尽可能迅速有效。李姝丹等【2 】以l 乳酸为原料 研究表明了收率最高的解聚温度在2 3 0 c 左右。 ( 2 ) 各个阶段反应时间的优化 1 ) 齐聚时间的影响 姚芳莲等【3 】以l - 乳酸为原料、s n c l 2 为催化剂研究了齐聚时间与丙交酯纯度 及收率的关系。研究表明保持8 h 以上的齐聚时间可以将丙交酯中乳酸含量降至 5 以下。 2 ) 解聚时间的影响 国内外对解聚反应时间对丙交酯收率的影响研究比较少，延长解聚反应时间 在一定程度上可以提高丙交酯的收率，但解聚反应时间过长，也会影响丙交酯的 收率【4 1 。李曹等【5 】以双金属固体超强酸s 0 4 2 - z n o s n 0 2 l a 3 + 为催化剂，在2 1 0 c 终 止温度下，考察反应时间对丙交酯收率的影响，当反应时间超过9 0 m i n 后，丙交 酯收率变化不大，而反应体系氧化严重，继续反应对提高收率无意义。 ( 3 ) 开发新型的催化剂以及合适的催化剂浓度，提高催化活性 新型催化剂既能有效缩短反应时间、降低反应温度，又能提高粗丙交酯的产 率。人们不断开发出新的更有活性的催化剂，从单一金属、金属氧化物到稀土金 属化合物和这些物质的盐类，再到稀土复合氧化物。 锌化合物廉价、易得、易贮存、对人体无害，因此锌及其化合物是制备丙交 酯的良好催化剂 0 3 。为寻找出活性更高的催化剂，贺璇等f 7 】除了选择z n o 、s n c h 、 s n s 0 4 、辛酸亚锡等作对比之外，还对它们之间二元复配作催化剂进行了实验。 表明单一使用z n o 、s n c l 2 、s n s 0 4 和辛酸亚锡等作催化剂丙交酯的收率较低，z n o 和辛酸亚锡复配作催化剂比单一使用收率高。这可能是由于z n o 的脱水效果好， 而辛酸亚锡的解聚性能好，两者同时使用在一定程度上提高了催化剂在丙交酯合 成中的催化活性。 ( 4 ) 改进合成工艺条件，提高产率 减压合成需要高真空设备，能耗大，热分解过程常伴随一些不明确的副产物 产生，且真空度不易控制。为了更安全地工业化生产，人们不断从工艺角度进行 探讨，b h a t i a 8 】等减压下向反应器中通入惰性气体，充分鼓动反应物，将生成的丙 交酯快速带出反应器，避免反应物氧化，但气流会带走部分产物。李南等【1 】选择 5 聚l 乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 了一种高沸点高级醇作为稀释剂，高级醇沸点较高，在短时间内不容易被蒸出， 避免了反应体系粘稠而导致的高温碳化，提高了产率。 ( 5 ) 提高丙交酯的纯度，寻找提高丙交酯纯度的新方法 粗丙交酯中含有少量水、乳酸、乳酸低聚物等，产物中除含有l 丙交酯外， 还含有d 丙交酯和m e s o 丙交酯，必须纯化。然而纯化后的丙交酯产率低，人们 先后从溶剂种类、用量、纯化工艺等方面作了大量研究，使用了醇、酮、醚、酯 以及酯苯、醇酯、醇烷烃等混合溶剂，仍未能使其收率有大幅度提高【9 】。 丙交酯产率低、生产成本高，因此合成丙交酯的收率是影响聚乳酸大规模生 产及降低生产成本的关键因素。相信随着丙交酯工艺的改进，催化活性的提高， 丙交酯成本有望大幅度降低，从而推动聚乳酸产业的发展。 1 1 4 聚乳酸合成研究进展 聚乳酸主要有两种制备方法：一种是“一步法，也就是直接缩聚法，发生 缩合脱水反应，直接生成聚乳酸。另一种是“二步法 ，即开环聚合法，以乳酸 为原料在催化剂作用下生成环状二聚体丙交酯，然后再在催化剂作用下开环聚合 成聚乳酸。 1 2 4 1 直接缩聚法 c h 3 c h c o o h l o h l a c t i ca c i d d e h y d r a t i o nc o n d e n s a t i o n ，罕m 、 c a t a l y s t h 七矗h c o 却i 磊 c h 3 h - o c h c o - - ) - o h + h 2 0 o l i g o m e r s c h t h - 矗矗。却h + h 2 0 o l i g o m e r s p o l y l a c t i d e 图1 4 直接缩聚法合成聚乳酸 f i g i _ 4d i r e c tp o l y c o n d e n s a t i o nt os y n t h e s i sp o l y l a c t i d e 直接缩聚法是以乳酸为原料，在高温、高真空和催化剂存在的条件下直接聚 合制备聚乳酸( 如图1 - 4 ) 。该法类似于聚酯的缩聚，为使反应顺利进行并使反应 平衡向聚合物生成方向移动，必须尽量脱出副产物小分子水，反应中微量的水份 都可能使产物相对分子质量大大减少。在聚合反应后期，水份的存在可能会使聚 合物降解生成丙交酯，从而限制相对分子质量的提高。因而，水份的脱出和降解 副反应的控制是直接法合成的关键。 6 青岛科技大学研究生学位论文 通常情况下，可以用扩链法来提高聚乳酸的分子量，主要是利用扩链剂的活 性基团与它们的端羧基或端羟基反应的原理。常用的扩链剂有二异氰酸酯、二酸 酐、恶唑啉、二价金属离子、氮丙啶衍生物、双环氧化物等。 1 2 4 2 开环聚合法 依照催化系统和反应条件的不同，主要有阴离子、阳离子以及配位聚合等反 应机理可用以解释其动力学、副反应以及聚合中的端基性质。 ( 1 ) 阴离子开环聚合 h 敢3 + r + 矗薹兰3 0 雷毛：3 0 - 土n n 嫩3 瞧。旦c 电 图1 5 丙交酯阴离子开环聚合引发机理 f i g 1 - 2t h et r i g g e r i n gm e c h a n i s mo f a n i o n i cr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f l a c f i d e 阴离子开环聚合的引发剂一般为强碱，主要有醇钠、醇钾、丁基锂、碱金属 烷氧化物等。阴离子开环聚合的特点是反应速度快，活性高，可进行溶液或本体 聚合，副反应明显，不利于制备高相对分子质量的聚合物。j e d h n s k i 等【l o 】以甲醇 钾为引发剂，四氢吠喃溶液中丙交酯的阴离子聚合，可以获得高收率且分子量较 高的聚乳酸，外消旋作用和酯交换反应得到有效抑制。k r i c h e l d o f f 等【i l 】研究发现， 以r o k 和r o l i 为催化剂时，由于r o k 碱性强，所得产物的相对分子质量低， 分布窄，而且有相当部分聚合物发生消旋，是典型的阴离子聚合；而r o l i 引发 的产物相对分子质量高，分布较宽且消旋很慢。因此，他推测该反应中伴随有配 位插入反应的发生。 ( 2 ) 阳离子开环聚合 1 ) 质子酸型。主要有羧酸、f s o 3 h 、对甲苯磺酸、c f 3 s 0 3 h 等。其聚合机 理一般理解为：催化剂中的矿进攻单体环外的氧而生成氧锚离子，经烷氧键断裂， 7 聚l 乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 单分子开环，形成阳离子中间体酰基正离子，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，催化剂用量较大，产物的分子量不高。 2 ) l e w i s 酸型。主要有趾c 1 3 、f e c l 3 、z n c l 2 、b f 3 、b b r 3 、t i b r 3 、t i b r 4 、 a i b r 3 、s n b r 4 、z n b r 2 、f e 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的活性。但是，副反 应较多，产物分子量低，可控性差，反应温度较高。 传统的聚合机理认为阳离子先与单体中氧原子作用生成鲶离子，经单体开环 ( 酞氧键断裂) 产生酸基正离子，然后单体再对这个增长中心进攻( 见图1 6 ) 。 h 3 c x c h i o 矽即c h o 咕叫 【! 一十旷一i l d 少o c h c h 3“o o c l h c 飓 h 3 c c h o h i 矿 n l a c t i d e 一p l a 图1 6l c w i 铭酸引发丙交酯的开环聚合机理 f i g 1 - 6m e c h a n i s mf o rt h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f l a c t i d ei n i t i a t e db yl e w i e sa c i d ( 3 ) 配位聚合 配位聚合也称配位插入聚合，催化剂主要有过渡金属有机化合物和氧化物。 过渡金属有机化合物主要有：金属烷基化合物：m r x ( m 为有p , d ，f 空轨道的金属， 如锌，镉，铝，锡等) ；醇盐：r o m ( m 为有p ，也f 空轨道的金属，如锌，铝锡等) 羧酸盐：r c o o m ( m 为有。p , d , f 空轨道的金属如锌，镉，铝，锡等) ；金属氧化 8 青岛科技大学研究生学位论文 物和卤化物：主要是锡和过渡金属。 辛酸亚锡是丙交酯开环聚合应用最广、效率较高的催化剂之一，具有单体高 转化率和产物低消旋化的优点。其引发机理被认为辛酸亚锡只是催化剂，真正的 引发剂是体系内的极少量杂质，例如微量的水或含轻基的化合物等【1 2 1 3 1 ，辛酸亚 锡催化丙交酯聚合机理如图1 7 所示： h o c t 2 s n 占一r hm em e o c t 2 s n 占占h c o o 占h c o o r o c t 2 s n o 图l - 7 辛酸亚锡催化丙交酯聚合机理 f i g 1 7m e c h a n i s mf o rt h er 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 ec a t a l y z e db ys t a n n o u so c t o a t e k r i e h e l d o r f 掣1 4 】还研究了锡、镁、锑、铅、和锗等金属氧化物引发丙交酯的 开环聚合。在不同的反应条件下，它们或多或少都会发生消旋和酯交换反应。锡 卤化物也能引发丙交酯开环聚合旧，但实际聚合机理尚有争论。四苯基锡作为催 化剂时，真正的引发本质还不清楚，有报道催化剂中的少量杂质或单体中的官能 团是引发剂或共催化剂【1 6 1 。 稀土催化剂对内酯的开环聚合研究也较为活跃，稀土金属元素具有较强的络 合能力，引发内酯的开环聚合反应属于配位催化开环聚合，反应速度较高，其机 理与烷氧基铝的催化机理相似。m c l a i n 等【1 7 】研究了烷氧基稀土化合物，如 y m e 3 c c ( o ) c h c ( o ) c m e 3 2 ( o c h m e 2 ) 等对内酯的开环聚合，具有活性聚合的特 征。f e i j e n 等【1 8 1 考察了烷基稀土化合物和稀土氢化物如( c 5 m e 5 ) 2 s m ( t h f ) x 、 s m m c 5 m e 5 h ( t h f ) 等对内酯的开环聚合，催化剂活性高，可制备高分子量聚合 物，且属于活性开环聚合。邓先模等【1 9 】研究了双金属稀土化合物、苯基稀土化合 物等对内酯的开环聚合，其反应速度快且活性高，能制备高分子量聚合物。 9 p墨卢田 r 。、 、疆l m 咄 广薯也 hi伊；o 聚【广乳酸及其两亲性嵌段共聚物的合成与性能研究 随着研究的进行，一些新型引发剂和开环方式也不断开发出来，如生物酶引 发开环的方法。开发无毒、易除去；能使产物分子量分布窄和高立体选择性；反 应高活性和高转化率的催化剂将是此类研究的一个重要方向发展。 1 1 5 聚乳酸类共聚物 随着聚乳酸应用领域的不断扩展，聚乳酸均聚物已不能满足人们的需要。因 此，人们开始将乳酸或丙交酯与其他单体共聚，调节共聚物的分子量、共聚单体 数目和种类来控制降解速度并改善结晶度、亲水性等，并能有效降低产品成本。 常用的改性方法主要有：共聚改性、交联改性、共混改性、复合改性等，其中最 常用和有效的方法是共聚改性。共聚改性是通过共聚反应将第二组分引入到p l a 分子中，从而提高柔性、降低结晶性、增强亲水性等性能。当第二组份中含有多 官能度时，还能将功能侧基带入p l a 的分子中。目前研究较多的是丙交酯与乙交 酯( g a ) 、聚乙二醇( p e g ) 、己内酯( c l ) 、吗啉2 ，5 二酮( 加) 及其衍生物 等的共聚。 ( 1 ) 聚乳酸聚乙酸醇共聚物 聚乙酸醇( p g a ) 是最简单的线性脂肪族聚酯，具有较高结晶度和熔点，在有 机溶剂中的溶解度较低。乙醇酸和乳酸共聚物也日益受到重视，得到广泛研究和 应用，如骨折固定、牙齿修复等。 ( 2 ) 聚乙二醇聚乳酸共聚物 聚乙二醇( p e g ) 是低聚醚大分子，具有优良的生物相容性、亲水性和柔软性。 p l a - p e g 的分子结构中具有亲水的p e g 链段和疏水的p l a 链段。通过改变共聚 物组成，可大幅度调节材料的亲疏水性能和降解融蚀速率。 ( 3 ) 聚乳酸聚三甲基碳酸酯共聚物 聚三甲基碳酸酯