（材料学专业论文）星形支化聚乳酸的合成与研究.pdf

北京化1 ：人学硕十论文 星形支化聚乳酸的合成与研究 摘要 聚乳酸( p l a ) 是具有可生物降解性和生物相容性的高分子材料，是 医学领域中最具吸引力的材料之一，同时也是一种具有广泛应用前景 的环保型高分子新材料。尤其是星形聚乳酸、星形嵌段聚乳酸、梳形 聚乳酸等具有奇特微观结构的聚合物往往都能表现出特别的宏观性 质。因此有必要研究和开发工序简单、溶解性能好、成本低廉而更有 实用价值的星形支化聚乳酸。 首先以乳酸为原料，以季戊四醇为支化剂，采用s n c l 2 2 h 2 0 t s a 复合催化剂合成了星形支化聚l 乳酸。结果表明，较适宜的熔融缩聚 工艺条件为：催化剂s n c l ：2 h 2 0 加入量为o 5 叭，l 乳酸与支化剂 季戊四醇( p e t ) 的摩尔比为1 5 0 0 ，聚合温度为1 8 0 ，在1 5 1 ( p a 聚 合1 2 小时，得到分子量为5 3 0 0 0 左右的星形聚l 乳酸。 研究了不同结构的聚乳酸的体外水解行为，结果表明星形聚l 乳 酸具有比较好的降解性能。 用差示扫描量热法( d s c ) 研究了星形聚l 乳酸的结晶和熔融行为。 d s c 研究结果发现，熔融缩聚制备出的星形聚l 哥l 酸热结晶时基本观 察不到结晶峰。经过等温热结晶处理后的星形聚l 乳酸再次升温扫描 时候出现了双熔融峰的现象，其中低熔融峰的峰值温度( 死( l ) ) 与等温 结晶温度的对数值成线性增长关系，而高熔融峰的峰值温度( 死( h ) ) 与 等温结晶温度基本无关。 t 北京化j i ：人学硕十论文 关键词：聚乳酸( p l l a ) ，星形聚合物，可生物降解，熔融缩聚，降解 性能 北京化j ：人学硕十论文 s y n t h e s i sa n d s t l l d i e s0 fs t a r - s h a p e dp l l a a b s t r a c t p o l y l a c t i d e ( p l a ) i sab i o d e g r a d a b l ea n db i o c o m p a t i b l ec r y s t a l l i n e p 0 1 y m e rw h i c hh a sr e s u l t a n te n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s 锄o n ga l ls y n t h e t i c p o l y m e r s 。e s p e c i a l l y ，t h e w e l l d e f i n e dm a c r o m o l e c u l a ra r c h i t e c t l l r es u c ha s s t a r - s h a p e dp l a ，s t a rb l o c kp l a a n dc o m b - l i k ep l aa t t r a c t e dc o n s i d e r a l b l e i n t e r e s td u et ot h e i rv a r i o u sm n c t i o n sa n dp r o p e r t i e sr e s u l t i n gf 而mt h e i r s p e c i a ls t l l j c t u r e s t h e r e f o r e ，i ti s r e a s o n a b l et om a k e 凡n h e re f r o r t st o i n v e s t i g a t es p e c i a ls t r u c t u r ep o l y l a c t i d e ，s u c ha ss t a 卜s h a p e dp l aw h i c h w i t hl o w e rh o l d i n gw a t e rp r i ) p e r t ya n dc o s t e 币c i e n tp r o c e s s i n g i nt h i s s t u d y ； t h e s t a l - s h a p e dp o l y( l l a c t i d e )( s p l i a ) w a s s y n t h e s i s e da n di t sp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d ，m em e l tp o l y c o n d e n s a t i o uo f 4 a n n ss t 扑s h a p e dp l l as ) ，n t h e s i z e db yt h ew e l l h o 、釉s n c l 2 。2 h 2 0 厂r s a a n dp e n t a e r y t h r i t o l ( p e t ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l d e g r a d a t i o n ， c 叫s t a l l i z a t i o na n dm e l t i n gb e h a v i o r so fr e s u l t i n gs t a r - s h a p e dp l l a h a d b e e ni n v e s t i g a t e d s t a r s h a p e dw i t hw e i g h t - a v e r a g em 0 1 e c u l a rw e i g h to f a b o u t5 3 0 0 0w a ss u c c e s s 如l l ys y n t h e s i z e dw i t ho 5 叭s n c l 2 2 h 2 0a t 1 8 0 a n du n d e r1 5 k p af o r1 2h o u r s t h eh y d r o l ”i cd e g r a d a t i o no fd i f r e r e n tk i n d so fp l l aw a ss t u d i e d w i t ha l m o s tt h es a m em o l e c u l a rw e i g h t s ，s t a 卜s h a p e dp l l ap o s s e s s e dt h e i i i 北京化：1 ：大学硕十论文 b e s td e g r a d a b i l i t y d i f r e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t 巧( d s c ) a n dp o l a r i z i n gm i c r o s c o p e w e r eu t i l i z e dt oc h a r a c t e r i z et h ec 叫s t a l l i z a t i o na n dm e l t i n gb e h a v i o r so f s t a 卜s h 印e dp l l a i nt h ed s cs t u d y ，i ti sf o u n dt h a ti nt h eh o ti s o t h e r m a lc 叫s t a l l i z a t i o n p r o c e s s ， t h ec u s t a l l i z a t i o np 醯k sw e r ev e r yw e a k w h e nt h es a m p leg o n e t h r o u g hh o tc 巧s t a l l i z a t i o nw e r er e h e a t e d ，n oc 叫s t a l l i z a t i o np e a kb u t d o u b l em e l t i n g p e a k ， al o w - t e m p e r a m r e m e l t i n gp e a k ( lp e a k ) a n d a h i g h t e m p e r a t u r em e l t i n gp e a k ( hp e a k ) ，w e r eo b s e r v e d t h elp e 狄 t e m p e r a t u r e ( ( l ) ) i n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hl o g a r i t h mo ft h ei s o t h e n n a l c 巧s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ew h i l et h ehp e a kt e m p e r a t u r e ( ( h ) ) k e p t c o n s t a n t k e yw o r d s ： p o l y ( l - l a c t i ca c i d ) ( p l l a ) ，s t a r - s h 印e dp o l y m e r ， b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r d i r e c tc o n d e n s a t i o n p 0 1 ) r r l l e r i z a t i o n ，d e g r a d a b i l i t y ， 北京化 ：人学硕十论文 符号说明 p l l a 聚l 乳酸 m w重均分子质量 m n数均分子质量 t s a对苯甲磺酸 s c c 0 2 超临界二氧化碳 t g 玻璃化转变温度 t c 一结晶温度 l p l l a线型聚l 乳酸 s p l l a星形支化聚l 乳酸 o l l a乳酸预聚物 叭质量百分比 m w d ：分子量分布 f t - i r ：傅立叶红外光谱分析 t g ：热重分析法 g p c ：凝胶渗透色谱 g p c u v ：凝胶渗透色谱紫外检测器连用 g p c m a l l s v i s r i ：凝胶渗透色谱多角激光散射仪在线粘度仪示差折光仪连 用 x 北京化工大学位论文原创性声明 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。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作品成果。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。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：查盘日期：翌垦：至：至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学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 化工大学。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 ，和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，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。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范闱，适用本授权 书。 作者签名： 导师签名： 鸯毳 日期：! ! ! 堑：三 e j 期：竺堕：! ：3 第一章绪论 1 1 概况 第一章绪论 聚乳酸由乳酸聚合得到。乳酸是一种光学活性分子，分子中含有一个手性碳 原子，因而乳酸有两种旋光对映体：左旋乳酸( 或称l ( + ) 乳酸) 和右旋乳酸( 或称 d ( ) 乳酸) ；等量的l 乳酸和d 乳酸混合，即为外消旋乳酸( d ，l 乳酸) 。其中 只有l 乳酸能够被人体吸收和利用。工业上通过玉米淀粉或葡萄糖、寡糖、多糖【2 1 通过细菌( 如德氏乳酸杆菌【3 4 1 、根霉菌5 1 、真菌【6 1 、酵母菌【7 1 、或其他细菌8 】) 发酵 来生产乳酸。 聚乳酸是聚l 一乳酸( p l l a ) 、聚d 乳酸( p d l a ) 和聚d ，l 巧l 酸( p d l l a ) 及其共聚物的统称。p d l l a 是无定型聚合物，降解较快，主要用于生物医用材料； 聚l 乳酸是半结晶性聚合物，力学性能好，降解慢，可广泛应用于前述的各个领 域，是更有发展自i 途的大宗高分子材料。自1 9 6 6 年k u a l k a m i 等一j 报道了聚乳酸可 作为手术植入材料并能在人体内降解以来，国内外广泛开展了聚乳酸的合成与应 用研究。聚乳酸无毒，无刺激性，具有优良的生物相容性、生物可吸收性和生物 可降解性【i o 】，还具有机械强度高、化学性能稳定和易加工等优剧，不仅可以作 为生物医学材料，用做药物缓释载体【眩。5 1 、外科植入材料( 如医用缝合线【。6 】、眼科 植入材料【1 7 1 引、骨折内固定材剃1 9 之o 】以及大面积创伤( 尤其烧伤) 的包扎材料) 以及 人工血管和组织工程支架( 如人造皮肤【2 1 也副) ，而且可以作为通用塑料用于工农业领 域，作为农用薄膜、沙漠绿化的保水材料、纤维、食品容器、生活垃圾袋、一次 性饭盒等【2 引。聚乳酸纤维强度高，对人体的亲和力好，手感柔软，日本已经有成 品服装面世【2 4 】。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1 1 。 表1 1 世界上主要的聚乳酸产品 1 r a b l e1 1m a j o rp l l ap r o d u c t si nf h ew o r l d 北京化j 1 ：人学硕十论文 1 2 聚乳酸的合成方法 聚乳酸的合成方法主要有两种k ) 。：( 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 经丌环聚合得到聚乳酸，简称丌环聚合法。1 9 3 2 年，w h c a r o t h e r s 【2 6 】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 n o e 等【2 7 j 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坏化制备丙交酯除去副产物水、 然后由丙交酯丌环聚合的二步法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 9 6 2 年，美国c y a n 锄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 锄n 等【9 j 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控释材料、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同益活跃。由于 聚乳酸只有当其重均分子质量大于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在二步法上，并且重点在于丙交酯丌环聚合中各种催化 剂的研究。丙交酯丌坏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 年代聚乳酸丌发形成热潮。但是，利用丙交酯的丌环聚合合成聚乳 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，使聚乳酸的实际应用仅限于生物医学领域，而无法满足当今世界寸此类完全 降解塑料的需求。 2 第一章绪论 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已经可与开环聚合法相 媲美，成为聚乳酸合成研究的新热点。 1 2 1 开环聚合法 从2 0 世纪7 0 年代到2 0 世纪未，研究者一直致力于丙交酯开环聚合的催化体 系和反应机理的研究。按照反应机理的不同，可以将开坏聚合法分成以下三类【z 研： ( 1 ) 阳离子聚合 用于丙交酯开环聚合的阳离子引发剂可分为三类：质子酸，如h c l 、h b r 、 r s 0 3 h 等；l e w i s 酸，如a l c l 3 、s n c l 2 等；烷基化试剂，如c f 3 s 0 3 c h 3 等。传统 的聚合机理认为阳离子先与单体中氧原子作用生成氧箱离子，经单体开环( 酰氧键 断裂) 产生酰基正离子，然后单体再对这个增长中心进攻。 ( 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 l h 4 、r o k 、r o “ 等，引发机理为负离子亲核进攻丙交酯基，酰氧键断裂。l 丙交酯的阴离子开坏 聚合经常伴有消旋现象，这主要是由于丙交酯坏上叔碳原子脱质子所致。 ( 3 ) 配位聚合 配位聚合也称配位插入( c o o r d i n a t i o n i n s e n i o n ) 聚合，研究最深，应用最广。 引发剂主要为过渡金属的有机化合物和氧化物。过渡金属的有机化合物可分为三 类：烷基( 或芳基) 金属，如z n e t 2 、a l e t 3 、格氏试剂等；烷氧基金属，如a 1 ( o p r ) 3 、 b u 2 s n ( 0 m e ) 2 等；羧酸盐，如辛酸亚锡、辛酸锌、硬酯酸锌、乳酸锌等。此外还有 过渡金属氧化物引发剂，包括z n o 、s b 2 0 3 、f e 2 0 3 等。 就聚乳酸的合成而言，丙交酯的开环聚合，尤其是配位插入开环聚合，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，但是该法的中问产 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 2 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、聚合物和丙交酯之问的复杂平衡，即脱水( 酯化) - 水解平衡和成环一 链增长平衡，见图1 1 。在乳酸缩聚过程中，随着反应程度的增加，体系粘度升高， 3 北京化工大学硕十论文 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，故而c a r o t h e r s 【2 9 】 的早期研究中仅得到了分子量数干的聚乳酸。同时，由于存在生成丙交酯等副反 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。 h 。七h 0 l l a o l i a c t i d e 图1 1l 乳酸低聚物、聚乳酸和l 丙交酯之间的酯化水解平衡和环链平衡反应 f i g 1 1e s t e r i f i c a t i o n h y d r 0 1 y s i se q u i l i b r i u ma n d n c h a i nf o m a t i o ne q u i l i b u ma m o n g o l l a p l l aa n dl - l a c t i d e 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 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、生物催化缩聚法和反应挤出法等。 1 2 2 1 溶液缩聚法 1 9 9 5 年，a j i k o a 等【3 0 】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f 方向进行；刚时，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，获得了重均分子质量高于3 0 0 0 0 0 的聚乳酸。 4 第一章绪论 k i m 等【3 i 】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，得到了数均分子质量( m n ) 为3 3 0 0 0 的聚乳 酸。o t e m 等【3 2 利用d e 锄s t a r k 装置，以十氢萘为溶剂，l 乳酸0 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 下反应2 4 h ，得到聚乳酸的重均 分子质量( m w ) 为7 8 0 0 0 。同样条件下，以d 1 ，8 萜二烯为溶剂，1 7 0 ，反应2 4 h ， 聚乳酸的重均分子质量为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l ，3 二取代四丁基二亚锡氧环为乳酸缩聚反应的高效催化剂。 溶液缩聚法虽然可以直接制得高分子量的聚乳酸，但是该工艺在制备的过程 中需要使用有机溶剂，需要溶剂的回收和分离工序，使得过程更复杂，设备投资 大，聚乳酸生产成本仍然较高，而且聚合物中残留的有机溶剂难以除尽，影响其 生物相容性和力学性能，限制了聚乳酸的应用范围。 1 2 2 2 熔融缩聚法 早期的乳酸熔融缩聚尽管不成功，但是溶液缩聚的成功和它使用溶剂带来的 问题，促使研究者在本世纪初重新将目光投向熔融缩聚。通过催化剂的选择和聚 合条件的优化，研究者对乳酸的熔融缩聚进行了改进，得到了m w 最高达1 0 0 0 0 0 的聚乳酸。m o o n 等【3 3 3 4 j 通过熔融缩聚得到了较高分子量的聚乳酸。他们认为，在 乳酸缩聚的初始阶段，体系中的羟基和羧基的含量较高，因此体系的极性较大； 随着反应的进行，羧基和羟基逐渐反应生成了极性较弱的酯键，体系的极性不断 减小。缩聚体系初始阶段强的极性会导致催化剂失活。因此，他们首先在无催化 剂的条件下制得聚合度约为8 的低聚物，然后在低聚物中加入催化剂 s n c l 2 2 h 2 0 ( 0 4 叭) 和对甲基苯磺酸( t s a 与s n c l 2 2 h 2 0 等摩尔) ，在1 8 0 、l 0 t o r r 的条件下反应1 5 h 得到了m w 大于1 0 0 0 0 0 的聚乳酸。加入共催化剂t s a 不仅可 以提高聚乳酸的分子量，而且有效的防止了聚乳酸的变色。他们m j 还考察了不同 烷氧基金属催化剂以及烷氧基会属和s n ( i i ) 催化体系对乳酸熔融缩聚分子量的影 响。使用单一的烷氧基金属a l ( o 。p r ) 3 、g e ( o e t ) 4 、t i ( 0 1 p r ) 4 、y ( o p r ) 3 和s i ( o e t ) 4 时，仅得到了较低分子量的聚乳酸。然而使用双催化体系时，得到了高分子量、 高结晶度的聚乳酸。他们认为s n c l 2 2 h 2 0 g e ( o e t ) 4 催化体系的效果是最好的。在 s n c l 2 2 h 2 0 o l l a = o 2 、v t 、s n c l 2 2 h 2 0 g e ( o e t ) 4 = 1 o 2 5 、l8 0 和1o t o r r 的条件 下反应l5 h 后，得到了m w 为7 5 0 0 0 的p l l a 。 至此，熔融缩聚法可以得到具有一定力学性能的高分子戢聚乳酸，而且工艺 简单，且避免了溶液缩聚中使用有机溶剂带来的问题，将会人大降低聚乳酸的生 产成本。f ! l 足，乳酸的熔融缩聚仍存在以下问题：( 1 ) 熔融缩聚要达到高的分子量 5 北京化工大学硕十论文 必须有足够长的反应时间，一般达2 0 一2 5 小时，长时间的高温熔融缩聚使得解聚反 应严重，生成的丙交酯被不断带出，使得聚乳酸的产率较低，文献报道最高仅6 0 左右【7 1 ；( 2 ) 长时间的高温熔融缩聚容易使聚合物的颜色变深，影响其外观质量和 透明性；( 3 ) 长时间的高温熔融缩聚使得聚乳酸的消旋化较为严重：( 4 ) 熔融缩聚得 到的聚乳酸的分子量仍不够高，难以满足应用的要求。 1 2 2 3 熔融固相缩聚法 为了克服熔融缩聚中存在的上述不足，m o o n 等首先丌展了聚乳酸的熔融固相 缩聚的研究。 m o o n 等【”】在无催化剂的条件下制得乳酸的低聚物，然后加入催化剂 s n c l 2 2 h 2 0 ( 0 4 叭) 和对甲基苯磺酸( t s a 与s n c l 2 2 h 2 0 等摩尔) ，在机械搅拌下加 热至1 8 0 ，并在1 h 内将压力逐步减至10 t o m 反应5 h 后冷却得到白色固体。将 固体切粒，在1 0 5 和真空的条件下预热1 2 h ，然后在1 5 0 、o 5 t o r r 的条件下固 相缩聚2 0 h 后，得到了分子量高达6 7 0 0 0 0 的聚乳酸。同时，p l l a 的产率达到9 0 以上，结晶度也得到了明显的提高，且有效地抑制了聚乳酸的消旋。 钱刚等【3 6 j 先以熔融缩聚法得到粘均分子质量为l o 0 0 0 2 0 0 0 0 的预聚物，然后 以c a o 为吸水剂，真空封管后在1 5 0 下进行固相缩聚。6 5 h 后，2 0 4 0 目的聚乳 酸粒子的粘均分子质量达到了2 5 0 0 0 0 。赵耀明等p7 j 先制得分子量为5 0 0 0 的p l l a ， 然后以s n c l 2 2 h 2 0 为催化剂，在6 0 p a 下进行变温固相缩聚( 先在1 3 5 下反应5 h ， 再在1 5 0 下反应1 0 h ) ，得到粘均分子质量为2 6 5 0 0 的p l l a ，分子量提高了5 3 倍。宇恒星等【3 8 j 研究了在连续通氮气的条件下的固相缩聚，得到了粘均分子质量 为2 6 0 0 0 左右的聚乳酸。 熔融固相缩聚是在聚合物的结晶温度以上、熔点以下进行的聚合物处于固相 状态下的缩聚。其反应机理为：在低分子量的聚乳酸预聚体( 切片、粉末等) 中，大 分子链部分被“冻结”形成结晶区，而官能团末端基、小分子单体及催化剂被排斥在 无定形区，可获得足够能量，如图1 2 所示。通过扩散，互相靠近，发生有效碰撞， 使聚合反应得以继续进行，借助真空或惰性气体将反应体系中的小分子产物带走， 使反应平衡向讵方向移动，促进预聚体分子量的进一步提高。当熔融产物进行固 相缩聚时，随着结晶度的不断提高，体系中的低分子物质( 催化剂、丙交酯) 以及大 分子端基( o h ，c o o h ) 都聚集在无定形区，可以发生进一步的两目化反应，有利于 反应向生成聚合物的方向进行，使得分子链继续增长，得到较一汀棚对分子质量的 产物。这些加长的分子链在品区与无定形区的边缘聚结，又使得聚合物的结晶度 增加。因此，预聚物的结晶度、结晶形态和固柙缩聚过程中聚乳酸的结晶度和结 晶形态的演变必将对同相缩聚产生很大的影响。 6 第一章绪论 熔融固相缩聚法不仅使p l l a 的分子量提高，同时p l l a 的产率也有很大的 提高。聚合物的色泽没有明显的变深，且热性能得以改善。因此，熔融固相缩聚 法成为目前比较有效的直接缩聚方法之一。但是在目前的研究中，并没有阐明固 相缩聚中的结晶度的调控及其对聚合反应的影响等重要问题。所以要想更好的控 制整个聚合反应，还需要更深一步的研究。 图1 2p l l a 同相缩聚示意图 f i g 1 2 s k e t c ho fs o l i d s t a t ep 0 1 y c o n d e n s a t i o no fp l l a 1 2 2 4 反应挤出强化的熔融缩聚 1 9 9 6 年，m i y o s h i 等【3 9 】报道了反应挤出强化的乳酸熔融缩聚，一步实现了聚 乳酸的合成与成型。他们先在间歇式反应釜中将l 乳酸聚合成重均分子质量为 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 的预聚物，在反应中由于抽真空时带走的乳酸和丙交酯通过回流装置 回流到系统中，有效地抑制了乳酸链端闭环生成丙交酯，使乳酸朝着链增长的方 向进行。然后进一步将乳酸预聚物在双螺杆挤出机中缩聚。挤出机经特殊设计， 料筒分为5 段，每段带有1 个抽真空回流装置，抽去水分，而将反应生成的丙交 酯或l 乳酸低聚物回流入料筒中。同时各段的温度也可以独立控制。由于双螺杆 挤出机的表面更新速度大大提高，从而使得聚乳酸的分子量也大大提高，最终聚 乳酸通过t 型头直接制成薄膜制品，一步实现了聚乳酸的聚合和成型。反应挤出 时的加料速率为3 2 0 3 7 5 k 蚰，转速为1 5 0 1 8 0 r p m ，停留时问为4 2 - 4 9 m i n 。在此 条件下聚乳酸的重均分子质量达1 0 0 2 5 0 1 5 3 9 0 0 ，拉伸强度15 5 2 5 7 m p a ，伸长率 3 3 - 4 0 。反应挤出法可一步实现p l l a 的聚合和成型，具千j 醍好的工业化前景。 7 北京化。1 ：人学硕十论文 挤出机的合理设计是其成功的关键，但同时应指出，该法实现大规模生产可能还 有较大的困难，主要在于产量难以提高、设备投资大。 1 2 2 5 超临界缩聚法 超临界技术是近年来发展起来的一门新技术。超临界二氧化碳( s c c 0 2 ) 不仅具 有一般超临界流体的优点，同时还具有超临界状态容易达到( 3 1 0 6 、7 3 8 a t m ) 、 无毒和便宜易得等优点，是聚合反应的优良介质】。虽然只有高含氟非结晶聚合 物和有机硅氧烷聚合物能溶解在s c c 0 2 中【4 ，但是s c c 0 2 几乎能溶胀所有聚合物 【4 2 1 。s c c 0 2 可以降低聚合物的玻璃化转变温度( t g ) 和结晶温度( t c ) ，使聚合物膨胀 【4 3 l 从而增加聚合物链的自由度和自由体积，降低熔融聚合物的粘度【4 4 1 ，增加小分 子在聚合物中的扩散系数( 可提高1 0 5 1 0 9 倍【4 习) ，使得缩聚中产生的小分子( 如苯酚 m 】) 更易于扩散到聚合物的外部而移去，从而使得缩聚反应朝聚合的方向进行，从 而提高聚合物的分子量。同时，超临界二氧化碳还可以明显提高聚合物的结晶度1 4 7 j 并萃取出聚合物中的微量杂质1 4 引。 2 0 0 4 年，s a t o s h i 等俐以d c c 和d m a p ( 结构如图1 3 所示) 为吸水剂，在8 0 、 3 5 0 0 p s i ( 2 4 1 3 m p a ) 的条件下聚合2 4 h ，对聚合度为8 的乳酸低聚物进行直接缩合聚 合，制得了分子量为1 3 5 0 0 的聚乳酸。他们研究发现，该法制得的聚合物分子量 分布比熔融固相缩聚中得到的聚乳酸的分子量分布窄，这主要得益于d c c 和 d m a p 吸收了超临界二氧化碳带出来的水，使得平衡向右移动。而且由于超临界 二氧化碳的增塑效应，使得单体能够更快的扩散到活性位点，进行反应。而且他 们还认为8 0 已经引起了聚乳酸的解聚，降低温度可能可以制得分子量更高的聚 乳酸。他们在反应中没有使用其他的催化剂，也没有使用有机溶剂，所以他们认 为该材料适合用于生物医学领域。 d n o 业d ； 喜村o n 。n d i c y c i o x y i c a r b 0 h d j l m i d e ( d c c ) ) n o n n 一d i c y c l o h e x y l u r e a ( d c u ) 4 一d i m e l h y l a m i n op y r j d j n e ( d m a p ) 图1 3d c c 、d m a p 以及d c u 的结构 f i g 1 3t h es t n l c t u r e so fd c c ，d m a p a n dd c u 8 第一章绪论 超临界缩聚是一种高压、高能耗的方法，且对设备要求高，从而将不可避免 的导致产品价格高昂。此外，由于水在s c c 0 2 中的溶解度非常低，从而在反应中 通常需另外添加吸水剂。这使得超临界技术除了生产高附加值的产品外，用于聚 乳酸的工业化可能会代价高昂。 1 2 2 6 酶催化缩聚法 生物酶催化乳酸缩聚不仅可以在温和的条件( 5 0 左右，常压) 下反应，而且避 免了催化剂污染产品的问题。 1 9 9 5 年，g u b i c z a 掣5 0 5 1 】首次报道了非水溶液中酶催化的乳酸缩合聚合，并 研究了酶的类型、溶剂、起始水浓度和反应温度等条件对反应的影响，还使用手 性高效液相色谱( c h i r a lh p l c ) 和m a l d i m s 分析了酶催化直接缩聚法制备的乳酸 低聚物。 2 0 0 3 年，s o n w a l k 一5 2 】等研究了有机溶剂中水解酶催化乳酸的直接缩合聚合。 他发现，非极性溶剂有利于缩聚反应的进行。在反应体系中加入硅胶之后，乳酸 的转化率有了很大的提高( 在氯仿中反应1 2 0 h 后，乳酸的转化率由4 8 4 提高到 9 3 2 ) 。而且酶的稳定性也得到了提高。有趣的是，作者在对比水解酶、水解酶和 胶、硅胶三种催化体的效果时发现，单独使用硅胶时的催化效果是最好的( 在氯仿 反应1 2 0 h 后，乳酸的转化率为9 9 5 ) ，得到乳酸缩聚物的分子量为2 0 0 0 左右。 反应体系中加入硅胶本来是为了脱除缩聚中生成的水，但是研究结果表明：在反 应体系中，硅胶必然还起了其他作用。作者认为这是由于硅胶表面含有很多羟基， 而且硅胶的酸性比较强，因此硅胶能催化乳酸缩聚。c a l s t i l o l 掣5 3 j 推测这是由于硅 胶为“极性物质的储存库”而使得水解酶免于被极性单体所覆盖。c h a r l e m a 印e 掣5 4 】 认为这是由于硅胶表面的羟基和聚合物形成氢键，从而使被吸附的聚合物的极性 降低聚合物和有机溶剂之间的相容性增加。 为了提高非水溶液聚合时酶的活性，o h y a 等【”j 尝试使用了聚乙二醇( p e g ) 改 性的酯化酶和水解酶来聚合包括乳酸在内的各种q 羟基酸。但是改性i j i 的酶与改 性后的酶相比，活性基本不变，甚至还有所降低。作者认为这是由于p e g 改性剂 的空问位阻引起的。d i s t e l 等1 5 6 j 不同意这一观点。他们认为，酶活性低主要是由于 酶在有机溶剂中的溶解度比较低而引起的。未改性的酶不溶于有机溶剂。因此 d i s t e l 等对该酶进行了改性，改性后的酶变得极易溶于各种有机溶剂中( 达4 4 l m g 蛋白质m l ) ，而且酶的活性很高。在四氢吠哺( t h f ) 溶液中，使用改性后的酶使反 应速率提高了2 2 倍。然而，p l a 的m w ， ： 有2 0 0 0 左右，与以i 订的研究结果相近。 因此，作者认为聚乳酸的分子量与酶的沂陀无关。 9 北京化1 ：人学硕十论文 目前，酶催化乳酸缩聚还处于起步阶段，所得乳酸聚合物的分子量还很低。 对催化机理的研究也不足，还存在许多不同的看法。如果在分子量上取得突破， 将是一种前景非常好的合成方法。 1 3 聚乳酸的改性 由于聚乳酸在性质上存在如下局限而限制了其实际应用：1 ) 聚乳酸中有大量 的酯键，为疏水性物质，降低了它的生物相容性；2 ) 降解周期难以控制；3 ) 聚 合所得产物的分子量分布过宽，聚乳酸本身为线型聚合物，聚乳酸具有较高的拉 伸强度、压缩模量，但质硬而韧性较差，缺乏柔性和弹性，极易弯曲变形；另外， 在实际应用中还有一些特殊的功能性需要。这都促使人们对聚乳酸材料的改性展 开深入的研究。目前国内外对聚乳酸的改性主要有共聚、共混以及制成复合材料 等几种方法。 1 3 1 以共聚法改性聚乳酸 为了控制聚乳酸的降解速度，同时满足其抗冲强度和亲水性，这使得人们丌 始将乳酸与其他单体共聚改性，以调节共聚物的分子量、共聚单体数目和种类来 使聚乳酸的性质得到改观。 由于在乳酸分子中含有羟基和羧基，生成的聚乳酸含有端羟基和端羧基，所 以在聚乳酸共聚物中比较多的是聚酯一聚酯共聚物、聚酯一聚醚共聚物以及和有 机酸、酸酐等反应生成的共聚物。 聚酯一聚酯共聚物是目前聚乳酸共聚物中最多的一种。人们将多种酯类和丙 交酯共聚制得了不同用途的产物，其中涉及的机理主要是将共聚单体制成环状化 合物再开环聚合生成不同单体间的交替共聚物。m i l l e r 等研究发现用乙醇酸生成乙 交酯( 酉y c o l i d e 简称g a ) 再和乳酸丌环聚合能使降解速率比均聚物提高1 0 倍以 上，并且可以通过改变组分的配比来调节共聚物的降解速度【57 。张艳红等采用低 聚d ，l 丙交酯与聚己内酯低聚物在2 ，4 一甲苯二异氰酸酯( t d i ) 作用下进行了 扩链反应，形成了具有一定强度和韧性的弹性体【弱】。沈正荣等合成了d l 3 甲基一 乙交酯并用辛酸亚锡为催化剂进行丌环聚合，生成了p l a 和p g a 的交替共聚物， 该共聚物结构舰整，组成固定，改善了p g a 均聚物不溶于一般有机溶剂的缺点【5 引。 1 9 9 5 年，w o o 【6 0 j 等利用六次甲基二异氰酸凸旨为扩链剂首次对聚乳酸进行扩链反应 并取得了成功，极大程度的解决了传统聚合方法中难以提高分子量的问题。 h a r k o n e n 【6 1 】等在制备过程中先用1 ，仁丁一：醇j j 乳酸生成两个端璀都是羟基的低 聚乳酸，再用六次甲基二异氰酸酯进行扩链反应，得到聚乳酸的相对分子量达 10 第一章绪论 5 7 0 0 0 。封端江等采用甲苯二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯及三官能团异氰酸 酯对聚乳酸进行扩链，产物分子量高达几十力【6 2 】。 聚醚一聚酯共聚物也是比较常见的聚乳酸共聚物。由于聚乳酸是疏水性材料， 而且不够柔软，缺乏弹性，在作为某些医用材料时往往不能满足要求，因此人们 将可水溶性的醚段和聚乳酸结合在一起生成了聚醚一聚酯共聚物，克服了这一缺 点【6 3 1 。邓先模等分别用氯化亚锡【删【6 5 1 、烷基铝复合催化剂【6 6 1 、大分子引发剂6 7 1 ， 制得了聚乙二醇与己内酯或丙交酯( l a ) 嵌段或多嵌段共聚物，并发现可以通过调 节疏水和亲水链段的组成来控制降解速度、亲疏水性以及相对分子量等。邓先模 制得的聚乙二醇( p e g ) 和l a 开环聚合生成的p e g p l a 共聚物具有亲水性和柔 软性，可用作药物控释体系中的表面活性剂、微球表面修饰剂。除了生成聚酯一 聚酯和聚酯一聚醚共聚物之外，聚乳酸还可与酸酐、葡萄糖、淀粉等共聚。 姚军燕等在聚乳酸( p l a ) 大分子链中引入氨基酸( 包括赖氨酸、天冬氨酸、半胱 氨酸等) 链段后，可获得含有氨基、羧基、羟基、巯基等反应活性基团的聚( 乳酸 氨基酸) 共聚物【6 8 1 ，共聚物在保持聚乳酸良好生物相容性的基础上，还具有反应活 性功能性、亲水亲脂两亲性、降解速度可控性。 1 3 2 聚乳酸接枝共聚物 淀粉和淀粉衍生物的脂肪族聚酯接枝共聚物是一类可完全生物降解的高分子 材料，对于这类聚合物材料的合成、性质和应用进行研究对于解决废弃塑料对自 然环境的污染具有重要的现实意义。由英刁【6 9 】等以淀粉为接枝骨架，d l 一丙交酯 为接枝单体，在无水“c l 存在下，合成了淀粉d l 丙交酯接枝共聚物。降解实验 表明该接枝共聚物能够被酸碱及微生物完全降解，防水实验表明该接枝共聚物具 有优良的防水性能。 1 3 3 含有部分交联结构的聚乳酸 以多官能团为引发剂或起始剂可以制备多臂和星形共聚物，常用的交联剂是 多官能度的酸酐或多异氰酸酯。t e v s s i e 【7 0 】等以含烯基的有机铝化合物，问苯三酚 铝盐作为引发剂引发丙交酯开坏聚合，制得了三臂共聚物。朱康杰【7 l j 等以三乙醇 胺，季戊四醇作为起始剂与丙交酯分别合成了三臂、四臂共聚物。 马建华等以l 一乳酸和季戊四醇为原料，采用缩聚法合成了星形结构的聚l 乳 酸( s p l l a ) 改善了聚乳酸的脆性、降解速度、亲水性等1 7 2 1 。 1 3 4 以共混法改性的聚乳酸 北京化：f 人学硕十论文 共混可以改善聚乳酸的亲水性，大多用于药物释放体系的研究，不能得到分 子量较高的产物，共混法大多是与可降解的聚己内酯橡胶共混以改善聚乳酸的力 学性能。在p l a 中加入邻苯二甲酸二酯进行增塑。对于丙交酯一聚酯共聚物仍采 用聚酯增塑，加入滑石粉、硬脂酸盐等成核剂增加材料的透明度，还可加入一些 无机材料、热稳定剂、增塑剂、润滑剂等添加剂来增加材料的某一方面的性能【7 3 1 。 1 3 5 以制成复合材料改性的聚乳酸 聚乳酸材料由于分子量大小、分布等方面的限制，只是一种中等强度的材料， 而如果应用在医学上，特别是作为骨修复材料，就需要它有较高的强度。目前人 们通过各种方法来制得高分子量的聚乳酸，如改进乳酸的聚合工艺、使用扩链剂 等，同时国内外也有很多将聚乳酸和其他材料一起制成复合增强材料的报道。 c 纤维及其复合材料，尤其是c 纤维与高分子树脂和碳基体复合，具有独特 的物理及化学性能，在许多技术领域越来越受到人们的重视。 贾承德等制成了c 纤维织物增强聚乳酸复合材料并研究了临床使用效果，发 现该材料不仅可隔离生体粘连，还可诱发组织一常生