（应用化学专业论文）熔融固相聚合法合成聚乳酸的工艺研究.pdf

摘要 熔融固相聚合法合成聚乳酸的工艺研究 中文摘要 聚乳酸( p l a ) 具有较好的化学惰性、易加工性、生物相容性和生物降解性， 在体内可逐渐降解为二氧化碳和水，对人体无毒、无积累：由它制成的纤维抗张 强度高、柔软性好。是一种很有应用前景的生物降解材料。但由于目前这类聚合 物通常采用价格很高的丙交酯通过开环聚合而得到，因此其价格很高，致使其应 用受到很大限制。 本课题为降低聚乳酸的成本、扩大其应用范围，以d ，l - 乳酸为原料，采用 熔融一固相缩聚法合成聚乳酸，研究了催化剂的类型、催化剂的用量、反应温度 和反应时间等反应条件对产物分子量的影响，找出了最佳反应条件并对实验工艺 进行了优化。熔融聚合反应的最佳条件为：s n c l 。为催化剂，用量为0 5 质量分 数：反应温度为1 8 0 ，适当减小体系压力，氮气保护下反应7 5 小时，进行熔 融聚合。得到聚乳酸的粘均分子量为8 4 3 8 3 。采用熔融聚合的产物进行固相聚合， 其最佳条件为：在氮气保护下逐步分段升温，过程为1 3 0 。c 时控温5 小时，继续 升温，在1 4 5 时控温1 0 小时；总的反应时间为1 5 小时。产物的最高粘均分子 量为3 0 3 7 7 9 ，达到固相聚合前的3 6 倍。使用了i r 、i h n “r 、”c n m r 、d s c 及t g 对熔融聚合和固相聚合产物的理化性能及应用性能进行了表征。由于d ，l 一乳酸 的结晶性能差，本文又采用l 一乳酸为单体，利用熔融一固相聚合的最佳合成条 件合成了粘均分子量为3 2 5 8 5 7 的l 型聚乳酸( p l l a ) 。以p l l a 为原料，对聚乳 酸熔融纺丝一热拉伸工艺进行了初步实验，为通过熔融纺丝方法制备聚乳酸纤维 提供了依据。 关键词：聚乳酸( p l a ) 、生物可降解材料、熔融聚合、固相聚合、熔融纺丝 a b s t r a c t s t u d yo ns y n t h e s i so fp o l yl a c t i ca c i d v i am e l t s o l i dp o l y m e r i z a t i o n a b s t r a c t p o l y l a c t i c a c i d ( p l a ) h a sg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y , f e a s i b i l i t yo fp r o d u c t i o n p r o c e s s e s ，e x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y a n db i o d e g r a d a b i l i t v i ti sh a r m l e s sa n d u n a c c u m u l a t i v eb e c a u s et h ep l ag r a d u a l l yb i o d e g r a d e si n t ow a t e ra n dc a r b o nd i o x i d e i nt h eb o d y t h ef i b e rm a d ef r o mt h ep o l y l a c t i ca c i dh a sh i g ht e n s i l es t r e n g t ha n dg o o d f l e x i b i l i t y f u r t h e r m o r e 1 a c t i ca c i dm o n o m e rc a nb ep r o d u c e df r o ma g r i c u l t u r a ls t a r c h w a s t e s t h e r e f o r e ，t h ep o l y m e ri so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s h o w e v e r , o n eo f t h eb i g g e s tp r o b l e m so f p l al a y si ni t se x t r e m e l yh i g hp r i c e ，b e c a u s e t h ep o l y m e ri sc o n v e n t i o n a l l yo b t a i n e db yar i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o np r o c e s s f r o m1 a c t i d e ，s u c ha sd i m m e ro fl a c t i c ea c i dw h i c hi sv e r ye x p e n s i v e ，s oi t sa p p l i c a t i o n i sl i m i t c d i nm i sp a d e r , w eu s e d 也ed i r e c tm e l t s o l i ds t a t ep o l y c o n d e n s a t i o nm e t h o dw i t h d l l a c t i ca c i ds oa st or e d u c et h ec o s to f p o l y l a c t i ca c i da n dt oe x p a n di t sa p p l i c a t i o n t h ei n f l u e n c eo f c a t a l y s tt y p e s ，c a t a l y s tq u a n t i t y , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m eo n m o l e c u l a r w e i g h t w e r es t u d i e d a n dt l l e b e s tr e a c t i o nc o n d i c t i o n sw e r e f o u n d ，m e a n w h i l et h ee r a f r w o r kh a db e e nc h o s e db e s t t h eb e s tc o n d i c t i o no fm e l t p o l y m e r i z a t i o ni sa sf o l l o w e d ：s n c l 2w a sc h o s e d 船t h ea p p r o p r i a t ec a t a l y s ta n dw a s 0 5 18 0 ，r e a c t i n g7 5 hw i t ht h ea t m o s p h e r eo fa c r i d i n e ；m e a n w h i l et h ep r e s s u r e w a sr e d u c e dp r o p e r l y t h i sm o l e c u l a rw e i g h to fp l ah a db e e na c h i e v e d8 4 3 8 3 一t h e n t h ep l a sc o n d i c t i o no fs o l i d s t a t ep o l y c o n d e l l s a t i o n ：t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eh a s b e e nr o s e ns t e pb ys t e pa tt h ea t m o s p h e r eo fa c r i d i n e ；1 3 0 5h o u ra n d1 4 5 1 0 h o u r ；t h ew h o l et i m ei s1 5h o u r t h em o l e c u l a rw e i g h th a sb e e na c h i e v e d3 0 3 7 7 9 ，a n d w a s3 6t i m e st h a nt h ef o r m e r t h ep o l y m e rs a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e dw i t hi r 、 1 h n m r 、”c n m r 、d s ca n dt c t b e c a u s eo fp d l l a n o n c r y s t a l l - l a c t i ca c i dw a s u s e da sm o n o m e rt os y n t h e s i z ep l l ab yt h ef o r m e rm e a n s t h em o l e c u l a rw e i g h to f p l l aw a s3 2 5 8 5 7 t h e n , m e l t - f i l a t u r eo fp l l aw a ss t u d i e dp r i m a r i l y t h ep r o c e s s b u i l taf o u n d a t i o nt op r o d u c ep u l af i b r eb ym e a n so f m e l t f i l a t u r e k e y w o r d ：p o yl a c t i ca c i d ( p l a ) , b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l ，m e l t - p o l y c o n d e n s a t i o n ， s o l i d p o l y c o n d e n s a t i o n ，m e l t f i l a t u r e 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得云整王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 文作：糯华 蝴期洲年3 月l 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太坐有关保留、使用学位论文的规定。特 授权云注王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名肇专学 签字日期：少彤年多月日 导师签名：品研n 签字日期：m6 年岁月乙日 学位论文的主要创新点 一、对聚乳酸的熔融一固相聚合法进行了系统的研究，通过优化工艺条件使 聚乳酸的粘均分子量达到3 0 万。 二、在乳酸预除水过程中采用分馏的办法，与原来的减压蒸馏相比：箍便、 快捷、高效。克服了减压蒸馏过程中，控温难的缺点。 三、提高惰性气体n 2 的利用率：反应前期采用真空鼓泡法( 鼓入n 2 气) 加速 水的去除；反应进行中期，加大n 2 流量，以使n 2 起到更好的搅拌、携带 水的作用。 四、在熔融聚合过程中采用了开始先通氮气而不采用减压的方法。先通氮气 反应数小时，逐渐降低压强。尽量除去聚合时生成的水分。这样避免了 反应开始时单体没聚合，高真空下单体挥发过大的弊端。单体达烈一定 的聚合度之后，再在氮气流下抽真空，能最大限度地除去反应体系中的 水分，使聚合物相对分子质量增大，又能得到较高的产率。 五、反应后处理过程中摒弃了用氯仿做溶剂、甲醇做沉淀剂的方法。采用丙 酮做溶剂，蒸馏水做沉淀剂。后者较前者快捷，减小了毒性，并且使得 产物得到更进一步的精制。实验表明：采用此种方法使得熔融一固相聚 合所得到的聚乳酸分子量有了进一步提高。 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的研究意义及背景 合成高分子材料，如聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯( p e ) 聚丙烯( p p ) 聚氯乙烯 ( p v c ) 等，已在众多领域取代了众多金属、陶瓷、玻璃、木材等。合成树脂和 塑料制品的大量生产和消费，是现代人类大量消费生活方式的直接结果。这些制 品大都是以石油和天然气为基本原料合成的，多数不具备自然降解性。高分子废 弃物，其中绝大部分是塑料废弃物，特别是包装材料和泡沫塑料制品，包括一次 性使用的制品，如塑料包装购物袋、塑料餐盒和地膜等，其数量是巨大的。目前 全球废弃塑料每年总量超过5 0 0 0 多万吨。美国1 9 8 7 年为9 9 8 万吨，占城市固体废 弃物的7 3 ，到2 0 0 0 年增至1 7 2 4 万吨t 西欧1 9 8 9 年为9 0 0 万吨，近年来为l1 0 0 多 万吨。在日本，塑料的生产量每年约为1 3 0 0 万吨，其中废塑料排放量达至1 j 8 4 6 万 吨，其中4 1 掩埋，4 9 焚烧“1 ，塑料的用量和废弃量很大。我国目前各种塑料制 品的年产量已达至u 8 0 0 万吨，而且数量正在迅速增加。预计2 0 0 6 2 0 1 5 年的增长率 为8 ，相应的产量分别为2 5 0 0 万吨和5 0 0 0 万吨，塑料加工业已成为我国国民经济 的支柱产业之一。然而，随着塑料产品在经济建设各个领域发挥重要作用，为现 代文明发展做出贡献的同时，塑料也给环境造成了不可忽视的污染”1 。降解性高 分子( 塑料) ，特别是生物降解塑料的研究和开发，已成为高分子领域的热点课 题，引起了国际社会的高度重视。 生物降解高分予材料除解决环境污染问题之外。其更深远的意义还主要在于 为日趋枯竭的石油资源为基础的塑料工业开辟了取之不尽的原料资源。农副产品 是来源丰富、取之不尽的再生资源，它作为降解高分子材料原料资源再度受到世 界各国的重视。 聚乳酸( p l a ) 是一种具有生物降解性、生物相容性的热塑性聚酯。在自然界 并不存在，一般通过人工合成制得，作为原料的乳酸则是由淀粉发酵而来。1 7 8 0 年瑞典化学家s c h e e l e 0 1 首次从酸( 发酵) 牛奶中分离出来，1 8 8 1 年第一次进行商 业化生产。p l a 具有很好的生物降解性能，同时也具有良好的生物相容性和生物 可吸收性，在降解后不会遗留任何环保问题，因此它的应用范围很广，在农用领 域，可用作包装材料和农用地膜；在日用领域可作化妆品的添加成份；在生物医 学工程领域可用作医用手术缝合线、注射用微胶囊、微球及埋植剂等制剂材料、 第一章前言 骨内固定物、组织修复及细胞培养等。目前可用的医用高分子材料有硅橡胶、硅 油、聚四氟乙烯等数十种，但从生物医学的角度看这些材料还不理想，在使用过 程中都有不同程度的副作用出现，丽p l a 基本满足医用高分子材料对性能和生物 相容性的要求。p l a 在体内降解最终产物是c 0 。和h 2 0 ，中间产物乳酸也是体内正常 代谢的产物，所以不会在人体内重要器官聚集，在医用领域已被认为是最有前途 的可降解高分子材料，因而对它的研究开发极为活跃。 聚乳酸源于自然，尊重环境，崇尚健康，与自然界能达成完美和谐的统一， 是2 1 世纪的生物高分子材料。因此聚乳酸材料的研究开发，无论从环境保护方面， 还是从开发资源方面来说，都具有重要的意义。 1 , 2 国内外研究概况 早在5 0 年代就开始了p l a 合成研究。在7 0 年代开始合成高分子量具有旋光性 的d 型和l 型p l a 。并用于药物制剂和外科等方面的研究。用p l a 作支撑材料，移植 上器官、组织的生长细胞，使其形成自然组织，目前已在肝细胞，皮肤细胞，血 管修复，神经修复，视网膜色素上皮细胞和骨等方面作过尝试。b e u m a r 等“1 用聚 卜乳酸制成底层多孔，顶层致密酌双层膜作细胞培养，可用于三级烧伤及大规模 皮肤缺陷的治疗，在移植部位及整个动物，无过敏反应。p l a 作为外科缝合线， 由于其生物降解性，在伤口愈合后自动降解并吸收，无需二次手术。这也要求聚 合物具有较强的初始抗张强度且稳定地维持一段时间，同时能有效地控制聚合物 的降解速率，随着伤口的愈合，缝合线缓慢降解。 由于制备工艺、成本等原因，p l a 在降解塑料领域研究起步较晚。但越来越 受瓢重视。目前，世界上有不少的化工研究开发机构正努力使p l a 成为大量生产 和应用的塑料，以此作为解决废塑料公害问题的出路之一。9 0 年代至今，已有多 家公司和研究单位申请过p l a 类可生物降解塑料的相关专利。近年来，国外聚乳 酸技术开发和工业化生产取得了突破性进展。1 9 9 7 年，美国卡吉尔公司与陶氏化 学公司合资成立公司，开发和生产聚乳酸，当时的生产能力仅为1 6 万吨年。2 g g l 年1 1 月，该公司投资3 亿美元，采用二步聚合技术，在美国建成投产了套1 3 6 万吨年装置，这是世界上迄今为止最大的聚孚l 酸生产装置。卡吉尔陶氏公司计 划在今后1 0 年内投资1 0 亿美元，总生产能力达n 4 5 万吨年。日本是世界聚乳酸 重要的应用开发地区和应用市场。主要用于包装、容器、农业、建筑业、纤维运 动服和被褥等。为了扩大市场份额，卡吉尔陶氏聚乳酸公司宣布雨伞经化学品公 司合作进行聚乳酸的应用开发。今后还将与日本钟纺和纤、三凌树脂、尤里卡、 第一章前言 可乐丽公司进行合作应用研究，开拓新的市场领域。 国内对聚乳酸的研制开发也越来越深入，如：聚乳酸用作骨科固定其初始强 度和承载能力已经可以与金属螺钉媲美；用乙交酯和丙交酯和成的手术缝线已成 功的应用于临床治疗。 1 3 开发研究中存在的问题 随着开发研究的深入，需要解决的问题也很多。聚乳酸的合成工艺和技术复 杂，反映条件苛刻，产率低，造成聚乳酸的成本居高不下。同时，由于不同的用 途，要求聚乳酸有不同的机械性能、降解性能等。基于上述原因是聚乳酸应用受 到限制。因此，如何改进工艺、简化生产过程和降低成本，合成出高分子量的聚 乳酸，是使聚乳酸得到更广泛应用必须解决的问题。 通常聚乳酸采用二步法合成，即现将乳酸单体脱水环化合成丙交酯，再开环 聚合，其生产工艺冗长，成本昂贵，限制了他的大规模应用。用乳酸直接聚合得 到的聚乳酸，其合成工艺较二步法简单但曾被认为难以开发，不过近年来国外有 少量这方面的报道。1 ，所合成的聚乳酸重均相对分子质量( 地) 超过1 0 5 。因此，聚 乳酸的直接聚合法开始弓l 起国内研究者的关注，其研究大多集中于溶液聚合直接 法“1 。溶液直接聚合法虽较二步法的工艺路线简单，但通常需要使用较高沸点的 溶斋i j 共沸脱水以促进聚合，其装置、工艺仍然比较复杂，且高沸点溶剂的引入给 聚乳酸产品的最后纯化带来了不便。 有鉴于此，在原来丙交酯开环、溶液聚合合成聚乳酸研究的基础上，开展以 乳酸单体为原料、不使用共沸溶剂及通过熔融聚合直接合成聚乳酸的研究已有报 道，并引入固相聚合进一步提高聚合物的相对分子质量。结果表明，这种熔融一 固相聚合法可以获得高相对分子质量的聚乳酸，产物的粘均相对分子质量高达 2 6 5 0 0 ”3 。但是这种结果仍然据实际中所要求的聚乳酸的分子量相差很远。于是 对熔融固相聚合进行优化以合成更高相对分子量的聚乳酸已成为需要。 1 4 本课题提出的依据、目的及研究内容 1 4 1 本课题提出的依据、目的和意义 我国目前每年废弃塑料3 0 0 0 万吨，其中一次性快餐用具达1 0 0 多亿只，无法 回收降解，严重污染环境，破坏了生态平衡。特别是我国加入w t o 之后，如果各 第一章前言 类产品包装不采用完全生物降解材料，将被欧美国家拒之门外，影响我国对外贸 易的顺利进行。 经过多年的研究开发，我国降解塑料在提高可控性、降解性、降低成本及开 拓市场方面有了不少进步，作为治理环境污染措施之一。正在取得政府的大力支 持。国家已把降解塑料列入国家优先发展高技术产业化重点领域( 农用材料、医 用材料) 。中国2 l 世纪议程也把发展可降解塑料包装列入发展内容之一。降 解塑料正在推向并开拓市场，无论在农用、包装、日用和医用等领域都有较大的 市场潜力。但是国内的可降解塑料的生产水平低，与国外先进水平相比有很大差 距，有待进一步提高和改善。 近年来，许多国家为消除塑料制品的“白色污染”进行了大量的工作，发现 乳酸聚合得到的聚乳酸在空气、水和普通细菌存在下可完全分解成水和二氧化 碳，形成良好的生态循环。聚乳酸具有良好的初期机械性能，熔点约为1 7 0 。c ， 其模材对氧、水汽有良好的透过性，又有良好的透明性，另外还有良好的抗菌防 霉性，使用寿命可达2 3 年。因此，聚乳酸是良好的绿色材料。在美国、日本， 聚乳酸已用于纸涂层、透明塑料容器、发泡容器、薄膜、餐馆容器、儿童玩具、 蔬菜包装等，也正在纤维、农业、垃圾等方面进行新的拓展。国外资料预计，不 就的将来将有数百万吨的塑料被聚乳酸所取代。 聚乳酸不仅具有较好的强度、通透性、柔软性、化学惰性和易加工等特点， 而且具有良好的可生物降解性和生物相容性，作为医用功能高分子材料应用于手 术缝合线、外科移植组织( 人造皮肤、人造血管) 等多个领域而备受关注。同时 它还具有与通用塑料( 聚苯乙烯、聚酯( p e t ) 等) 极为相似的物理机械性能， 由于其通过水解方式降解，最终产物是无毒的二氧化碳和水，不会在机体内或环 境中积聚，可替代不可降解的通用塑料，防止环境污染而具有诱人前景。 此外，我国的人均石油资源较低，而农产品十分丰富，因此研究以可再生资 源为原料的产品具有深远的意义。聚乳酸的单体为乳酸，它是由可再生资源淀粉 发酵而制得，因此聚乳酸的生产有着丰富的原料来源。根据我国可持续发展战略， 传统塑料造成的“自色污染”己受到国家的严格限制，采用以再生资源为原料， 合成生物降解的聚乳酸是历史的选择，并提到日程上来。所以开展本课题的研究 对我国生物降解高分子材料的研究发展和保护地球环境具有重大的意义和宽广 的应用前景，对我国国民经济建设具有深远的影响。 此项研究属于本领域中的活跃课题，国内外学者为了得到高分子量和价格低 廉的聚乳酸产品，正竞相研究。目前，聚乳酸的合成方法主要有丙交酯开环聚合 的问接法和乳酸通过溶液法和熔融步缩合而成的直接法二种。前者工艺较易控 第一章前盲 制，产品分子量高，但生产流程长，得率低；后者则工艺流程短，合成成本较低， 但工艺控制严格，制备高分子量的产品难度大。本课题对直接熔融缩聚法进行较 系统的研究，包括聚合过程的反应参数、反应机理，以及产物的分子量、熔点等 性能指标等，摸索熔融直接合成聚乳酸的最优聚合工艺。在熔融聚合的基础上引 入固相聚合工艺，并对固相聚合法进行优化，进一步达到提高分子量的目的。在 理论上深入探讨乳酸直接熔融缩聚的影响因素，摸清反应的基本规律，揭示直接 熔融缩聚合成高分子量的聚乳酸的机理，提出合理的控制方法，为聚乳酸的直接 熔融缩聚合成法以及聚合物的加工成型与应用提供理论指导和实践依据。从而为 可生物降解材料领域的研究发展做贡献。 1 4 2 本课题研究的内容 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 在原来二步法，溶液聚合法合成聚乳酸研究的工作基础上，开展以d ，l - 乳 酸单体为原料，通过熔融聚合直接合成法合成聚乳酸，对此过程进行优化。 ( 2 ) 找出熔融聚合反应过程的最佳催化剂。其中具体包括；催化剂类型的选择、 催化剂的用量的选择、复合催化剂的配比选择。 ( 3 ) 在前两步的基础上找出最佳的聚合时问、聚合温度 ( 4 ) 引入固相聚合进一步提高聚合物的相对分子量。对熔融一固相聚合法的过程进 行改进，采用多梯度的变温固相聚合方案，以提高产物的粘均分子量。 ch3,ch3 c h 3 。h 0 3 h c o h 塑孥( o h c o h 哩型擎h ( 甜h 咿m o h ( m 。) 甚 o i i凸 聚乳酸熔融一固相聚合反应示意图 ( 5 ) 对聚乳酸进行结构鉴定和表征。 ( 6 ) 由于p d l l a 的非晶性，运用前面所提供的最佳合成条件，采用l 一乳酸合成 p l l a ，研究p l l a 的可纺性。 第二章文献综述 第二章文献综述 四十多年前，人们发现高分子量的果乳酸( q 一羟基丙酸) 可以由丙交酯 ( 2 ，5 一二甲基一l ，4 一二氧杂环己一3 ，6 - 二酮) 开环聚合来合成踟但这种聚合物易水 解和热解，妨碍了诸如挤出成型和注射成型的热加工，作为一种结构材料，没有 什么价值。1 9 6 6 年，k u l k a r n i 等“3 提出聚乳酸在体内能够降解，从此，聚乳酸在 外科和医药方面的应用得到了广泛的研究“。由于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，还有可以利用共聚、_ 共混进行改性，聚乳 酸己经成为短期医用生物材料中最具有吸引力的聚合物。 早在5 0 年代就开始了聚乳酸的合成及应用研究，7 0 年代开始合成高分子量的 具有旋光性的d 或l 型聚乳酸“”，并用于药物制剂和外科等方面的研究，同时为克 服聚乳酸单靠分子量及分布来调节降解速度的局限，开始合成以聚乳酸为主的各 类共聚物。进入8 0 年代以来，随着聚乳酸及共聚物的应用领域特别是在生物医学 工程领域的不断扩大，对其合成机理、不同结构及组成的共聚物的合成及应用研 究日益深入，相继有相关综述报道“2 “1 。近年来，随着聚乳酸及其共聚物在骨科 材料及药物控释制剂等方面的产品开发，在超高分子量聚乳酸的制各：具有组成、 结构和降解速度可控的聚乳酸及其共聚物的合成：新型高效无毒的稀土催化剂的 机理研究以及在抗癌化疗用药、多肤、疫苗制剂上的应用等方面又有新的进展。 2 1 聚乳酸( p l a ) 的性质 2 。1 。1 结构 乳酸( 2 羟基丙酸) 是具有光学活性的化合物 c o o h i h o c h i c h 3 分子式如图2 一l 、2 2 所示； c 0 0 h h c o h c h 3 图2 一l 左旋( l ) 乳酸分子式 圈2 2 右旋( d ) 乳酸分子式 由于分子中有一个手性碳原子，因而乳酸具有l 一( 一) 、d 一( + ) 两种旋光异构 体，而等量的l 一( 一) 和d 一( + ) 两种旋光异构体混合而成的乳酸不具有旋光性，称 第二章文献综述 为外消旋或d ，l 一乳酸。与此相应，从旋光性看有四种丙交酯：l ，l 一丙交酯( 或称 l 一丙交酯) ，d ，d 一丙交酯( 或称d 一丙交酯) ，内消旋d ，l 一丙交酯( 或简称内消旋丙交 酯) ，外消旋d 。l 一丙交酯( 或简称外消旋丙交酯) ，分子式如图2 - 3 ，2 - 4 2 - 5 所示： h 耋) ，码苓爻 o 氐尸一c h ， h 3 c 弋_ o 夕h 8 图2 - 5 内消旋( m e s o ) 丙交酯 综合考虑生成d ，d 一丙交酯，内消旋d ，l - 丙交酯及l ，l 一丙交酯3 种可能性之比 为1 ：2 ：1 ，但等量的d d 一丙交酯加上等量的l l 一丙交酯构成外消旋d ，l 一丙交酯 所以由d ，l - 乳酸制得的丙交酯粗产物中，内消旋d ，l 一丙交酯的数量与外消旋d ，l 一 丙交酯的数量大致相等( 除非催化剂具有旋光选择性) ，从应用角度考虑，应将丙 交酯粗产物中外消旋丙交酯和内消旋丙交酯分离，内消旋丙交酯是丙交酯旋光异 构体中最易水解，最难结晶的一种。由d ，l _ 乳酸制得的丙交酯粗产物冷却温度若 在2 0 一3 0 左右，外消旋丙交酯结晶出来而内消旋丙交酯留在母液中不易结晶， 这有利于外消旋丙交酯与内消旋丙交酯的分离。乳酸的聚合物结构变化也比较丰 富，存在聚d 一乳酸( p d l a ) ，聚l 一乳酸( p l l a ) 和聚( d ，l ) 一乳酸等几种，p l a 的分子式 可以写成： c h 3 宫f h ，审 h o c h e 斗o c h e - 万bo h 其中，聚l 一乳酸及聚d 一乳酸具有结晶性，聚d ，l 一乳酸是非晶性的。 2 1 2p l a 的理化性质 p l a 为浅黄色或透明的物质，玻璃化温度为5 0 - 6 0 。c ，熔点1 7 0 1 8 0 。0 ，密度约 1 2 5 9 c m 3 ，不溶于水、乙醇、甲醇等，易水解成乳酸。乳酸有两种旋光异构体 即左旋( l ) 和右旋( d ) 乳酸，聚合物有三种立体构型：聚右旋乳酸( p d l a ) 。聚左旋 乳酸( p l l a ) ，聚消旋乳酸( p d l l a ) 。p d l a 和p l l a 是两种具有光学活性的有规立 构聚合物，2 5 c 比旋光度分别为+ 1 5 7 、一1 5 7 ( 3 。t g ，t m 分别为5 8 。c 和1 7 56 c ，熔 融或溶液中均可结晶、结晶度可达6 0 左右。p d l l a 是无定形非晶态材料，t g 为5 8 ，无熔融温度“”。结晶性对p l a 材料力学性能和降解性能( 包括降解速率、力学 强度衰减) 的影响很大。p l a 脆性高、冲击强度差。无定形的p d l l a 的力学强度明 第二章文献综述 度明显低于p l l a ，用增强工艺制备的巾3 2 m m p l l a ，p d l l a 棒材的最大弯曲强度分 别是2 7 0 m p a 和1 4 0 m p a ，p l l a 几乎是后者的2 倍结晶使降解速度变慢，p d l l a 材料在 生理盐水中降解，分子量半衰期一般为3 1 0 周，p l l a 至少为2 0 周，分子量增大， p l a 的力学强度提高，作为成型制品使用的均聚物分子量至少要达到1 0 万。p l a 材料的一个突出优点是能用多种方式进行加工，如挤出、纺丝、双轴拉伸、加工 过程中分子定向不仅会大大增加力学强度，同时使降解时间变慢。 2 2 聚乳酸( p l a ) 合成方法概述 通常，聚乳酸的制备有两条路线，即直接缩聚法和开环聚合法。直接缩聚法 就是乳酸在合适的催化剂存在下直接脱水缩合生成聚乳酸。开环聚合法，即先用 乳酸合成丙交酯( l a ) ，丙交酯再开环聚合制备聚乳酸及其共聚物。 2 2 1 直接法 即乳酸直接脱水缩合反应合成聚乳酸。早期直接法合成的聚乳酸相对分子量 都不大于4 0 0 0 ，强度极低、易分解、无实用性。1 9 9 5 年，日本m i t i s h i 公司的 a j i o k a jt 3 等用溶液缩聚法制备出了重均分子量达3 0 万的聚乳酸。随后，又有人报 道了用本体聚合制备高分子量聚乳酸的方法“。但这两种方法所用的催化剂毒性 较大且不易除去，因此，使用无毒催化剂或不用催化剂直接缩聚生成高分子量聚 乳酸将是今后需研究的焦点。研究表明：乳酸在无催化剂条件下的直接缩聚反应 的反应活化能较大，属于慢反应。又由于乳酸缩聚反应是一可逆平衡反应，在无 催化剂的条件下，属于羟基自催化的反应，反应平衡常数较小，难以获得高分子 量的的产物。目前，聚乳酸的直接缩聚法主要还是集中在选用合适的催化剂来提 高产物的分子量方面。 近年来，出现了些新的更为简单的获取高分子量聚乳酸的方法。如用1 ，6 一 己撑二异氰酸酯( h d i ) 对直接缩聚得到的低分子量聚乳酸进行扩链，所得产物相 对分子量达7 6 0 0 0 “。但直接缩聚法在进一步提高分子量和控制分子量分布方面 存在一定的缺陷，如果这两方面能得以提高和改善，则直接缩聚法的经济效益和 发展前景是非常乐观的。 2 2 2 间接法 一直以来，人们比较关注的还是丙交酯的开环聚合。这种聚合方法较易实现 第二章文献综述 且可制得分子量高达7 0 万到1 0 0 万的聚乳酸。人们对影响丙交酯开环聚合的反 应条件作了详尽研究，主要包括催化荆浓度。单体纯度，聚合真空度，聚合温度， 聚合时间。1 2 ”，其中最主要的是丙交酯的纯化及催化荆的选择。丙交酯的纯化主 要采用重结晶的方法，所用的溶剂一般为乙酸乙酯等。张贞浴等。”改进了丙交 酯重结晶的方法，将苯一乙酸乙酯混合溶剂体系用于丙交酯重结晶，用该体系的 优点是收率高，溶剂消耗小，熔点达到要求。李汝珍等“”用甲醇钠非水滴定法， 卡尔一费休法对丙交酯中残存的乳酸和水的量进行了定量分析，有助于在丙交 酯的提纯和聚合中对工艺过程进行更精密的控制。开环聚合所用的催化剂不同， 聚合机理也不同。到目前为止，人们一共提出了三种丙交酯开环聚合反应机理”： 阴离子型开环聚合，阳离型开环聚合，配位开环聚合。 2 3 聚乳酸的生产工艺 2 3 1 直接法生产工艺 a j i o k a 等m 3 采用连续共沸除水法直接缩聚生产工艺，所得聚乳酸的分子量达 到了3 0 万，流程图如下： 图2 - 1 直接缩聚法生产聚乳酸工艺流程图 f i g 2 - 1t e c h i n i c sf l o wc h a l lo f p l ap r o d u c e db yd i r e c tp o l y m e r i z a t i o n 第二章文献综述 2 3 2 间接法生产工艺 间接法生产聚乳酸工艺流程如图2 2 所示，所合成的聚乳酸的物理性能达到 了通用塑料产品的要求，可期望代替目前使用广泛的石油化工产品，解决日益严 重的白色污染问题。 用该工艺所合成的聚乳酸分子量在5 万一2 0 万之间，根据需要可调整工艺条件 来控制产品的分子量。产品收率在7 0 一9 0 之间，大大降低了产品成本。 将粗乳酸加到 连续蒸发器中 粗乳酸中除水和溶剂 将浓缩的乳酸加入到预 聚物反应器中 在连续除水的过程中乳 酸聚合形成预聚物 将预聚物加到丙交酯反 应器中 在冷凝器中将粗丙交酯 部分冷凝 将冷凝的粗丙交酯加入 蒸馏提纯 将纯化的丙交酯馏出 将纯化的丙交酯液体加 入到聚合反应釜中 聚乳酸 循环利用或排出所除去的水和溶剂 循环利用或排出包含乳酸的产品 一匝亚巫亚亟固 从丙交酯反应器中排出高沸点的不反应的聚合物 将未冷凝的水和不纯的丙交酯馏出循环利用或排出 除去水和不纯的丙交酯 图2 2 间接法生产聚乳酸工艺流程图 f i g 一2 - 2t e c h i n i c sf l o wc h b r to f p l ap r o d u c e db yi n d i r e c tp o l y m e r i z a t i o n 第二章文献综述 2 4 乳酸类聚合物在通用高分子材料领域中的应用 近年来，许多国家为消除塑料制品的白色污染进行了大量的工作。由于聚乳 酸的基本原料乳酸是人体固有的生理物质之一，对人体无毒无害。因此，作为一 种重要原料，聚乳酸可像聚氯乙稀、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性塑料那样加工成 各种下游产品，包括薄膜、包装袋、包装盒、食品容器、一次性快犍盒、饮料用 瓶等等。由于透气性好。它还可以作为一种出色的材料用于纺丝织布，加工成聚 乳酸内衣、外套和袜子等纺织品。同时，它可以加工成医院中需求量极大的医生、 护士、病人穿的专门服装，以及病床的床单等医用纺织品，使用后可自动降解， 不会污染环境。 聚乳酸的另一大用途是加工农用地膜以取代目前普遍使用的聚乙烯农用地 膜。这种产品最大的优点是，使用一段时间后无需人工清理，它会与土壤中的微 生物以及光照等共同作用，自动分解成二氧化碳和水，有效解决了聚乙烯农用地 膜对环境造成的污染。 在美国、日本，聚乳酸己用于纸涂层、透明塑料容器、发泡容器、薄膜、餐 馆容器、儿童玩具、蔬菜包装、纤维、农业、垃圾等方面。 日本目前乳酸生产量不大，丽且在很大程度上依赖进口，但值得注意的是其在聚 乳酸的应用开发和市场推广方面进行了大量的工作。 美国粮食公会和c a r g i l l - d o w 聚合物公司与日本钟纺纤维公司共同向世人推 出了一种新型的环保型纤维一由玉米制成的聚乳酸纤维。”。由于聚乳酸纤维不使 用石油等原料，又能用生物分解，故不必担心地球环境遭到污染。目前，日本钟 纺纤维公司已将聚乳酸纤维与棉、羊毛混纺，或将其长纤维与棉、羊毛或粘胶等 生物分解性纤维混用，纺制成衣料用织物，生产具有丝感外观的茄克衫、长袜及 礼服o “。这些产品具有以下特点：有良好的形态稳定性，如与棉混纺，几乎与涤 棉具有同等的性能，处理方便：光泽较涤棉更优良，具有蓬松的手感：与涤纶同样 富有疏水性，对皮肤不发粘：如与棉混纺做内衣，有助于水分的转移，不仅接触 皮肤时有干燥感，且可赋予优良的形态稳定性和抗皱性。 如今，环保性新纤维制品已非常明确地会成为2 1 世纪主导纤维市场的主要产 品之一，玉米纤维的需求量必然会不断扩大。从环保的观点看来，玉米聚乳酸纤 维能以其低原料能源取胜于合成纤维，并且在生物降解方面获得极高评价。在这 方面，它可与我国目前致力开发的大豆纤维有异曲同工之妙。尤其是我国有极其 丰富的玉米原料，每年产量在1 2 亿吨以上。占世界总产量的四分之一左右。而 且由于世界市场玉米价格低迷，我国不少玉米产区经常发生“卖粮难”的问题。 第二章文献综述 在急需为玉米找到良好消化渠道的我国，生产玉米纤维可谓孕育极大的商机：尤 其在我国面临日益严重污染的情况下，生产玉米纤维无疑可造福万代。 国内目前生产的所谓生物降解型材料主要是淀粉填充型聚合物，这种材料埋 在土里一段时间后，确可成为粉末状。但一般土埋的降解是酶解，它的化学反应 仍然是水解，淀粉固然容易水解，但其中的聚合物只是成为细粉，作为农膜将留 存在土里。累积起来影响土质，对耕种大为不利。所以要彻底解决白色污染问题， 完全降解型聚合物材料的代表乳酸类聚合物的生产开发是必然结果。国内聚 乳酸的工业生产与发达国家相比有较大的差距，用聚乳酸代替通用聚合物材料的 一大障碍是其成本太高。 2 5 乳酸类聚合物在生物医学领域的应用 生物医用可吸收材料是指用于临床的具有某种医疗器械功能、在完成功能任 务后可以在人体内环境下逐步分解并最终被人体吸收的材料，现在应用较多的主 要有药物缓释、可吸收缝合线、骨折内固定螺钉及夹板、人造皮肤、伤口敷料等。 2 5 1 药物控制释放体系 从1 9 7 0 年聚乳酸用作药物长效缓释制剂载体后，聚乳酸及其共聚物被用作一 些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有 效拓宽了给药途径，减少给药次数和给药量，提高药物的生物利用度，最大程度 减少药物对全身特别是肝、肾的副作用。”。以p l a 、p l g a 为载体材料，根据药物 的性质及制剂的要求，药物的微粒化制剂可采用不同的方法制备。药物从制剂中 的释放研究表明影响因素很多。药物的释放行为除受药物的特点( 分子量、分子 体积大小、水溶性及与载体材料的相容性) 、聚乳酸及其共聚物的性质( 组分、分 子量、结晶性降解速度等) 、制剂的特征( 形状、粒径、表面性质等) 及释放环境 影响较大外。药物在制剂中的含量及分布、药物与材料及其降解产物的相互作用 等也对释放模式有影响。药物的释放机理一般认为存在材料降解控释和药物扩散 控释机制，在药物释放的不同阶段上述机制分别起主要作用o 。为更有效控制药 物微球的释放特征，优化微球制备工艺，需要对载体材料改性，如使用聚丙交酯 一聚乙二醇嵌断共聚物( p e l a ) 可增加聚合物与亲水性蛋白的亲和力，微球外观规 整表面缺陷少，体外释放表明比聚乳酸均聚物微球的突释量少，释放速度更为恒 定。此外，采用双层或多层聚合物微球可有效减少药物的突释效应，保证其恒速 释放，用本体降解和表面溶蚀聚合物混合载体材料可实现药物的脉冲释放。同时 第二章文献综述 药物的释放也可通过外界物理因素。如超声波、y 一射线、电磁场等加以调节。”。 大量研究考察了载体材料及制备工艺参数等对药物包裹量、药物剂型的释放特征 等的影响，并通过动物实验考察了药物剂型在体内的分布及治疗效果。发现包埋 过程未改变药物的分子结构。且证实了聚合物微球制剂具有明显的缓释作用。 我国原料药产量约占全世界3 0 ，而医药工业总销售额仅占世界的4 ，除专 利药品少外，我国制剂工业落后也是一个重要原因。药用高档辅料少是制约制剂 工业研究发展的关键。聚乳酸是可以体内降解最高级药用辅料，国外广泛用于d d s 释药系统。聚乳酸药用辅料产业化将填补国内空白。 2 5 2 组织工程 根据组织工程的指导思想，许多组织和器官的修复己得到了广泛的研究，包 括软骨、皮肤、肝、骨、膜、胰等，其中部分己有商品供应“。组织工程按方法 可分为3 种：生物材料和活性细胞混合体系：纯生物材料体系：纯活性细胞体系。其 中，第一方法最受重视。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该满足：为细胞生长和输送营养所必须的孔结构：为 支持和指导细胞生长所必须的足够的机械强度和几何形状。另外，从机体中控释 组织诱导因子、生长等对组织的生成也是有益的。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，工艺上也能制成包履纤维或多孔海绵体，作为第一代工程 用生物降解性材料取得了一些进展。例如，软骨细胞种植在p l l a 基体内植入鼠 体内，长成了软骨组织：自身的海绵状骨髓的微粒填充在p l l a 的网状物中，在狗 体内有效地支持了骨的生长。但是，聚乳酸类材料缺乏与细胞选择性作用的能力。 针对这个问题，具有功能侧基的聚酯酰胺显示了美好的前景。l a n g e r 及其合作者 “把小肽r g d ( 精氮一甘氨一天冬氮酸) 通过大分子反应按上的乳酸和赖氨酸共聚物 的侧基，作为配体的r g d 增加了与细胞的作用，因此被称为功能化的支架材料。 总之，作为细胞闻基质替代物的支架材料的研制对组织工程研究和应用的进展起 决定性作用“1 1 2 5 3 骨科固定及组织修复材料 这一领域包括两个方面，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解， 主要用于骨折内固定材料“”，如骨夹板、骨螺钉等：另一类要求在相当时间内聚 合物缓慢降解，在初期或一定时间内在材料上培养组织细胞，让其生长成组织、 第二章文献综述 器官，如软骨、肝、血管、神经和皮肤等。 众所周知，长期以来国内外一直采用不锈钢金属材料做骨折内固定材料，由 于其应力遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。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