懸浮聚合法制備聚乙醇酸的工藝

陸衛(wèi)良，崔愛(ài)軍，王澤云，田俊凱，陳 群，何明陽(yáng)

（常州大學(xué)江蘇省精細(xì)石油化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213164）

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，生物可降解材料成為研究熱點(diǎn)。在各類(lèi)合成的生物降解材料中，脂肪族類(lèi)聚酯，特別是聚乙醇酸（PGA），由于具備優(yōu)良的力學(xué)性能和生物可降解性能，在組織工程支架、藥物緩釋載體、阻隔材料等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-3]，其合成工藝受到越來(lái)越多的關(guān)注。PGA的合成通常采用二步開(kāi)環(huán)法[4-5]，即先將乙醇酸制成乙交酯，再由乙交酯開(kāi)環(huán)制成 PGA，另一種被報(bào)道的方法是熔融/固相縮聚法，即先在熔融狀態(tài)下制備低聚物，再將低聚物打碎后進(jìn)行固相縮聚，Takahashi等[6]通過(guò)這種方法制備了高相對(duì)分子質(zhì)量的PGA。上述的兩種方法中第一種方法工藝路線(xiàn)長(zhǎng)，對(duì)乙交酯純度要求高，成本較高，而第二種方法在第一步反應(yīng)和第二步反應(yīng)之間由于低聚物需要粉碎處理，在工業(yè)上難以連續(xù)生產(chǎn)且制得的產(chǎn)品顏色較深。此外，還有一些被報(bào)道的方法，如氯乙酸合成法[7]，即以氯乙酸為原料在三乙胺的作用下，采用溶液縮聚法合成聚乙醇酸，該方法工藝路線(xiàn)簡(jiǎn)單，但無(wú)法得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物，且原料氯乙酸有很強(qiáng)的滲透腐蝕性，不利于實(shí)驗(yàn)的操作。

本文作者提出一種新的制備聚乙醇酸的方法，即懸浮聚合法。該方法能很好地克服前面兩種方法的問(wèn)題，懸浮聚合體系以水或硅油作為連續(xù)相，易于傳熱，聚合完成后，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的分離、洗滌、干燥等工序，即得到聚合物產(chǎn)品，可直接用于加工成型[8]，缺點(diǎn)是不容易獲得高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物。胡翠瓊等[9]利用乙交酯為單體，甲基硅油作為分散介質(zhì)，利用懸浮聚合的方法制備了特性黏度相對(duì)較高的PGA。本文通過(guò)采用便宜易得的原料乙醇酸通過(guò)懸浮聚合的方法制備低色度高相對(duì)分子質(zhì)量的PGA，考察了聚合過(guò)程中催化劑、時(shí)間、溫度等因素對(duì)聚合反應(yīng)的影響，得出懸浮縮聚合成高相對(duì)分子質(zhì)量的PGA的最佳工藝條件，并用IR、DSC、XRD等對(duì)合成的產(chǎn)品進(jìn)行了表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

羥基乙酸（太倉(cāng)市新毛滌綸化工有限公司，99.5%），二水合乙酸鋅（AR，上海新寶精細(xì)化工廠(chǎng)），二水合氯化亞錫（AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司），辛酸亞錫（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），四氯化錫（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），甲基硅油（黏度350 mm2/s，青島興業(yè)有機(jī)硅新材料有限公司），乳化劑MOA-3（江蘇省海安石油化工廠(chǎng)），其它試劑均為市售分析純；傅里葉紅外光譜儀（PROTéGé 460，美國(guó)Nicolet公司），核磁共振波譜儀（AVANCE Ⅲ 500 MHz，Bruker公司），差示掃描量熱儀（Pyris 1 DSC美國(guó) Perkin Elmer），X光衍射儀（D/max 2500 PC，日本理學(xué)），烏氏黏度計(jì)（內(nèi)徑0.5～0.6 mm）。

1.2 PGA合成方法

以乙醇酸為原料，MOA-3為分散劑，按10 mL/g聚乙醇酸的比例取所需體積的甲基硅油，加入一定量的催化劑，加熱到190 ℃，緩慢減壓至20 kPa，并加速攪拌，轉(zhuǎn)速達(dá)400 r/min，反應(yīng)1 h，繼續(xù)減壓至4 kPa，反應(yīng)1 h后，基本無(wú)水生成，減壓至真空，體系壓強(qiáng)為200 Pa，繼續(xù)反應(yīng)數(shù)十個(gè)小時(shí)。所得的聚合物經(jīng)石油醚多次浸泡除去表面的硅油，之后真空干燥保存。反應(yīng)的機(jī)理為先生成聚合度較低的低聚物，然后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的聚合反應(yīng)，生成高聚物，具體反應(yīng)如圖1所示。

1.3 產(chǎn)品表征

1.3.1 結(jié)構(gòu)表征

傅里葉紅外光譜儀測(cè)定，KBr壓片法測(cè)定PGA的紅外光譜。1H NMR采用以氘代三氟乙酸（CF3COOD）為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)測(cè)定。

1.3.2 粉末衍射（XRD）

電流30 mA，狹縫DS=SS=1°，RS=0.3 mm，掃描速度10°/min，石墨單色器，銅靶，掃描范圍5°～80°。X射線(xiàn)圖中結(jié)晶區(qū)域面積與總面積之比定義為結(jié)晶度，用式（1）計(jì)算。

式中，Ac為晶峰面積；Aa為非晶峰面積。

1.3.3 DSC測(cè)定

N2流速40 mL/min，從50 ℃開(kāi)始，以20 ℃/min升溫到250 ℃，在250 ℃保持1.0 min，然后以10℃/min降溫到50 ℃。

1.3.4 特性黏度

在25 ℃條件下，利用0.5～0.6 mm管徑烏氏黏度計(jì)分別測(cè)試出純六氟異丙醇和 PGA的六氟異丙醇溶液的流出時(shí)間t0和t，特性黏度的計(jì)算通過(guò)“一點(diǎn)法”公式[10]求得，見(jiàn)式（2）。

式中，ηr=t/t0為相對(duì)黏度；ηsp=ηr-1為增比黏度。

每一樣品平行測(cè)定3次，各次測(cè)定的流出時(shí)間相差不能超過(guò)0.2 s。最后將3次結(jié)果取平均值，即為待測(cè)液的流出時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 PGA的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 PGA核磁表征

圖2為PGA的核磁共振圖。由圖2可以看出，懸浮聚合合成的 PGA在δ為 5.06處有很強(qiáng)的吸收峰，這是由分子鏈上的—CH2—引起，其它雜峰很小，圖譜與相關(guān)文獻(xiàn)[4]上報(bào)道的基本一致。

2.1.2 PGA紅外表征

懸浮聚合合成的PGA紅外光譜吸收的特征峰與乙交酯開(kāi)環(huán)法文獻(xiàn)[4]及直接熔融/固相聚合法[11]報(bào)道的結(jié)果基本一致，如圖3所示。具體峰值與官能團(tuán)歸屬如下：1745 cm?1處為聚合物酯羰基(C=O)的伸縮振動(dòng)吸收峰；1152 m?1和1086 cm?1處為聚合物酯基中的 C—O伸縮振動(dòng)吸收峰；3513 cm?1處為聚合物末端羥基 O—H伸縮振動(dòng)吸收峰；2970 cm?1處為聚合物中亞甲基C—H伸縮振動(dòng)峰；1418 cm?1處為亞甲基 C—H的彎曲振動(dòng)吸收峰。

2.2 PGA熱性能

PGA的DSC曲線(xiàn)如圖4所示，從圖4中可以看出，制得的PGA的熔點(diǎn)為222.01 ℃，結(jié)晶溫度為 189.35 ℃，玻璃化溫度為 41.03 ℃，與文獻(xiàn)[4]報(bào)道的數(shù)值相近，與乙交酯開(kāi)環(huán)法[5]制得的產(chǎn)品的熔點(diǎn)也很接近，可以在一定程度上說(shuō)明制得的PGA產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量較高。

2.3 PGA結(jié)晶性能

懸浮聚合法合成的 PGA結(jié)晶度較高，如圖 5所示，結(jié)晶度約為55.33%，其（110）面和（020）面衍射峰位置分別在2θ為22.3°、28.9°附近，與直接熔融縮聚法制得的產(chǎn)品相似，其產(chǎn)品結(jié)晶度為54.4%[10]，與乙交酯開(kāi)環(huán)法[4]所制得的PGA衍射峰結(jié)果基本一致。從結(jié)晶程度上看，懸浮聚合法制得的 PGA明顯比乙交酯開(kāi)環(huán)法制得的 PGA結(jié)晶度高，后者的結(jié)晶度僅為32.3%[10]，與直接熔融/固相縮聚法相近，這是因?yàn)閼腋【酆戏ê凸滔嗫s聚法經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的聚合反應(yīng)過(guò)程，因此制得的 PGA結(jié)晶度高，晶粒尺寸更大，排列更整齊。

2.4 催化劑的選擇

PGA的合成是一個(gè)聚合和解聚的平衡過(guò)程，GA聚合的同時(shí)會(huì)發(fā)生解聚，生成乙交酯等小分子的副產(chǎn)物，催化劑的選擇應(yīng)當(dāng)有利于加快聚合反應(yīng)速度，并使反應(yīng)向聚合的方向進(jìn)行。本文采用3種合成PGA常用的催化劑體系。

（1）路易斯金屬鹽及其氧化物 三氧化二銻和四氯化錫，其催化機(jī)理為催化劑與單體中的氧原子配位極化，然后再通過(guò)酰氧鍵的斷裂生成氧離子并引發(fā)單體進(jìn)行增長(zhǎng)[12]。

（2）路易斯金屬鹽-水體系 二水合乙酸鋅、二水合氯化亞錫，其催化原理為催化劑和水作用釋放出強(qiáng)質(zhì)子酸如HCl，從而催化聚合反應(yīng)[13]。

（3）金屬烷氧基化合物體系 辛酸亞錫，長(zhǎng)鏈的催化劑更易分散在硅油體系中。

制得的產(chǎn)品的特性黏度見(jiàn)表1。由表1可知，采用辛酸亞錫催化合成的 PGA的特性黏度高于使用其它催化劑合成的產(chǎn)品，可見(jiàn)辛酸亞錫催化效果要明顯好于其它幾種催化劑，這是因?yàn)樾了醽嗗a的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)更容易分散在甲基硅油這個(gè)分散體系中，與原料接觸發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)要明顯高于其它4種催化劑。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)選取辛酸亞錫作為反應(yīng)的催化劑。

表1 催化劑種類(lèi)對(duì)特性黏度的影響

2.5 催化劑用量對(duì)特性黏度的影響

反應(yīng)溫度為180 ℃，反應(yīng)時(shí)間為100 h，本文考察了催化劑用量對(duì)聚乙醇酸特性黏度的影響，結(jié)果如圖6所示。

隨著催化劑用量的增加，催化活性中心增多，聚合反應(yīng)發(fā)生的概率增加，反應(yīng)速度加快，但催化劑過(guò)量后，反應(yīng)物活性種過(guò)多，且催化劑易與反應(yīng)中生成的小分子副產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成雜質(zhì)包裹在低聚物的表面，阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，且使得產(chǎn)品顏色加深[14]。從圖6可以看出，催化劑用量為原料質(zhì)量的0.02%左右最適宜。

2.6 反應(yīng)溫度對(duì)特性黏度的影響

如圖 7所示，在溫度為 190 ℃條件下，PGA產(chǎn)品特性黏度達(dá)到最高為0.809 dL/g，隨著溫度的升高，黏度反而降低，而且顏色加深。這可能是由于PGA的結(jié)晶溫度在190 ℃附近，在此溫度下有利于非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，結(jié)晶過(guò)程有利于低聚物聚集，從而提高羧基與羥基發(fā)生酯化反應(yīng)的概率[15]，生成特性黏度更高的聚合物。

2.7 反應(yīng)時(shí)間對(duì)特性黏度的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)特性黏度的影響見(jiàn)圖8，PGA的特性黏度隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，在100 h前，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加特性黏度有明顯的提高，從0.3 dL/g提高到0.8 dL/g，這是因?yàn)镻GA的聚合速率遠(yuǎn)大于解聚速率，聚合物的鏈不斷延長(zhǎng)。但是 100 h后，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，特性黏度提高幅度不明顯，這是因?yàn)?PGA的聚合速率與解聚速率基本相同，整個(gè)聚合反應(yīng)達(dá)到平衡，所以最佳的固相縮聚時(shí)間為100 h。

2.8 正交實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用三因素三水平正交表，結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量 3個(gè)因素在3個(gè)水平上對(duì)PGA特性黏度的影響。因素水平與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

利用STATISTICA 6.0對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，反應(yīng)溫度是最主要的因素，對(duì) PGA的特性黏度影響最大，反應(yīng)時(shí)間是較主要因素，對(duì) PGA的黏度影響次之，催化劑是次要因素，對(duì)聚合反應(yīng)影響最小。

2.9 最佳實(shí)驗(yàn)條件的確定

由 STATISTICA 6.0分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)PGA懸浮聚合的最佳條件為：反應(yīng)溫度為193.8 ℃，反應(yīng)時(shí)間為113.3 h，催化劑用量為0.02%，在此條件下合成的PGA特性黏度的預(yù)測(cè)值為0.858 dL/g。為了驗(yàn)證最佳條件，本文作者做了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件：溫度為194 ℃，反應(yīng)時(shí)間為113 h，催化劑用量為 0.02%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：PGA特性黏度為 0.845 dL/g，高于其它任何一組，與預(yù)測(cè)值接近，見(jiàn)表4。

表2 因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 PGA的最佳工藝條件

3 結(jié) 論

（1）本文通過(guò)懸浮聚合法制備了生物可降解材料 PGA，并通過(guò)核磁、紅外、DSC等手段表征了 PGA的結(jié)構(gòu)。考察了聚合溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量等因素對(duì)聚乙醇酸特性黏度的影響規(guī)律：隨著聚合溫度的升高，聚合物黏度先增加后減??；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，PGA的特性黏度不斷增大，100 h后特性黏度增加趨勢(shì)緩慢；隨著催化劑用量的增加，PGA特性黏度增加，達(dá)到峰值后大幅下降。

（2）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究了各因素對(duì)PGA特性黏度影響的大小，其中反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)黏度影響較大，催化劑用量對(duì)黏度的影響較小，通過(guò)STATISTICA 6.0分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)出最佳的反應(yīng)條件，并通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)確定最佳的反應(yīng)條件為：溫度為194 ℃，反應(yīng)時(shí)間為113 h，催化劑用量為0.02%，制得的PGA的特性黏度為0.845 dL/g，接近乙交酯懸浮所得產(chǎn)品的特性黏度，其黏度為0.9 dL/g[8]，高于氯乙酸法合成的產(chǎn)品，其特性黏度為0.64 dL/g[7]。

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