反應(yīng)擠出法制備聚乙丙交酯及其熱性能

王 睿，周 芬，周文樂

（中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

脂肪族聚酯作為一類重要的可降解高分子材料，具有良好的物理力學(xué)性能和加工性。聚乙交酯（PGA）及其共聚物聚乙丙交酯（PGLA）由于具有良好的生物相容性和生物可降解性，已經(jīng)被美國食品和藥品管理局批準(zhǔn)用于可吸收手術(shù)縫合線、藥物緩控釋放、骨科固定、組織工程支架等醫(yī)療領(lǐng)域［1-4］。以PGA為原料制備的手術(shù)縫合線的柔性較差，給后續(xù)的熔融紡絲帶來一定困難［5］，而引入丙交酯鏈段的PGLA比PGA的柔性高，有利于熔融紡絲后的編織順利進(jìn)行。目前，PGLA（90/10）（乙交酯與L-丙交酯的摩爾比為90∶10）是臨床應(yīng)用最廣泛的可吸收縫合線之一。

通常通過乙交酯和丙交酯的開環(huán)共聚制備高相對分子質(zhì)量的PGLA［6-10］。其中，利用攪拌反應(yīng)釜制備PGLA是常用的方法，但該方法反應(yīng)時間較長，半間歇的操作不利于連續(xù)化生產(chǎn)。近年來，采用雙螺桿反應(yīng)擠出法通過丙交酯的開環(huán)聚合制備聚乳酸已有一些報道［11-15］，該方法具有反應(yīng)速率快、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但采用反應(yīng)擠出法連續(xù)制備PGLA鮮有報道。

本工作通過雙螺桿反應(yīng)擠出法進(jìn)行乙交酯和L-丙交酯的開環(huán)共聚合，研究了催化劑用量、聚合溫度和螺桿轉(zhuǎn)速等工藝條件對聚合反應(yīng)的影響，制備了重均相對分子質(zhì)量達(dá)1.13×105的PGLA（90/10），同時利用調(diào)制式差示掃描量熱分析（MDSC）法考察了PGLA的熱性能，為研究PGLA熔融、結(jié)晶過程中的復(fù)雜相變提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

乙交酯：純度大于99.5%，自制；L-丙交酯：純度大于99%，荷蘭Purac公司；SnCl2·2H2O：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；六氟異丙醇：純度99%，上海德默醫(yī)藥有限公司。

1.2 PGLA的制備

1.2.1 乙交酯/丙交酯的反應(yīng)擠出聚合

采用Thermofisher Scientific公司具有錐形同向雙螺桿的HAKKE Minilab型微量混合儀作為擠出聚合裝置，參數(shù)設(shè)置如下：溫度190～210 ℃、轉(zhuǎn)速10～30 r/min。待參數(shù)達(dá)到預(yù)定值后，將摩爾比為90∶10的乙交酯和L-丙交酯及催化劑的混合物從加料口加入到微量混合儀中（容積約7 cm3），停留時間0.5～3.0 min，連續(xù)化快速制得絲狀或條狀產(chǎn)品。

1.2.2 聚合物的提純

稱取一定質(zhì)量的PGLA粒料放入真空干燥箱中，在120～160 ℃、50 Pa下抽真空維持一段時間。

1.3 聚合物結(jié)構(gòu)表征與性能測定

1.3.1 相對分子質(zhì)量

采用Agilent公司PL50型凝膠滲透色譜儀測定試樣的相對分子質(zhì)量。將PGLA試樣溶解在含有5×10-3mol/L三氟乙酸鈉的六氟異丙醇溶液中，用聚四氟乙烯濾膜過濾，取20 μL濾液注射到進(jìn)樣器中進(jìn)行測定。柱溫40 ℃，以溶解有5×10-3mol/L三氟乙酸鈉的六氟異丙醇溶液為洗脫液，流速為1 mL/min。使用5種不同標(biāo)準(zhǔn)的聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行相對分子質(zhì)量校正，得到PGLA的重均相對分子質(zhì)量和分散度。

1.3.2 MDSC表征

使用Thermal Analysis公司的Discovery系列差示掃描量熱儀進(jìn)行MDSC表征。取10 mg試樣在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以10 ℃/min的速率從0 ℃開始升溫至250 ℃，恒溫2 min，快速降溫至0 ℃，以消除試樣熱歷史；然后以調(diào)制周期40～100 s、升溫速率3～8 ℃/min的條件升溫至250 ℃，記錄試樣的升溫曲線。

1.3.31H NMR表征

采用Bruker公司Avance Ⅱ 600 MHz型核磁共振儀進(jìn)行1H NMR表征，以氘代三氟乙酸為溶劑。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對聚合的影響

通過反應(yīng)擠出法制備的未提純的原始PGLA的1H NMR 譜圖見圖1。

圖1 原始PGLA的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR spectrum of original PGLA.

根據(jù)圖1中PGLA乳酰結(jié)構(gòu)單元上的CH（δ=5.54～5.58）和乙醇酰結(jié)構(gòu)單元上CH2的質(zhì)子共振峰（δ=5.08～5.17）的積分強(qiáng)度可計算共聚物的摩爾組成［16］。此外，位于δ=5.28和δ=5.40～5.43處的峰分別是共聚物中未反應(yīng)的乙交酯中的CH2和未反應(yīng)的丙交酯中的CH的質(zhì)子共振峰，由上述積分強(qiáng)度可計算出共聚物中單體的轉(zhuǎn)化率［7］。

工藝條件對聚合產(chǎn)物性質(zhì)的影響見表1。由表1可知，根據(jù)1H NMR表征結(jié)果計算得到共聚物中乙醇酰結(jié)構(gòu)單元與乳酰結(jié)構(gòu)單元的摩爾比約為93∶7，與聚合時的投料比相差較大，這是因?yàn)閱误w的競聚率相差較大（乙交酯的競聚率為2.8、L-丙交酯的競聚率為0.2）以及丙交酯活性較低的緣故［17］。

表 1 工藝條件對聚合產(chǎn)物性質(zhì)的影響Table 1 Influence of parameters during reactive extrusion polymerization on the performance of the polymer

由表1可知，當(dāng)固定螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min、聚合溫度為200 ℃時，隨著催化劑用量的增加，單體轉(zhuǎn)化率逐步由91.5%提高至93.7%，而聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)催化劑用量（占總單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為300×10-6時，聚合物的相對分子質(zhì)量較高且分散度較低。這是因?yàn)楫?dāng)催化劑用量太少時，催化反應(yīng)活性不夠，不利于聚合反應(yīng)的快速進(jìn)行和高相對分子質(zhì)量PGLA的獲得；而當(dāng)催化劑用量過多時，生成的配位活性中心太多，每個活性中心上所能增長的單體數(shù)目就會減少，反而導(dǎo)致聚合物的相對分子質(zhì)量降低。

當(dāng)固定催化劑用量為300×10-6、螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min，將聚合溫度從190 ℃升高至200 ℃時，聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量提高，達(dá)到1.13×105，但當(dāng)聚合溫度達(dá)到210 ℃后，相對分子質(zhì)量下降。這是由于升高聚合溫度有利于配位活性中心進(jìn)行鏈增長，但當(dāng)聚合溫度過高時，聚合物的熱降解速率大于聚合速率，導(dǎo)致產(chǎn)物相對分子質(zhì)量下降。此外，升高聚合溫度有利于提高單體轉(zhuǎn)化率。

當(dāng)固定催化劑用量為300×10-6、聚合溫度為200 ℃時，隨著螺桿轉(zhuǎn)速從10 r/min增至30 r/min，聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量逐漸降低，而單體轉(zhuǎn)化率也由93.2%降至90.8%，呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。這可能與采用此種微型雙螺桿擠出裝置進(jìn)行反應(yīng)時的停留時間有關(guān)，螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min時反應(yīng)物的停留時間約為1.5～2.0 min，若螺桿轉(zhuǎn)速增至30 r/min，停留時間縮短為不足1.0 min，停留時間過短導(dǎo)致聚合反應(yīng)進(jìn)行得不充分，使得聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量和單體轉(zhuǎn)化率降低。

由上述結(jié)果可知，合適的共聚條件為：催化劑用量300×10-6、聚合溫度200 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速10 r/min。

2.2 聚合產(chǎn)物的提純

2.2.1 殘留單體含量對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量的影響

PGLA作為手術(shù)縫合線等醫(yī)用材料使用時，單體殘留過多會影響產(chǎn)品的性能［18］。因此比較了不同殘留單體含量（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的聚合物試樣在45 ℃、80%濕度的環(huán)境中放置2 d后相對分子質(zhì)量的變化，結(jié)果見表2。

表2 殘留單體含量對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量的影響Table 2 Effect of residue contents of monomer on the molecular weight of the product

由表2可看出，2 d后聚合物試樣的相對分子質(zhì)量均有所下降，這是因?yàn)樵诟哂谑覝氐某睗癍h(huán)境下，殘留在聚合物中的單體與水接觸，會生成線型的羥基酸二聚體、乙醇酸和乳酸［14］，這些含羧基的酸性成分會誘發(fā)PGLA發(fā)生降解，使得相對分子質(zhì)量下降；而且試樣中殘留單體的含量越高，相對分子質(zhì)量下降的程度越明顯，這也進(jìn)一步說明殘留單體含量對PGLA的性能有顯著影響。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，要對聚合物進(jìn)行提純，盡量去除殘留單體。

2.2.2 提純對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量和殘留單體含量的影響

由于PGLA（90/10）在常見的有機(jī)溶劑中很難溶解，并不適合采用溶解沉淀的方法對其進(jìn)行提純，因此選用真空加熱的方式去除殘留單體?？疾炝思訜釡囟群图訜釙r間對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量和殘留單體含量的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，升高加熱溫度或延長加熱時間，都會使PGLA的相對分子質(zhì)量下降，在160 ℃下加熱8 h后，試樣的相對分子質(zhì)量從1.31×105降至9.04×104。這主要是因?yàn)镻GLA在高溫下發(fā)生了熱降解。由表3還可看出，延長加熱時間有助于降低殘留單體含量；而在相同時間下，加熱溫度越高，殘留單體含量越低。綜合考慮殘留單體含量、相對分子質(zhì)量及提純效率等指標(biāo)，在140 ℃下真空干燥8 h可以將殘留單體含量降至2%以下，同時重均相對分子質(zhì)量維持在1.0×105以上。

表3 加熱溫度和時間對產(chǎn)物相對分子質(zhì)量和殘留單體含量的影響Table 3 Effect of heating temperature and time on the molecular weight of product and residue contents of monomer

2.3 PGLA的熱性能

MDSC在傳統(tǒng)DSC線性升溫、只能觀察到總熱流的基礎(chǔ)上，疊加了周期性的正弦振蕩控溫程序，將傳統(tǒng)DSC測定的總熱流分割為兩部分，即可逆熱流和不可逆熱流。傳統(tǒng)DSC的升溫速率是固定值，但MDSC的升溫速率不是常數(shù)，而是在有固定周期的溫度范圍內(nèi)上下振蕩，呈現(xiàn)出周期性的變化，具體的變化由所施加溫度波的平均升溫速率、調(diào)制振幅和調(diào)制周期決定。由MDSC可得到總熱流、可逆熱流和不可逆熱流三條曲線?？赡鏌崃髋c試樣比熱容相關(guān)，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變通常出現(xiàn)在可逆曲線上；不可逆熱流通常與動力學(xué)相關(guān)，焓松弛、結(jié)晶、固化等往往出現(xiàn)在不可逆曲線上［19-21］；熔融相對比較復(fù)雜，大部分會出現(xiàn)在可逆曲線上，但也有一些會同時出現(xiàn)在可逆曲線和不可逆曲線上［22］。

圖2是PGLA的總熱流、可逆熱流和不可逆熱流曲線，升溫速率為5 ℃/min，調(diào)制周期為60 s。由圖2可知，可逆曲線上主要出現(xiàn)了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度；不可逆曲線上出現(xiàn)了焓松弛、冷結(jié)晶溫度，還出現(xiàn)了多重放熱峰和微小的吸熱峰。

圖2 PGLA的MDSC熱流曲線Fig.2 Modulated differential scanning calorimetry(MDSC)heating curves of PGLA.

2.3.1 升溫速率對MDSC熱流曲線的影響

MDSC升溫速率的選擇通常需要滿足“在觀測的轉(zhuǎn)變（結(jié)晶或熔融）的半峰高位置有4～5個調(diào)制周期”［22］。較低的升溫速率可以在轉(zhuǎn)變過程中提供足夠的循環(huán)周期，所得結(jié)果具有較高的調(diào)制功能的分辨率，但較高的升溫速率下所得信號具有較高靈敏度，設(shè)置時需要綜合考慮。不同升溫速率下PGLA的總熱流、可逆熱流和不可逆熱流曲線見圖3，表征結(jié)果見表4，其中調(diào)制周期為60 s。

圖3 不同升溫速率下PGLA的MDSC熱流曲線Fig.3 MDSC heating curves of PGLA with various heating rates.

表4 不同升溫速率下PGLA的MDSC表征結(jié)果Table 4 MDSC results of PGLA with various heating rates

由圖3可知，隨著升溫速率的提高，總熱流曲線（圖3a）上的冷結(jié)晶溫度逐漸升高，可逆熱流曲線（圖3b）上的熔融峰峰形越來越尖，熔融焓也越來越大，測試靈敏度提高。對于不可逆曲線（圖3c），情況相對復(fù)雜：以3 ℃/min的速率升溫時，冷結(jié)晶的焓變?yōu)?2.10 J/g，除了在202.42℃處的熔融峰，在155～170 ℃處還出現(xiàn)了一個微弱的放熱峰（r1），此處應(yīng)是共聚物中微量均聚聚乳酸（PLA）的重結(jié)晶峰［23］；當(dāng)升溫速率為5 ℃/min時，冷結(jié)晶的焓變上升至44.09 J/g，熔融峰變得很小，除了r1峰外，在熔融峰附近又出現(xiàn)了一個新的放熱峰（r2），此放熱峰應(yīng)與共聚物PGLA的晶體結(jié)晶完善過程有關(guān)，PGLA在加熱中邊熔融邊結(jié)晶；當(dāng)升溫速率為8 ℃/min時，冷結(jié)晶的焓變升至46.10 J/g，放熱峰r1和r2的峰形逐漸變高，表明不可逆曲線的重結(jié)晶對升溫速率的變化比較敏感。

2.3.2 調(diào)制周期對MDSC熱流曲線的影響

由于試樣必須有足夠的時間跟隨溫度的調(diào)節(jié)，因此調(diào)制周期不能太短，一般在40 s以上，但調(diào)制周期過長會導(dǎo)致試樣在相轉(zhuǎn)變時的周期數(shù)減少，影響MDSC調(diào)制功能的分辨率。不同調(diào)制周期下PGLA的MDSC熱流曲線見圖4，表征結(jié)果見表5，升溫速率均為5 ℃/min。由總熱流曲線和可逆熱流曲線（圖4a和4b）可知，隨著調(diào)制周期的延長，熔融溫度逐漸降低，而冷結(jié)晶峰變低變寬。不可逆曲線（圖4c）的冷結(jié)晶峰有著與總熱流曲線相同的趨勢，但在150～220 ℃的情況更復(fù)雜。

圖4 不同調(diào)制周期下PGLA的MDSC熱流曲線Fig.4 MDSC heating curves of PGLA with various modulation periods.

表5 不同調(diào)制周期下PGLA的MDSC表征結(jié)果Table 5 MDSC results of PGLA with various modulation periods

由表5可見，當(dāng)調(diào)制周期為40 s時，出現(xiàn)了重結(jié)晶峰r1，分割在可逆曲線上的熔融焓為60.03 J/g，分割在不可逆曲線上的熔融焓為19.56 J/g；當(dāng)調(diào)制周期為60 s時，在r1基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了重結(jié)晶峰r2，分割在可逆曲線上的熔融焓升至93.91 J/g，分割在不可逆曲線上的熔融焓降至0.32 J/g；當(dāng)調(diào)制周期為80 s時，熔融焓為107.26 J/g，不可逆曲線上的熔融峰已完全消失，熔融已全部分割在可逆曲線上；當(dāng)調(diào)制周期為100 s時，r2的積分面積相比60 s和80 s時明顯增加，熔融焓升至125.57 J/g。

3 結(jié)論

1）以乙交酯和L-丙交酯為原料，采用雙螺桿擠出機(jī)通過兩種單體的開環(huán)共聚制備了具有較高相對分子質(zhì)量的PGLA。在本工作范圍內(nèi)，較合適的催化劑用量為300×10-6、聚合溫度為200 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min，在此條件下可得重均相對分子質(zhì)量大于1.0×105的PGLA。在140 ℃下真空加熱8 h可將PGLA殘留單體含量降至2%以下，并保持較高的相對分子質(zhì)量。

2）隨著升溫速率的提高和調(diào)制周期的延長，PGLA的熔融峰分割在MDSC可逆曲線上的比例呈逐漸增加的趨勢，并在一定條件下從不可逆曲線上完全消失；不可逆曲線上的冷結(jié)晶溫度則隨著升溫速率的提高和調(diào)制周期的減少向高溫區(qū)移動。

3）采用MDSC可有效分辨PGLA相轉(zhuǎn)變區(qū)域的重疊現(xiàn)象。對不可逆曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著PGLA的熔融過程會發(fā)生微量PLA均聚物的重結(jié)晶和PGLA的晶體完善等復(fù)雜相變。而隨著升溫速率的提高和調(diào)制周期的延長，不可逆曲線上PGLA晶體完善的放熱峰積分面積逐漸增大。