懸浮聚合法制備聚乙醇酸的工藝

陸衛良，崔愛軍，王澤云，田俊凱，陳 群，何明陽

（常州大學江蘇省精細石油化工重點實驗室，常州 213164）

進入 21世紀以來，生物可降解材料成為研究熱點。在各類合成的生物降解材料中，脂肪族類聚酯，特別是聚乙醇酸（PGA），由于具備優良的力學性能和生物可降解性能，在組織工程支架、藥物緩釋載體、阻隔材料等諸多領域得到應用[1-3]，其合成工藝受到越來越多的關注。PGA的合成通常采用二步開環法[4-5]，即先將乙醇酸制成乙交酯，再由乙交酯開環制成 PGA，另一種被報道的方法是熔融/固相縮聚法，即先在熔融狀態下制備低聚物，再將低聚物打碎后進行固相縮聚，Takahashi等[6]通過這種方法制備了高相對分子質量的PGA。上述的兩種方法中第一種方法工藝路線長，對乙交酯純度要求高，成本較高，而第二種方法在第一步反應和第二步反應之間由于低聚物需要粉碎處理，在工業上難以連續生產且制得的產品顏色較深。此外，還有一些被報道的方法，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，該方法工藝路線簡單，但無法得到高相對分子質量的聚合物，且原料氯乙酸有很強的滲透腐蝕性，不利于實驗的操作。

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題，懸浮聚合體系以水或硅油作為連續相，易于傳熱，聚合完成后，只需進行簡單的分離、洗滌、干燥等工序，即得到聚合物產品，可直接用于加工成型[8]，缺點是不容易獲得高相對分子質量的聚合物。胡翠瓊等[9]利用乙交酯為單體，甲基硅油作為分散介質，利用懸浮聚合的方法制備了特性黏度相對較高的PGA。本文通過采用便宜易得的原料乙醇酸通過懸浮聚合的方法制備低色度高相對分子質量的PGA，考察了聚合過程中催化劑、時間、溫度等因素對聚合反應的影響，得出懸浮縮聚合成高相對分子質量的PGA的最佳工藝條件，并用IR、DSC、XRD等對合成的產品進行了表征。

1 實 驗

1.1 原料及儀器

羥基乙酸（太倉市新毛滌綸化工有限公司，99.5%），二水合乙酸鋅（AR，上海新寶精細化工廠），二水合氯化亞錫（AR，上海凌峰化學試劑有限公司），辛酸亞錫（AR，國藥集團化學試劑有限公司），四氯化錫（AR，國藥集團化學試劑有限公司），甲基硅油（黏度350 mm2/s，青島興業有機硅新材料有限公司），乳化劑MOA-3（江蘇省海安石油化工廠），其它試劑均為市售分析純；傅里葉紅外光譜儀（PROTéGé 460，美國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 Perkin Elmer），X光衍射儀（D/max 2500 PC，日本理學），烏氏黏度計（內徑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，轉速達400 r/min，反應1 h，繼續減壓至4 kPa，反應1 h后，基本無水生成，減壓至真空，體系壓強為200 Pa，繼續反應數十個小時。所得的聚合物經石油醚多次浸泡除去表面的硅油，之后真空干燥保存。反應的機理為先生成聚合度較低的低聚物，然后經過長時間的聚合反應，生成高聚物，具體反應如圖1所示。

1.3 產品表征

1.3.1 結構表征

傅里葉紅外光譜儀測定，KBr壓片法測定PGA的紅外光譜。1H NMR采用以氘代三氟乙酸（CF3COOD）為溶劑，TMS為內標測定。

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射線圖中結晶區域面積與總面積之比定義為結晶度，用式（1）計算。

式中，Ac為晶峰面積；Aa為非晶峰面積。

1.3.3 DSC測定

N2流速40 mL/min，從50 ℃開始，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管徑烏氏黏度計分別測試出純六氟異丙醇和 PGA的六氟異丙醇溶液的流出時間t0和t，特性黏度的計算通過“一點法”公式[10]求得，見式（2）。

式中，ηr=t/t0為相對黏度；ηsp=ηr-1為增比黏度。

每一樣品平行測定3次，各次測定的流出時間相差不能超過0.2 s。最后將3次結果取平均值，即為待測液的流出時間。

2 結果與討論

2.1 PGA的結構表征

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，圖譜與相關文獻[4]上報道的基本一致。

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環法文獻[4]及直接熔融/固相聚合法[11]報道的結果基本一致，如圖3所示。具體峰值與官能團歸屬如下：1745 cm?1處為聚合物酯羰基(C=O)的伸縮振動吸收峰；1152 m?1和1086 cm?1處為聚合物酯基中的 C—O伸縮振動吸收峰；3513 cm?1處為聚合物末端羥基 O—H伸縮振動吸收峰；2970 cm?1處為聚合物中亞甲基C—H伸縮振動峰；1418 cm?1處為亞甲基 C—H的彎曲振動吸收峰。

2.2 PGA熱性能

PGA的DSC曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，制得的PGA的熔點為222.01 ℃，結晶溫度為 189.35 ℃，玻璃化溫度為 41.03 ℃，與文獻[4]報道的數值相近，與乙交酯開環法[5]制得的產品的熔點也很接近，可以在一定程度上說明制得的PGA產品相對分子質量較高。

2.3 PGA結晶性能

懸浮聚合法合成的 PGA結晶度較高，如圖 5所示，結晶度約為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品相似，其產品結晶度為54.4%[10]，與乙交酯開環法[4]所制得的PGA衍射峰結果基本一致。從結晶程度上看，懸浮聚合法制得的 PGA明顯比乙交酯開環法制得的 PGA結晶度高，后者的結晶度僅為32.3%[10]，與直接熔融/固相縮聚法相近，這是因為懸浮聚合法和固相縮聚法經歷了較長時間的聚合反應過程，因此制得的 PGA結晶度高，晶粒尺寸更大，排列更整齊。

2.4 催化劑的選擇

PGA的合成是一個聚合和解聚的平衡過程，GA聚合的同時會發生解聚，生成乙交酯等小分子的副產物，催化劑的選擇應當有利于加快聚合反應速度，并使反應向聚合的方向進行。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，其催化機理為催化劑與單體中的氧原子配位極化，然后再通過酰氧鍵的斷裂生成氧離子并引發單體進行增長[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質子酸如HCl，從而催化聚合反應[13]。

（3）金屬烷氧基化合物體系 辛酸亞錫，長鏈的催化劑更易分散在硅油體系中。

制得的產品的特性黏度見表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品，可見辛酸亞錫催化效果要明顯好于其它幾種催化劑，這是因為辛酸亞錫的長鏈結構更容易分散在甲基硅油這個分散體系中，與原料接觸發生反應的機會要明顯高于其它4種催化劑。進一步的實驗選取辛酸亞錫作為反應的催化劑。

表1 催化劑種類對特性黏度的影響

2.5 催化劑用量對特性黏度的影響

反應溫度為180 ℃，反應時間為100 h，本文考察了催化劑用量對聚乙醇酸特性黏度的影響，結果如圖6所示。

隨著催化劑用量的增加，催化活性中心增多，聚合反應發生的概率增加，反應速度加快，但催化劑過量后，反應物活性種過多，且催化劑易與反應中生成的小分子副產物發生反應，生成雜質包裹在低聚物的表面，阻礙反應的進一步發生，且使得產品顏色加深[14]。從圖6可以看出，催化劑用量為原料質量的0.02%左右最適宜。

2.6 反應溫度對特性黏度的影響

如圖 7所示，在溫度為 190 ℃條件下，PGA產品特性黏度達到最高為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的結晶溫度在190 ℃附近，在此溫度下有利于非晶態向晶態的轉化，結晶過程有利于低聚物聚集，從而提高羧基與羥基發生酯化反應的概率[15]，生成特性黏度更高的聚合物。

2.7 反應時間對特性黏度的影響

反應時間對特性黏度的影響見圖8，PGA的特性黏度隨著反應時間的增加而增大，在100 h前，隨著反應時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，這是因為PGA的聚合速率遠大于解聚速率，聚合物的鏈不斷延長。但是 100 h后，隨著反應時間增加，特性黏度提高幅度不明顯，這是因為 PGA的聚合速率與解聚速率基本相同，整個聚合反應達到平衡，所以最佳的固相縮聚時間為100 h。

2.8 正交實驗及其結果分析

實驗采用三因素三水平正交表，結合單因素實驗結果，選取反應溫度、反應時間、催化劑用量 3個因素在3個水平上對PGA特性黏度的影響。因素水平與實驗結果如表2、表3所示。

利用STATISTICA 6.0對正交實驗結果進行分析，結果如圖9所示。從圖9可看出，反應溫度是最主要的因素，對 PGA的特性黏度影響最大，反應時間是較主要因素，對 PGA的黏度影響次之，催化劑是次要因素，對聚合反應影響最小。

2.9 最佳實驗條件的確定

由 STATISTICA 6.0分析正交實驗結果，總結PGA懸浮聚合的最佳條件為：反應溫度為193.8 ℃，反應時間為113.3 h，催化劑用量為0.02%，在此條件下合成的PGA特性黏度的預測值為0.858 dL/g。為了驗證最佳條件，本文作者做了驗證實驗，實驗條件：溫度為194 ℃，反應時間為113 h，催化劑用量為 0.02%。實驗結果為：PGA特性黏度為 0.845 dL/g，高于其它任何一組，與預測值接近，見表4。

表2 因素水平表

表3 正交實驗結果

表4 PGA的最佳工藝條件

3 結 論

（1）本文通過懸浮聚合法制備了生物可降解材料 PGA，并通過核磁、紅外、DSC等手段表征了 PGA的結構。考察了聚合溫度、反應時間、催化劑用量等因素對聚乙醇酸特性黏度的影響規律：隨著聚合溫度的升高，聚合物黏度先增加后減小；隨著反應時間的增加，PGA的特性黏度不斷增大，100 h后特性黏度增加趨勢緩慢；隨著催化劑用量的增加，PGA特性黏度增加，達到峰值后大幅下降。

（2）通過正交實驗，研究了各因素對PGA特性黏度影響的大小，其中反應溫度和時間對黏度影響較大，催化劑用量對黏度的影響較小，通過STATISTICA 6.0分析正交實驗結果預測出最佳的反應條件，并通過驗證實驗確定最佳的反應條件為：溫度為194 ℃，反應時間為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品，其特性黏度為0.64 dL/g[7]。

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