反應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，已經被美國食品和藥品管理局批準用于可吸收手術縫合線、藥物緩控釋放、骨科固定、組織工程支架等醫療領域［1-4］。以PGA為原料制備的手術縫合線的柔性較差，給后續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共聚制備高相對分子質量的PGLA［6-10］。其中，利用攪拌反應釜制備PGLA是常用的方法，但該方法反應時間較長，半間歇的操作不利于連續化生產。近年來，采用雙螺桿反應擠出法通過丙交酯的開環聚合制備聚乳酸已有一些報道［11-15］，該方法具有反應速率快、生產效率高、易于實現連續化生產等優點。但采用反應擠出法連續制備PGLA鮮有報道。

本工作通過雙螺桿反應擠出法進行乙交酯和L-丙交酯的開環共聚合，研究了催化劑用量、聚合溫度和螺桿轉速等工藝條件對聚合反應的影響，制備了重均相對分子質量達1.13×105的PGLA（90/10），同時利用調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、結晶過程中的復雜相變提供了基礎數據。

1 實驗部分

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，國藥集團化學試劑有限公司；六氟異丙醇：純度99%，上海德默醫藥有限公司。

1.2 PGLA的制備

1.2.1 乙交酯/丙交酯的反應擠出聚合

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，參數設置如下：溫度190～210 ℃、轉速10～30 r/min。待參數達到預定值后，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，連續化快速制得絲狀或條狀產品。

1.2.2 聚合物的提純

稱取一定質量的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 聚合物結構表征與性能測定

1.3.1 相對分子質量

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濾液注射到進樣器中進行測定。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種不同標準的聚甲基丙烯酸甲酯進行相對分子質量校正，得到PGLA的重均相對分子質量和分散度。

1.3.2 MDSC表征

使用Thermal Analysis公司的Discovery系列差示掃描量熱儀進行MDSC表征。取10 mg試樣在氮氣保護下以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型核磁共振儀進行1H NMR表征，以氘代三氟乙酸為溶劑。

2 結果與討論

2.1 工藝條件對聚合的影響

通過反應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.

根據圖1中PGLA乳酰結構單元上的CH（δ=5.54～5.58）和乙醇酰結構單元上CH2的質子共振峰（δ=5.08～5.17）的積分強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的乙交酯中的CH2和未反應的丙交酯中的CH的質子共振峰，由上述積分強度可計算出共聚物中單體的轉化率［7］。

工藝條件對聚合產物性質的影響見表1。由表1可知，根據1H NMR表征結果計算得到共聚物中乙醇酰結構單元與乳酰結構單元的摩爾比約為93∶7，與聚合時的投料比相差較大，這是因為單體的競聚率相差較大（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 工藝條件對聚合產物性質的影響Table 1 Influence of parameters during reactive extrusion polymerization on the performance of the polymer

由表1可知，當固定螺桿轉速為10 r/min、聚合溫度為200 ℃時，隨著催化劑用量的增加，單體轉化率逐步由91.5%提高至93.7%，而聚合產物的相對分子質量則呈現先增大后減小的變化趨勢。當催化劑用量（占總單體的質量分數，下同）為300×10-6時，聚合物的相對分子質量較高且分散度較低。這是因為當催化劑用量太少時，催化反應活性不夠，不利于聚合反應的快速進行和高相對分子質量PGLA的獲得；而當催化劑用量過多時，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目就會減少，反而導致聚合物的相對分子質量降低。

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

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

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

2.2 聚合產物的提純

2.2.1 殘留單體含量對產物相對分子質量的影響

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

表2 殘留單體含量對產物相對分子質量的影響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量均有所下降，這是因為在高于室溫的潮濕環境下，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PGLA發生降解，使得相對分子質量下降；而且試樣中殘留單體的含量越高，相對分子質量下降的程度越明顯，這也進一步說明殘留單體含量對PGLA的性能有顯著影響。為提高產品質量，要對聚合物進行提純，盡量去除殘留單體。

2.2.2 提純對產物相對分子質量和殘留單體含量的影響

由于PGLA（90/10）在常見的有機溶劑中很難溶解，并不適合采用溶解沉淀的方法對其進行提純，因此選用真空加熱的方式去除殘留單體。考察了加熱溫度和加熱時間對產物相對分子質量和殘留單體含量的影響，結果見表3。由表3可知，升高加熱溫度或延長加熱時間，都會使PGLA的相對分子質量下降，在160 ℃下加熱8 h后，試樣的相對分子質量從1.31×105降至9.04×104。這主要是因為PGLA在高溫下發生了熱降解。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、相對分子質量及提純效率等指標，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量維持在1.0×105以上。

表3 加熱溫度和時間對產物相對分子質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DSC線性升溫、只能觀察到總熱流的基礎上，疊加了周期性的正弦振蕩控溫程序，將傳統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DSC的升溫速率是固定值，但MDSC的升溫速率不是常數，而是在有固定周期的溫度范圍內上下振蕩，呈現出周期性的變化，具體的變化由所施加溫度波的平均升溫速率、調制振幅和調制周期決定。由MDSC可得到總熱流、可逆熱流和不可逆熱流三條曲線。可逆熱流與試樣比熱容相關，聚合物玻璃化轉變通常出現在可逆曲線上；不可逆熱流通常與動力學相關，焓松弛、結晶、固化等往往出現在不可逆曲線上［19-21］；熔融相對比較復雜，大部分會出現在可逆曲線上，但也有一些會同時出現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，調制周期為60 s。由圖2可知，可逆曲線上主要出現了玻璃化轉變溫度和熔融溫度；不可逆曲線上出現了焓松弛、冷結晶溫度，還出現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“在觀測的轉變（結晶或熔融）的半峰高位置有4～5個調制周期”［22］。較低的升溫速率可以在轉變過程中提供足夠的循環周期，所得結果具有較高的調制功能的分辨率，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，表征結果見表4，其中調制周期為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），情況相對復雜：以3 ℃/min的速率升溫時，冷結晶的焓變為42.10 J/g，除了在202.42℃處的熔融峰，在155～170 ℃處還出現了一個微弱的放熱峰（r1），此處應是共聚物中微量均聚聚乳酸（PLA）的重結晶峰［23］；當升溫速率為5 ℃/min時，冷結晶的焓變上升至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了一個新的放熱峰（r2），此放熱峰應與共聚物PGLA的晶體結晶完善過程有關，PGLA在加熱中邊熔融邊結晶；當升溫速率為8 ℃/min時，冷結晶的焓變升至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晶對升溫速率的變化比較敏感。

2.3.2 調制周期對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節，因此調制周期不能太短，一般在40 s以上，但調制周期過長會導致試樣在相轉變時的周期數減少，影響MDSC調制功能的分辨率。不同調制周期下PGLA的MDSC熱流曲線見圖4，表征結果見表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，隨著調制周期的延長，熔融溫度逐漸降低，而冷結晶峰變低變寬。不可逆曲線（圖4c）的冷結晶峰有著與總熱流曲線相同的趨勢，但在150～220 ℃的情況更復雜。

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

表5 不同調制周期下PGLA的MDSC表征結果Table 5 MDSC results of PGLA with various modulation periods

由表5可見，當調制周期為40 s時，出現了重結晶峰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；當調制周期為60 s時，在r1基礎上又出現了重結晶峰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；當調制周期為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；當調制周期為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 結論

1）以乙交酯和L-丙交酯為原料，采用雙螺桿擠出機通過兩種單體的開環共聚制備了具有較高相對分子質量的PGLA。在本工作范圍內，較合適的催化劑用量為300×10-6、聚合溫度為200 ℃、螺桿轉速為10 r/min，在此條件下可得重均相對分子質量大于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量。

2）隨著升溫速率的提高和調制周期的延長，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晶溫度則隨著升溫速率的提高和調制周期的減少向高溫區移動。

3）采用MDSC可有效分辨PGLA相轉變區域的重疊現象。對不可逆曲線進行分析，發現伴隨著PGLA的熔融過程會發生微量PLA均聚物的重結晶和PGLA的晶體完善等復雜相變。而隨著升溫速率的提高和調制周期的延長，不可逆曲線上PGLA晶體完善的放熱峰積分面積逐漸增大。