悬浮聚合法制备聚乙醇酸的工艺

陆卫良，崔爱军，王泽云，田俊凯，陈 群，何明阳

（常州大学江苏省精细石油化工重点实验室，常州 213164）

进入 21世纪以来，生物可降解材料成为研究热点。在各类合成的生物降解材料中，脂肪族类聚酯，特别是聚乙醇酸（PGA），由于具备优良的力学性能和生物可降解性能，在组织工程支架、药物缓释载体、阻隔材料等诸多领域得到应用[1-3]，其合成工艺受到越来越多的关注。PGA的合成通常采用二步开环法[4-5]，即先将乙醇酸制成乙交酯，再由乙交酯开环制成 PGA，另一种被报道的方法是熔融/固相缩聚法，即先在熔融状态下制备低聚物，再将低聚物打碎后进行固相缩聚，Takahashi等[6]通过这种方法制备了高相对分子质量的PGA。上述的两种方法中第一种方法工艺路线长，对乙交酯纯度要求高，成本较高，而第二种方法在第一步反应和第二步反应之间由于低聚物需要粉碎处理，在工业上难以连续生产且制得的产品颜色较深。此外，还有一些被报道的方法，如氯乙酸合成法[7]，即以氯乙酸为原料在三乙胺的作用下，采用溶液缩聚法合成聚乙醇酸，该方法工艺路线简单，但无法得到高相对分子质量的聚合物，且原料氯乙酸有很强的渗透腐蚀性，不利于实验的操作。

本文作者提出一种新的制备聚乙醇酸的方法，即悬浮聚合法。该方法能很好地克服前面两种方法的问题，悬浮聚合体系以水或硅油作为连续相，易于传热，聚合完成后，只需进行简单的分离、洗涤、干燥等工序，即得到聚合物产品，可直接用于加工成型[8]，缺点是不容易获得高相对分子质量的聚合物。胡翠琼等[9]利用乙交酯为单体，甲基硅油作为分散介质，利用悬浮聚合的方法制备了特性黏度相对较高的PGA。本文通过采用便宜易得的原料乙醇酸通过悬浮聚合的方法制备低色度高相对分子质量的PGA，考察了聚合过程中催化剂、时间、温度等因素对聚合反应的影响，得出悬浮缩聚合成高相对分子质量的PGA的最佳工艺条件，并用IR、DSC、XRD等对合成的产品进行了表征。

1 实 验

1.1 原料及仪器

羟基乙酸（太仓市新毛涤纶化工有限公司，99.5%），二水合乙酸锌（AR，上海新宝精细化工厂），二水合氯化亚锡（AR，上海凌峰化学试剂有限公司），辛酸亚锡（AR，国药集团化学试剂有限公司），四氯化锡（AR，国药集团化学试剂有限公司），甲基硅油（黏度350 mm2/s，青岛兴业有机硅新材料有限公司），乳化剂MOA-3（江苏省海安石油化工厂），其它试剂均为市售分析纯；傅里叶红外光谱仪（PROTÉGÉ 460，美国Nicolet公司），核磁共振波谱仪（AVANCE Ⅲ 500 MHz，Bruker公司），差示扫描量热仪（Pyris 1 DSC美国 Perkin Elmer），X光衍射仪（D/max 2500 PC，日本理学），乌氏黏度计（内径0.5～0.6 mm）。

1.2 PGA合成方法

以乙醇酸为原料，MOA-3为分散剂，按10 mL/g聚乙醇酸的比例取所需体积的甲基硅油，加入一定量的催化剂，加热到190 ℃，缓慢减压至20 kPa，并加速搅拌，转速达400 r/min，反应1 h，继续减压至4 kPa，反应1 h后，基本无水生成，减压至真空，体系压强为200 Pa，继续反应数十个小时。所得的聚合物经石油醚多次浸泡除去表面的硅油，之后真空干燥保存。反应的机理为先生成聚合度较低的低聚物，然后经过长时间的聚合反应，生成高聚物，具体反应如图1所示。

1.3 产品表征

1.3.1 结构表征

傅里叶红外光谱仪测定，KBr压片法测定PGA的红外光谱。1H NMR采用以氘代三氟乙酸（CF3COOD）为溶剂，TMS为内标测定。

1.3.2 粉末衍射（XRD）

电流30 mA，狭缝DS=SS=1°，RS=0.3 mm，扫描速度10°/min，石墨单色器，铜靶，扫描范围5°～80°。X射线图中结晶区域面积与总面积之比定义为结晶度，用式（1）计算。

式中，Ac为晶峰面积；Aa为非晶峰面积。

1.3.3 DSC测定

N2流速40 mL/min，从50 ℃开始，以20 ℃/min升温到250 ℃，在250 ℃保持1.0 min，然后以10℃/min降温到50 ℃。

1.3.4 特性黏度

在25 ℃条件下，利用0.5～0.6 mm管径乌氏黏度计分别测试出纯六氟异丙醇和 PGA的六氟异丙醇溶液的流出时间t0和t，特性黏度的计算通过“一点法”公式[10]求得，见式（2）。

式中，ηr=t/t0为相对黏度；ηsp=ηr-1为增比黏度。

每一样品平行测定3次，各次测定的流出时间相差不能超过0.2 s。最后将3次结果取平均值，即为待测液的流出时间。

2 结果与讨论

2.1 PGA的结构表征

2.1.1 PGA核磁表征

图2为PGA的核磁共振图。由图2可以看出，悬浮聚合合成的 PGA在δ为 5.06处有很强的吸收峰，这是由分子链上的—CH2—引起，其它杂峰很小，图谱与相关文献[4]上报道的基本一致。

2.1.2 PGA红外表征

悬浮聚合合成的PGA红外光谱吸收的特征峰与乙交酯开环法文献[4]及直接熔融/固相聚合法[11]报道的结果基本一致，如图3所示。具体峰值与官能团归属如下：1745 cm−1处为聚合物酯羰基(C=O)的伸缩振动吸收峰；1152 m−1和1086 cm−1处为聚合物酯基中的 C—O伸缩振动吸收峰；3513 cm−1处为聚合物末端羟基 O—H伸缩振动吸收峰；2970 cm−1处为聚合物中亚甲基C—H伸缩振动峰；1418 cm−1处为亚甲基 C—H的弯曲振动吸收峰。

2.2 PGA热性能

PGA的DSC曲线如图4所示，从图4中可以看出，制得的PGA的熔点为222.01 ℃，结晶温度为 189.35 ℃，玻璃化温度为 41.03 ℃，与文献[4]报道的数值相近，与乙交酯开环法[5]制得的产品的熔点也很接近，可以在一定程度上说明制得的PGA产品相对分子质量较高。

2.3 PGA结晶性能

悬浮聚合法合成的 PGA结晶度较高，如图 5所示，结晶度约为55.33%，其（110）面和（020）面衍射峰位置分别在2θ为22.3°、28.9°附近，与直接熔融缩聚法制得的产品相似，其产品结晶度为54.4%[10]，与乙交酯开环法[4]所制得的PGA衍射峰结果基本一致。从结晶程度上看，悬浮聚合法制得的 PGA明显比乙交酯开环法制得的 PGA结晶度高，后者的结晶度仅为32.3%[10]，与直接熔融/固相缩聚法相近，这是因为悬浮聚合法和固相缩聚法经历了较长时间的聚合反应过程，因此制得的 PGA结晶度高，晶粒尺寸更大，排列更整齐。

2.4 催化剂的选择

PGA的合成是一个聚合和解聚的平衡过程，GA聚合的同时会发生解聚，生成乙交酯等小分子的副产物，催化剂的选择应当有利于加快聚合反应速度，并使反应向聚合的方向进行。本文采用3种合成PGA常用的催化剂体系。

（1）路易斯金属盐及其氧化物 三氧化二锑和四氯化锡，其催化机理为催化剂与单体中的氧原子配位极化，然后再通过酰氧键的断裂生成氧离子并引发单体进行增长[12]。

（2）路易斯金属盐-水体系 二水合乙酸锌、二水合氯化亚锡，其催化原理为催化剂和水作用释放出强质子酸如HCl，从而催化聚合反应[13]。

（3）金属烷氧基化合物体系 辛酸亚锡，长链的催化剂更易分散在硅油体系中。

制得的产品的特性黏度见表1。由表1可知，采用辛酸亚锡催化合成的 PGA的特性黏度高于使用其它催化剂合成的产品，可见辛酸亚锡催化效果要明显好于其它几种催化剂，这是因为辛酸亚锡的长链结构更容易分散在甲基硅油这个分散体系中，与原料接触发生反应的机会要明显高于其它4种催化剂。进一步的实验选取辛酸亚锡作为反应的催化剂。

表1 催化剂种类对特性黏度的影响

2.5 催化剂用量对特性黏度的影响

反应温度为180 ℃，反应时间为100 h，本文考察了催化剂用量对聚乙醇酸特性黏度的影响，结果如图6所示。

随着催化剂用量的增加，催化活性中心增多，聚合反应发生的概率增加，反应速度加快，但催化剂过量后，反应物活性种过多，且催化剂易与反应中生成的小分子副产物发生反应，生成杂质包裹在低聚物的表面，阻碍反应的进一步发生，且使得产品颜色加深[14]。从图6可以看出，催化剂用量为原料质量的0.02%左右最适宜。

2.6 反应温度对特性黏度的影响

如图 7所示，在温度为 190 ℃条件下，PGA产品特性黏度达到最高为0.809 dL/g，随着温度的升高，黏度反而降低，而且颜色加深。这可能是由于PGA的结晶温度在190 ℃附近，在此温度下有利于非晶态向晶态的转化，结晶过程有利于低聚物聚集，从而提高羧基与羟基发生酯化反应的概率[15]，生成特性黏度更高的聚合物。

2.7 反应时间对特性黏度的影响

反应时间对特性黏度的影响见图8，PGA的特性黏度随着反应时间的增加而增大，在100 h前，随着反应时间的增加特性黏度有明显的提高，从0.3 dL/g提高到0.8 dL/g，这是因为PGA的聚合速率远大于解聚速率，聚合物的链不断延长。但是 100 h后，随着反应时间增加，特性黏度提高幅度不明显，这是因为 PGA的聚合速率与解聚速率基本相同，整个聚合反应达到平衡，所以最佳的固相缩聚时间为100 h。

2.8 正交实验及其结果分析

实验采用三因素三水平正交表，结合单因素实验结果，选取反应温度、反应时间、催化剂用量 3个因素在3个水平上对PGA特性黏度的影响。因素水平与实验结果如表2、表3所示。

利用STATISTICA 6.0对正交实验结果进行分析，结果如图9所示。从图9可看出，反应温度是最主要的因素，对 PGA的特性黏度影响最大，反应时间是较主要因素，对 PGA的黏度影响次之，催化剂是次要因素，对聚合反应影响最小。

2.9 最佳实验条件的确定

由 STATISTICA 6.0分析正交实验结果，总结PGA悬浮聚合的最佳条件为：反应温度为193.8 ℃，反应时间为113.3 h，催化剂用量为0.02%，在此条件下合成的PGA特性黏度的预测值为0.858 dL/g。为了验证最佳条件，本文作者做了验证实验，实验条件：温度为194 ℃，反应时间为113 h，催化剂用量为 0.02%。实验结果为：PGA特性黏度为 0.845 dL/g，高于其它任何一组，与预测值接近，见表4。

表2 因素水平表

表3 正交实验结果

表4 PGA的最佳工艺条件

3 结 论

（1）本文通过悬浮聚合法制备了生物可降解材料 PGA，并通过核磁、红外、DSC等手段表征了 PGA的结构。考察了聚合温度、反应时间、催化剂用量等因素对聚乙醇酸特性黏度的影响规律：随着聚合温度的升高，聚合物黏度先增加后减小；随着反应时间的增加，PGA的特性黏度不断增大，100 h后特性黏度增加趋势缓慢；随着催化剂用量的增加，PGA特性黏度增加，达到峰值后大幅下降。

（2）通过正交实验，研究了各因素对PGA特性黏度影响的大小，其中反应温度和时间对黏度影响较大，催化剂用量对黏度的影响较小，通过STATISTICA 6.0分析正交实验结果预测出最佳的反应条件，并通过验证实验确定最佳的反应条件为：温度为194 ℃，反应时间为113 h，催化剂用量为0.02%，制得的PGA的特性黏度为0.845 dL/g，接近乙交酯悬浮所得产品的特性黏度，其黏度为0.9 dL/g[8]，高于氯乙酸法合成的产品，其特性黏度为0.64 dL/g[7]。

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