反应挤出法制备聚乙丙交酯及其热性能

王 睿，周 芬，周文乐

（中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

脂肪族聚酯作为一类重要的可降解高分子材料，具有良好的物理力学性能和加工性。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，已经被美国食品和药品管理局批准用于可吸收手术缝合线、药物缓控释放、骨科固定、组织工程支架等医疗领域［1-4］。以PGA为原料制备的手术缝合线的柔性较差，给后续的熔融纺丝带来一定困难［5］，而引入丙交酯链段的PGLA比PGA的柔性高，有利于熔融纺丝后的编织顺利进行。目前，PGLA（90/10）（乙交酯与L-丙交酯的摩尔比为90∶10）是临床应用最广泛的可吸收缝合线之一。

通常通过乙交酯和丙交酯的开环共聚制备高相对分子质量的PGLA［6-10］。其中，利用搅拌反应釜制备PGLA是常用的方法，但该方法反应时间较长，半间歇的操作不利于连续化生产。近年来，采用双螺杆反应挤出法通过丙交酯的开环聚合制备聚乳酸已有一些报道［11-15］，该方法具有反应速率快、生产效率高、易于实现连续化生产等优点。但采用反应挤出法连续制备PGLA鲜有报道。

本工作通过双螺杆反应挤出法进行乙交酯和L-丙交酯的开环共聚合，研究了催化剂用量、聚合温度和螺杆转速等工艺条件对聚合反应的影响，制备了重均相对分子质量达1.13×105的PGLA（90/10），同时利用调制式差示扫描量热分析（MDSC）法考察了PGLA的热性能，为研究PGLA熔融、结晶过程中的复杂相变提供了基础数据。

1 实验部分

1.1 主要试剂

乙交酯：纯度大于99.5%，自制；L-丙交酯：纯度大于99%，荷兰Purac公司；SnCl2·2H2O：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；六氟异丙醇：纯度99%，上海德默医药有限公司。

1.2 PGLA的制备

1.2.1 乙交酯/丙交酯的反应挤出聚合

采用Thermofisher Scientific公司具有锥形同向双螺杆的HAKKE Minilab型微量混合仪作为挤出聚合装置，参数设置如下：温度190～210 ℃、转速10～30 r/min。待参数达到预定值后，将摩尔比为90∶10的乙交酯和L-丙交酯及催化剂的混合物从加料口加入到微量混合仪中（容积约7 cm3），停留时间0.5～3.0 min，连续化快速制得丝状或条状产品。

1.2.2 聚合物的提纯

称取一定质量的PGLA粒料放入真空干燥箱中，在120～160 ℃、50 Pa下抽真空维持一段时间。

1.3 聚合物结构表征与性能测定

1.3.1 相对分子质量

采用Agilent公司PL50型凝胶渗透色谱仪测定试样的相对分子质量。将PGLA试样溶解在含有5×10-3mol/L三氟乙酸钠的六氟异丙醇溶液中，用聚四氟乙烯滤膜过滤，取20 μL滤液注射到进样器中进行测定。柱温40 ℃，以溶解有5×10-3mol/L三氟乙酸钠的六氟异丙醇溶液为洗脱液，流速为1 mL/min。使用5种不同标准的聚甲基丙烯酸甲酯进行相对分子质量校正，得到PGLA的重均相对分子质量和分散度。

1.3.2 MDSC表征

使用Thermal Analysis公司的Discovery系列差示扫描量热仪进行MDSC表征。取10 mg试样在氮气保护下以10 ℃/min的速率从0 ℃开始升温至250 ℃，恒温2 min，快速降温至0 ℃，以消除试样热历史；然后以调制周期40～100 s、升温速率3～8 ℃/min的条件升温至250 ℃，记录试样的升温曲线。

1.3.31H NMR表征

采用Bruker公司Avance Ⅱ 600 MHz型核磁共振仪进行1H NMR表征，以氘代三氟乙酸为溶剂。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件对聚合的影响

通过反应挤出法制备的未提纯的原始PGLA的1H NMR 谱图见图1。

图1 原始PGLA的1H NMR谱图Fig.1 1H NMR spectrum of original PGLA.

根据图1中PGLA乳酰结构单元上的CH（δ=5.54～5.58）和乙醇酰结构单元上CH2的质子共振峰（δ=5.08～5.17）的积分强度可计算共聚物的摩尔组成［16］。此外，位于δ=5.28和δ=5.40～5.43处的峰分别是共聚物中未反应的乙交酯中的CH2和未反应的丙交酯中的CH的质子共振峰，由上述积分强度可计算出共聚物中单体的转化率［7］。

工艺条件对聚合产物性质的影响见表1。由表1可知，根据1H NMR表征结果计算得到共聚物中乙醇酰结构单元与乳酰结构单元的摩尔比约为93∶7，与聚合时的投料比相差较大，这是因为单体的竞聚率相差较大（乙交酯的竞聚率为2.8、L-丙交酯的竞聚率为0.2）以及丙交酯活性较低的缘故［17］。

表 1 工艺条件对聚合产物性质的影响Table 1 Influence of parameters during reactive extrusion polymerization on the performance of the polymer

由表1可知，当固定螺杆转速为10 r/min、聚合温度为200 ℃时，随着催化剂用量的增加，单体转化率逐步由91.5%提高至93.7%，而聚合产物的相对分子质量则呈现先增大后减小的变化趋势。当催化剂用量（占总单体的质量分数，下同）为300×10-6时，聚合物的相对分子质量较高且分散度较低。这是因为当催化剂用量太少时，催化反应活性不够，不利于聚合反应的快速进行和高相对分子质量PGLA的获得；而当催化剂用量过多时，生成的配位活性中心太多，每个活性中心上所能增长的单体数目就会减少，反而导致聚合物的相对分子质量降低。

当固定催化剂用量为300×10-6、螺杆转速为10 r/min，将聚合温度从190 ℃升高至200 ℃时，聚合产物的相对分子质量提高，达到1.13×105，但当聚合温度达到210 ℃后，相对分子质量下降。这是由于升高聚合温度有利于配位活性中心进行链增长，但当聚合温度过高时，聚合物的热降解速率大于聚合速率，导致产物相对分子质量下降。此外，升高聚合温度有利于提高单体转化率。

当固定催化剂用量为300×10-6、聚合温度为200 ℃时，随着螺杆转速从10 r/min增至30 r/min，聚合产物的相对分子质量逐渐降低，而单体转化率也由93.2%降至90.8%，呈现相同的变化规律。这可能与采用此种微型双螺杆挤出装置进行反应时的停留时间有关，螺杆转速为10 r/min时反应物的停留时间约为1.5～2.0 min，若螺杆转速增至30 r/min，停留时间缩短为不足1.0 min，停留时间过短导致聚合反应进行得不充分，使得聚合产物的相对分子质量和单体转化率降低。

由上述结果可知，合适的共聚条件为：催化剂用量300×10-6、聚合温度200 ℃、螺杆转速10 r/min。

2.2 聚合产物的提纯

2.2.1 残留单体含量对产物相对分子质量的影响

PGLA作为手术缝合线等医用材料使用时，单体残留过多会影响产品的性能［18］。因此比较了不同残留单体含量（摩尔分数，下同）的聚合物试样在45 ℃、80%湿度的环境中放置2 d后相对分子质量的变化，结果见表2。

表2 残留单体含量对产物相对分子质量的影响Table 2 Effect of residue contents of monomer on the molecular weight of the product

由表2可看出，2 d后聚合物试样的相对分子质量均有所下降，这是因为在高于室温的潮湿环境下，残留在聚合物中的单体与水接触，会生成线型的羟基酸二聚体、乙醇酸和乳酸［14］，这些含羧基的酸性成分会诱发PGLA发生降解，使得相对分子质量下降；而且试样中残留单体的含量越高，相对分子质量下降的程度越明显，这也进一步说明残留单体含量对PGLA的性能有显著影响。为提高产品质量，要对聚合物进行提纯，尽量去除残留单体。

2.2.2 提纯对产物相对分子质量和残留单体含量的影响

由于PGLA（90/10）在常见的有机溶剂中很难溶解，并不适合采用溶解沉淀的方法对其进行提纯，因此选用真空加热的方式去除残留单体。考察了加热温度和加热时间对产物相对分子质量和残留单体含量的影响，结果见表3。由表3可知，升高加热温度或延长加热时间，都会使PGLA的相对分子质量下降，在160 ℃下加热8 h后，试样的相对分子质量从1.31×105降至9.04×104。这主要是因为PGLA在高温下发生了热降解。由表3还可看出，延长加热时间有助于降低残留单体含量；而在相同时间下，加热温度越高，残留单体含量越低。综合考虑残留单体含量、相对分子质量及提纯效率等指标，在140 ℃下真空干燥8 h可以将残留单体含量降至2%以下，同时重均相对分子质量维持在1.0×105以上。

表3 加热温度和时间对产物相对分子质量和残留单体含量的影响Table 3 Effect of heating temperature and time on the molecular weight of product and residue contents of monomer

2.3 PGLA的热性能

MDSC在传统DSC线性升温、只能观察到总热流的基础上，叠加了周期性的正弦振荡控温程序，将传统DSC测定的总热流分割为两部分，即可逆热流和不可逆热流。传统DSC的升温速率是固定值，但MDSC的升温速率不是常数，而是在有固定周期的温度范围内上下振荡，呈现出周期性的变化，具体的变化由所施加温度波的平均升温速率、调制振幅和调制周期决定。由MDSC可得到总热流、可逆热流和不可逆热流三条曲线。可逆热流与试样比热容相关，聚合物玻璃化转变通常出现在可逆曲线上；不可逆热流通常与动力学相关，焓松弛、结晶、固化等往往出现在不可逆曲线上［19-21］；熔融相对比较复杂，大部分会出现在可逆曲线上，但也有一些会同时出现在可逆曲线和不可逆曲线上［22］。

图2是PGLA的总热流、可逆热流和不可逆热流曲线，升温速率为5 ℃/min，调制周期为60 s。由图2可知，可逆曲线上主要出现了玻璃化转变温度和熔融温度；不可逆曲线上出现了焓松弛、冷结晶温度，还出现了多重放热峰和微小的吸热峰。

图2 PGLA的MDSC热流曲线Fig.2 Modulated differential scanning calorimetry(MDSC)heating curves of PGLA.

2.3.1 升温速率对MDSC热流曲线的影响

MDSC升温速率的选择通常需要满足“在观测的转变（结晶或熔融）的半峰高位置有4～5个调制周期”［22］。较低的升温速率可以在转变过程中提供足够的循环周期，所得结果具有较高的调制功能的分辨率，但较高的升温速率下所得信号具有较高灵敏度，设置时需要综合考虑。不同升温速率下PGLA的总热流、可逆热流和不可逆热流曲线见图3，表征结果见表4，其中调制周期为60 s。

图3 不同升温速率下PGLA的MDSC热流曲线Fig.3 MDSC heating curves of PGLA with various heating rates.

表4 不同升温速率下PGLA的MDSC表征结果Table 4 MDSC results of PGLA with various heating rates

由图3可知，随着升温速率的提高，总热流曲线（图3a）上的冷结晶温度逐渐升高，可逆热流曲线（图3b）上的熔融峰峰形越来越尖，熔融焓也越来越大，测试灵敏度提高。对于不可逆曲线（图3c），情况相对复杂：以3 ℃/min的速率升温时，冷结晶的焓变为42.10 J/g，除了在202.42℃处的熔融峰，在155～170 ℃处还出现了一个微弱的放热峰（r1），此处应是共聚物中微量均聚聚乳酸（PLA）的重结晶峰［23］；当升温速率为5 ℃/min时，冷结晶的焓变上升至44.09 J/g，熔融峰变得很小，除了r1峰外，在熔融峰附近又出现了一个新的放热峰（r2），此放热峰应与共聚物PGLA的晶体结晶完善过程有关，PGLA在加热中边熔融边结晶；当升温速率为8 ℃/min时，冷结晶的焓变升至46.10 J/g，放热峰r1和r2的峰形逐渐变高，表明不可逆曲线的重结晶对升温速率的变化比较敏感。

2.3.2 调制周期对MDSC热流曲线的影响

由于试样必须有足够的时间跟随温度的调节，因此调制周期不能太短，一般在40 s以上，但调制周期过长会导致试样在相转变时的周期数减少，影响MDSC调制功能的分辨率。不同调制周期下PGLA的MDSC热流曲线见图4，表征结果见表5，升温速率均为5 ℃/min。由总热流曲线和可逆热流曲线（图4a和4b）可知，随着调制周期的延长，熔融温度逐渐降低，而冷结晶峰变低变宽。不可逆曲线（图4c）的冷结晶峰有着与总热流曲线相同的趋势，但在150～220 ℃的情况更复杂。

图4 不同调制周期下PGLA的MDSC热流曲线Fig.4 MDSC heating curves of PGLA with various modulation periods.

表5 不同调制周期下PGLA的MDSC表征结果Table 5 MDSC results of PGLA with various modulation periods

由表5可见，当调制周期为40 s时，出现了重结晶峰r1，分割在可逆曲线上的熔融焓为60.03 J/g，分割在不可逆曲线上的熔融焓为19.56 J/g；当调制周期为60 s时，在r1基础上又出现了重结晶峰r2，分割在可逆曲线上的熔融焓升至93.91 J/g，分割在不可逆曲线上的熔融焓降至0.32 J/g；当调制周期为80 s时，熔融焓为107.26 J/g，不可逆曲线上的熔融峰已完全消失，熔融已全部分割在可逆曲线上；当调制周期为100 s时，r2的积分面积相比60 s和80 s时明显增加，熔融焓升至125.57 J/g。

3 结论

1）以乙交酯和L-丙交酯为原料，采用双螺杆挤出机通过两种单体的开环共聚制备了具有较高相对分子质量的PGLA。在本工作范围内，较合适的催化剂用量为300×10-6、聚合温度为200 ℃、螺杆转速为10 r/min，在此条件下可得重均相对分子质量大于1.0×105的PGLA。在140 ℃下真空加热8 h可将PGLA残留单体含量降至2%以下，并保持较高的相对分子质量。

2）随着升温速率的提高和调制周期的延长，PGLA的熔融峰分割在MDSC可逆曲线上的比例呈逐渐增加的趋势，并在一定条件下从不可逆曲线上完全消失；不可逆曲线上的冷结晶温度则随着升温速率的提高和调制周期的减少向高温区移动。

3）采用MDSC可有效分辨PGLA相转变区域的重叠现象。对不可逆曲线进行分析，发现伴随着PGLA的熔融过程会发生微量PLA均聚物的重结晶和PGLA的晶体完善等复杂相变。而随着升温速率的提高和调制周期的延长，不可逆曲线上PGLA晶体完善的放热峰积分面积逐渐增大。