生物降解高分子材料——聚乳酸合成及降解的研究进展.pdf
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1、 匡 嗍 匡 X鏖KZ I2塾 _ T I I 生物降解高分子材料 聚乳酸合成及降解的研究进展 吴昊胡佩徐小丁(四川师范大学化学学院,四川成都 6 1 0 0 6 6)摘要:简要介绍了生物降解高分子材料聚乳酸的基本性能,对近年来聚乳酸的两种合成 方 法:开环聚合 法和直接缩聚法,以及 聚乳酸 降解性的研 究进展进行 了较详 细地综述和总结,并 对聚乳酸 的发展 前景进行 了展 望。关键词:聚乳酸;合成;降解性能;进展 Pr o g r e s s i n S t u d y o f S y n t h e s i s a n d De g r a d a b i l i t y o f t h
2、 e Bi o d e g r a d a b l e P o l y me r Ma t e r i a l P o!y l a c t i c A c i d W H【J Ha o,HU Pe i,XU Xi a o-d i n g (C o U e g e o f C h e mi s t r y,S i c h u a n N o r ma l U n i v e r s i t y,S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 6 6,C h i n a)Ab s t r a c t:I n t h e p a p e r,t h e b a s i c p
3、 e rfo r ma n c e s o f t h e p o l y l a c t i c a c i d a r e i n t r o d u c e d,t h e r e c e n t s t u d i e s o f t h e tw o w a y s o f s y n t h e s i s:ri n g-o p e n i n g p o l y m e r i z a t i o n a n d d i r e c t p o l y c o n d e n s a t i o n,a n d t h e d e g r a d a b i l-i t y o
4、f p o l y l a c t i c a c i d a r e s u mma riz e d a n d r e v i e we d T h e d e v e l o p me n t p r o s p e c t s o f p o l y l a c t i c a c i d a r e a l s o d i s c u s s e d Ke y wo r d s:p o l y l a c t i c a c i d;s y n t h e s i s;d e g r a d a b i l i t y;p r o g r e s s l 引言 自1 9 3 5 年杜
5、邦公司合成出尼龙一 6 6 到现在短短几 十年时间里,高分子材料已经渗透到国民经济各部门 和人们生活的各个方面。然而,在高分子材料给人们 生活带来便利的同时,因其大部分材料不具备生物降 解的特性,废弃后引起了严重的环境污染问题。目前 对不可降解制品的处理手段往往是掩埋及焚烧,这样 只能缓解环境污染。而可降解高分子材料的应用能从 根本上解决这一问题。因此,生物可降解高分子材料 这 一领域的研究也变得活跃起来。聚乳酸(P L A)就是一种具有优 良生物相容性并 可完全生物降解的脂肪族聚酯类高分子材料。它在 自 然界 中的微生物、水、酸、碱等的作用下能完全分解,作者简介:吴吴(1 9 8 1 一),
6、男,硕士研究生,主要从事环境材料的合成工作。最终产物是C O 和H 2 o,对环境无污染,可作为环保材 料代替传统的聚合物材料。同时它在人体内的中间产 物乳酸对人体也无毒性,经美国食品和药品管理局(F D A)批准广泛用作药物控释载体、医用手术缝合线 及骨折内固定材料等生物医用高分子材料 21。因此,聚乳酸作为一种新型的可生物降解高分子材料逐步 得到人们的重视,世界一些主要 的生产商,如美国 C arg i l l D o w 聚合物公司,十分看好其发展前景翻。近些 年,国内外对聚乳酸进行了大量的研究,本文综述了 聚乳酸合成及其降解特性研究的最新进展。2 聚乳酸 的基本性能 聚乳酸(P o l
7、 y l a c t i c a c i d),简称P L A,是以谷物发酵 得到的乳酸(0【一 羟基丙酸)为原料聚合而得,由于乳酸 分子中具有一个手性碳原子,根据其光学活性不同可 分 为L 一 乳酸 和D一 乳酸。由它得到 的聚乳酸 也具有三 种基本立体异构体:P D L A、P L L A、P D L L A。其中,P D L A 3 6 2 0 0 5 年 第2 期 度 羊 维普资讯 http:/ I q r、l 鏖 堑:匣 嗍 匣 与P UA具有结晶性,P D L L A II 是非结晶性的。常用易 得 的是聚消旋乳酸(P D L L A)和聚左旋乳酸(P L L A),它们的主要性质
8、见表1【4 l。由于P L L A 是具有光学活性 的有规立构 聚合物,从熔融、溶液状态均可结晶,而P D L L A 是无定形结晶 态,而结晶性对聚乳酸材料的力学性能和降解性能的 影响很大,形态不同,性能也不同。通过上表,我们可 以看到P L L A 的性能明显好于P D UA。研究还表明,聚 乳酸具有一定耐溶剂性,在常用的乙醇、异丙醇等醇 类溶剂、己烷脂肪烃中几乎不溶解,同时还具有很好 的耐油性,对酸、碱来说,可溶解于强酸、碱溶液中,对 苛性钠液即使低浓度也有被侵蚀的倾向,但与强酸的稀 溶液、弱酸水溶液以及食盐水和蒸馏水几乎无作用翻。近几年对聚乳酸作为塑料用途研究的不断深入,其力学性能也逐
9、步得到提高。通过P I 与P S、L D P E 性 能 的 比较(见 表2)t6 一,可 以看 出聚乳 酸具有 良好 的力 学性能和透明性。表 1 P UA与P D L L A的性能对 比 材料 溶解性 固体结构 T in T g 热分解温度*c 断裂强度 拉伸率 P L L A 均可溶于二烷、乙腈、氯 结晶性 1 7 0 1 8 0 5 5 -6 0 2 0 0 5 0 6 0 2 0 3 O 仿、二氯甲烷等,均不溶 P D L L A 于脂肪烃、乙醇、甲醇等 无定形 4 0 -4 5 1 8 5 2 0 0 表2 P L A与P S、L DP E 性能 比较 一般用途 性 能 P L A
10、 L D P E PS 相对密度 1 2 6 1 O 5 0 9 2 熔融指数(g l O mi n)l 3 1 O 3 3 透光率 9 4 9 4 拉伸强度 MP a 6 6 6 4 7 1 1 7 弯曲模量 Mr 3 4 3 0 3 1 8 5 a I z o d 冲击强度(J c m)2 7 4 4 9 5 0 0 3 聚乳酸的合成 自从 1 9 5 4 年C c o t h e r s 开始探讨乳酸聚合至今,人 们对于聚乳酸合成方法的研究进行了大量的研究,逐 步得出了两条路线,即开环聚合法和直接缩聚法。3 1 开环 聚合法 通过该方法制备聚乳酸一般采用两步法:第一 步,由乳酸脱水环化制
11、得丙交酯;第二步,由精制过的 丙交酯开环聚合制得相对分子质量较高的聚乳酸Sl。反应方 程式如下:脱水 低聚 物型堡 些 扣 丙交酯开环聚合是迄今为止研究最充分的一种 聚合方法,通过此法制得的聚乳酸的相对分子质量可 达7 0 万至1 0 0 万。影响开环聚合的因素有很多,如单体纯度、聚合 真空度、温度、时间、催化剂等,其中关键在于丙交酯 的提纯和催化剂的选择,丙交酯 的制备需要在高温(2 0 0以上)和高真空(1 m m H g 以下)进行,同时对丙 交酯的提纯需要多次重结晶,一般所用的溶剂乙酸乙 酯等损耗大且 流程冗 长。近年来 出现 了一些此方面改 进的报道,张贞裕等9 1将苯一 乙酸乙酯混
12、合溶剂体系用 于丙交酯重结晶,该体系存在收率高、溶剂消耗小、熔 点达到要求等优点;李汝珍等【1O l 用 甲醇钠非水滴定 法、卡尔一 费休法对丙交酯中残存的乳酸和水进行了 定量分析,有助于丙交酯的提纯和聚合中对工艺更精 密的控制。目前人们已经开发了多种丙交酯开环的催化剂,通过对它们的研究,得出了以下3 种机理:(1)阳离子开环聚合。主要的引发剂有质子酸、路 易斯酸和烷基化试剂,它的引发机理是 阳离子与单体 中氧原子作用生成氧负离子,后经分子开环反应生成 酰基正离子。该类催化剂的缺点是只能进行内酯本体 聚合,且产物分子量不高。(2)阴离子开环聚合。引发剂为醇钠、醇钾、丁基 锂等,引发机理是负离子
13、亲核进攻羰基,酰一 氧键断 裂。这类催化剂活性高,反应速度快,但常伴有消旋现 象,副反应明显。j F 度 羊 2 0 0 6 第2 捆 3 I 维普资讯 http:/ 匡 可 嗍 匡 一 材 料_ L I r 、(3)配位插入开环聚合。主要为过渡金属的有机 化合物和氧化物,研究较多的是有机锡和有机铝催化 剂。它的引发机理是单体与引发剂的空轨道形成络合 后酰一 氧键断裂。这类催化剂的使用不会出现消旋现 象,但得到的聚合物的分子量分布较宽。针对开环聚合存在的缺点,许多人对其合成工艺 作了改进。M a t u s m u r a 等fl I用脂肪酶催化丙交酯聚合,在8 0-1 3 0 o C以下,得
14、 到 相对 分子 质量2 7 万 的产 品。J a c o b s o n 等m I采用反应挤出的方法,使丙交酯在同向 旋转的双螺杆挤出机 中完成开环聚合过程,大大简化 了工艺过程。国内的张科等【l3 I在无惰性气体保护和常 压条件下,辛酸亚锡为催化剂,采用微波辐射丙交酯 开环 聚合 1 8 mi n 得 到 了分 子量 达 2 5 0 0 0 左右 的聚乳 酸,大大缩减了开环聚合的时间。成都有机化学研究 所 的邓 先模 等 以烷 基稀 土化合 物和烯 丙 基稀 土配合 物为催化剂,在惰性气体保护下用丙交酯开环聚合法 制得了分子量达l o 0 万的聚乳酸。虽然采用开环聚合的方法可以获得分子量很
15、高 的P L A,但 由于其路线长,工艺复杂,导致了聚乳酸价 格昂贵,难以与通用塑料竞争。目前,国内外对聚乳酸 的研究都转向了工艺路线简单的直接缩聚法。3 2 直接 缩聚法 该方法是通过乳酸分子间脱水、酯化、逐步缩合 聚合成 聚乳酸。反 应式如下:。一一 CH枷 H3 CYO、O I CI H3 0 l 此反应 中存在着游离乳酸、水、聚合物 以及副产 物丙交酯间的复杂平衡。但该法合成出的聚乳酸的相 对分子量往往小于4 0 0 0,强度低,实用价值不高,而聚 乳酸的分子量只有在大于2 5 0 0 0 时才具有较好的物 理机械性能。由反应式可知,要想获得高分子量的聚 乳酸,就必须尽量脱 出反应生成
16、的小分子水,使反应 向聚合物生成方向移动。此外,在反应后期,聚合物可 能会降解成丙交酯,从而限制了P L A 相对分子量的提 高。因此,水分的脱出及抑制聚合物的降解是直接法 近几年来聚乳酸直接缩聚合成方法的研究有了 较多的报道,主要可分为溶液聚合和熔融聚合f-。3 2 1 溶 液聚合 溶液聚合就是在反应 中采用一种不参与聚合反 应、能够溶解聚合物的高沸点的有机溶剂与单体乳 酸、水进行共沸 回流除水,从而获得较高相对分子质 量的聚乳酸。A j i o k a 等【5 1采用二苯醚做溶剂,锡粉催化,连续共 沸除水4 0 h 直接合 成出相对分子质量达3 0 万以上 P L L A,实现了P L A
17、 的商品化生产。O t e r a 等【6 1利用D e a n S t a r k 装置,十氢萘为溶剂,l,3 一 二取代 四丁基二亚锡 氧环催化反应2 4 h,得到P UA的M 为7 8 0 0 0。国内的 王征等 以二苯醚为溶剂,将2 5 用量的5 A 分子筛直 接加入反应体系中,合成出M 为3 5 8 5 的P D L L A,产率 达9 4 6,同时还研 究 了Z n、S n、S n C 1 2 2 H 2 0、Z n C 1 2 作为 催化剂对反应的影响,发现S n 的催化效果最好。该方法虽然能合成出较高分子质量的聚乳酸,但 后处理相对复杂,成本仍较高,且最终产物中残留的 溶剂 难
18、 以除尽。3 2 2 熔 融聚合 熔融聚合是 一种发 生在聚合物熔 点温度 以上、不 采用任何介质的本体聚合。得到的产物纯净,不需要 分离介质。日本的J a p a n S t e e l Wo r k s 公司 I将事先制得的M。约为4 4 0 0 0 的预 聚物在 双螺杆挤 出机 中缩 聚,同时补 加部分丙 交酯达到反应 向缩合方 向进 行 的 目的,将反 应生成 的丙交酯 或L 一 乳酸低 聚物 回流入料筒 中,所得 聚乳酸的M 达l 0 0 2 5 0 1 5 3 9 0 0,并获得了专利。国内 的秦志忠等【9 1 以0 5(W W对单体)的锡及其化合物作 催化剂,并加入0 3(W W
19、对单体)的热稳定剂,采用前 期低温低真空,后期高温高真空的方法制得了黏均分 子量 达4 9 0 0 0 8 5 0 0 0 的聚乳酸。熔融聚合法虽然可以得到较纯净的产物,但是随 着反应 的进行,体系的粘度越来越大,小分子越来越 难以排出,平衡难以向聚合方向移动,导致了最终产 物的相对分子质量不高。因此近几年出现了通过扩链 反应和固相聚合来进一步提高聚乳酸的分子质量的 研究报 道。(1)扩链 反应通 过扩链剂 的活性 基 团与聚酯 的 端羟基或端羧基反应来提高聚酯的相对分子质量。扩 3 8 2 o 0 5 第2 1 1 度羊 维普资讯 http:/ I=!q r、l 鏖 堑 匣 嗍 匿 啸 链剂
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