乳酸低聚物水解料合成丙交酯及其聚合的工藝研究

2023年12月12日發(作者：唯美愛情詩句)

重慶大學碩士學位論文中文摘要摘要聚乳酸是一種公認的用途廣泛、前景廣闊的完全可降解生物材料。聚乳酸具有良好的可塑性、生物相容性和生物降解性，完全降解產物是二氧化碳和水，對環境無毒無害，因此在農業、日化和生物醫學工程領域都有廣泛的應用。合成聚乳酸的原料是乳酸，可以以淀粉為原料通過生物發酵獲得，來源豐富。丙交酯開環聚合制備聚乳酸是目前研究得較多的聚乳酸聚合方法，能夠獲得高分子量聚乳酸，這種方法對丙交酯的質量和成本提出了較高的要求。丙交酯的合成一般是以廉價的乳酸為原料，單次合成會產生較高分子量的聚乳酸低聚物，理論上經過充分水解，能夠被再次利用合成丙交酯。本實驗以循環利用丙交酯合成后的釜底物為目的，研究了以水解料乳酸低聚物為原料合成丙交酯的可行性和優化條件。首先對水解條件進行了探索和優化，對水解料的成分進行了表征，尤其是對水解料中殘留的催化劑含量和活性作了測定和驗證。其次用新鮮乳酸和水解料分別進行了合成丙交酯的實驗，采用了正交實驗方法探討了催化劑加入量、二脫水反應時間和新舊料混合比例對產率、產物含酸率等結果的影響，獲得最優的生產工藝為新催化劑0.7%、新舊料比例2：1、二脫水反應時間2h，最高產率為40％。在生產設備上重現此工藝得到產物含酸率12.1%。最后，對低聚物水解料生產的丙交酯進行了純化和聚合，與新鮮乳酸合成的丙交酯和聚乳酸的結構用紅外光譜進行了比較，結論是兩種體系生產的丙交酯和聚乳酸沒有顯著差異。關鍵詞：乳酸低聚物，催化劑活性，正交實驗，工藝優化I重慶大學碩士學位論文英文摘要ABSTRACTPLA(PolyLactide)wasakindofwildlyudsyntheticalmaternallydegradated,itbecomeCO2andH2O,ncedmaterial,PLAcanbewildlyudinmanyfieldlikeagriculture,materialofPLAisLacticacid,tidering-openingpolymerizationisthemostimportantwaytoproducePLA,paper,y,tofoligomerleftafterreactivity,srtationfocudontheinvestigationofthehydrolyzingconductionandcompositionofoligomer,especiallytherudimentalcatalyst,ttechnicalmethodofincreasingtherateofproductandreducultsshowedtheamountofcatalystwastheonlyprominentfactortimumsofthereactivityconditionwasprovedthattheextracatalystwas0.7%,thedehydrationtimewas2h,theproportionoffreshlacticacidandtheoligomerwas2:ditionwastestedintheproductionequipment,theacidamountreducedto12.1%,nd,thelactideproducedfromoligomerpolymerizedtopoly(D,L-lactide),whichwascharacterizedbyIRspectrum,uctureoflactideandpoly(D,L-lactide)ds:LacticacidOligomer,catalystactivity,orthodoxicalexperiment，processingfluentoptimizingII重慶大學碩士學位論文1緒論1緒論1.1聚乳酸材料的研究背景1.1.1聚乳酸材料簡介聚乳酸簡稱PLA(Polylacticacid)，是目前得到廣泛研究和應用的高分子材料。聚乳酸以乳酸為合成原料，能夠通過反應得到分子量從幾萬到上百萬的高分子材料，以其不同的材料性能在醫藥、農業、包裝材料等領域廣泛應用。并且能夠在自然環境中通過生物反應完全降解，產物是CO2和H2O，對環境沒有長期污染。隨著環境和能源問題的日益嚴重，聚乳酸作為一種清潔的對環境友好的高分子材料正越來越受到重視。聚乳酸是淺黃色或透明的物體，不溶于水、乙醇、甲醇等溶劑，易水解生成乳酸。聚乳酸是一種典型的由α－羥基酸聚合而成的聚酯。聚乳酸的分子式可以寫成如圖1.1所示的形式：OHOCHCOCH3CHCO聚乳酸分子式OHnCH3圖1.1Fig1.1ThestructuralformulaofPLA由于乳酸是一種手性分子，存在D-型、L-型、以及DL-型三種異構體，直接由其中一種單體聚合而成的聚酯分別以PDLA、PLLA、PDLLA[1]表示，此外還有由內消旋DL－乳酸聚合而成的內消旋(間同)聚乳酸。根據結構不同，物化性質有所區別，如表1.1[2]。三種聚合物異構體物性有很大的區別，其主要原因來源于聚合單體光學結構的差異。如PLLA和PDLA是由光學純的異構體聚合，結構規整，結晶度很高，有熔點，硬度大但脆性也大；而PDLLA由于兩種異構體無規聚合，構型不規整，呈無定型態，無熔點而有玻璃化溫度，強度也較低。1重慶大學碩士學位論文1緒論表1.1性能溶解性聚乳酸類材料的基本性質PDLLATable1.1ThecharactersofPLAPDLAPLLA可溶于氯仿、二氯甲烷等有機溶劑，PDLLA溶解性更好，均不溶于脂肪烴、甲醇等。結晶性熔點(℃)玻璃化溫度(℃)熱分解溫度(℃)拉伸率斷裂強度(Mpa)水解性(37生理鹽水中強度減半時間)半結晶性180－20020～3040～504～6個月半結晶性170～1105620020～3050～604～6個月無定型－50～60185～200－－2～3個月總體來說，聚乳酸的重要性質包括結晶性、可降解性和熱不穩定性。其中結晶性是由鏈節的結構決定的，對材料的力學性能和降解速度有很大影響。由于L型乳酸是天然存在的，PLLA又有較好的機械強度和力學性能，所以目前多作為組織工程支架材料而應用。但由于PLLA的合成對聚合單體——L－乳酸的純度要求很高，這種材料產量較低且價格昂貴。無定型的PDLLA力學強度明顯低于結晶性好的聚乳酸，但可以設想，通過增強工藝制備，調節鏈節結構，合成后加工如紡絲、分子定向等方法，使材料部分區域性結晶，也可以達到改善力學性能的目的[3]。聚乳酸的可降解性來源于主鏈上酯鍵的水解。水解的速度依賴于分子結構、分子量大小及分子量分布、物理形態和水解環境[4]。一般無定型區域水易于滲透，因此水解速度高于結晶區，且使機械性能迅速損失。而半結晶的聚乳酸水解過程一般分兩步，首先是無定型區的水解，然后結晶區水解。且水解產生的羧基對下一步的水解起催化作用，屬于“酸致自催化”過程。聚乳酸的熱不穩定性是由于高溫下鏈狀分子會發生斷鏈和酯交換反應，使分子量顯著降低。這也是低分子量聚乳酸制備丙交酯的主要依據[5]。反應原理如圖1.2所示。2重慶大學碩士學位論文1緒論OCH3HOCCHOHCHOCnCH3O加熱催化劑OOCH3H3CO＋HOCCHOHCHOCn-2OCH3OCH3O圖1.2乳酸低聚物制備丙交酯原理Fig1.2Thesketchofsynthesisoflactidefromlacticacid1.1.2聚乳酸材料的應用對聚乳酸的應用研究始于20世紀50年代。美國杜邦公司由丙交酯(lactide，LA)開環聚合得到了高分子量聚乳酸，并于1954年申請了專利。由于脂肪族聚酯對水和熱敏感，對其的應用研究未曾深入。1966年Kulkami等提出PLA能在生物體內降解，完全降解后的產物是乳酸和水，可以通過正常代謝途徑被人體吸收，引起該類材料作為生物降解材料應用的重視。到70年代，開始合成高分子量的具有旋光性的D型和L型聚乳酸，并用于藥物制劑和外科輔助治療材料。由于制備工藝和成本等原因，作為降解塑料的生產和應用研究較少。聚乳酸及其改性材料因其良好的生物相容性、可生物降解性在許多領域得到了廣泛的研究和應用，如在農業領域，與乙烯、淀粉等混合制備農用地膜，在通用塑料領域制備日用塑料制品、包裝材料、紡織領域生產地毯[6]等，更多的應用集中在生物醫學工程領域[7][8][9]。在醫用可生物降解高分子材料中，骨科內固定是重要而難度較大的一種應用。它不僅對材料的生物相容性、生物可降解性、可吸收性有很高的要求，還需要滿足足夠的初始力學強度和可調節的強度衰減。根據骨折內固定器對力學強度的要求，用于松質骨時彎曲強度大于200MPa，皮質骨大于100MPa，且力學衰減時間要長于骨折愈合時間[10]。目前，力學性能最好的聚L－乳酸盡管初始力學強度低于其他可降解高分子材料如聚乙醇酸，但正由于主鏈上有疏水的酯基和甲基，導致降解速度較為緩慢，力學強度穩定時間長，可以作為承重骨的內固定材料使用[11]。此外，聚乳酸作為組織工程培養的支架材料，在多個器官的組織培養中有過嘗試，如肝細胞、皮膚細胞、血管修復、神經修復、視網膜色素上皮細胞和成骨細胞培養等[12]。聚乳酸良好的成纖維性和降解性使其能夠應用于外科手術縫合線，繃帶等用途。半結晶性的聚L－乳酸纖維結晶性和剛性較好，如通過高速熔融紡絲等手段增強強度，則能夠在更長時間內維持強度和穩定性，更適用于需要長時間愈合的傷口的縫合和固定[13]。而目前對聚DL－乳酸的研究也有所突破，超高分子量的聚DL－乳酸在力學強度和降解速度方面也能夠達到成纖維性和降解速度可控的3重慶大學碩士學位論文1緒論要求[14]。聚乳酸(PLA)藥物控制釋放載體也是目前研究較多的生物影響材料方面的應用，它已被美國FDA批準用于注射用微球、微囊、組織埋制劑等制劑。20世紀70年代初就首次報道了將聚乳酸作為溶蝕性骨架用于藥物的長效控制釋放。Yolles等率先將PLA用作藥物長效緩釋制劑載體[15]，隨后Beek等推出孕酮/PLGA緩釋膠囊[16]。由此開始了藥物載體用生物降解聚合物材料及釋放體系的研究。1.1.3聚乳酸材料的生產現狀聚乳酸的合成研究起步較早，由于制備工藝、成本等原因，作為降解塑料的應用和生產較少，藥物制劑和醫用材料方面的應用較多，對材料的性能要求很高而用量不大，所以多采用實驗室合成。目前，聚乳酸材料在生物醫用材料應用方面的優勢日益凸現，對高質量聚乳酸材料的研究和應用需求越來越大，實驗室合成的數量和成本因素已經遠遠不能滿足要求。同時，能源和環境污染問題日益嚴重，對環境友好材料的需求也日益緊迫。因此，世界上正有越來越多的國家和化工研究機構致力于聚乳酸合成的產業化研究，力圖通過聚乳酸材料的大量生產和應用，促進生物醫用降解材料的研究和廣泛應用，也能夠緩解塑料產品原料的壓力和尋求解決環境的污染問題的方法。目前，大日本油墨公司、三井化學公司、島津公司、美國Cargill-Dow、Chronopl公司等都已經將聚乳酸材料商品化，生產能力達到每年上千噸，并將投入建設更大規模的生產線。隨著聚乳酸生產成本逼近傳統塑料成本，預計在2005-2010年間，市場應用的大力拓展，除了在醫藥領域進一步得到應用之外，作為通用塑料也將進入高峰期，聚乳酸建設熱潮將在全球展開[7][17][18]。據預測，今后幾年北美生物降解聚合物市場需求強勁，2000年銷售量約114萬噸，到2005年，年均增長率為7%，將達到160萬噸，其中，聚乳酸需求量將占有越來越大的份額。自1998年以來，美國國內聚乳酸的年產量已達2100噸。預計到2006年全球總產量可達45萬噸，2000年美國僅從聚乳酸生產臨床外科用縫合材料就出口創匯達11.5億美元，2001年升至13.8億美元。我國許多科研機構對聚乳酸進行了大量的研究，建有多套實驗裝置，但均還未工業化生產。國內目前致力于聚乳酸規模產業化的企業有上海同杰良生物材料有限公司、浙江海政藥業公司等企業。其中上海同杰良生物材料有限公司承擔的聚乳酸項目列入2004年上海市首批“科教興市”重大科技產業化計劃項目。雖然目前國內聚乳酸的應用十分有限，產業化正處于萌芽狀態。但隨著國內乳酸技術的提高和產業化進程的發展，聚乳酸研究技術的提高和信息交流的相互4重慶大學碩士學位論文1緒論影響，國人關注和重視聚乳酸技術的研發熱情和投資熱情將會迅速提高，從玉米－乳酸－聚乳酸－各類生物降解產品，這一巨大的產業鏈將會在未來幾年中在我國形成。我國是世界產糧大國，玉米產量排在美國之后居世界第二位，根據我國可持續發展戰略，進行糧食深加工，生產高附加值的產品是實現經濟跨越式發展的必由之路。因此，以玉米等農產品為原料，采用生物技術生產可生物降解聚乳酸的市場潛力巨大，聚乳酸也將在這一發展過程中得到發展。1.1.4聚乳酸材料的主要合成方法聚乳酸廣闊的應用前景對聚乳酸的大量生產提出了需求。聚乳酸合成的原料包括高純度的L－乳酸、消旋化的DL－乳酸和其他衍生物如乳酸銨和乳酸酯。其中L－乳酸的價格是DL－乳酸的兩倍左右，衍生物的合成應用研究也尚不成熟，而目前的研究表明高分子量的聚DL－乳酸在力學強度和降解速度方面也能夠達到成纖維性和降解速度可控的要求，也具有重大研究意義。因此如何利用我國豐富的DL－乳酸資源，生產滿足應用要求的聚乳酸材料是具有重大現實意義的課題。聚乳酸的合成主要有乳酸直接聚合法和丙交酯開環聚合法。1.1.4.1直接聚合法以乳酸為原料直接合成聚乳酸較開環聚合法而言，優勢在于工藝路線較短，能夠降低合成成本。但乳酸的直接縮聚由于存在著乳酸、水、低聚物及丙交酯的平衡[19]，不易得到高分子量的聚合物。對直接聚合法的研究集中在脫水、催化/縮合劑和抑制降解的方法上。根據反應體系的不同，乳酸直接聚合法又分為溶液聚合法和熔融聚合法。溶液聚合法取得的突破性進展是1995年日本學者[20]報道，以L－乳酸為原料進行溶液聚合，有機溶劑循環共沸，3A分子篩脫水干燥溶劑，錫粉催化，130℃反應20～40h合成了MW達24萬的PLLA，MW達36.6萬的PDLLA。1996年又發展了以特殊催化劑催化直接聚合而無需采用復雜的脫水操作的方法，得到的聚乳酸MW達7.8萬[21]。同時還有采用特殊催化劑常溫常壓下反應合成聚乳酸的報道，但分子量較低，只有1.54萬[22]。國內對乳酸溶液聚合法的研究也取得了一些進展，其中水平較高的是復旦大學報道[23]，以苯甲醚為溶劑帶水，分子篩干燥后循環使用，辛酸亞錫催化，常壓下180℃回流36h，PLLA的MW為2.6萬，使用1，6－己二異氰酸酯擴鏈后增加到14.2萬。總體而言，溶液聚合易于獲得相對分子質量過萬的聚乳酸，而且對單體的要求不高，有利于以外消旋乳酸為原料進行合成。但是，其對脫水的要求高，操作復雜。同時，由于一般要用有機溶劑共沸脫水，也使成本增加，而且某些高沸點的溶劑在聚乳酸的提純時難以除盡，影響產品純度。因此，促使人們對不使用溶劑的乳酸本體聚合予以關注。5重慶大學碩士學位論文1緒論乳酸本體聚合法即熔融聚合法。2000年，日本學者使用復合催化劑，使熔融聚合得到了MW超過10萬的PLLA，成為直接法合成聚乳酸的新突破。2001年，他們在上述工作的基礎上引入固相聚合，使PLLA的MW超過50萬，在150℃、66.7Pa下固相聚合20h，MW高達到67萬，成為直接法合成聚乳酸又一重大突破，因此熔融/固相聚合有望成為合成高分子量聚乳酸的新方法[24][25]。國內研究方面，華南理工大學趙耀明等也進行了熔融聚合的研究，M?(氯仿為溶劑)1.01～2.65萬，GPC測定MW達到8萬[26]。除以上兩種乳酸直接聚合生成聚乳酸的方法外，前文提到的己二異氰酸酯擴鏈也是提高聚乳酸分子量的有效手段，但產物嚴格來說屬于聚乳酸衍生物。這幾種聚合法各有優點，其中溶液聚合可以比熔融聚合獲得相對較高的相對分子質量；熔融聚合法較溶液聚合法的工藝更簡單，適宜于制備擴鏈反應的預聚體，而無催化劑的熔融聚合法可以直接合成藥物緩釋材料。但是，與丙交酯開環聚合法相比，直接法在提高相對分子質量、控制相對分子質量分布方面的研究尚有待努力。1.1.4.2開環聚合法丙交酯開環聚合法是目前研究最多，應用最廣泛的合成聚乳酸的方法，又稱為兩步法。反應原理是先由乳酸合成環狀二聚體丙交酯，丙交酯再在催化劑的作用下開環聚合制備聚乳酸。如圖1.3所示：OH3CnOOCH3OCHOHCO聚乳酸OO丙交酯CH3高溫催化劑HOCHC2n－1CH3丙交酯開環合成聚乳酸圖1.3Fig1.3ThesketchofsynthesisofPLAfromlactidebyring-openingmean用開環聚合法能夠制備分子量高達70萬至100萬的聚乳酸。為提高聚乳酸分子量，對開環聚合法的研究集中在催化劑的選擇和反應條件的優化上。丙交酯開環聚合法能夠選擇的引發劑種類豐富。開環聚合機理有陽離子聚合、陰離子聚合和配位聚合三種[27]，每一種機理都有其對應的多種催化劑，但對某些催化機理的研究尚無定論。用于陽離子聚合的催化劑有質子酸、路易斯酸和烷基化試劑等。有人認為陽6重慶大學碩士學位論文1緒論離子聚合催化機理與體系的痕量水有關，另一種論點是只有三氟甲基磺酸和三氟甲基磺酸甲酯才是真正的陽離子催化劑[28][29]。陰離子聚合引發劑為強堿，如Na2CO3，ROLi等，引發機理為負離子親核進攻丙交酯羰基，酰氧鍵斷裂。這系列催化劑反應速度快，活性高，可進行本體或溶液聚合，但副反應極為明顯，不利于制備高分子量的聚合物。鄧先模等研究了環戊二烯鈉對內酯開環聚合，反應條件溫和，催化活性高，但也存在一定的副反應[30]。配位聚合機理是目前研究和應用最多的催化機理，催化劑種類為過渡金屬的有機化合物和氧化物。常用的金屬為鋁、錫、鋅及稀土元素。其中錫類催化劑是公認的高效開環聚合引發劑，其中Sn(Oct)2已經通過了美國食品醫藥局檢驗，可作為常用的引發劑，但一般認為錫金屬對人體還是有一定的毒性。法國的Vert使用鋅引發丙交酯開環聚合。Shwach等也研究了鋅和乳酸鋅引發DL－丙交酯開環聚合，分子量可達到10萬，但是這類催化劑的活性不高[31]。國內對稀土金屬類催化劑的研究進行得較多，沈之荃等研究了各種稀土催化劑對丙交酯聚合的影響，包括不同的稀土金屬和不同的有機基團的影響[32]。王身國用稀土催化劑合成了分子量高達100萬的共聚物[33]。此外，丙交酯開環聚合制備聚乳酸的反應條件也在很大程度上影響產物的質量。反應系統的壓力對丙交酯的產率和聚乳酸的數均分子質量Mn都有很大的影響。JanR等和何永言等分別研究了以辛酸亞錫為催化劑，壓力在0.5~2.0(×133.32Pa)和760～0.05(×133.32Pa)間變化時壓力對Mn的影響。反應溫度則變化范圍比較大，但每種催化劑有其適當的反應溫度[34][35]。1.1.4.3其他合成法乳酸直接聚合法和丙交酯開環聚合法制備聚乳酸各有其優點，但也都存在成本高，不利于規模化生產等局限。為了發展經濟高效的聚乳酸合成方法，MiyoshiR等研究了反應擠出聚合等新的聚合工藝，即用間歇式攪拌反應器和雙螺桿擠出機組合，進行了連續的熔融聚合實驗，結果成功地獲得了由乳酸通過連續熔融縮聚制得的分子量達15萬的聚乳酸[36]。此外用乳酸衍生物為原料也可以進行上述直接聚合和開環聚合的反應，還能夠通過擴鏈得到較高分子量、不同構型的聚乳酸及其衍生物。如日本曾有專利報道，通過乳酸丁酯的酯交換反應，能夠直接聚合成聚乳酸。總的來說，聚乳酸的制備方法不外乎以乳酸、丙交酯和乳酸衍生物為原料。其中乳酸直接縮聚工藝流程簡單但條件要求嚴格，得到的產物分子量水平較低，受原料乳酸的質量影響很大。開環聚合法工藝流程復雜，但通過對丙交酯質量的控制和催化劑的選擇，能夠得到分子量高、分布窄的高質量聚乳酸，另一大優勢7重慶大學碩士學位論文1緒論在于丙交酯的合成對原料乳酸要求不高，能夠利用我國豐富的乳酸資源，隨著高分子量聚DL－乳酸研究的深入，在降低聚乳酸生產成本方面還有很大潛力。以乳酸衍生物為原料的聚乳酸制備，優勢在于反應體系無水，并能夠與其他預聚體進行進一步反應，但由于乳酸衍生物如乳酸丁酯本身成本很高，所以規模生產的可能性較小。1.2丙交酯研究背景1.2.1丙交酯(Lactide)簡介丙交酯是乳酸的環狀二聚體，由于乳酸是手性分子，分為L－乳酸和D－乳酸，兩種單體合成的丙交酯也根據光學活性不同分為L－丙交酯和D－丙交酯，外消旋DL－乳酸則能夠合成L－丙交酯和D－丙交酯等量混合而成的外消旋丙交酯和理論上與外消旋丙交酯等量的內消旋丙交酯。Coates等[37]認為，具有旋光活性的L－丙交酯和D－丙交酯主要用于制備全同聚乳酸；外消旋丙交酯主要用于制備雜同聚乳酸；而內消旋丙交酯主要用于制備間同聚乳酸。純度為99.8%的內消旋丙交酯熔點為52.8℃，而外消旋丙交酯的熔點一般在125～126℃。丙交酯外觀為白色晶體，易吸水和水解，易溶于乙酸乙酯和酮類有機溶劑。1.2.2丙交酯的制備作為廣泛應用的聚乳酸合成前體，丙交酯的質量和成本對最終獲得高分子量的聚乳酸有很大的影響。丙交酯的制備方法也可以分為一步法和兩步法。其中一步法是乳酸蒸氣的汽－液相反應，以氧化鋁為催化劑，反應機理可能是乳酸先兩兩聚合成直鏈二聚體，再環化成丙交酯[38]。廣泛應用的是兩步法合成丙交酯，原理是乳酸脫水聚合成分子量較低的低聚物，再在高溫下解聚，生成環狀丙交酯。根據收集方式的不同又可以分為常壓氣流法和減壓蒸餾法。常壓氣流法是利用反應體系中不斷通入氮氣、二氧化碳等惰性氣體，降低反應區丙交酯分壓，并將丙交酯蒸氣帶出。此法最大的優點是無需減壓操作，成功率高；缺點是惰性氣體消耗量大，且產物會隨氣流損失，收率不高。減壓蒸餾法的特點則是利用高真空將反應區生成的丙交酯蒸氣帶出，收率一般較常壓氣流法高，但此方法對真空度要求很高，真空度的差異對收率有較大影響。丙交酯合成反應的影響因素很多，對丙交酯制備的研究主要集中在催化劑、脫水時間和解聚溫度等方面[39][40][41][42]。合成丙交酯的催化劑有氧化物、錫類化合物、金屬氧化物等，典型的催化劑有Sb2O3、ZnO、辛酸亞錫、乳酸錫等。催化劑在反應中起到的作用一是脫結合水，二是在高溫解聚的過程中降低反應溫度，加速丙交酯的生成，降低乳酸低聚物裂解程度[43]。對催化劑的效果研究也8重慶大學碩士學位論文1緒論以脫水效率、產率為量度。1.2.3丙交酯的純化丙交酯的純度對聚乳酸的質量有很大影響，研究表明丙交酯單體純度需達到99％以上，水分含量少于0.15%，才能保證聚乳酸的分子量水平[44]。因此丙交酯粗品必須經過純化才能進行聚乳酸聚合。丙交酯粗品中一般含有的雜質包括：殘留水分、隨丙交酯蒸氣一起蒸出的游離乳酸、二聚體、三聚體等。丙交酯的純化方法一般分為重結晶法、氣助蒸發法和水解法。目前常用的純化方法是重結晶法，研究表明，重結晶三次得到的丙交酯純度已經能夠達到制備聚乳酸的條件。重結晶采用的溶劑對重結晶的效果影響很大，常用的重結晶溶劑包括乙醇、乙醚、乙酸乙酯、丁酮、苯、異丙醇等[45][46]。研究較多的是乙酸乙酯，毒性較小、能夠溶解去除絕大部分雜質，而且低溫下對外消旋丙交酯溶解度小，質量損失較少，丙交酯回收率高。乙醇也是較好的重結晶溶劑，研究表明用乙醇做溶劑能夠得到熔點在125～126℃的丙交酯晶體，回收率達到53.2％[47]。張貞浴等[48]還對重結晶的混合溶劑進行了研究，認為認為采用苯和乙酸乙酯體積比60：40混合，溶劑重結晶時丙交酯收率最高。還對干燥條件進行了探索，摸索出最佳條件為40℃，93kpa，12h。此外水解法實際上是除去丙交酯粗品中易于水解的內消旋丙交酯，實際生產中可以與重結晶法結合使用。1.3課題來源、意義和內容目前全球的石油資源開始枯竭，油價上漲，導致資源危機。我國的石油資源并不豐富，隨著國民經濟的發展，每年需進口接近1億噸的石油，不可降解的塑料的制造不但消耗了大量的石油，而且丟棄的不可降解的塑料己經造成了嚴重的“白色污染”。特別是醫藥領域的不可降解石油基高分子材料的應用，給醫療廢棄物的治理帶來極大的麻煩，因此開展聚乳酸類材料的研究和開發，不但是世界的發展趨勢，更具有重要的現實意義。聚乳酸材料可以代替一部分以石油為原料合成的不可降解的塑料，減輕能源危機的程度。聚乳酸材料的原料來源可以是植物光合作用產物，不存在資源枯竭問題，能夠真正實現可持續發展。我國是農業大國，乳酸來源豐富，大力發展聚乳酸材料，具有重大的現實意義。除了通用塑料方面的需求能夠得到滿足以外，聚乳酸在生物醫學工程材料方面的研究也在進一步深入，對聚乳酸材料的性能和成本提出了更高的要求。為了滿足日益增長的研究材料的需要，迫切需要對比較成熟的實驗室合成工藝進行放大的摸索，直至規模化合成丙交酯和聚乳酸。9重慶大學碩士學位論文1緒論根據聚乳酸及其合成原料的發展狀況，可以看到聚乳酸的應用研究的飛速發展，對材料的質量和生產能力提出了迫切的需求，而聚乳酸產業化關鍵在于通過原料的選擇和工藝的改進提高轉化率，降低生產成本。目前，對L-乳酸及聚L-乳酸的研究較多，而對聚DL-乳酸的深入研究較少。聚DL-乳酸可以通過調節分子量和結構，也能夠達到生物材料的各種力學、熱學性能要求，在包裝、藥物緩釋材料，乃至生物醫學支架材料方面都能得到廣泛應用。我國是乳酸生產大國，DL-乳酸來源豐富，以DL-乳酸為原料生產聚DL-乳酸具有巨大的優勢和廣闊前景。目前國內對DL-乳酸為原料生產丙交酯及聚乳酸的報道較少，對實驗室到生產線的放大實驗更是寥寥無幾。同時，由于實驗室研究多是單次反應，對反應剩余的釜底物簡單丟棄處理，對釜底物的研究不多。而丙交酯合成的一大特點是水解后的低聚物也能夠作為合成原料，而低聚物具有一定穩定性，能夠通過釜底物的水解得到。因此，本文擬就DL-乳酸合成丙交酯的放大實驗進行研究，從單次反應剩余的釜底物入手，通過水解得到乳酸低聚物。試圖解決DL-乳酸低聚物為原料合成丙交酯過程中的問題，實現原料循環利用，達到提高產率，降低成本的目的，為聚乳酸材料最終能夠廣泛應用于生物醫學工程材料和環境友好材料鋪平道路。本文進行的工作有以下幾個方面：1、從丙交酯合成剩余的釜底物經過充分水解制備乳酸低聚物水解料；2、對乳酸低聚物水解料進行表征；3、對新鮮乳酸和乳酸低聚物合成丙交酯的反應特點進行比較；4、設計正交實驗對乳酸低聚物水解料合成丙交酯的工藝進行優化；5、對新鮮乳酸和乳酸低聚物合成的丙交酯進行純化和聚合實驗。10重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征2乳酸低聚物水解料的制備和表征2.1引言隨著聚乳酸生物可降解材料的在醫藥及其他領域的廣泛應用，聚乳酸的需求量日益增加，其重要中間產物丙交酯的需求量也隨之加大。國內外的學者們對于丙交酯的合成及其規模化進行了廣泛的研究。但無論是實驗室合成還是規模化合成，都會產生大量的釜底物，在催化效率不高的情況下，轉化率在50％左右，意味著未完全反應的原料形成了數量相當可觀的釜底物。丙交酯合成的釜底物主要成分是分子量在3000或更高的低聚乳酸，反應過程中亦產生了大量的炭化物、甚至可能存在支鏈、交聯化的聚乳酸。同時，由于收集方式、體系粘度等原因，相信仍有大量已成環的丙交酯混合于釜底物中未能收集到。由于釜底物平均分子量較高，玻璃化轉變溫度在100℃左右，常溫下堅硬且韌性較好，常附著于反應器壁難以去除，因此在以往的研究中一般都簡單丟棄處理。這無形中造成了原料的浪費，提高了合成成本，不利于丙交酯的規模化合成。從這一點出發，我們希望通過規模化的設備，將多次反應的釜底物收集起來集中處理，將釜底物經水解反應還原為乳酸或小分子量的低聚物，能夠循環用于丙交酯的合成。聚乳酸的降解研究多集中于在生物醫學工程材料方面的應用，如高分子量的聚乳酸植入材料在降解過程中的力學性能變化等，體外的降解實驗也以此為基礎，模擬生理條件下高分子聚乳酸材料的降解[49]。本實驗的研究嚴格意義上來說是聚乳酸在化學反應中的水解，由于應用的局限，對這方面的研究報道很少。本文的研究主要基于聚酯在酸性環境下的水解機理[50]。2.2實驗部分2.2.1實驗原理低聚乳酸在酸性條件下水解，是由酸催化的酯水解反應，體系中存在幾種反應：從端酯基開始的依次斷鏈、無規斷鏈和酯交換反應。幾種反應在實驗溫度條件下同時發生，都能夠起到使釜底物長鏈斷裂，分子量降低的作用，同時水解產生新的端羧基，體系酸性增強，催化水解反應加速進行。水解原理如圖2.1所示11重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征OHOCHCOCH3CHCOOHnOH+HOCHCOCH3CHCOOHn-mCH3CH3+LnALn-mAOHOCHCOCH3CHCOOHm+LmA聚乳酸的水解CH3圖2.1Fig2.1ThesketchofhydrolizationofPLA2.2.2實驗設備小試：500ml三頸瓶，水浴，壓力鍋，無攪拌。放大試驗：200L臥式釜，夾套循環油浴加熱系統，真空系統，葉片式攪拌。中試：1000L立式釜，電加熱棒底部加熱，常壓系統，離心泵自循環。2.2.3實驗流程2.2.3.1乳酸低聚物水解料的制備將釜底物在加熱條件下和過量的水充分混合，視釜底物分子量水平加入一定量(約為釜底物質量的5％)的新鮮乳酸，持續攪拌，逐步升高溫度，每10℃保持1h，保持系統壓力，每隔一段時間取樣一次，分析水含量和數均分子量。2.2.3.2殘留催化劑的分離和純化將一定量的水解低聚物溶于過量乙酸乙酯，充分攪拌后用漏斗和濾紙過濾，將濾渣用80℃熱水充分洗滌，收集濾液，蒸發水分后冷卻重結晶，用無水乙醇洗滌，過濾烘干，得到催化劑晶體。2.2.4實驗原料、儀器及表征方法2.2.4.1實驗原料及藥品表2.1名稱工業D，L-乳酸乙酸乙酯無水乙醇主要實驗藥品Table2.1Thematerialoftheexperiment品質含量產地工業級分析純分析純85％98％98％河南金丹乳酸廠重慶川東化工試劑廠重慶川東化工試劑廠12重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征續前表：α-萘酚酞甲醇卡爾費休試劑氫氧化鉀釜底物水解低聚物分析純分析純分析純分析純95%重慶東方化玻有限公司重慶川東化工試劑廠天津四友試劑廠重慶川東化工試劑廠自制自制2.2.4.2試驗儀器表2.2名稱旋片式真空泵增力式攪拌器卡爾費休水分滴定儀氣相色譜儀紅外光譜儀SpectrumGX主要實驗儀器Table2.2Theexperimentinstrumentandapparatus型號產地2X-4A型上海康嘉真空泵有限公司江蘇金壇市富華儀器公司ZKF-1上海超精科技有限公司北京北分天普儀器有限公司PE公司電子天平堿式滴定管2.2.4.3表征方法2.2.4.3.1水分含量的測定采用卡爾費休水分滴定儀(上海超精科技有限公司)測定。無吡啶卡爾費休試劑(天津四友試劑廠)測定水當量F＝3.4mg/ml。JA2003型電子天平，系統測定精度0.001g。水分含量采用下式計算：X(％)＝M×F×100％/(V終－V初)式中：M－樣品質量，mg；F－水當量，ml/mg2.2.4.3.2固體殘余物的測定對于水解后的低聚物體系中含有的殘余催化劑、炭化物，采用溶解過濾的方法測定含量。將一定量的水解低聚物溶于過量乙酸乙酯，充分攪拌后用漏斗和濾紙過濾。將濾紙和濾渣烘至恒重后，稱量計算固體百分含量。將濾渣用80℃熱水充分洗滌，濾干，烘至恒重，稱量計算炭化物百分含量。(2.1)13重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征2.2.4.3.3數均分子量的測定數均分子量是指按聚合物中含有的分子數目統計平均的分子量，高分子樣品中所有分子的總重量除以其分子(摩爾)總數。如果線性高分子的化學結構明確而且鏈端帶有可以用化學方法(如滴定)或物理方法(如放射性同位素測定)分析的基團，就可以用端基分析法測得數均分子量。我們需測得的低聚物是乳酸低聚物，端基含有羧基，可以用甲醇鈉標準溶液進行滴定，求得試樣的數均相對分子質量。①KOH-無水乙醇溶液的標定精確稱取500mg鄰苯二甲酸氫鉀，溶于50ml熱水中，充分振蕩混合均勻，冷卻至室溫，加入2～3滴酚酞試劑，用待標定的0.1mol/l的KOH-無水乙醇溶液滴定至呈現淺灰或紫紅色終點。KOH－無水乙醇溶液的濃度以下式計算：1000?mcNaOH?MKHC6H4O4?VNaOH式中：MKHCH64O4(2.2)——鄰苯二甲基氫鉀的摩爾質量；m——鄰苯二甲基氫鉀的質量，mg。②測定方法將一定量的水解低聚物溶于乙酸乙酯，將酸度計玻璃泡用蒸餾水潤濕，完全浸沒于待測溶液中，用KOH-無水乙醇溶液滴定至pH值在6.9－7.1，根據消耗的溶液體積按下式計算數均分子量。Mn＝M×Y/[C×(V終－V初)]式中：M－－樣品質量，mg；Y－－樣品除去不溶物的修正系數；C－－KOH-無水乙醇溶液的濃度，mmol/ml。2.2.4.3.4催化劑的測定由于催化劑成分是鋅的化合物，通過原子吸收法定量分析。乳酸低聚物水解料經乙酸乙酯溶解后過濾，烘干后測定濾渣中催化劑的百分含量。最后換算成低聚物中的百分含量。以下試樣均為過濾烘干后的催化劑和碳化物的混合物。1、鋅的估測稱取試樣0.7712g，采用灰化法預處理后用硝酸溶解，稀釋至50ml，加入過量的飽和碳酸鈉溶液，然后用恒重濾紙過濾至濾液加入過量的飽和碳酸鈉溶液不再產生絮狀物，將濾紙烘干至恒重稱量得樣品產生的碳酸鋅重量V=0.2404g，計算得樣品中鋅含量=16.25%。2、鋅的測定參照GB/T14540.4[51]的規定采用原子吸收光譜法。原子吸收分光光度計采用PE-AA800，儀器自動選擇最佳條件。制備鋅標準溶(2.3)14重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征液Zn1mg/L。配制成0.1ppm，0.2ppm，0.4ppm，0.6ppm，0.8ppm，1.0ppm的鋅標準溶液測定吸光度，以標準溶液中鋅的質量(ug)為橫坐標，相應的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線如圖2.2。表2.3標準濃度mg/l吸光度0.10.0510.20.085原子吸收標準曲線0.40.1680.60.2470.80.3161.00.407Table2.3Thecriterionofatomabsorption0.450.40.350.30.250.20.150.10.0500y=0.393x+0.00932R=0.99890.5圖2.211.5原子吸收標準曲線Fig2.2Thecriterionofatomabsorption稱取試樣1.0423g，采用灰化法預處理后配制成1000ml樣品液，再取5ml樣品液稀釋至1000ml測定鋅濃度C。重復測定4次得C=0.860mg/L(回收率98.3%～99.6%)。計算出樣品鋅含量。2.2.4.3.5催化劑結構的測定對純化后的催化劑晶體采用X衍射法和紅外壓片法進行結構測定。使用日本島津公司的DMAX/2C型X射線衍射儀(Cu靶、Ka譜線、Ni濾波片)對丙交酯晶體進行分析。測試時用無水乙醇將催化劑粉末樣品分散在單晶硅片上，衍射儀的管電壓是40KV，電流為20mA，掃描速度為0.05度/c。純凈干燥的催化劑晶體用溴化鉀壓片法制片，用紅外光譜儀(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)記錄聚合物在400-4000cm-1的紅外光譜。對二者的紅外光譜進行比較。2.3結果與討論2.3.1水解條件的選擇以新鮮乳酸為原料進行單次丙交酯生產后，釜底物采用端基分析法測定數均15重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征分子量。根據解聚反應時間不同，數均分子量范圍在1000～7000之間，需要經過水解降低分子量水平，才能用于循環生產。由于釜底物的主要成分是聚合度在60以上的聚酯，其水解過程受溫度、壓力、時間等幾個因素的控制。為了更好地控制水解過程，保證乳酸低聚物原料品質穩定，實驗具有可比性，通過實驗探索了這幾個因素對水解過程的影響，從而選擇了最佳的水解生產條件。2.3.1.1溫度對水解過程的影響聚酯的水解反應是放熱過程，由于釜底物分子量大，低溫下粘度高，不利于體系分散和反應進行，因此中試采用的反應步驟是：釜底物保持解聚反應溫度直接進入盛有過量熱水的水解釜中，持續攪拌，待體系均勻溫度穩定后，從90℃緩慢升溫，在90℃、100℃、110℃、120℃時取樣。取樣檢測得到釜底物的數均分子量和反應溫度關系如圖2.3：12001000分子量80123水解時間（h）456圖2.3Fig2.3中釜水解實驗，水解速度隨溫度變化趨勢Hydrolizationspeeddependedonthetemperature由圖2.3可知，在反應時間一定的條件下，反應溫度越高，數均分子量變化斜率越大，說明水解速度越快，在90～120℃勻速升溫條件下，數均分子量水平從1000降至200左右最短需要5.5h。但過高的溫度會導致氧化和分子間脫水等其他副反應的發生，因此水解溫度控制在110℃以下較為合適。大型水解釜的實驗結果驗證了這一結論，為了安全起見，水解溫度降至100℃，大量釜底物的水解反應時間將在后面討論。2.3.1.2壓力對水解過程的影響對水解反應來說，壓力越高反應速度應該越快。由于水解過程加入了大量的水，為防止反應溫度下水分大量沸騰損失，早期小型實驗在高壓鍋中進行，反應16重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征壓力1.2MPa，釜底物的數均分子量從3000降低至200以下只需要2h。中釜實驗也曾達到1.1MPa的壓力。但綜合考慮安全等因素，中釜和大型釜采用的仍是常壓反應，因此實際生產中的壓力因素不再考慮。大型反應釜常壓下反應的數據見下節。2.3.1.3水分和平均分子量的關系水解反應初期為了使體系均勻，加入了過量的水，通過檢測反應過程中體系含水量和平均分子量的關系可以推測反應進行的程度和規律。如圖2.4所示，可以清楚的看到，反應體系中水分含量的變化分為兩個階段：第一天至第六天，水分含量迅速降低；第六天至十三天，水分含量基本不變。變化規律提示前6天是水解反應進行的主要時段，消耗大量的水，6天以后則達到反應平衡，水分不再減少。而平均分子量水平的變化趨勢與水分含量變化基本一致，說明大型反應釜中水分消耗主要來自反應消耗，而不是沸騰蒸發損失。當聚乳酸水解已經達到平衡，分子量便不再降低，而是穩定在150℃左右，平均聚合度為2。此時可以認為乳酸低聚物品質穩定，能夠用于第二輪的合成反應實驗。綜上所述，釜底物的水解過程可以從溫度、加入水、乳酸的質量、時間等方面加以控制。采用的工藝條件是100～110℃，常壓，水和酸按照釜底物質量的10％加入，則800L釜底物可以在較短時間(3～5d)內達到水解反應平衡。穩定后的乳酸低聚物成分分析詳見下節與新鮮乳酸的比較。4500500005時間（d）1015分子量(a)水解料數均分子量隨時間變化規律17重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征10水分含量（％）8642005時間（d）1015(b)水分含量隨時間變化規律圖2.4大型水解釜水解過程中分子量和水分含量隨時間變化趨勢Fig2.4Thenumbermolecularweightandwatercontentchangeddependingontime2.3.2水解機理的推斷釜底物的水解是酸催化的聚酯水解反應，體系中存在幾種反應的可能性，從端酯基開始的依次斷鏈、無規斷鏈和酯交換反應。幾種反應在實驗溫度條件下同時發生，都能夠起到使釜底物長鏈斷裂，分子量降低的作用，同時水解產生新的端羧基，體系酸性增強，反應速度應當是逐漸加快的。根據幾種反應的特點推斷，依次斷鏈產生的是游離乳酸，無規斷鏈產生的是小分子低聚物，游離乳酸的離解能力應比低聚物強，更能起到催化作用。但從實驗結果看，數均分子量在150左右達到平衡，低聚物不再水解，再次用于合成時分子量上升很快，可能是因為低聚物分子量分布均勻，但游離乳酸不多。由此推斷可能的情況是：1、游離乳酸產生量少，體系的水解反應多以無規斷鏈的形式發生；2、產生的游離乳酸在進一步的水解中也在不斷消耗，參與了酯交換反應；3、體系中低聚物與游離酸達到一定比例，且低聚物聚合度較小時，水解反應不再發生。2.3.3乳酸低聚物與新鮮乳酸的成分比較經大量檢測數據統計，乳酸低聚物中水分含量雖然據反應時間和起始加入量有所不同，但其他成分的相對百分含量保持穩定。為使比較方便起見，將乳酸低聚物水分設為13％，其他成分根據相對百分含量計算得出，見表2.4。18重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征表2.4乳酸低聚物水解料與新鮮乳酸中成分含量比較Table2.4Thecomparisonofcontentlactic-acidandoligomer(a)乳酸低聚物成分含量表水含量(％)13酸和低聚物74.78催化劑8.64碳化物3.66(b)新鮮乳酸成分含量表水含量(％)13乳酸85雜質(如糖苷)2由表2.4可知，盡管乳酸低聚物成分穩定，但與新鮮乳酸相比仍有較大的不同，一是平均分子量高于乳酸，提示體系中低聚物含量不容忽視，且分子量分布水平未知；二是由于體系是多次反應后的釜底物合并一起水解而成，催化劑大量累積，已經超過了乳酸原料反應時的加入比例。因此，乳酸低聚物是否具有與新鮮乳酸相似的合成反應條件和效果，需要通過對這兩個方面的進一步研究才能得出結論。2.3.4乳酸低聚物中催化劑含量和活性的測定2.3.4.1殘留催化劑含量和形態測定對乳酸低聚物含有的催化劑進行了多種方法的分離檢測，包括原子吸收、重結晶和沉淀轉化法(灰化法)。其中原子吸收和沉淀轉化法測定的是鋅離子的含量，重結晶則能夠還原殘留催化劑在體系中存在的形態。各種檢測結果如表2.5：表2.5乳酸低聚物水解料中鋅元素含量Table2.5Theweightpercentageofzincinoligomercharacterizedbytwomethods灰化法含量(%)16.25原子吸收16.5對重結晶的晶體進行X射線衍射法和紅外壓片法測定其結構，結果如圖2.5a和2.6a：19重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征(a)回收催化劑晶體的X衍射圖(a)XRDspectraofthezinclactatecrystalinoligomer(b)反應前催化劑晶體的X衍射圖(b)XRDspectraofthezinclactatecrystalbeforereaction圖2.5Fig2.5100.090807060%T5040反應前和回收催化劑晶體的X衍射圖XRDspectraofthezinclactatecrystalinoligomerandbeforereaction302010.04000.030002000cm-0.0(a)回收催化劑晶體的紅外圖譜(a)IRspectrumofzinclactatecrystalinoligomer20重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征100.0902317.40.65928.18472.88431.67%T4030201367.101274.331089.73863.552743.571633.831468.471321.871047.001117.89772.50682.22558.932985.92100.74000.030002000cm-0.0(b)反應前催化劑晶體的紅外圖譜(b)IRspectrumofzinclactatecrystalbeforereaction圖2.6Fig2.6反應前和回收催化劑晶體的紅外圖譜IRspectrumofthezinclactatecrystalinoligomerandbeforereaction經重結晶的晶體通過X射線衍射法和紅外壓片法測定，在678、558cm－1處含有Zn-O特征峰，且其他特征峰位置基本吻合，可以認為鋅離子在乳酸低聚物中的結合態仍然是乳酸鋅。據此對表4.2進行修正，將鋅離子含量換算成乳酸鋅含量，得到結果如表2.6：表2.6乳酸低聚物水解料中催化劑含量Table2.6Theweightpercentangeofzinclactateinoligomer差量法含量(%)8.64灰化法8.09原子吸收8.09差異的可能原因是重結晶過程中不可避免的物料損失，以及加入催化劑時仍然存在少量的不溶于水的氧化鋅。但對最后殘留的炭化物再次進行沉淀轉化法檢測，其鋅離子含量少于1％，因此在乳酸低聚物中氧化鋅的含量可以忽略。綜上所述，乳酸低聚物中累積的經過反應后的催化劑含量在8～9％(以含水13％計)左右，遠遠高于新鮮乳酸反應時應加入催化劑量。由于催化劑以離子形態存在于體系中，分離不易，因此研究殘留催化劑的活性對循環利用乳酸低聚物是十分必要的。2.3.4.2催化活性的檢驗2.3.4.2.1加入新催化劑對乳酸低聚物合成丙交酯的影響已知水解低聚物體系中含有8％～9％的催化劑，已經遠高于理論加入催化劑的量。根據以往的研究規律，催化劑過量時對反應過程會起到抑制作用，催化劑含量越高，產率反而降低。但對于催化劑的作用機理尚無明確結論。為了驗證新、21重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征舊催化劑對乳酸低聚物合成丙交酯產率的影響，采用相同的乳酸低聚物為原料，作了加入新催化劑的對比實驗，各項檢測結果如表2.7：表2.7催化劑對乳酸低聚物水解料合成丙交酯的影響解聚前Mn770.7711.7脫水量(g)5045含酸量(%)25.213.8產率(%)2823Table2.7Theeffectofcatalystinreactionofoligomer催化劑(g)未加新催化劑加入新催化劑07通過數據的比較可以看出，新加入催化劑的體系分子量增幅小于未加新催化劑的體系，但加入催化劑的體系脫水時間較未加催化劑的體系短，脫水量也較少，說明新加入的催化劑主要催化游離酸之間的兩兩脫水聚合，在低聚物濃度達到平衡后，低聚物之間的鏈增長反應反而受到抑制。同時，未加入新催化劑的體系交酯產量比加入了新催化劑體系高，但體系產物中游離酸明顯高于后者，說明體系殘留的催化劑并未完全失活，在新一輪的反應中仍起到了催化低聚物鏈增長的作用，但對游離酸的催化效果降低。因此可以初步斷定，乳酸低聚物體系中的殘留催化劑能夠達到催化乳酸低聚物鏈增長的效果、高溫時催化解聚生成丙交酯的效果。但由于反應體系中游離乳酸單體濃度較低，殘留催化劑未能起到使游離乳酸充分反應的作用，使產物含酸量較高。2.3.4.2.2乳酸低聚物與新鮮乳酸合成丙交酯的比較對比乳酸低聚物與新鮮乳酸合成丙交酯的體系數均分子量，可以看出不同體系在不同反應階段的反應規律，如圖2.7所示：1000800分子量6反應階段水解料未加催化劑乳酸加入催化劑水解料加入催化劑34圖2.7乳酸低聚物與新鮮乳酸合成丙交酯的體系數均分子量比較Fig2.7Thecomparisonofnumbermolecularweightofdifferentreactionsystem22重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征各反應階段所取的樣品還通過氣相色譜測定了各種成分的相對百分含量，圖2.8是本次實驗氣相色譜檢測的典型圖譜，其中保留時間為1.665、4.623、6.407、13.657min的峰分別是乳酸、內消旋和外消旋丙交酯、低聚物的特征峰。根據對應的峰面積計算相對百分含量。相關結果匯總如圖2.9和圖2.10所示。圖2.9和圖2.10分別反映了氣相色譜計算得到的新鮮乳酸和水解低聚物反應體系在各個反應階段，乳酸、丙交酯和低聚物相對含量。圖2.8反應體系成分氣相色譜圖Fig2.8TheGCsketchmapofreactionsystem9020100原料脫自由水乳酸脫結合水丙交酯二脫結合水低聚物相對百分含量圖2.9新鮮乳酸體系反應成分相對含量變化Fig2.9Therelatedcompositionofmainelementinlacticacidreactionsystem23重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征1相對百分含量0.80.60.40.201游離乳酸含量2反應階段丙交酯含量低聚物含量34圖2.10乳酸低聚物水解料體系反應成分相對含量變化Fig2.10Therelatedcompositionofmainelementinoligomerreactionsystem從圖2.7兩種反應體系的數均分子量變化可以看出，新鮮乳酸體系分子量增長平緩，而乳酸低聚物體系在二脫水階段分子量陡增。這種現象說明了幾個方面的問題：一是對不同體系反應機理的推測：新鮮乳酸體系分子量增長平緩，什么在兩個脫水過程中的反應機理可能都是游離乳酸與低聚物反應，LA+LnA=Ln+1A，使得分子量增長一直處于勻速變化的過程，增幅都在60％以下。而乳酸低聚物體系由于游離乳酸含量較少，低聚物之間端基碰撞幾率較大，體系內主要發生的是低聚物之間的聚合和鏈增長，即LnA+LmA=Lm+nA。這種反應機理導致乳酸低聚物體系分子量在二脫水階段增幅達到130％。另外，根據氣相色譜得到的各種成分相對百分含量的數據進行分析。由圖2.9可知，新鮮乳酸體系在一脫結合水階段各組分含量變化的斜率較第二階段大，說明游離酸聚合反應較為徹底。且第二階段末，體系中交酯含量已達到80％，下一階段主要是蒸餾及副反應產生的較大分子低聚物解聚生成丙交酯。如圖2.10所示，在低聚物反應體系中，二脫水階段各組分含量變化的斜率高于第一階段，其中游離乳酸的變化斜率基本不變，且二階段末體系中交酯含量在70％，低于新鮮原料體系。說明此體系中，游離酸反應速度與溫度關系不大，反應程度取決于時間。二者在反應程度上有所不同，可能的原因是：水解低聚物體系中本來就含有大量的三、四聚體，游離乳酸的濃度雖然在開始階段仍然高于低聚物，但低聚物含量隨反應的進行迅速升高，很快就能達到反應平衡，使得游離乳酸含量下降緩慢。只有當反應溫度繼續升高，低聚物之間的相互聚合反應能夠大量進行的時候，24重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征小分子低聚物和游離乳酸的含量均隨反應進行而減少。這時已經能夠形成聚合度在5～8的低聚物，且溫度理論上也已經達到丙交酯的解聚溫度，所以交酯在此階段就已經大量生成，含量急劇上升，因此水解料在二脫水階段已有丙交酯蒸出。二是對催化劑活性的判斷：兩個乳酸低聚物反應體系中分子量增幅基本一致，說明新加入的催化劑在平衡分子量水平、防止低聚物過度擴鏈方面與殘留催化劑沒有明顯區別，分子量的陡增來自體系成分的差異，即說明乳酸低聚物體系中的殘留催化劑并未失活。同時催化劑在不同體系中起到的催化作用也是一致的，降低反應活化能和加快反應速度。不論是催化游離酸聚合還是催化低聚物聚合，并不受體系中游離酸或低聚物含量的影響。但是需要指出，當低聚物和游離酸含量比例達到一定程度時，催化游離酸聚合的反應會受到抑制，而低聚物之間的聚合占據主導作用，這是由反應平衡決定的。因此兩種體系二脫水后分子量水平的差異與新舊催化劑無關，也說明殘留催化劑在催化聚合方面尚未失活。對兩種反應體系合成效果，以產率和含酸率作為比較，如圖2.11：60百分比（％）5水解料未加催化劑水解料加入催化劑產率含酸率乳酸加入催化劑圖2.11催化劑對乳酸低聚物水解料合成丙交酯產率和含酸率的影響Fig2.11Theeffectofcatalystoncrudeyieldandacidcontentinoligomerreactionsystem新鮮乳酸體系產率最高，含酸率較低，是理想的生產效果。兩個乳酸低聚物體系的產率都遠低于前者，這可能是解聚前(二脫水階段后)的分子量水平過高引起的，具體原因將在下一步的實驗中加以驗證。乳酸低聚物體系產量相近，產物含酸率卻有較大差異。由于反應條件相同，差異應來自催化劑。產物中的酸來自以下幾個方面：未除凈的游離乳酸、解聚過程中的伴生乳酸、收集過程中水解的交酯、體系中沸點較低的二聚體、三聚體等。其中交酯水解和低聚物的因素在不同反應體系的收集過程中都存在，可以忽略，即新舊催化劑對脫游離酸和產生伴生酸的過程可能有影響。25重慶大學碩士學位論文2乳酸低聚物水解料的制備和表征二脫水階段作為高溫脫水階段，目的就在于使游離酸充分反應或隨高溫高真空蒸出。乳酸低聚物體系二脫水階段分子量增幅尤其明顯，說明游離乳酸在一脫水階段基本消耗完畢或不易參與二脫水反應。而不加新催化劑的反應體系產物含酸量較高，說明游離乳酸并未除凈，或者殘留催化劑增加了解聚過程中伴生乳酸的產生幾率。曾有研究推測丙交酯合成階段催化劑的主要作用是催化脫水(聚合)和高溫解聚。而高溫解聚與催化劑的關系尚未得到證實，因此含酸率偏高的原因是否是伴生乳酸還有待證實。綜上所述，可以得到幾點結論和進一步實驗需要解決的問題：1、乳酸低聚物體系中殘留催化劑未失活，能夠有效催化脫水和解聚。2、新鮮乳酸和乳酸低聚物反應體系產率的差異可能來自于催化劑過量、體系數均分子量過高等原因，可以通過研究解聚前分子量水平和產率的關系、催化劑含量與產率的關系加以解決。3、未加新催化劑的乳酸低聚物體系產物中含酸率較高，是否因為游離乳酸脫除不完全引起，可以通過延長二脫水時間進行驗證。26重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化3丙交酯合成的工藝優化3.1引言隨著聚乳酸材料應用研究的深入，丙交酯作為開環合成聚乳酸材料的前體也受到人們的重視。丙交酯的產量、純度和合成成本成為影響聚乳酸產物質量和成本的直接因素。長期以來人們主要致力于丙交酯的開環過程的研究，而對于丙交酯的成環反應，多進行的是制備方面的研究，其機理方面的討論還很少。廣泛研究的是兩步法合成丙交酯，其原理是乳酸脫水聚合成分子量較低的低聚物，再在高溫下解聚，生成環狀丙交酯[52]。研究者們對乳酸成環合成丙交酯的各種影響因素都進行了深入的研究，以期提高產率，降低產物中酸等雜質的含量，達到高效合成的目的。催化劑的種類選擇和用量是研究得比較多的丙交酯合成影響因素。正是由于丙交酯合成的機理尚無定論，多年來對各種催化劑的嘗試和用量規律的摸索屢見報道。催化劑所以能改變反應速率，是由于降低了反應的活化能，從而改變反應歷程，所以說催化劑不影響化學平衡，只能縮短達到平衡所需的時間，而不能移動平衡點。催化劑能同時加快正逆反應的速率，改變過渡態、降低反應活化能等。因為催化劑對正、逆兩個方向的反應都發生同樣的影響，對正方向反應的優良催化劑也應為逆反應的催化劑。因此在丙交酯合成催化劑的選擇上也基本以開環聚合采用的催化劑種類為基礎進行摸索。姚芳蓮采用L－乳酸為原料,以SnCl2及Zn為催化劑,對L－丙交酯的合成條件進行了多方面的討論。當采用SnCl2為催化劑,催化劑用量0.5%,脫水時間8h,低聚溫度、解聚溫度分別不超過170℃和220℃時,所得丙交酯的收率最高,為93.2%[53]。石淑先等[54]研究了辛酸亞錫催化劑在丙交酯制備中對乳酸脫水效率的影響,結果表明辛酸亞錫效果較好。辛酸亞錫在常溫下為液體，與乳酸不能很好互溶，在升溫條件下能與體系很好互溶形成均相體系；反應時間短，脫水效率高，催化效果也較好。賀璇采用氧化鋅(ZnO)、氯化亞錫(SnCl2)、硫酸亞錫(SnSO4)、辛酸亞錫Sn(Oct)2以及它們的混合物催化合成丙交酯。實驗結果表明，催化劑的種類和用量對丙交酯的收率有顯著的影響，以ZnO/Sn(Oct)2為催化劑,用量為反應物總質量的2.0%時催化效果較好,能使丙交酯的收率較高[55]。另外原續波等[56]用三氧化二銻在N2氣保護下利用乳酸為原料制備丙交酯。魏金枝[57]采用三氧化二鋁作催化劑催化乳酸脫水制備丙交酯，其產率亦可達55%以上。為了提高丙交酯的產量，人們不斷開發出新的更有活性的催化劑：稀土金屬化合物[58]、這些物質的鹽類、稀土復合氧化物[40]，這些催化劑既能有效縮短反應27重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化時間，降低反應溫度，又能提高粗丙交酯的產率。在實驗室已有研究基礎上，朱久進[41]等合成了稀土(La-Ti)復合氧化物催化合成丙交酯，得到了較高的粗產率，同時在前者的基礎上進一步采用氧化鋅、三氧化二鑭、鈦酸鑭復合氧化物等催化劑催化乳酸脫水,繼而裂解環化成丙交酯，相同條件下，鈦酸鑭催化下得到粗產率最高為82.5%，其他兩種均低于80%。另外研究比較多的是利用鋅和鋅的化合物制備丙交酯[59][60]。Gruber采用氧化鋅作為催化劑研究了連續生產丙交酯的工業條件。江昕等[44]用氧化鋅作催化劑制備丙交酯，嚴格控制反應溫度和時間，減壓蒸餾，得到了高產率的粗丙交酯，平均值為62.1%，在反應之前就加入氧化鋅，氧化鋅在他們的研究中既作為脫水的催化劑，又作為裂解反應的催化劑，裂解溫度最高達220℃。李姝丹等[61]按2%加入催化劑ZnO，繼續減壓升溫至180℃，蒸出L-丙交酯，最高溫度230℃，產率達到69.30％。本實驗室報道[62]用氧化鋅催化D、L-乳酸得到產率為45.13%的丙交酯。對丙交酯成環反應的機理研究也基于開環反應的可能原理。如Kohn等[63]在研究路易斯酸類引發劑引發丙交酯的開環反應(ROP)時提出：AlCl3或SnCl4與體系中痕量的水的反應產物HCl是真正的引發物種，開環反應的真正引發劑是H＋。這促使我們更多地關注催化劑效率、成本、安全性等綜合因素，以確定規模化生產丙交酯的催化劑。基于以往的研究，我們認為鋅類催化劑具有對人體安全、催化效率較高、價格低廉等優點，選擇了乳酸鋅作為合成丙交酯的催化劑。本實驗室通過反復實驗，制備了能與體系良好均勻混合的乳酸鋅制劑，將通過實驗研究其催化性能和重復使用的催化活性。除了種類的選擇，催化劑的用量也是影響產率的重要因素。賀璇、祖國瑞、朱久進等在嘗試新催化劑的同時都研究了用量對產率的影響[41][55][57]。如李姝丹等認為以ZnO為催化劑,用量為反應物總質量的2.0%時催化效果較好，而超過此用量后，產率呈下降趨勢。鈦酸鑭復合氧化物等高效催化劑的用量一般在1％以下，但仍存在最優加入比例，過量也會引起產率下降。催化劑的選擇是從反應機理對合成進行研究，此外反應工藝的優化也是提高合成效率的重要方面。丙交酯合成主要分為脫水和解聚兩個階段，各個階段的反應條件也會對最終產率有較大影響。如溫度、壓力、各反應階段的時間分配等。減壓蒸餾法應用較廣，對壓力的要求比較嚴格，因此對減壓蒸餾法的工藝改進也有很多嘗試。如加入高沸點溶劑、控制脫水壓力的梯度、改進收集方式等[55]。28重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化3.2實驗部分3.2.1優化合成工藝正交實驗設計如前所述，乳酸低聚物與新鮮乳酸相比有較大差異，用于丙交酯合成生產需要根據其體系特點重新設定生產工藝。影響丙交酯合成的因素很多，主要有催化劑種類及用量、脫水時間、解聚溫度等。根據乳酸低聚物的特點，仍然采用乳酸鋅作為合成催化劑，且為了降低殘留催化劑過量的影響，與新鮮乳酸混合使用。3.2.1.1正交實驗因素、水平的確定考慮到乳酸低聚物殘留催化劑、數均分子量較高的特點，確定了實驗的因素為催化劑用量、新舊料比例、二脫水時間。采用三因素三水平正交實驗表[64]，各因素、水平選擇如表3.1：表3.1正交實驗條件設置Table3.1Thefactorsandlevelsoforthodoxicalexperiment催化劑加入量(g)水平一水平二水平三1.272.543.81新舊料比例1:11:22:1二脫水時間(h)2463.2.1.2結果變量的確定在實際生產中，除丙交酯產率外，產物含酸率、解聚前(二脫水后)平均分子量水平也是需要研究的對象。為了結果便于分析，只對產率作正交分析，其他結果變量只作一般的比較分析。3.2.2實驗材料與結果表征3.2.2.1實驗材料同2.2.4.13.2.2.2實驗原理和流程3.2.2.2.1實驗原理低聚物解聚生成丙交酯是具有一定聚合度的低聚乳酸，在高溫下產生熱裂解，羧基反咬相隔2個鏈節的酯基，發生了環化的裂解反應，生成一個丙交酯分子，如圖3.1：29重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化CH3nHOCCOHHOO催化劑加熱CH3OCHOHCn-1OOOO丙交酯＋HOCHCCH3O催化劑加熱LnA乳酸低聚物OHOCHCOCH3CHOHCn-1OH3COCH3OCHCOOHn-3HOCH3CH3CHCCH3圖3.1丙交酯合成原理Fig3.1Thesketchofsynthesisoflactide3.2.2.2.2實驗過程將350ml原料加入到500ml三頸瓶中，安裝攪拌系統、冷凝系統、加熱系統和真空系統。用油浴加熱至80～90℃，真空度保持在10～15KPa，脫自由水2h，取出蒸餾水，加入催化劑；升溫至120～160℃，低溫脫結合水2h，高溫脫結合水2h，取出餾出物；迅速升溫至180～200℃，開始解聚反應，逐步升溫至220℃，共反應3h，收集餾出物丙交酯粗品。實驗裝置如圖3.2所示：圖3.2丙交酯合成實驗裝置Fig3.2Thesketchofsynthesisdeviceoflactide3.2.2.3實驗結果表征實驗過程中取樣，測定水分含量、數均分子量；產物測定含酸率。由于產物中的內消旋丙交酯易水解，因此反應結束后立即取樣，在非水體系30重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化中，以KOH-無水乙醇溶液滴定樣品中的游離酸。產物體系中除游離酸外還可能存在乳酸二聚體、三聚體等低聚物，測定結果均記為游離乳酸的羥基。滴定終點用酚酞(變色范圍7.8～9.0)指示。測定方法同2.2.4.3。3.3結果與討論3.3.1正交實驗結果和數據處理正交實驗結果數據用SPSS軟件分析，結果如表3.2和表3.3所示。表3.2正交實驗產率結果表Table3.2Theyieldoforthodoxicalexperiment實驗序號123456789催化劑用量(g)111222333新舊料比例123123123二脫水時間(h)123231312產率(％)31.836.537.538.738.340.929.121.331.0表3.3正交實驗數據處理Table3.3Theresultanalysisoforthodoxicalexperiment實驗號ⅠⅡⅢⅠ/3Ⅱ/3Ⅲ/3級差RA催化劑用量(g)105.817.981.435.339.327.112.2B新舊料比例99.696.1109.433.232.036.54.5C二脫水時間(h)94.0106.2104.931.335.435.04.1產率T=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=3.05131重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化表3.4正交實驗結果方差分析表Table3.4Themeansquareanalysisoforthodoxicalexperiment方差來源催化劑用量新舊料比例二脫水時間誤差總和平方和0.0230.0030.0010.0030.030自由度22228均方和0.0120.0020.0010.002F值19.183.50.143.3.2各種因素對合成的影響根據以上結果，說明在三因素三水平正交實驗中，催化劑的用量對產率的影響顯著，是主要因素，新舊料比例和二脫水時間是次要因素，對產率的影響很小。3.3.2.1催化劑加入量對產率的影響實驗考慮到乳酸低聚物體系中仍然殘留催化劑，且經實驗證明并未完全失活，因此采用了少量加入新催化劑，同時加入新鮮乳酸的方法，使催化劑含量降低的同時，考察了新舊催化劑混用的催化效果。從實驗結果圖3.3分析，催化劑水平為2，即新加入2.54g時體系產率最高，接近40％。而加入3.8g的實驗產率較低，不到30％，這與完全采用乳酸低聚物為原料所做的實驗結果一致，過多地加入新催化劑對產率有降低作用[65]。50產率（％）4030201001.272.54催化劑水平催化劑對產率的影響3.81圖3.3Fig3.3Effectofcatalystoncrudeyieldoflactide需要指出的是，在最優水平下，如果只考慮新催化劑的加入量，則催化劑的加入比例為原料質量的0.7%，遠低于文獻報道的1.5～2%；但考慮到殘留催化32重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化劑的質量，總的催化劑含量約在原料質量的3.5～6.2%，卻沒有明顯的過量抑制效果。這一方面說明殘留催化劑起到了部分與新催化劑相同的催化作用，另一方面說明殘留催化劑催化效果不及新催化劑，可以認為部分失活。乳酸低聚物體系殘留的催化劑對游離酸的催化效果較差，原因可能是低聚物粘度較大，將部分催化劑包裹其中，難以與游離酸接觸。這也解釋了單一乳酸低聚物體系的數均分子量為何迅速增長的原因：即殘留催化劑只與周圍的粘度較大的低聚物反應，使得分子量水平陡增。此結果同時提示我們，由于乳酸低聚物和新鮮乳酸混合體系中，游離酸比例遠高于單一乳酸低聚物體系，因此加入新催化劑也是有必要的。新催化劑所起到的作用可能主要是催化游離酸聚合，對殘留催化劑的效果起到補償作用。如果對殘留催化劑的推測屬實，那么乳酸低聚物作為合成丙交酯的原料將不適宜單獨使用，原因之一是催化劑含量過高，且難以催化游離酸聚合，其二是體系數均分子量增長過快，粘度也會迅速升高，不利于傳熱和丙交酯的蒸出，反應體系又會有攪釜的危險。3.3.2.2催化劑加入量對其他結果變量的影響由于產率并非實驗考慮的唯一結果變量，在生產上產物的含酸量、實際收率等因素都是檢驗生產效果的指標，因此催化劑對其他結果變量的影響也需進行分析。表3.5列出了催化劑因素對產率、含酸率、修正后的交酯產量的影響方差分析。表3.5Table3.5催化劑對其他結果變量影響的方差分析Meansquareanalysisoforthodoxicalexperimentonotherresults方差來源交酯產量產率含酸量平方和1301.660.023.026自由度222均方和650.830.012.013F值19.189.1829.197可以看出，催化劑加入量對產率、產物含酸量和修正后的交酯產量的影響都是顯著的，這就排除了各個實驗由于采用原料不同而反應物略有差異的因素。同時，催化劑對產物含酸率的影響顯著，驗證了前面實驗結果中關于產物含酸率的差異來自新催化劑的猜測。33重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化25含酸率（％）201510501.272.54催化劑水平（g）3.81圖3.4Fig3.4催化劑對產物含酸率的影響Effectofcatalystonacidcontentincrudelactide圖3.4顯示，在幾個催化劑水平中，又以加入2.54g催化劑的實驗效果最好，產物含酸率低于10％。綜合催化劑水平2的實驗產率也最高的事實，可以認為催化劑水平2效果最好。3.3.2.3乳酸低聚物與新鮮乳酸的比例的影響38產率（％）36343230281：11：2比例水平原料比例對產率的影響2：1圖3.5Fig3.5Effectofoligmercontentoncrudeyieldoflactide新舊原料的比例對產率的影響較小，變化的趨勢也遵循新料越多產率越高的規律，但最高與最低產率之間也只相差5個百分點。聯系新舊混合比例為1：1、1：2、2：1的混合后的數均分子量水平，分別為157、183、131，相差不大，因此猜測混合后的體系成分不是影響產率的主要因素。只要乳酸低聚物已經充分水解，成分穩定且分子量分布比較均勻，在生產中可以根據具體情況選擇合適的混合比例。例如為節約新鮮乳酸原料可以選擇新舊料混合比例為1：2，為了稀釋34重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化催化劑則可以選擇2：1的比例。為了驗證混合比例對反應的影響，對不同混合比例原料的脫水量和數均分子量也做了分析，結果表明，混合比例并未顯著影響后期反應的分子量水平。3.3.2.4二脫水反應時間的影響36產率（％）35343332312h4h6h二脫水反應時間（h）二脫水時間對產率的影響圖3.6Fig3.6Effectofhydrolyzetimeoncrudeyieldoflactide從結果統計來看，二脫水4h組的產率最高，但組間產率相差較小。考察二脫水反應時間對反應的影響，一是為了驗證在二脫水階段的溫度和壓力下，游離酸的脫出(或者反應)效果；二是考察解聚前不同的數均分子量水平對丙交酯產率的影響。通過對實驗現象的觀察，發現脫結合水的時間長短與脫水量的多少有較大影響，且二脫水時間越長，結合水中同時脫出的游離酸越多。二脫水時間為6h的三次實驗，結合水中的游離酸量都在26g以上，遠遠高于二脫水2h的實驗中17g的游離酸量。說明二脫水2h后，體系中仍然存在部分游離酸，且不易反應，只能通過高溫高真空蒸出，以降低產物中的酸含量。同時可以觀察到，在二脫水2h后，雖然脫水溫度并未升高，但體系中已經開始有丙交酯蒸出，在脫水4h后尤其明顯。收集到的這部分丙交酯顏色較白，晶型很好，可能是沸點較低的內消旋丙交酯。這也說明二脫水2h后低聚物的聚合度已經達到可以解聚產生丙交酯的水平。二脫水2h的實驗中，產率最高的也達到了38％，充分說明2h的二脫水時間對低聚物充分聚合已經足夠。產物中游離酸的充分反應，與二脫水反應時間長短有一定聯系，但不宜單純通過延長二脫水反應時間來解決。為了進一步驗證二脫水時間不是影響產率的主要因素，對解聚前的體系數均35重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化分子量水平也做了分析，結果表明其并未簡單依據反應時間的長短而變化，結果比較離散。由于一脫水階段結束后，各反應體系的數均分子量水平相差不多，二脫水階段又出現了分子量水平變化率的顯著差異，如圖3.7所示。25002000數均分子量153反應階段45圖3.7反應過程中數均分子量變化Fig3.7Thetrendofnumbermolecularweightinreaction從圖3.7中可以清楚的看到，一脫水階段分子量變化比較平緩，二脫水階段分子量出現了陡增，但隨時間變化不大，脫水2h、4h和6h分子量的增幅相近，為50％左右。解聚前分子量水平和產率數據分布離散，基本沒有相關性，方差分析結果也說明分子量水平對產率的影響很小。但從數據基本規律可以看出，其中一個實驗解聚前分子水平達到了2000以上，幾乎達到了新鮮乳酸體系解聚反應2h后的體系數均分子量水平，但產率很低，可認為是解聚前分子量水平的上限。總體來說，解聚前分子量水平在500～1000范圍，既能夠達到解聚所需要的聚合度，體系粘度也不會太大，對丙交酯生成和餾出有利，與文獻吻合。產率最高為41％，二脫水時間為2h，解聚前分子量為560。綜合催化劑和新舊料比例的影響，同時考慮到能耗和時間的節約，選定的最佳工藝條件為：新舊料比例2：1、加入新催化劑2.54g、二脫水時間為2h。3.3.3乳酸低聚物合成丙交酯的工藝條件在生產設備上的檢驗由于生產設備上的實驗是對實驗室工藝的放大，在重現最優工藝條件之前，在生產設備上進行了新舊料混合合成丙交酯實驗的摸索，總結了設備與實驗室系統的差異，以確定設備生產的最佳工藝。生產設備與實驗室系統相比，取樣和檢測存在以下差異：1、丙交酯解聚時間不同，取樣時可能不是每一次解聚所出的所有產物都能單獨計量，所以產量和產率只作參考值。36重慶大學碩士學位論文3丙交酯合成的工藝優化2、脫結合水階段游離酸的收集方式不同。設備生產時蒸出的游離酸能夠回到系統重復利用，因此脫結合水時的游離酸也無法計量，只能對產物的含酸率進行測定。含酸率即為工藝驗證階段主要的效果檢驗指標。脫結合水后進入反應釜的物料未能取樣，無法判定分子量水平。但有一次未經解聚反應就排出，取樣測得數均分子量水平在900左右。在前期的摸索性實驗中，新舊料混合比例采用了1：3和1：2，催化劑加入量采用了全新鮮乳酸加入比例的1/8、1/4、1/2幾個水平，二脫水反應時間分別為2h和4h。實驗結果如表3.5所示：表3.5Table3.5實驗序號/列號22333催化劑用量設備實驗條件和結果新舊料比例3：13：12：12：13：13：13：13：1二脫水時間(h)22224224含酸率(％)12.113.012.912.111.014.718.817.9SynthesisofLactidesinapparatus結合實驗室對反應主要影響因素的研究結論，可以看出設備生產也遵循了催化劑對產物含酸率的影響的基本規律：新加入催化劑質量占原料質量0.5%左右時，產物含酸率最低，高于1％則含酸率會升高。同時新舊料比例對含酸率的影響也是乳酸低聚物越多，產物含酸率越高。但值得注意的是，設備實驗中為了節約新鮮乳酸，采用的乳酸低聚物比例遠高于實驗室采用的比例，而含酸率水平均降到20％以下。出現這種情況的原因可能是設備和實驗系統的收集方式的差異，游離乳酸即使未充分反應，也能夠在設備中充分脫出，不再進入產物收集釜。基于此，在設備生產時只要二脫水階段保證游離乳酸充分聚合，解聚前能夠保持一定時間的高溫和高真空，使乳酸達到沸點充分蒸出，則不必再延長脫水時間，以免體系數均分子量進一步升高，導致體系粘度增大，增加熱負荷和設備攪釜的危險。在生產設備上進行最優工藝的再現，采用新舊料比例2：1，催化劑加入量為0.7%，二脫水時間為2h，得到的產物含酸率為12.1%。初步驗證了工藝探索的結果。37重慶大學碩士學位論文4丙交酯的純化、聚合與表征4丙交酯的純化、聚合與表征4.1引言乳酸低聚物水解料與原料相比有較大的不同，相似的工藝條件下的合成產物是否是同一種物質是我們關心的問題。只有合成了相同質量的丙交酯晶體，才能進行下一步的聚乳酸合成實驗，我們所設想的通過循環利用釜底物水解料合成丙交酯降低規模化合成成本的路線才能夠實現。從收集到的粗產物外觀和物性來看，乳酸低聚物水解料與新鮮乳酸原料合成的產物主要差別在于水解料合成的產物顏色較深，晶型較小，猜測是由于含酸率較高所致。為進一步驗證乳酸低聚物水解料能夠作為合成丙交酯的原料，有必要對合成的丙交酯粗品進行純化和表征。并用純化后的丙交酯進行合成聚乳酸的實驗，用以比較乳酸體系和低聚物體系合成的丙交酯能否用于高分子量聚乳酸的合成，為綜合評價乳酸低聚物水解料合成丙交酯的效率和成本提供依據。4.2實驗部分4.2.1實驗原料與儀器4.2.1.1實驗藥品和試劑丙交酯：中試生產乙酸乙酯(分析純)：亞風試劑廠四氫呋喃(THF)：成都科龍化工試劑廠辛酸亞錫(分析純)：南亞化工廠蒸餾水：自制4.2.1.2實驗儀器真空泵(2X-4型，抽氣速度4L/s)：成都南光實業公司真空干燥箱(DZF-3型)：上海醫用儀器設備廠電子天平(METLERAE100)恒溫油浴系統電爐布氏漏斗增力電動攪拌器燒杯、圓底燒瓶、玻棒、滴管4.2.2丙交酯的純化本實驗采用乙酸乙酯重結晶的方法純化丙交酯粗品。本課題中的粗品丙交酯是一種半固態蠟狀的混合物，可根據情況，在純化前，38重慶大學碩士學位論文4丙交酯的純化、聚合與表征采用真空抽濾將其中的水份抽去。重結晶法主要取決于3個因素：首先，它取決于溶解度隨溫度和溶劑組成的變化，這是一個平衡因素，類似于萃取中的分配系數和吸附中的吸附等溫線。其次，結晶取決于晶體生長速率。第三，結晶依賴于“冷卻曲線”。溶解度隨溫度和溶劑組成而改變。通常，溶解度隨溫度升高而增加。通過降低溫度或改變溶劑組成，就可以引發晶體形成。重結晶的具體過程如下：首先將粗品丙交酯用真空抽濾的方法盡快除去其中的大部分水份，以免丙交酯在其中水解，影響產品的收率；然后在250ml的三口燒瓶中加入乙酸乙酯溶解粗產物，乙酸乙酯的用量為能溶解大部份的固體即可，未溶的部份水浴加熱后基本全部溶解。全部溶解后的乙酸乙酯熱溶液首先在常溫下結晶析出規則的晶體，然后再在冰水浴中冷卻結晶。結晶后得到大量無色片狀物質。為了保證結晶物的純度，重結晶過程需重復2~3次。將精制后的丙交酯在真空干燥器中室溫干燥72h，備用。4.2.3丙交酯開環合成聚乳酸本實驗采用辛酸亞錫為引發劑，丙交酯高溫熔融本體聚合法。具體步驟如下：將純度合格的D,L-丙交酯與辛酸亞錫按一定比例混合均勻后，在真空干燥器中于30～40℃干燥72h，再轉入圓底瓶中。氮氣保護下抽真空后密封。在一定的溫度下熔融聚合到規定時間后急劇冷卻至室溫，終止反應。4.2.4結果的表征本實驗室具有對丙交酯和聚乳酸成熟的表征方法。如通過紅外光譜儀(IR)、X射線衍射儀(XRD)、毛細管熔點測定方法、差熱分析儀(DSC)等手段對D，L-型丙交酯的晶體結構、晶形、化學結構和熔點等特性進行表征。對照已有的測量丙交酯的方法，我們這里采用兩種測量丙交酯的方法。其一為紅外光譜法，其二為毛細管熔點測定方法。把我們的測量數據與標準數據作比較，如果所測的紅外和毛細管熔點數據吻合，就判定所制備出來的物質均為丙交酯。同時對合成產物進行紅外光譜檢測，如特征峰吻合，則認為兩種體系制備的聚乳酸沒有結構上的區別。4.2.4.1丙交酯熔點測定圖4.1Fig4.1熔點測試裝置示意圖Sketchmapofcapillarymelting-pointtestingdevice39重慶大學碩士學位論文4丙交酯的純化、聚合與表征整個實驗過程重復三次，每次記下樣品的初熔溫度和全熔溫度。實驗結果如表4.1。4.2.4.2丙交酯紅外表征純凈干燥的丙交酯晶體用溴化鉀壓片法制片，用紅外光譜儀(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)記錄聚合物在400-4000cm-1的紅外光譜。對二者的紅外光譜進行比較。4.2.4.3合成產物的紅外表征以THF為溶劑分別對合成產物進行溶劑澆注成膜。用紅外光譜儀(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)記錄聚合物在400-4000cm-1的紅外光譜。對二者的紅外光譜進行比較。4.3結果與討論4.3.1兩種原料合成丙交酯的比較兩種原料體系制備的丙交酯粗品存在外觀上的差異，主要表現為：低聚物水解料體系制備的丙交酯顏色帶棕黃，粘度較大，不如新鮮乳酸制備的交酯疏松。重結晶后，可以看到低聚物水解料制備的丙交酯晶型較細，顏色已經與新鮮乳酸制備的丙交酯沒有太大區別。這可能是由于低聚物水解料體系制備的丙交酯中乳酸和低聚物的含量較高，導致顏色偏深，晶型較細。經多處重結晶純化后，雜質被除去，二者的純度接近，外觀已經沒有較大區別。此時能夠通過熔點的測定和紅外光譜的測定表征其純度和結構。4.3.1.1毛細管熔點測定法測不同體系制備丙交酯的熔點表4.1Tab4.1制備體系低聚物體系新鮮乳酸體系兩種原料體系制備丙交酯的熔點Melting-pointoflactidepreparedfromdifferentrawmaterialsystem實驗1熔點℃125.2～126.4125.5～126.8實驗2熔點℃125.2～126.4125.4～126.8實驗3熔點℃125.2～126.4125.6～127.0平均值℃125.2～126.4125.5～126.9重結晶4次后，兩種體系生成物質的熔點都在125.0℃～127.0℃之間，可以肯定，不同原料體系制備出來的物質經重結晶后確實是純凈丙交酯，而未有其他物質混合。4.3.1.2紅外光譜法分析不同體系制備丙交酯的結構兩種原料體系制備的丙交酯粗品經純化后用紅外光譜法分析其結構，如圖4.2和圖4.3所示40重慶大學碩士學位論文4丙交酯的純化、聚合與表征100.0656055%T50151050.04000.030002000cm-0.01770.171758.751247.072995.902924.811446.311375.70792.74508.77827.53654.59476.41930.59770.99606.531101.431052.59圖4.2Fig4.2100.7959055%T50151050.04000.030002996.442924.78新鮮乳酸體系制備的丙交酯結構IRspectrumofD,L-lactidepreparedfromfreshlactic-acid1445.251386.24508.731147.15827.74606.49477.741088.91793.10654.571056.65771.201100.96930.671248.911769.921758.792000cm-0.0圖4.3Fig4.3低聚物水解料體系制備的丙交酯結構IRspectrumofD,L-lactidepreparedfromoligomer從圖中可知，在2900～3000cm-1與1445cm-1附近有－CH3吸收峰，在1770cm-1附近有C=O吸收峰，1250cm-1處有－C－O－C－吸收峰，1100cm-1附近為－C－C－吸收峰。一般C=O峰出現在1710～1780cm-1之間，－C－O－C－峰出現在1020～1275cm-1之間，這里C=O峰和－C－O－C－峰分別在1770cm-1與1250cm-1附近，明顯紅移，表明兩者處于環狀結構之中。另外在930.6cm-1附近有一吸收峰這也可以說明有環狀結構存在。兩圖的特征峰位置和強度均和標準的丙交酯紅外圖譜相符合，結合熔點分析，可以認為兩種原料體系制備的丙交酯經重結晶純化后沒有結構上的差別，是同一種物質。4.3.2聚合產物聚乳酸的比較上述丙交酯晶體以辛酸亞錫為引發劑開環合成聚乳酸，用紅外光譜法分析其41重慶大學碩士學位論文4丙交酯的純化、聚合與表征結構，得到譜圖如圖4.3和圖4.4所示圖4.3Fig4.3乳酸制備的丙交酯聚合產物紅外圖譜IRspectrumofPolylactidepreparedfromthelactidefromfreshlactic-acid圖4.4Fig4.4低聚物制備的丙交酯聚合產物紅外圖譜IRspectrumofPolylactidepreparedfromthelactidefromoligomer從紅外光譜圖中可以看到，2996cm-1處出現CH3伸縮振動峰，2946cm-1附近有CH伸展振動峰，1753cm-1為酯C＝O振動峰和1190cm-1C－O伸展振動，充分證明羰基存在，且930cm-1、653cm-1處已無環狀結構的吸收峰，說明丙交酯已經轉化為聚乳酸。圖4.3和圖4.4的特征吸收峰位置和相對吸收強度基本一致，可以認為均合成了結構一致的聚D，L－乳酸。同時也充分證明了釜底物水解成的乳酸低聚物能夠與乳酸一樣合成丙交酯，粗產物經純化后同樣適用于聚乳酸的合成。綜上，通過毛細管測熔點法的檢測和比較，認為乳酸低聚物水解料和新鮮乳酸合成的丙交酯經過3－4次重結晶后能夠得到比較純凈的晶體，且紅外光譜顯示二者結構上沒有大的差異，可以認為是純凈的丙交酯，能夠用于聚乳酸的合成。對開環共聚產物的紅外光譜表征也證明，聚合物的結構相同，都是聚乳酸。由此認為乳酸低聚物水解料用于丙交酯的合成是可行的。42重慶大學碩士學位論文5結論5結論本實驗以循環利用丙交酯合成后的釜底物的為目的，研究了以水解料乳酸低聚物為原料合成丙交酯的可行性和優化條件。實驗從釜底物制備水解料乳酸低聚物入手，對水解條件進行了探索和優化，對水解料的成分做了表征，尤其是對水解料中殘留的催化劑含量和活性作了測定和驗證。在獲得質量穩定的水解料乳酸低聚物的前提下，用新鮮乳酸和水解料分別進行了合成丙交酯的實驗，比較了兩種體系反應過程的差異，為優化乳酸低聚物合成丙交酯的工藝提供了依據。采用了正交實驗方法探討了催化劑加入量、二脫水反應時間和新舊料混合比例對產率、產物含酸率等結果的影響，提出了最優的生產工藝。在總結設備生產規律的基礎上，重現了優化生產工藝，驗證了實驗結果。本實驗得出的主要結論如下：1、釜底物完全水解得到的穩定的乳酸低聚物成分為：水13％、酸和低聚物74.78%、催化劑8.64%、碳化物3.66%。2、乳酸低聚物水解料中殘留的催化劑經X衍射和紅外光譜表征，仍為乳酸鋅，反應中可以起到催化脫水和解聚的作用，但催化效果不及新加入的催化劑，可以認為部分失活。3、乳酸低聚物體系和新鮮乳酸體系的反應過程有所不同，低聚物體系中丙交酯產生的時間提前，游離酸不易反應，是產物含酸率較新鮮乳酸體系高的主要原因。4、正交實驗結果表明，新舊料混合反應體系中，催化劑加入量是影響產率和其他結果變量的主要因素。新催化劑占反應物質量0.7%時產率最高，達到41％。5、最優工藝條件為：新催化劑0.7%、新舊料比例2：1、二脫水反應時間2h。在生產設備上重現此工藝得到產物含酸率12.1%。6、新鮮乳酸體系和低聚物水解料體系合成的丙交酯經紅外表征，沒有結構上的區別。充分說明分別以兩種丙交酯為原料都能夠合成較高分子量的聚乳酸。43重慶大學碩士學位論文6展望6展望循環利用丙交酯合成產生的釜底物是降低生產成本的有效方法，本實驗在制備、表征乳酸低聚物水解料方面做了一些基礎的工作，取得了一些有參考價值的結果。本文的創新點在于：1、對釜底物的水解進行了條件的摸索，對水解料中殘留催化劑含量和活性進行了詳細表征。2、研究了以水解后的乳酸低聚物為原料合成丙交酯的反應條件，并在規模化合成設備上進行了驗證。雖然我們的實驗取得了一些可以參考的結果，但乳酸低聚物水解料的合成效果始終與新鮮乳酸體系存在差距，根據體系的特點，我們認為后續工作可以從以下幾個方面展開：催化劑的分離：經過實驗證明，殘留催化劑部分失活，新舊料混合體系仍然要加入新催化劑才能達到較高的產率，這不可避免地導致催化劑的進一步累積。所以催化劑的分離、活化在循環反應達到一定次數之后是必需的步驟。體系粘度較大，催化劑分離有一定難度，可以嘗試利用其在冷水中溶解度小的特點通過重結晶和抽濾進行分離。降低乳酸低聚物水解料的數均分子量：雖然我們得到的乳酸低聚物的平均聚合度只有2～3，但分子量分布不明，從實驗效果來看，數均分子量上升很快，說明體系中游離乳酸含量少，水解不徹底。如果進一步進行水解，或者分離殘留的高分子量低聚物，將對降低反應體系的數均分子量水平和體系粘度起到積極作用。產物含酸率的降低：包括解聚前未能完全反應的游離乳酸的去除和對解聚過程中伴生乳酸的研究。前者可以通過改進生產工藝操作實現，后者則需要繼續進行大量基礎實驗研究。丙交酯和聚乳酸產物的進一步分析：通過紅外光譜已經定性證明了乳酸和低聚物原料合成的丙交酯和聚乳酸結構一致，但低聚物合成的丙交酯重結晶的晶型始終較新鮮乳酸合成的丙交酯細。如果能夠對聚乳酸進行分子量表征，并通過晶體衍射進一步分析丙交酯的結晶結構，將對優化產物質量起到指導作用。44重慶大學碩士學位論文致謝致謝在本文完成之際，首先向我的導師王遠亮教授致以最誠摯的感謝。本文的研究工作是在導師王遠亮教授的悉心指導下完成的。在三年的學習、科研和生產實習中，自始至終受到導師王遠亮教授的悉心教誨和幫助。導師淵博的知識、嚴謹的學風、敏銳開闊的思維方式、精益求精的治學態度、對事業孜孜不倦的追求、銳意開拓創新的精神以及給學生啟發性的引導讓我在學習和科研中養成了勤于思考的習慣。定期進行的課題的交流、討論，使我在科研中如何發現問題、思考問題和解決問題的能力得到很大程度的鍛煉，這些寶貴的經驗令我受益終生。在此對導師給予我的關心、培養和引導表示最衷心的感謝！特別感謝羅彥鳳老師、吳揚蘭老師、陳佳博士、牛旭鋒博士、李永剛、付春華、黃美娜等同學對我的熱情幫助和支持。最后，向多年來在學習、生活中關心和幫助過我的朋友們表示感謝！向我的家人表示深深的謝意，謝謝你們多年來對我的支持，關懷和理解。感謝在百忙中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授！石梁萍二OO六年四月46重慶大學碩士學位論文參考文獻參考文獻[1]劉偉雄.乳酸和聚乳酸的最新進展.食品與發酵工業.2000,27(3):61-65[2]史鐵均,董智賢.聚乳酸的性能、合成方法及應用.化工新型材料.2001,29(5):13-16[3]李洪權,全大萍,廖凱榮等.聚乳酸骨科內固定材料化工新型材料.1998,27(9):12-15[4]PGabriele,DCGian,BCatia,ofmolecularweightandcrystallinityonpoly(lacticacid)olymSci.1996,59(1):37-43[5]劉英豪.聚乳酸中間體丙交酯制備工藝的初步探索研究[學位論文].江蘇.南京理工大學.2004.7-8.[6]董延茂,鮑治宇.聚L-乳酸的研究進展與產業化進程.江蘇化工.2005,33(4):1-4[7]王勤，路巖，張娟.以聚乳酸為載體的藥物釋放及動物療效學的研究.中國生物醫學工程學報.1995.14(1).11-14[8]王遠亮，潘君，蔡紹晳.組織工程研究的進展.生物化學與生物物理進展.2000.27(4).365-367[9]LGCima,JPVacanti,CVacanti,edEng.1991.113:143-148[10]tiesandmorphologiesofpoly(L-lactide):Anealingconditioneffectsonpropertiesandmorphologiesofpoly(L-lactide).Polymer.1994,36(14):2709-2716[11]張頌培,王錫臣.生物降解性醫用高分子材料——聚乳酸.化工新型材料.1995,(8)：11-13[12]王向東.生物降解聚合物——聚乳酸研究現狀.中國化工信息.2003,4:23-27[13]MKSheriff,PJShah,CFowler,odulationofdetrul,1996Jul:78(1):39-46[14]羅彥鳳.聚(DL-乳酸)的該性及體外降解和細胞相容性研究[學位論文].重慶.重慶大學.2003.5-19.[15]-releadepotforanticancerdrugs:erDrugAssoc.1978Jul-Aug:32(4):188-191[16]LRBeck,DRCowsar,DHLewis,ng-actinSteril.1979,31(5):545-51.[17]冷波,全學軍,周躍鋼,等.聚乳酸研究的現狀及發展方向.重慶工學院學報.2003,17(2):10-15[18]-scaleproduction,rDegradationandStability,1998,59:145-152[19]張子勇,陳燕瓊.丙交酯單體的制備與純化.高分子材料科學與工程.2003,19(2):52-5647重慶大學碩士學位論文參考文獻[20]MAjioka,KEnomoto,KSuzuki,propertiesofpolylact.1995;68(8):2125-2131[21]JOtera,KKawada,tt.1996,3:225-226[22]FAkutsu,MInoki,HUei,sisofpoly(lacticacid)bydirectpolycondensationoflacticacidusing1,1'-carbonyldiimidazole,N,N,N',N'-tetramethylchloroform-amidiniumchloride,andN,N'-.1998,30(5):421-423[23]鐘偉,戈進杰,馬敬紅,等.聚乳酸的直接縮聚制備及其異氰酸酯擴鏈探索.復旦學報(自然科學版).1999,38(6):705-708[24],,to,lycondensationofL-lacticacidwithSn(Ⅱ)catalystsactivatedbyvariousprotonacids:adirectmanufacturingroutetohighmolecularweightpoly(L-lacticacid).,..2000,38,1673-1679[25],,chi,/solidpolycondensationofL-lacticacid:analternativeroutetopoly(L-lacticacid)r.2001,42,5059-5062[26]麥杭珍.可生物降解材料——聚乳酸的研究.博士學位論文.華南理工大學.2001[27]胡玉山,白東仁,張政樸,等.聚乳酸合成的最新進展.離子交換與吸附.2000,16(3):280-288[28]FChabot,urationalstructuresoflacticacidstereocopolymersasdeterminedby13C---{1H}r.1983,24:53-59[29]HRKricheldorf,icpolymerizationof.L,L.-.1986;187:1611-1625[30]MLYuan,XMDeng,-openingpolymerizationof48