乳酸低聚物水解料合成丙交酯及其聚合的工艺研究

2023年12月12日发(作者：唯美爱情诗句)

重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要聚乳酸是一种公认的用途广泛、前景广阔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，完全降解产物是二氧化碳和水，对环境无毒无害，因此在农业、日化和生物医学工程领域都有广泛的应用。合成聚乳酸的原料是乳酸，可以以淀粉为原料通过生物发酵获得，来源丰富。丙交酯开环聚合制备聚乳酸是目前研究得较多的聚乳酸聚合方法，能够获得高分子量聚乳酸，这种方法对丙交酯的质量和成本提出了较高的要求。丙交酯的合成一般是以廉价的乳酸为原料，单次合成会产生较高分子量的聚乳酸低聚物，理论上经过充分水解，能够被再次利用合成丙交酯。本实验以循环利用丙交酯合成后的釜底物为目的，研究了以水解料乳酸低聚物为原料合成丙交酯的可行性和优化条件。首先对水解条件进行了探索和优化，对水解料的成分进行了表征，尤其是对水解料中残留的催化剂含量和活性作了测定和验证。其次用新鲜乳酸和水解料分别进行了合成丙交酯的实验，采用了正交实验方法探讨了催化剂加入量、二脱水反应时间和新旧料混合比例对产率、产物含酸率等结果的影响，获得最优的生产工艺为新催化剂0.7%、新旧料比例2：1、二脱水反应时间2h，最高产率为40％。在生产设备上重现此工艺得到产物含酸率12.1%。最后，对低聚物水解料生产的丙交酯进行了纯化和聚合，与新鲜乳酸合成的丙交酯和聚乳酸的结构用红外光谱进行了比较，结论是两种体系生产的丙交酯和聚乳酸没有显著差异。关键词：乳酸低聚物，催化剂活性，正交实验，工艺优化I重庆大学硕士学位论文英文摘要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重庆大学硕士学位论文1绪论1绪论1.1聚乳酸材料的研究背景1.1.1聚乳酸材料简介聚乳酸简称PLA(Polylacticacid)，是目前得到广泛研究和应用的高分子材料。聚乳酸以乳酸为合成原料，能够通过反应得到分子量从几万到上百万的高分子材料，以其不同的材料性能在医药、农业、包装材料等领域广泛应用。并且能够在自然环境中通过生物反应完全降解，产物是CO2和H2O，对环境没有长期污染。随着环境和能源问题的日益严重，聚乳酸作为一种清洁的对环境友好的高分子材料正越来越受到重视。聚乳酸是浅黄色或透明的物体，不溶于水、乙醇、甲醇等溶剂，易水解生成乳酸。聚乳酸是一种典型的由α－羟基酸聚合而成的聚酯。聚乳酸的分子式可以写成如图1.1所示的形式：OHOCHCOCH3CHCO聚乳酸分子式OHnCH3图1.1Fig1.1ThestructuralformulaofPLA由于乳酸是一种手性分子，存在D-型、L-型、以及DL-型三种异构体，直接由其中一种单体聚合而成的聚酯分别以PDLA、PLLA、PDLLA[1]表示，此外还有由内消旋DL－乳酸聚合而成的内消旋(间同)聚乳酸。根据结构不同，物化性质有所区别，如表1.1[2]。三种聚合物异构体物性有很大的区别，其主要原因来源于聚合单体光学结构的差异。如PLLA和PDLA是由光学纯的异构体聚合，结构规整，结晶度很高，有熔点，硬度大但脆性也大；而PDLLA由于两种异构体无规聚合，构型不规整，呈无定型态，无熔点而有玻璃化温度，强度也较低。1重庆大学硕士学位论文1绪论表1.1性能溶解性聚乳酸类材料的基本性质PDLLATable1.1ThecharactersofPLAPDLAPLLA可溶于氯仿、二氯甲烷等有机溶剂，PDLLA溶解性更好，均不溶于脂肪烃、甲醇等。结晶性熔点(℃)玻璃化温度(℃)热分解温度(℃)拉伸率断裂强度(Mpa)水解性(37生理盐水中强度减半时间)半结晶性180－20020～3040～504～6个月半结晶性170～1105620020～3050～604～6个月无定型－50～60185～200－－2～3个月总体来说，聚乳酸的重要性质包括结晶性、可降解性和热不稳定性。其中结晶性是由链节的结构决定的，对材料的力学性能和降解速度有很大影响。由于L型乳酸是天然存在的，PLLA又有较好的机械强度和力学性能，所以目前多作为组织工程支架材料而应用。但由于PLLA的合成对聚合单体——L－乳酸的纯度要求很高，这种材料产量较低且价格昂贵。无定型的PDLLA力学强度明显低于结晶性好的聚乳酸，但可以设想，通过增强工艺制备，调节链节结构，合成后加工如纺丝、分子定向等方法，使材料部分区域性结晶，也可以达到改善力学性能的目的[3]。聚乳酸的可降解性来源于主链上酯键的水解。水解的速度依赖于分子结构、分子量大小及分子量分布、物理形态和水解环境[4]。一般无定型区域水易于渗透，因此水解速度高于结晶区，且使机械性能迅速损失。而半结晶的聚乳酸水解过程一般分两步，首先是无定型区的水解，然后结晶区水解。且水解产生的羧基对下一步的水解起催化作用，属于“酸致自催化”过程。聚乳酸的热不稳定性是由于高温下链状分子会发生断链和酯交换反应，使分子量显著降低。这也是低分子量聚乳酸制备丙交酯的主要依据[5]。反应原理如图1.2所示。2重庆大学硕士学位论文1绪论OCH3HOCCHOHCHOCnCH3O加热催化剂OOCH3H3CO＋HOCCHOHCHOCn-2OCH3OCH3O图1.2乳酸低聚物制备丙交酯原理Fig1.2Thesketchofsynthesisoflactidefromlacticacid1.1.2聚乳酸材料的应用对聚乳酸的应用研究始于20世纪50年代。美国杜邦公司由丙交酯(lactide，LA)开环聚合得到了高分子量聚乳酸，并于1954年申请了专利。由于脂肪族聚酯对水和热敏感，对其的应用研究未曾深入。1966年Kulkami等提出PLA能在生物体内降解，完全降解后的产物是乳酸和水，可以通过正常代谢途径被人体吸收，引起该类材料作为生物降解材料应用的重视。到70年代，开始合成高分子量的具有旋光性的D型和L型聚乳酸，并用于药物制剂和外科辅助治疗材料。由于制备工艺和成本等原因，作为降解塑料的生产和应用研究较少。聚乳酸及其改性材料因其良好的生物相容性、可生物降解性在许多领域得到了广泛的研究和应用，如在农业领域，与乙烯、淀粉等混合制备农用地膜，在通用塑料领域制备日用塑料制品、包装材料、纺织领域生产地毯[6]等，更多的应用集中在生物医学工程领域[7][8][9]。在医用可生物降解高分子材料中，骨科内固定是重要而难度较大的一种应用。它不仅对材料的生物相容性、生物可降解性、可吸收性有很高的要求，还需要满足足够的初始力学强度和可调节的强度衰减。根据骨折内固定器对力学强度的要求，用于松质骨时弯曲强度大于200MPa，皮质骨大于100MPa，且力学衰减时间要长于骨折愈合时间[10]。目前，力学性能最好的聚L－乳酸尽管初始力学强度低于其他可降解高分子材料如聚乙醇酸，但正由于主链上有疏水的酯基和甲基，导致降解速度较为缓慢，力学强度稳定时间长，可以作为承重骨的内固定材料使用[11]。此外，聚乳酸作为组织工程培养的支架材料，在多个器官的组织培养中有过尝试，如肝细胞、皮肤细胞、血管修复、神经修复、视网膜色素上皮细胞和成骨细胞培养等[12]。聚乳酸良好的成纤维性和降解性使其能够应用于外科手术缝合线，绷带等用途。半结晶性的聚L－乳酸纤维结晶性和刚性较好，如通过高速熔融纺丝等手段增强强度，则能够在更长时间内维持强度和稳定性，更适用于需要长时间愈合的伤口的缝合和固定[13]。而目前对聚DL－乳酸的研究也有所突破，超高分子量的聚DL－乳酸在力学强度和降解速度方面也能够达到成纤维性和降解速度可控的3重庆大学硕士学位论文1绪论要求[14]。聚乳酸(PLA)药物控制释放载体也是目前研究较多的生物影响材料方面的应用，它已被美国FDA批准用于注射用微球、微囊、组织埋制剂等制剂。20世纪70年代初就首次报道了将聚乳酸作为溶蚀性骨架用于药物的长效控制释放。Yolles等率先将PLA用作药物长效缓释制剂载体[15]，随后Beek等推出孕酮/PLGA缓释胶囊[16]。由此开始了药物载体用生物降解聚合物材料及释放体系的研究。1.1.3聚乳酸材料的生产现状聚乳酸的合成研究起步较早，由于制备工艺、成本等原因，作为降解塑料的应用和生产较少，药物制剂和医用材料方面的应用较多，对材料的性能要求很高而用量不大，所以多采用实验室合成。目前，聚乳酸材料在生物医用材料应用方面的优势日益凸现，对高质量聚乳酸材料的研究和应用需求越来越大，实验室合成的数量和成本因素已经远远不能满足要求。同时，能源和环境污染问题日益严重，对环境友好材料的需求也日益紧迫。因此，世界上正有越来越多的国家和化工研究机构致力于聚乳酸合成的产业化研究，力图通过聚乳酸材料的大量生产和应用，促进生物医用降解材料的研究和广泛应用，也能够缓解塑料产品原料的压力和寻求解决环境的污染问题的方法。目前，大日本油墨公司、三井化学公司、岛津公司、美国Cargill-Dow、Chronopl公司等都已经将聚乳酸材料商品化，生产能力达到每年上千吨，并将投入建设更大规模的生产线。随着聚乳酸生产成本逼近传统塑料成本，预计在2005-2010年间，市场应用的大力拓展，除了在医药领域进一步得到应用之外，作为通用塑料也将进入高峰期，聚乳酸建设热潮将在全球展开[7][17][18]。据预测，今后几年北美生物降解聚合物市场需求强劲，2000年销售量约114万吨，到2005年，年均增长率为7%，将达到160万吨，其中，聚乳酸需求量将占有越来越大的份额。自1998年以来，美国国内聚乳酸的年产量已达2100吨。预计到2006年全球总产量可达45万吨，2000年美国仅从聚乳酸生产临床外科用缝合材料就出口创汇达11.5亿美元，2001年升至13.8亿美元。我国许多科研机构对聚乳酸进行了大量的研究，建有多套实验装置，但均还未工业化生产。国内目前致力于聚乳酸规模产业化的企业有上海同杰良生物材料有限公司、浙江海政药业公司等企业。其中上海同杰良生物材料有限公司承担的聚乳酸项目列入2004年上海市首批“科教兴市”重大科技产业化计划项目。虽然目前国内聚乳酸的应用十分有限，产业化正处于萌芽状态。但随着国内乳酸技术的提高和产业化进程的发展，聚乳酸研究技术的提高和信息交流的相互4重庆大学硕士学位论文1绪论影响，国人关注和重视聚乳酸技术的研发热情和投资热情将会迅速提高，从玉米－乳酸－聚乳酸－各类生物降解产品，这一巨大的产业链将会在未来几年中在我国形成。我国是世界产粮大国，玉米产量排在美国之后居世界第二位，根据我国可持续发展战略，进行粮食深加工，生产高附加值的产品是实现经济跨越式发展的必由之路。因此，以玉米等农产品为原料，采用生物技术生产可生物降解聚乳酸的市场潜力巨大，聚乳酸也将在这一发展过程中得到发展。1.1.4聚乳酸材料的主要合成方法聚乳酸广阔的应用前景对聚乳酸的大量生产提出了需求。聚乳酸合成的原料包括高纯度的L－乳酸、消旋化的DL－乳酸和其他衍生物如乳酸铵和乳酸酯。其中L－乳酸的价格是DL－乳酸的两倍左右，衍生物的合成应用研究也尚不成熟，而目前的研究表明高分子量的聚DL－乳酸在力学强度和降解速度方面也能够达到成纤维性和降解速度可控的要求，也具有重大研究意义。因此如何利用我国丰富的DL－乳酸资源，生产满足应用要求的聚乳酸材料是具有重大现实意义的课题。聚乳酸的合成主要有乳酸直接聚合法和丙交酯开环聚合法。1.1.4.1直接聚合法以乳酸为原料直接合成聚乳酸较开环聚合法而言，优势在于工艺路线较短，能够降低合成成本。但乳酸的直接缩聚由于存在着乳酸、水、低聚物及丙交酯的平衡[19]，不易得到高分子量的聚合物。对直接聚合法的研究集中在脱水、催化/缩合剂和抑制降解的方法上。根据反应体系的不同，乳酸直接聚合法又分为溶液聚合法和熔融聚合法。溶液聚合法取得的突破性进展是1995年日本学者[20]报道，以L－乳酸为原料进行溶液聚合，有机溶剂循环共沸，3A分子筛脱水干燥溶剂，锡粉催化，130℃反应20～40h合成了MW达24万的PLLA，MW达36.6万的PDLLA。1996年又发展了以特殊催化剂催化直接聚合而无需采用复杂的脱水操作的方法，得到的聚乳酸MW达7.8万[21]。同时还有采用特殊催化剂常温常压下反应合成聚乳酸的报道，但分子量较低，只有1.54万[22]。国内对乳酸溶液聚合法的研究也取得了一些进展，其中水平较高的是复旦大学报道[23]，以苯甲醚为溶剂带水，分子筛干燥后循环使用，辛酸亚锡催化，常压下180℃回流36h，PLLA的MW为2.6万，使用1，6－己二异氰酸酯扩链后增加到14.2万。总体而言，溶液聚合易于获得相对分子质量过万的聚乳酸，而且对单体的要求不高，有利于以外消旋乳酸为原料进行合成。但是，其对脱水的要求高，操作复杂。同时，由于一般要用有机溶剂共沸脱水，也使成本增加，而且某些高沸点的溶剂在聚乳酸的提纯时难以除尽，影响产品纯度。因此，促使人们对不使用溶剂的乳酸本体聚合予以关注。5重庆大学硕士学位论文1绪论乳酸本体聚合法即熔融聚合法。2000年，日本学者使用复合催化剂，使熔融聚合得到了MW超过10万的PLLA，成为直接法合成聚乳酸的新突破。2001年，他们在上述工作的基础上引入固相聚合，使PLLA的MW超过50万，在150℃、66.7Pa下固相聚合20h，MW高达到67万，成为直接法合成聚乳酸又一重大突破，因此熔融/固相聚合有望成为合成高分子量聚乳酸的新方法[24][25]。国内研究方面，华南理工大学赵耀明等也进行了熔融聚合的研究，Mŋ(氯仿为溶剂)1.01～2.65万，GPC测定MW达到8万[26]。除以上两种乳酸直接聚合生成聚乳酸的方法外，前文提到的己二异氰酸酯扩链也是提高聚乳酸分子量的有效手段，但产物严格来说属于聚乳酸衍生物。这几种聚合法各有优点，其中溶液聚合可以比熔融聚合获得相对较高的相对分子质量；熔融聚合法较溶液聚合法的工艺更简单，适宜于制备扩链反应的预聚体，而无催化剂的熔融聚合法可以直接合成药物缓释材料。但是，与丙交酯开环聚合法相比，直接法在提高相对分子质量、控制相对分子质量分布方面的研究尚有待努力。1.1.4.2开环聚合法丙交酯开环聚合法是目前研究最多，应用最广泛的合成聚乳酸的方法，又称为两步法。反应原理是先由乳酸合成环状二聚体丙交酯，丙交酯再在催化剂的作用下开环聚合制备聚乳酸。如图1.3所示：OH3CnOOCH3OCHOHCO聚乳酸OO丙交酯CH3高温催化剂HOCHC2n－1CH3丙交酯开环合成聚乳酸图1.3Fig1.3ThesketchofsynthesisofPLAfromlactidebyring-openingmean用开环聚合法能够制备分子量高达70万至100万的聚乳酸。为提高聚乳酸分子量，对开环聚合法的研究集中在催化剂的选择和反应条件的优化上。丙交酯开环聚合法能够选择的引发剂种类丰富。开环聚合机理有阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合三种[27]，每一种机理都有其对应的多种催化剂，但对某些催化机理的研究尚无定论。用于阳离子聚合的催化剂有质子酸、路易斯酸和烷基化试剂等。有人认为阳6重庆大学硕士学位论文1绪论离子聚合催化机理与体系的痕量水有关，另一种论点是只有三氟甲基磺酸和三氟甲基磺酸甲酯才是真正的阳离子催化剂[28][29]。阴离子聚合引发剂为强碱，如Na2CO3，ROLi等，引发机理为负离子亲核进攻丙交酯羰基，酰氧键断裂。这系列催化剂反应速度快，活性高，可进行本体或溶液聚合，但副反应极为明显，不利于制备高分子量的聚合物。邓先模等研究了环戊二烯钠对内酯开环聚合，反应条件温和，催化活性高，但也存在一定的副反应[30]。配位聚合机理是目前研究和应用最多的催化机理，催化剂种类为过渡金属的有机化合物和氧化物。常用的金属为铝、锡、锌及稀土元素。其中锡类催化剂是公认的高效开环聚合引发剂，其中Sn(Oct)2已经通过了美国食品医药局检验，可作为常用的引发剂，但一般认为锡金属对人体还是有一定的毒性。法国的Vert使用锌引发丙交酯开环聚合。Shwach等也研究了锌和乳酸锌引发DL－丙交酯开环聚合，分子量可达到10万，但是这类催化剂的活性不高[31]。国内对稀土金属类催化剂的研究进行得较多，沈之荃等研究了各种稀土催化剂对丙交酯聚合的影响，包括不同的稀土金属和不同的有机基团的影响[32]。王身国用稀土催化剂合成了分子量高达100万的共聚物[33]。此外，丙交酯开环聚合制备聚乳酸的反应条件也在很大程度上影响产物的质量。反应系统的压力对丙交酯的产率和聚乳酸的数均分子质量Mn都有很大的影响。JanR等和何永言等分别研究了以辛酸亚锡为催化剂，压力在0.5~2.0(×133.32Pa)和760～0.05(×133.32Pa)间变化时压力对Mn的影响。反应温度则变化范围比较大，但每种催化剂有其适当的反应温度[34][35]。1.1.4.3其他合成法乳酸直接聚合法和丙交酯开环聚合法制备聚乳酸各有其优点，但也都存在成本高，不利于规模化生产等局限。为了发展经济高效的聚乳酸合成方法，MiyoshiR等研究了反应挤出聚合等新的聚合工艺，即用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合，进行了连续的熔融聚合实验，结果成功地获得了由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子量达15万的聚乳酸[36]。此外用乳酸衍生物为原料也可以进行上述直接聚合和开环聚合的反应，还能够通过扩链得到较高分子量、不同构型的聚乳酸及其衍生物。如日本曾有专利报道，通过乳酸丁酯的酯交换反应，能够直接聚合成聚乳酸。总的来说，聚乳酸的制备方法不外乎以乳酸、丙交酯和乳酸衍生物为原料。其中乳酸直接缩聚工艺流程简单但条件要求严格，得到的产物分子量水平较低，受原料乳酸的质量影响很大。开环聚合法工艺流程复杂，但通过对丙交酯质量的控制和催化剂的选择，能够得到分子量高、分布窄的高质量聚乳酸，另一大优势7重庆大学硕士学位论文1绪论在于丙交酯的合成对原料乳酸要求不高，能够利用我国丰富的乳酸资源，随着高分子量聚DL－乳酸研究的深入，在降低聚乳酸生产成本方面还有很大潜力。以乳酸衍生物为原料的聚乳酸制备，优势在于反应体系无水，并能够与其他预聚体进行进一步反应，但由于乳酸衍生物如乳酸丁酯本身成本很高，所以规模生产的可能性较小。1.2丙交酯研究背景1.2.1丙交酯(Lactide)简介丙交酯是乳酸的环状二聚体，由于乳酸是手性分子，分为L－乳酸和D－乳酸，两种单体合成的丙交酯也根据光学活性不同分为L－丙交酯和D－丙交酯，外消旋DL－乳酸则能够合成L－丙交酯和D－丙交酯等量混合而成的外消旋丙交酯和理论上与外消旋丙交酯等量的内消旋丙交酯。Coates等[37]认为，具有旋光活性的L－丙交酯和D－丙交酯主要用于制备全同聚乳酸；外消旋丙交酯主要用于制备杂同聚乳酸；而内消旋丙交酯主要用于制备间同聚乳酸。纯度为99.8%的内消旋丙交酯熔点为52.8℃，而外消旋丙交酯的熔点一般在125～126℃。丙交酯外观为白色晶体，易吸水和水解，易溶于乙酸乙酯和酮类有机溶剂。1.2.2丙交酯的制备作为广泛应用的聚乳酸合成前体，丙交酯的质量和成本对最终获得高分子量的聚乳酸有很大的影响。丙交酯的制备方法也可以分为一步法和两步法。其中一步法是乳酸蒸气的汽－液相反应，以氧化铝为催化剂，反应机理可能是乳酸先两两聚合成直链二聚体，再环化成丙交酯[38]。广泛应用的是两步法合成丙交酯，原理是乳酸脱水聚合成分子量较低的低聚物，再在高温下解聚，生成环状丙交酯。根据收集方式的不同又可以分为常压气流法和减压蒸馏法。常压气流法是利用反应体系中不断通入氮气、二氧化碳等惰性气体，降低反应区丙交酯分压，并将丙交酯蒸气带出。此法最大的优点是无需减压操作，成功率高；缺点是惰性气体消耗量大，且产物会随气流损失，收率不高。减压蒸馏法的特点则是利用高真空将反应区生成的丙交酯蒸气带出，收率一般较常压气流法高，但此方法对真空度要求很高，真空度的差异对收率有较大影响。丙交酯合成反应的影响因素很多，对丙交酯制备的研究主要集中在催化剂、脱水时间和解聚温度等方面[39][40][41][42]。合成丙交酯的催化剂有氧化物、锡类化合物、金属氧化物等，典型的催化剂有Sb2O3、ZnO、辛酸亚锡、乳酸锡等。催化剂在反应中起到的作用一是脱结合水，二是在高温解聚的过程中降低反应温度，加速丙交酯的生成，降低乳酸低聚物裂解程度[43]。对催化剂的效果研究也8重庆大学硕士学位论文1绪论以脱水效率、产率为量度。1.2.3丙交酯的纯化丙交酯的纯度对聚乳酸的质量有很大影响，研究表明丙交酯单体纯度需达到99％以上，水分含量少于0.15%，才能保证聚乳酸的分子量水平[44]。因此丙交酯粗品必须经过纯化才能进行聚乳酸聚合。丙交酯粗品中一般含有的杂质包括：残留水分、随丙交酯蒸气一起蒸出的游离乳酸、二聚体、三聚体等。丙交酯的纯化方法一般分为重结晶法、气助蒸发法和水解法。目前常用的纯化方法是重结晶法，研究表明，重结晶三次得到的丙交酯纯度已经能够达到制备聚乳酸的条件。重结晶采用的溶剂对重结晶的效果影响很大，常用的重结晶溶剂包括乙醇、乙醚、乙酸乙酯、丁酮、苯、异丙醇等[45][46]。研究较多的是乙酸乙酯，毒性较小、能够溶解去除绝大部分杂质，而且低温下对外消旋丙交酯溶解度小，质量损失较少，丙交酯回收率高。乙醇也是较好的重结晶溶剂，研究表明用乙醇做溶剂能够得到熔点在125～126℃的丙交酯晶体，回收率达到53.2％[47]。张贞浴等[48]还对重结晶的混合溶剂进行了研究，认为认为采用苯和乙酸乙酯体积比60：40混合，溶剂重结晶时丙交酯收率最高。还对干燥条件进行了探索，摸索出最佳条件为40℃，93kpa，12h。此外水解法实际上是除去丙交酯粗品中易于水解的内消旋丙交酯，实际生产中可以与重结晶法结合使用。1.3课题来源、意义和内容目前全球的石油资源开始枯竭，油价上涨，导致资源危机。我国的石油资源并不丰富，随着国民经济的发展，每年需进口接近1亿吨的石油，不可降解的塑料的制造不但消耗了大量的石油，而且丢弃的不可降解的塑料己经造成了严重的“白色污染”。特别是医药领域的不可降解石油基高分子材料的应用，给医疗废弃物的治理带来极大的麻烦，因此开展聚乳酸类材料的研究和开发，不但是世界的发展趋势，更具有重要的现实意义。聚乳酸材料可以代替一部分以石油为原料合成的不可降解的塑料，减轻能源危机的程度。聚乳酸材料的原料来源可以是植物光合作用产物，不存在资源枯竭问题，能够真正实现可持续发展。我国是农业大国，乳酸来源丰富，大力发展聚乳酸材料，具有重大的现实意义。除了通用塑料方面的需求能够得到满足以外，聚乳酸在生物医学工程材料方面的研究也在进一步深入，对聚乳酸材料的性能和成本提出了更高的要求。为了满足日益增长的研究材料的需要，迫切需要对比较成熟的实验室合成工艺进行放大的摸索，直至规模化合成丙交酯和聚乳酸。9重庆大学硕士学位论文1绪论根据聚乳酸及其合成原料的发展状况，可以看到聚乳酸的应用研究的飞速发展，对材料的质量和生产能力提出了迫切的需求，而聚乳酸产业化关键在于通过原料的选择和工艺的改进提高转化率，降低生产成本。目前，对L-乳酸及聚L-乳酸的研究较多，而对聚DL-乳酸的深入研究较少。聚DL-乳酸可以通过调节分子量和结构，也能够达到生物材料的各种力学、热学性能要求，在包装、药物缓释材料，乃至生物医学支架材料方面都能得到广泛应用。我国是乳酸生产大国，DL-乳酸来源丰富，以DL-乳酸为原料生产聚DL-乳酸具有巨大的优势和广阔前景。目前国内对DL-乳酸为原料生产丙交酯及聚乳酸的报道较少，对实验室到生产线的放大实验更是寥寥无几。同时，由于实验室研究多是单次反应，对反应剩余的釜底物简单丢弃处理，对釜底物的研究不多。而丙交酯合成的一大特点是水解后的低聚物也能够作为合成原料，而低聚物具有一定稳定性，能够通过釜底物的水解得到。因此，本文拟就DL-乳酸合成丙交酯的放大实验进行研究，从单次反应剩余的釜底物入手，通过水解得到乳酸低聚物。试图解决DL-乳酸低聚物为原料合成丙交酯过程中的问题，实现原料循环利用，达到提高产率，降低成本的目的，为聚乳酸材料最终能够广泛应用于生物医学工程材料和环境友好材料铺平道路。本文进行的工作有以下几个方面：1、从丙交酯合成剩余的釜底物经过充分水解制备乳酸低聚物水解料；2、对乳酸低聚物水解料进行表征；3、对新鲜乳酸和乳酸低聚物合成丙交酯的反应特点进行比较；4、设计正交实验对乳酸低聚物水解料合成丙交酯的工艺进行优化；5、对新鲜乳酸和乳酸低聚物合成的丙交酯进行纯化和聚合实验。10重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征2乳酸低聚物水解料的制备和表征2.1引言随着聚乳酸生物可降解材料的在医药及其他领域的广泛应用，聚乳酸的需求量日益增加，其重要中间产物丙交酯的需求量也随之加大。国内外的学者们对于丙交酯的合成及其规模化进行了广泛的研究。但无论是实验室合成还是规模化合成，都会产生大量的釜底物，在催化效率不高的情况下，转化率在50％左右，意味着未完全反应的原料形成了数量相当可观的釜底物。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，反应过程中亦产生了大量的炭化物、甚至可能存在支链、交联化的聚乳酸。同时，由于收集方式、体系粘度等原因，相信仍有大量已成环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较高，玻璃化转变温度在100℃左右，常温下坚硬且韧性较好，常附着于反应器壁难以去除，因此在以往的研究中一般都简单丢弃处理。这无形中造成了原料的浪费，提高了合成成本，不利于丙交酯的规模化合成。从这一点出发，我们希望通过规模化的设备，将多次反应的釜底物收集起来集中处理，将釜底物经水解反应还原为乳酸或小分子量的低聚物，能够循环用于丙交酯的合成。聚乳酸的降解研究多集中于在生物医学工程材料方面的应用，如高分子量的聚乳酸植入材料在降解过程中的力学性能变化等，体外的降解实验也以此为基础，模拟生理条件下高分子聚乳酸材料的降解[49]。本实验的研究严格意义上来说是聚乳酸在化学反应中的水解，由于应用的局限，对这方面的研究报道很少。本文的研究主要基于聚酯在酸性环境下的水解机理[50]。2.2实验部分2.2.1实验原理低聚乳酸在酸性条件下水解，是由酸催化的酯水解反应，体系中存在几种反应：从端酯基开始的依次断链、无规断链和酯交换反应。几种反应在实验温度条件下同时发生，都能够起到使釜底物长链断裂，分子量降低的作用，同时水解产生新的端羧基，体系酸性增强，催化水解反应加速进行。水解原理如图2.1所示11重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征OHOCHCOCH3CHCOOHnOH+HOCHCOCH3CHCOOHn-mCH3CH3+LnALn-mAOHOCHCOCH3CHCOOHm+LmA聚乳酸的水解CH3图2.1Fig2.1ThesketchofhydrolizationofPLA2.2.2实验设备小试：500ml三颈瓶，水浴，压力锅，无搅拌。放大试验：200L卧式釜，夹套循环油浴加热系统，真空系统，叶片式搅拌。中试：1000L立式釜，电加热棒底部加热，常压系统，离心泵自循环。2.2.3实验流程2.2.3.1乳酸低聚物水解料的制备将釜底物在加热条件下和过量的水充分混合，视釜底物分子量水平加入一定量(约为釜底物质量的5％)的新鲜乳酸，持续搅拌，逐步升高温度，每10℃保持1h，保持系统压力，每隔一段时间取样一次，分析水含量和数均分子量。2.2.3.2残留催化剂的分离和纯化将一定量的水解低聚物溶于过量乙酸乙酯，充分搅拌后用漏斗和滤纸过滤，将滤渣用80℃热水充分洗涤，收集滤液，蒸发水分后冷却重结晶，用无水乙醇洗涤，过滤烘干，得到催化剂晶体。2.2.4实验原料、仪器及表征方法2.2.4.1实验原料及药品表2.1名称工业D，L-乳酸乙酸乙酯无水乙醇主要实验药品Table2.1Thematerialoftheexperiment品质含量产地工业级分析纯分析纯85％98％98％河南金丹乳酸厂重庆川东化工试剂厂重庆川东化工试剂厂12重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征续前表：α-萘酚酞甲醇卡尔费休试剂氢氧化钾釜底物水解低聚物分析纯分析纯分析纯分析纯95%重庆东方化玻有限公司重庆川东化工试剂厂天津四友试剂厂重庆川东化工试剂厂自制自制2.2.4.2试验仪器表2.2名称旋片式真空泵增力式搅拌器卡尔费休水分滴定仪气相色谱仪红外光谱仪SpectrumGX主要实验仪器Table2.2Theexperimentinstrumentandapparatus型号产地2X-4A型上海康嘉真空泵有限公司江苏金坛市富华仪器公司ZKF-1上海超精科技有限公司北京北分天普仪器有限公司PE公司电子天平碱式滴定管2.2.4.3表征方法2.2.4.3.1水分含量的测定采用卡尔费休水分滴定仪(上海超精科技有限公司)测定。无吡啶卡尔费休试剂(天津四友试剂厂)测定水当量F＝3.4mg/ml。JA2003型电子天平，系统测定精度0.001g。水分含量采用下式计算：X(％)＝M×F×100％/(V终－V初)式中：M－样品质量，mg；F－水当量，ml/mg2.2.4.3.2固体残余物的测定对于水解后的低聚物体系中含有的残余催化剂、炭化物，采用溶解过滤的方法测定含量。将一定量的水解低聚物溶于过量乙酸乙酯，充分搅拌后用漏斗和滤纸过滤。将滤纸和滤渣烘至恒重后，称量计算固体百分含量。将滤渣用80℃热水充分洗涤，滤干，烘至恒重，称量计算炭化物百分含量。(2.1)13重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征2.2.4.3.3数均分子量的测定数均分子量是指按聚合物中含有的分子数目统计平均的分子量，高分子样品中所有分子的总重量除以其分子(摩尔)总数。如果线性高分子的化学结构明确而且链端带有可以用化学方法(如滴定)或物理方法(如放射性同位素测定)分析的基团，就可以用端基分析法测得数均分子量。我们需测得的低聚物是乳酸低聚物，端基含有羧基，可以用甲醇钠标准溶液进行滴定，求得试样的数均相对分子质量。①KOH-无水乙醇溶液的标定精确称取500mg邻苯二甲酸氢钾，溶于50ml热水中，充分振荡混合均匀，冷却至室温，加入2～3滴酚酞试剂，用待标定的0.1mol/l的KOH-无水乙醇溶液滴定至呈现浅灰或紫红色终点。KOH－无水乙醇溶液的浓度以下式计算：1000mcNaOHMKHC6H4O4VNaOH式中：MKHCH64O4(2.2)——邻苯二甲基氢钾的摩尔质量；m——邻苯二甲基氢钾的质量，mg。②测定方法将一定量的水解低聚物溶于乙酸乙酯，将酸度计玻璃泡用蒸馏水润湿，完全浸没于待测溶液中，用KOH-无水乙醇溶液滴定至pH值在6.9－7.1，根据消耗的溶液体积按下式计算数均分子量。Mn＝M×Y/[C×(V终－V初)]式中：M－－样品质量，mg；Y－－样品除去不溶物的修正系数；C－－KOH-无水乙醇溶液的浓度，mmol/ml。2.2.4.3.4催化剂的测定由于催化剂成分是锌的化合物，通过原子吸收法定量分析。乳酸低聚物水解料经乙酸乙酯溶解后过滤，烘干后测定滤渣中催化剂的百分含量。最后换算成低聚物中的百分含量。以下试样均为过滤烘干后的催化剂和碳化物的混合物。1、锌的估测称取试样0.7712g，采用灰化法预处理后用硝酸溶解，稀释至50ml，加入过量的饱和碳酸钠溶液，然后用恒重滤纸过滤至滤液加入过量的饱和碳酸钠溶液不再产生絮状物，将滤纸烘干至恒重称量得样品产生的碳酸锌重量V=0.2404g，计算得样品中锌含量=16.25%。2、锌的测定参照GB/T14540.4[51]的规定采用原子吸收光谱法。原子吸收分光光度计采用PE-AA800，仪器自动选择最佳条件。制备锌标准溶(2.3)14重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征液Zn1mg/L。配制成0.1ppm，0.2ppm，0.4ppm，0.6ppm，0.8ppm，1.0ppm的锌标准溶液测定吸光度，以标准溶液中锌的质量(ug)为横坐标，相应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线如图2.2。表2.3标准浓度mg/l吸光度0.10.0510.20.085原子吸收标准曲线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图2.211.5原子吸收标准曲线Fig2.2Thecriterionofatomabsorption称取试样1.0423g，采用灰化法预处理后配制成1000ml样品液，再取5ml样品液稀释至1000ml测定锌浓度C。重复测定4次得C=0.860mg/L(回收率98.3%～99.6%)。计算出样品锌含量。2.2.4.3.5催化剂结构的测定对纯化后的催化剂晶体采用X衍射法和红外压片法进行结构测定。使用日本岛津公司的DMAX/2C型X射线衍射仪(Cu靶、Ka谱线、Ni滤波片)对丙交酯晶体进行分析。测试时用无水乙醇将催化剂粉末样品分散在单晶硅片上，衍射仪的管电压是40KV，电流为20mA，扫描速度为0.05度/c。纯净干燥的催化剂晶体用溴化钾压片法制片，用红外光谱仪(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)记录聚合物在400-4000cm-1的红外光谱。对二者的红外光谱进行比较。2.3结果与讨论2.3.1水解条件的选择以新鲜乳酸为原料进行单次丙交酯生产后，釜底物采用端基分析法测定数均15重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征分子量。根据解聚反应时间不同，数均分子量范围在1000～7000之间，需要经过水解降低分子量水平，才能用于循环生产。由于釜底物的主要成分是聚合度在60以上的聚酯，其水解过程受温度、压力、时间等几个因素的控制。为了更好地控制水解过程，保证乳酸低聚物原料品质稳定，实验具有可比性，通过实验探索了这几个因素对水解过程的影响，从而选择了最佳的水解生产条件。2.3.1.1温度对水解过程的影响聚酯的水解反应是放热过程，由于釜底物分子量大，低温下粘度高，不利于体系分散和反应进行，因此中试采用的反应步骤是：釜底物保持解聚反应温度直接进入盛有过量热水的水解釜中，持续搅拌，待体系均匀温度稳定后，从90℃缓慢升温，在90℃、100℃、110℃、120℃时取样。取样检测得到釜底物的数均分子量和反应温度关系如图2.3：12001000分子量80123水解时间（h）456图2.3Fig2.3中釜水解实验，水解速度随温度变化趋势Hydrolizationspeeddependedonthetemperature由图2.3可知，在反应时间一定的条件下，反应温度越高，数均分子量变化斜率越大，说明水解速度越快，在90～120℃匀速升温条件下，数均分子量水平从1000降至200左右最短需要5.5h。但过高的温度会导致氧化和分子间脱水等其他副反应的发生，因此水解温度控制在110℃以下较为合适。大型水解釜的实验结果验证了这一结论，为了安全起见，水解温度降至100℃，大量釜底物的水解反应时间将在后面讨论。2.3.1.2压力对水解过程的影响对水解反应来说，压力越高反应速度应该越快。由于水解过程加入了大量的水，为防止反应温度下水分大量沸腾损失，早期小型实验在高压锅中进行，反应16重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征压力1.2MPa，釜底物的数均分子量从3000降低至200以下只需要2h。中釜实验也曾达到1.1MPa的压力。但综合考虑安全等因素，中釜和大型釜采用的仍是常压反应，因此实际生产中的压力因素不再考虑。大型反应釜常压下反应的数据见下节。2.3.1.3水分和平均分子量的关系水解反应初期为了使体系均匀，加入了过量的水，通过检测反应过程中体系含水量和平均分子量的关系可以推测反应进行的程度和规律。如图2.4所示，可以清楚的看到，反应体系中水分含量的变化分为两个阶段：第一天至第六天，水分含量迅速降低；第六天至十三天，水分含量基本不变。变化规律提示前6天是水解反应进行的主要时段，消耗大量的水，6天以后则达到反应平衡，水分不再减少。而平均分子量水平的变化趋势与水分含量变化基本一致，说明大型反应釜中水分消耗主要来自反应消耗，而不是沸腾蒸发损失。当聚乳酸水解已经达到平衡，分子量便不再降低，而是稳定在150℃左右，平均聚合度为2。此时可以认为乳酸低聚物品质稳定，能够用于第二轮的合成反应实验。综上所述，釜底物的水解过程可以从温度、加入水、乳酸的质量、时间等方面加以控制。采用的工艺条件是100～110℃，常压，水和酸按照釜底物质量的10％加入，则800L釜底物可以在较短时间(3～5d)内达到水解反应平衡。稳定后的乳酸低聚物成分分析详见下节与新鲜乳酸的比较。4500500005时间（d）1015分子量(a)水解料数均分子量随时间变化规律17重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征10水分含量（％）8642005时间（d）1015(b)水分含量随时间变化规律图2.4大型水解釜水解过程中分子量和水分含量随时间变化趋势Fig2.4Thenumbermolecularweightandwatercontentchangeddependingontime2.3.2水解机理的推断釜底物的水解是酸催化的聚酯水解反应，体系中存在几种反应的可能性，从端酯基开始的依次断链、无规断链和酯交换反应。几种反应在实验温度条件下同时发生，都能够起到使釜底物长链断裂，分子量降低的作用，同时水解产生新的端羧基，体系酸性增强，反应速度应当是逐渐加快的。根据几种反应的特点推断，依次断链产生的是游离乳酸，无规断链产生的是小分子低聚物，游离乳酸的离解能力应比低聚物强，更能起到催化作用。但从实验结果看，数均分子量在150左右达到平衡，低聚物不再水解，再次用于合成时分子量上升很快，可能是因为低聚物分子量分布均匀，但游离乳酸不多。由此推断可能的情况是：1、游离乳酸产生量少，体系的水解反应多以无规断链的形式发生；2、产生的游离乳酸在进一步的水解中也在不断消耗，参与了酯交换反应；3、体系中低聚物与游离酸达到一定比例，且低聚物聚合度较小时，水解反应不再发生。2.3.3乳酸低聚物与新鲜乳酸的成分比较经大量检测数据统计，乳酸低聚物中水分含量虽然据反应时间和起始加入量有所不同，但其他成分的相对百分含量保持稳定。为使比较方便起见，将乳酸低聚物水分设为13％，其他成分根据相对百分含量计算得出，见表2.4。18重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征表2.4乳酸低聚物水解料与新鲜乳酸中成分含量比较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催化剂8.64碳化物3.66(b)新鲜乳酸成分含量表水含量(％)13乳酸85杂质(如糖苷)2由表2.4可知，尽管乳酸低聚物成分稳定，但与新鲜乳酸相比仍有较大的不同，一是平均分子量高于乳酸，提示体系中低聚物含量不容忽视，且分子量分布水平未知；二是由于体系是多次反应后的釜底物合并一起水解而成，催化剂大量累积，已经超过了乳酸原料反应时的加入比例。因此，乳酸低聚物是否具有与新鲜乳酸相似的合成反应条件和效果，需要通过对这两个方面的进一步研究才能得出结论。2.3.4乳酸低聚物中催化剂含量和活性的测定2.3.4.1残留催化剂含量和形态测定对乳酸低聚物含有的催化剂进行了多种方法的分离检测，包括原子吸收、重结晶和沉淀转化法(灰化法)。其中原子吸收和沉淀转化法测定的是锌离子的含量，重结晶则能够还原残留催化剂在体系中存在的形态。各种检测结果如表2.5：表2.5乳酸低聚物水解料中锌元素含量Table2.5Theweightpercentageofzincinoligomercharacterizedbytwomethods灰化法含量(%)16.25原子吸收16.5对重结晶的晶体进行X射线衍射法和红外压片法测定其结构，结果如图2.5a和2.6a：19重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征(a)回收催化剂晶体的X衍射图(a)XRDspectraofthezinclactatecrystalinoligomer(b)反应前催化剂晶体的X衍射图(b)XRDspectraofthezinclactatecrystalbeforereaction图2.5Fig2.5100.090807060%T5040反应前和回收催化剂晶体的X衍射图XRDspectraofthezinclactatecrystalinoligomerandbeforereaction302010.04000.030002000cm-0.0(a)回收催化剂晶体的红外图谱(a)IRspectrumofzinclactatecrystalinoligomer20重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征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)反应前催化剂晶体的红外图谱(b)IRspectrumofzinclactatecrystalbeforereaction图2.6Fig2.6反应前和回收催化剂晶体的红外图谱IRspectrumofthezinclactatecrystalinoligomerandbeforereaction经重结晶的晶体通过X射线衍射法和红外压片法测定，在678、558cm－1处含有Zn-O特征峰，且其他特征峰位置基本吻合，可以认为锌离子在乳酸低聚物中的结合态仍然是乳酸锌。据此对表4.2进行修正，将锌离子含量换算成乳酸锌含量，得到结果如表2.6：表2.6乳酸低聚物水解料中催化剂含量Table2.6Theweightpercentangeofzinclactateinoligomer差量法含量(%)8.64灰化法8.09原子吸收8.09差异的可能原因是重结晶过程中不可避免的物料损失，以及加入催化剂时仍然存在少量的不溶于水的氧化锌。但对最后残留的炭化物再次进行沉淀转化法检测，其锌离子含量少于1％，因此在乳酸低聚物中氧化锌的含量可以忽略。综上所述，乳酸低聚物中累积的经过反应后的催化剂含量在8～9％(以含水13％计)左右，远远高于新鲜乳酸反应时应加入催化剂量。由于催化剂以离子形态存在于体系中，分离不易，因此研究残留催化剂的活性对循环利用乳酸低聚物是十分必要的。2.3.4.2催化活性的检验2.3.4.2.1加入新催化剂对乳酸低聚物合成丙交酯的影响已知水解低聚物体系中含有8％～9％的催化剂，已经远高于理论加入催化剂的量。根据以往的研究规律，催化剂过量时对反应过程会起到抑制作用，催化剂含量越高，产率反而降低。但对于催化剂的作用机理尚无明确结论。为了验证新、21重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征旧催化剂对乳酸低聚物合成丙交酯产率的影响，采用相同的乳酸低聚物为原料，作了加入新催化剂的对比实验，各项检测结果如表2.7：表2.7催化剂对乳酸低聚物水解料合成丙交酯的影响解聚前Mn770.7711.7脱水量(g)5045含酸量(%)25.213.8产率(%)2823Table2.7Theeffectofcatalystinreactionofoligomer催化剂(g)未加新催化剂加入新催化剂07通过数据的比较可以看出，新加入催化剂的体系分子量增幅小于未加新催化剂的体系，但加入催化剂的体系脱水时间较未加催化剂的体系短，脱水量也较少，说明新加入的催化剂主要催化游离酸之间的两两脱水聚合，在低聚物浓度达到平衡后，低聚物之间的链增长反应反而受到抑制。同时，未加入新催化剂的体系交酯产量比加入了新催化剂体系高，但体系产物中游离酸明显高于后者，说明体系残留的催化剂并未完全失活，在新一轮的反应中仍起到了催化低聚物链增长的作用，但对游离酸的催化效果降低。因此可以初步断定，乳酸低聚物体系中的残留催化剂能够达到催化乳酸低聚物链增长的效果、高温时催化解聚生成丙交酯的效果。但由于反应体系中游离乳酸单体浓度较低，残留催化剂未能起到使游离乳酸充分反应的作用，使产物含酸量较高。2.3.4.2.2乳酸低聚物与新鲜乳酸合成丙交酯的比较对比乳酸低聚物与新鲜乳酸合成丙交酯的体系数均分子量，可以看出不同体系在不同反应阶段的反应规律，如图2.7所示：1000800分子量6反应阶段水解料未加催化剂乳酸加入催化剂水解料加入催化剂34图2.7乳酸低聚物与新鲜乳酸合成丙交酯的体系数均分子量比较Fig2.7Thecomparisonofnumbermolecularweightofdifferentreactionsystem22重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征各反应阶段所取的样品还通过气相色谱测定了各种成分的相对百分含量，图2.8是本次实验气相色谱检测的典型图谱，其中保留时间为1.665、4.623、6.407、13.657min的峰分别是乳酸、内消旋和外消旋丙交酯、低聚物的特征峰。根据对应的峰面积计算相对百分含量。相关结果汇总如图2.9和图2.10所示。图2.9和图2.10分别反映了气相色谱计算得到的新鲜乳酸和水解低聚物反应体系在各个反应阶段，乳酸、丙交酯和低聚物相对含量。图2.8反应体系成分气相色谱图Fig2.8TheGCsketchmapofreactionsystem9020100原料脱自由水乳酸脱结合水丙交酯二脱结合水低聚物相对百分含量图2.9新鲜乳酸体系反应成分相对含量变化Fig2.9Therelatedcompositionofmainelementinlacticacidreactionsystem23重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征1相对百分含量0.80.60.40.201游离乳酸含量2反应阶段丙交酯含量低聚物含量34图2.10乳酸低聚物水解料体系反应成分相对含量变化Fig2.10Therelatedcompositionofmainelementinoligomerreactionsystem从图2.7两种反应体系的数均分子量变化可以看出，新鲜乳酸体系分子量增长平缓，而乳酸低聚物体系在二脱水阶段分子量陡增。这种现象说明了几个方面的问题：一是对不同体系反应机理的推测：新鲜乳酸体系分子量增长平缓，什么在两个脱水过程中的反应机理可能都是游离乳酸与低聚物反应，LA+LnA=Ln+1A，使得分子量增长一直处于匀速变化的过程，增幅都在60％以下。而乳酸低聚物体系由于游离乳酸含量较少，低聚物之间端基碰撞几率较大，体系内主要发生的是低聚物之间的聚合和链增长，即LnA+LmA=Lm+nA。这种反应机理导致乳酸低聚物体系分子量在二脱水阶段增幅达到130％。另外，根据气相色谱得到的各种成分相对百分含量的数据进行分析。由图2.9可知，新鲜乳酸体系在一脱结合水阶段各组分含量变化的斜率较第二阶段大，说明游离酸聚合反应较为彻底。且第二阶段末，体系中交酯含量已达到80％，下一阶段主要是蒸馏及副反应产生的较大分子低聚物解聚生成丙交酯。如图2.10所示，在低聚物反应体系中，二脱水阶段各组分含量变化的斜率高于第一阶段，其中游离乳酸的变化斜率基本不变，且二阶段末体系中交酯含量在70％，低于新鲜原料体系。说明此体系中，游离酸反应速度与温度关系不大，反应程度取决于时间。二者在反应程度上有所不同，可能的原因是：水解低聚物体系中本来就含有大量的三、四聚体，游离乳酸的浓度虽然在开始阶段仍然高于低聚物，但低聚物含量随反应的进行迅速升高，很快就能达到反应平衡，使得游离乳酸含量下降缓慢。只有当反应温度继续升高，低聚物之间的相互聚合反应能够大量进行的时候，24重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征小分子低聚物和游离乳酸的含量均随反应进行而减少。这时已经能够形成聚合度在5～8的低聚物，且温度理论上也已经达到丙交酯的解聚温度，所以交酯在此阶段就已经大量生成，含量急剧上升，因此水解料在二脱水阶段已有丙交酯蒸出。二是对催化剂活性的判断：两个乳酸低聚物反应体系中分子量增幅基本一致，说明新加入的催化剂在平衡分子量水平、防止低聚物过度扩链方面与残留催化剂没有明显区别，分子量的陡增来自体系成分的差异，即说明乳酸低聚物体系中的残留催化剂并未失活。同时催化剂在不同体系中起到的催化作用也是一致的，降低反应活化能和加快反应速度。不论是催化游离酸聚合还是催化低聚物聚合，并不受体系中游离酸或低聚物含量的影响。但是需要指出，当低聚物和游离酸含量比例达到一定程度时，催化游离酸聚合的反应会受到抑制，而低聚物之间的聚合占据主导作用，这是由反应平衡决定的。因此两种体系二脱水后分子量水平的差异与新旧催化剂无关，也说明残留催化剂在催化聚合方面尚未失活。对两种反应体系合成效果，以产率和含酸率作为比较，如图2.11：60百分比（％）5水解料未加催化剂水解料加入催化剂产率含酸率乳酸加入催化剂图2.11催化剂对乳酸低聚物水解料合成丙交酯产率和含酸率的影响Fig2.11Theeffectofcatalystoncrudeyieldandacidcontentinoligomerreactionsystem新鲜乳酸体系产率最高，含酸率较低，是理想的生产效果。两个乳酸低聚物体系的产率都远低于前者，这可能是解聚前(二脱水阶段后)的分子量水平过高引起的，具体原因将在下一步的实验中加以验证。乳酸低聚物体系产量相近，产物含酸率却有较大差异。由于反应条件相同，差异应来自催化剂。产物中的酸来自以下几个方面：未除净的游离乳酸、解聚过程中的伴生乳酸、收集过程中水解的交酯、体系中沸点较低的二聚体、三聚体等。其中交酯水解和低聚物的因素在不同反应体系的收集过程中都存在，可以忽略，即新旧催化剂对脱游离酸和产生伴生酸的过程可能有影响。25重庆大学硕士学位论文2乳酸低聚物水解料的制备和表征二脱水阶段作为高温脱水阶段，目的就在于使游离酸充分反应或随高温高真空蒸出。乳酸低聚物体系二脱水阶段分子量增幅尤其明显，说明游离乳酸在一脱水阶段基本消耗完毕或不易参与二脱水反应。而不加新催化剂的反应体系产物含酸量较高，说明游离乳酸并未除净，或者残留催化剂增加了解聚过程中伴生乳酸的产生几率。曾有研究推测丙交酯合成阶段催化剂的主要作用是催化脱水(聚合)和高温解聚。而高温解聚与催化剂的关系尚未得到证实，因此含酸率偏高的原因是否是伴生乳酸还有待证实。综上所述，可以得到几点结论和进一步实验需要解决的问题：1、乳酸低聚物体系中残留催化剂未失活，能够有效催化脱水和解聚。2、新鲜乳酸和乳酸低聚物反应体系产率的差异可能来自于催化剂过量、体系数均分子量过高等原因，可以通过研究解聚前分子量水平和产率的关系、催化剂含量与产率的关系加以解决。3、未加新催化剂的乳酸低聚物体系产物中含酸率较高，是否因为游离乳酸脱除不完全引起，可以通过延长二脱水时间进行验证。26重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化3丙交酯合成的工艺优化3.1引言随着聚乳酸材料应用研究的深入，丙交酯作为开环合成聚乳酸材料的前体也受到人们的重视。丙交酯的产量、纯度和合成成本成为影响聚乳酸产物质量和成本的直接因素。长期以来人们主要致力于丙交酯的开环过程的研究，而对于丙交酯的成环反应，多进行的是制备方面的研究，其机理方面的讨论还很少。广泛研究的是两步法合成丙交酯，其原理是乳酸脱水聚合成分子量较低的低聚物，再在高温下解聚，生成环状丙交酯[52]。研究者们对乳酸成环合成丙交酯的各种影响因素都进行了深入的研究，以期提高产率，降低产物中酸等杂质的含量，达到高效合成的目的。催化剂的种类选择和用量是研究得比较多的丙交酯合成影响因素。正是由于丙交酯合成的机理尚无定论，多年来对各种催化剂的尝试和用量规律的摸索屡见报道。催化剂所以能改变反应速率，是由于降低了反应的活化能，从而改变反应历程，所以说催化剂不影响化学平衡，只能缩短达到平衡所需的时间，而不能移动平衡点。催化剂能同时加快正逆反应的速率，改变过渡态、降低反应活化能等。因为催化剂对正、逆两个方向的反应都发生同样的影响，对正方向反应的优良催化剂也应为逆反应的催化剂。因此在丙交酯合成催化剂的选择上也基本以开环聚合采用的催化剂种类为基础进行摸索。姚芳莲采用L－乳酸为原料,以SnCl2及Zn为催化剂,对L－丙交酯的合成条件进行了多方面的讨论。当采用SnCl2为催化剂,催化剂用量0.5%,脱水时间8h,低聚温度、解聚温度分别不超过170℃和220℃时,所得丙交酯的收率最高,为93.2%[53]。石淑先等[54]研究了辛酸亚锡催化剂在丙交酯制备中对乳酸脱水效率的影响,结果表明辛酸亚锡效果较好。辛酸亚锡在常温下为液体，与乳酸不能很好互溶，在升温条件下能与体系很好互溶形成均相体系；反应时间短，脱水效率高，催化效果也较好。贺璇采用氧化锌(ZnO)、氯化亚锡(SnCl2)、硫酸亚锡(SnSO4)、辛酸亚锡Sn(Oct)2以及它们的混合物催化合成丙交酯。实验结果表明，催化剂的种类和用量对丙交酯的收率有显著的影响，以ZnO/Sn(Oct)2为催化剂,用量为反应物总质量的2.0%时催化效果较好,能使丙交酯的收率较高[55]。另外原续波等[56]用三氧化二锑在N2气保护下利用乳酸为原料制备丙交酯。魏金枝[57]采用三氧化二铝作催化剂催化乳酸脱水制备丙交酯，其产率亦可达55%以上。为了提高丙交酯的产量，人们不断开发出新的更有活性的催化剂：稀土金属化合物[58]、这些物质的盐类、稀土复合氧化物[40]，这些催化剂既能有效缩短反应27重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化时间，降低反应温度，又能提高粗丙交酯的产率。在实验室已有研究基础上，朱久进[41]等合成了稀土(La-Ti)复合氧化物催化合成丙交酯，得到了较高的粗产率，同时在前者的基础上进一步采用氧化锌、三氧化二镧、钛酸镧复合氧化物等催化剂催化乳酸脱水,继而裂解环化成丙交酯，相同条件下，钛酸镧催化下得到粗产率最高为82.5%，其他两种均低于80%。另外研究比较多的是利用锌和锌的化合物制备丙交酯[59][60]。Gruber采用氧化锌作为催化剂研究了连续生产丙交酯的工业条件。江昕等[44]用氧化锌作催化剂制备丙交酯，严格控制反应温度和时间，减压蒸馏，得到了高产率的粗丙交酯，平均值为62.1%，在反应之前就加入氧化锌，氧化锌在他们的研究中既作为脱水的催化剂，又作为裂解反应的催化剂，裂解温度最高达220℃。李姝丹等[61]按2%加入催化剂ZnO，继续减压升温至180℃，蒸出L-丙交酯，最高温度230℃，产率达到69.30％。本实验室报道[62]用氧化锌催化D、L-乳酸得到产率为45.13%的丙交酯。对丙交酯成环反应的机理研究也基于开环反应的可能原理。如Kohn等[63]在研究路易斯酸类引发剂引发丙交酯的开环反应(ROP)时提出：AlCl3或SnCl4与体系中痕量的水的反应产物HCl是真正的引发物种，开环反应的真正引发剂是H＋。这促使我们更多地关注催化剂效率、成本、安全性等综合因素，以确定规模化生产丙交酯的催化剂。基于以往的研究，我们认为锌类催化剂具有对人体安全、催化效率较高、价格低廉等优点，选择了乳酸锌作为合成丙交酯的催化剂。本实验室通过反复实验，制备了能与体系良好均匀混合的乳酸锌制剂，将通过实验研究其催化性能和重复使用的催化活性。除了种类的选择，催化剂的用量也是影响产率的重要因素。贺璇、祖国瑞、朱久进等在尝试新催化剂的同时都研究了用量对产率的影响[41][55][57]。如李姝丹等认为以ZnO为催化剂,用量为反应物总质量的2.0%时催化效果较好，而超过此用量后，产率呈下降趋势。钛酸镧复合氧化物等高效催化剂的用量一般在1％以下，但仍存在最优加入比例，过量也会引起产率下降。催化剂的选择是从反应机理对合成进行研究，此外反应工艺的优化也是提高合成效率的重要方面。丙交酯合成主要分为脱水和解聚两个阶段，各个阶段的反应条件也会对最终产率有较大影响。如温度、压力、各反应阶段的时间分配等。减压蒸馏法应用较广，对压力的要求比较严格，因此对减压蒸馏法的工艺改进也有很多尝试。如加入高沸点溶剂、控制脱水压力的梯度、改进收集方式等[55]。28重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化3.2实验部分3.2.1优化合成工艺正交实验设计如前所述，乳酸低聚物与新鲜乳酸相比有较大差异，用于丙交酯合成生产需要根据其体系特点重新设定生产工艺。影响丙交酯合成的因素很多，主要有催化剂种类及用量、脱水时间、解聚温度等。根据乳酸低聚物的特点，仍然采用乳酸锌作为合成催化剂，且为了降低残留催化剂过量的影响，与新鲜乳酸混合使用。3.2.1.1正交实验因素、水平的确定考虑到乳酸低聚物残留催化剂、数均分子量较高的特点，确定了实验的因素为催化剂用量、新旧料比例、二脱水时间。采用三因素三水平正交实验表[64]，各因素、水平选择如表3.1：表3.1正交实验条件设置Table3.1Thefactorsandlevelsoforthodoxicalexperiment催化剂加入量(g)水平一水平二水平三1.272.543.81新旧料比例1:11:22:1二脱水时间(h)2463.2.1.2结果变量的确定在实际生产中，除丙交酯产率外，产物含酸率、解聚前(二脱水后)平均分子量水平也是需要研究的对象。为了结果便于分析，只对产率作正交分析，其他结果变量只作一般的比较分析。3.2.2实验材料与结果表征3.2.2.1实验材料同2.2.4.13.2.2.2实验原理和流程3.2.2.2.1实验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，在高温下产生热裂解，羧基反咬相隔2个链节的酯基，发生了环化的裂解反应，生成一个丙交酯分子，如图3.1：29重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化CH3nHOCCOHHOO催化剂加热CH3OCHOHCn-1OOOO丙交酯＋HOCHCCH3O催化剂加热LnA乳酸低聚物OHOCHCOCH3CHOHCn-1OH3COCH3OCHCOOHn-3HOCH3CH3CHCCH3图3.1丙交酯合成原理Fig3.1Thesketchofsynthesisoflactide3.2.2.2.2实验过程将350ml原料加入到500ml三颈瓶中，安装搅拌系统、冷凝系统、加热系统和真空系统。用油浴加热至80～90℃，真空度保持在10～15KPa，脱自由水2h，取出蒸馏水，加入催化剂；升温至120～160℃，低温脱结合水2h，高温脱结合水2h，取出馏出物；迅速升温至180～200℃，开始解聚反应，逐步升温至220℃，共反应3h，收集馏出物丙交酯粗品。实验装置如图3.2所示：图3.2丙交酯合成实验装置Fig3.2Thesketchofsynthesisdeviceoflactide3.2.2.3实验结果表征实验过程中取样，测定水分含量、数均分子量；产物测定含酸率。由于产物中的内消旋丙交酯易水解，因此反应结束后立即取样，在非水体系30重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化中，以KOH-无水乙醇溶液滴定样品中的游离酸。产物体系中除游离酸外还可能存在乳酸二聚体、三聚体等低聚物，测定结果均记为游离乳酸的羟基。滴定终点用酚酞(变色范围7.8～9.0)指示。测定方法同2.2.4.3。3.3结果与讨论3.3.1正交实验结果和数据处理正交实验结果数据用SPSS软件分析，结果如表3.2和表3.3所示。表3.2正交实验产率结果表Table3.2Theyieldoforthodoxicalexperiment实验序号123456789催化剂用量(g)111222333新旧料比例123123123二脱水时间(h)123231312产率(％)31.836.537.538.738.340.929.121.331.0表3.3正交实验数据处理Table3.3Theresultanalysisoforthodoxicalexperiment实验号ⅠⅡⅢⅠ/3Ⅱ/3Ⅲ/3级差RA催化剂用量(g)105.817.981.435.339.327.112.2B新旧料比例99.696.1109.433.232.036.54.5C二脱水时间(h)94.0106.2104.931.335.435.04.1产率T=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=3.05131重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化表3.4正交实验结果方差分析表Table3.4Themeansquareanalysisoforthodoxicalexperiment方差来源催化剂用量新旧料比例二脱水时间误差总和平方和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各种因素对合成的影响根据以上结果，说明在三因素三水平正交实验中，催化剂的用量对产率的影响显著，是主要因素，新旧料比例和二脱水时间是次要因素，对产率的影响很小。3.3.2.1催化剂加入量对产率的影响实验考虑到乳酸低聚物体系中仍然残留催化剂，且经实验证明并未完全失活，因此采用了少量加入新催化剂，同时加入新鲜乳酸的方法，使催化剂含量降低的同时，考察了新旧催化剂混用的催化效果。从实验结果图3.3分析，催化剂水平为2，即新加入2.54g时体系产率最高，接近40％。而加入3.8g的实验产率较低，不到30％，这与完全采用乳酸低聚物为原料所做的实验结果一致，过多地加入新催化剂对产率有降低作用[65]。50产率（％）4030201001.272.54催化剂水平催化剂对产率的影响3.81图3.3Fig3.3Effectofcatalystoncrudeyieldoflactide需要指出的是，在最优水平下，如果只考虑新催化剂的加入量，则催化剂的加入比例为原料质量的0.7%，远低于文献报道的1.5～2%；但考虑到残留催化32重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化剂的质量，总的催化剂含量约在原料质量的3.5～6.2%，却没有明显的过量抑制效果。这一方面说明残留催化剂起到了部分与新催化剂相同的催化作用，另一方面说明残留催化剂催化效果不及新催化剂，可以认为部分失活。乳酸低聚物体系残留的催化剂对游离酸的催化效果较差，原因可能是低聚物粘度较大，将部分催化剂包裹其中，难以与游离酸接触。这也解释了单一乳酸低聚物体系的数均分子量为何迅速增长的原因：即残留催化剂只与周围的粘度较大的低聚物反应，使得分子量水平陡增。此结果同时提示我们，由于乳酸低聚物和新鲜乳酸混合体系中，游离酸比例远高于单一乳酸低聚物体系，因此加入新催化剂也是有必要的。新催化剂所起到的作用可能主要是催化游离酸聚合，对残留催化剂的效果起到补偿作用。如果对残留催化剂的推测属实，那么乳酸低聚物作为合成丙交酯的原料将不适宜单独使用，原因之一是催化剂含量过高，且难以催化游离酸聚合，其二是体系数均分子量增长过快，粘度也会迅速升高，不利于传热和丙交酯的蒸出，反应体系又会有搅釜的危险。3.3.2.2催化剂加入量对其他结果变量的影响由于产率并非实验考虑的唯一结果变量，在生产上产物的含酸量、实际收率等因素都是检验生产效果的指标，因此催化剂对其他结果变量的影响也需进行分析。表3.5列出了催化剂因素对产率、含酸率、修正后的交酯产量的影响方差分析。表3.5Table3.5催化剂对其他结果变量影响的方差分析Meansquareanalysisoforthodoxicalexperimentonotherresults方差来源交酯产量产率含酸量平方和1301.660.023.026自由度222均方和650.830.012.013F值19.189.1829.197可以看出，催化剂加入量对产率、产物含酸量和修正后的交酯产量的影响都是显著的，这就排除了各个实验由于采用原料不同而反应物略有差异的因素。同时，催化剂对产物含酸率的影响显著，验证了前面实验结果中关于产物含酸率的差异来自新催化剂的猜测。33重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化25含酸率（％）201510501.272.54催化剂水平（g）3.81图3.4Fig3.4催化剂对产物含酸率的影响Effectofcatalystonacidcontentincrudelactide图3.4显示，在几个催化剂水平中，又以加入2.54g催化剂的实验效果最好，产物含酸率低于10％。综合催化剂水平2的实验产率也最高的事实，可以认为催化剂水平2效果最好。3.3.2.3乳酸低聚物与新鲜乳酸的比例的影响38产率（％）36343230281：11：2比例水平原料比例对产率的影响2：1图3.5Fig3.5Effectofoligmercontentoncrudeyieldoflactide新旧原料的比例对产率的影响较小，变化的趋势也遵循新料越多产率越高的规律，但最高与最低产率之间也只相差5个百分点。联系新旧混合比例为1：1、1：2、2：1的混合后的数均分子量水平，分别为157、183、131，相差不大，因此猜测混合后的体系成分不是影响产率的主要因素。只要乳酸低聚物已经充分水解，成分稳定且分子量分布比较均匀，在生产中可以根据具体情况选择合适的混合比例。例如为节约新鲜乳酸原料可以选择新旧料混合比例为1：2，为了稀释34重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化催化剂则可以选择2：1的比例。为了验证混合比例对反应的影响，对不同混合比例原料的脱水量和数均分子量也做了分析，结果表明，混合比例并未显著影响后期反应的分子量水平。3.3.2.4二脱水反应时间的影响36产率（％）35343332312h4h6h二脱水反应时间（h）二脱水时间对产率的影响图3.6Fig3.6Effectofhydrolyzetimeoncrudeyieldoflactide从结果统计来看，二脱水4h组的产率最高，但组间产率相差较小。考察二脱水反应时间对反应的影响，一是为了验证在二脱水阶段的温度和压力下，游离酸的脱出(或者反应)效果；二是考察解聚前不同的数均分子量水平对丙交酯产率的影响。通过对实验现象的观察，发现脱结合水的时间长短与脱水量的多少有较大影响，且二脱水时间越长，结合水中同时脱出的游离酸越多。二脱水时间为6h的三次实验，结合水中的游离酸量都在26g以上，远远高于二脱水2h的实验中17g的游离酸量。说明二脱水2h后，体系中仍然存在部分游离酸，且不易反应，只能通过高温高真空蒸出，以降低产物中的酸含量。同时可以观察到，在二脱水2h后，虽然脱水温度并未升高，但体系中已经开始有丙交酯蒸出，在脱水4h后尤其明显。收集到的这部分丙交酯颜色较白，晶型很好，可能是沸点较低的内消旋丙交酯。这也说明二脱水2h后低聚物的聚合度已经达到可以解聚产生丙交酯的水平。二脱水2h的实验中，产率最高的也达到了38％，充分说明2h的二脱水时间对低聚物充分聚合已经足够。产物中游离酸的充分反应，与二脱水反应时间长短有一定联系，但不宜单纯通过延长二脱水反应时间来解决。为了进一步验证二脱水时间不是影响产率的主要因素，对解聚前的体系数均35重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化分子量水平也做了分析，结果表明其并未简单依据反应时间的长短而变化，结果比较离散。由于一脱水阶段结束后，各反应体系的数均分子量水平相差不多，二脱水阶段又出现了分子量水平变化率的显著差异，如图3.7所示。25002000数均分子量153反应阶段45图3.7反应过程中数均分子量变化Fig3.7Thetrendofnumbermolecularweightinreaction从图3.7中可以清楚的看到，一脱水阶段分子量变化比较平缓，二脱水阶段分子量出现了陡增，但随时间变化不大，脱水2h、4h和6h分子量的增幅相近，为50％左右。解聚前分子量水平和产率数据分布离散，基本没有相关性，方差分析结果也说明分子量水平对产率的影响很小。但从数据基本规律可以看出，其中一个实验解聚前分子水平达到了2000以上，几乎达到了新鲜乳酸体系解聚反应2h后的体系数均分子量水平，但产率很低，可认为是解聚前分子量水平的上限。总体来说，解聚前分子量水平在500～1000范围，既能够达到解聚所需要的聚合度，体系粘度也不会太大，对丙交酯生成和馏出有利，与文献吻合。产率最高为41％，二脱水时间为2h，解聚前分子量为560。综合催化剂和新旧料比例的影响，同时考虑到能耗和时间的节约，选定的最佳工艺条件为：新旧料比例2：1、加入新催化剂2.54g、二脱水时间为2h。3.3.3乳酸低聚物合成丙交酯的工艺条件在生产设备上的检验由于生产设备上的实验是对实验室工艺的放大，在重现最优工艺条件之前，在生产设备上进行了新旧料混合合成丙交酯实验的摸索，总结了设备与实验室系统的差异，以确定设备生产的最佳工艺。生产设备与实验室系统相比，取样和检测存在以下差异：1、丙交酯解聚时间不同，取样时可能不是每一次解聚所出的所有产物都能单独计量，所以产量和产率只作参考值。36重庆大学硕士学位论文3丙交酯合成的工艺优化2、脱结合水阶段游离酸的收集方式不同。设备生产时蒸出的游离酸能够回到系统重复利用，因此脱结合水时的游离酸也无法计量，只能对产物的含酸率进行测定。含酸率即为工艺验证阶段主要的效果检验指标。脱结合水后进入反应釜的物料未能取样，无法判定分子量水平。但有一次未经解聚反应就排出，取样测得数均分子量水平在900左右。在前期的摸索性实验中，新旧料混合比例采用了1：3和1：2，催化剂加入量采用了全新鲜乳酸加入比例的1/8、1/4、1/2几个水平，二脱水反应时间分别为2h和4h。实验结果如表3.5所示：表3.5Table3.5实验序号/列号22333催化剂用量设备实验条件和结果新旧料比例3：13：12：12：13：13：13：13：1二脱水时间(h)22224224含酸率(％)12.113.012.912.111.014.718.817.9SynthesisofLactidesinapparatus结合实验室对反应主要影响因素的研究结论，可以看出设备生产也遵循了催化剂对产物含酸率的影响的基本规律：新加入催化剂质量占原料质量0.5%左右时，产物含酸率最低，高于1％则含酸率会升高。同时新旧料比例对含酸率的影响也是乳酸低聚物越多，产物含酸率越高。但值得注意的是，设备实验中为了节约新鲜乳酸，采用的乳酸低聚物比例远高于实验室采用的比例，而含酸率水平均降到20％以下。出现这种情况的原因可能是设备和实验系统的收集方式的差异，游离乳酸即使未充分反应，也能够在设备中充分脱出，不再进入产物收集釜。基于此，在设备生产时只要二脱水阶段保证游离乳酸充分聚合，解聚前能够保持一定时间的高温和高真空，使乳酸达到沸点充分蒸出，则不必再延长脱水时间，以免体系数均分子量进一步升高，导致体系粘度增大，增加热负荷和设备搅釜的危险。在生产设备上进行最优工艺的再现，采用新旧料比例2：1，催化剂加入量为0.7%，二脱水时间为2h，得到的产物含酸率为12.1%。初步验证了工艺探索的结果。37重庆大学硕士学位论文4丙交酯的纯化、聚合与表征4丙交酯的纯化、聚合与表征4.1引言乳酸低聚物水解料与原料相比有较大的不同，相似的工艺条件下的合成产物是否是同一种物质是我们关心的问题。只有合成了相同质量的丙交酯晶体，才能进行下一步的聚乳酸合成实验，我们所设想的通过循环利用釜底物水解料合成丙交酯降低规模化合成成本的路线才能够实现。从收集到的粗产物外观和物性来看，乳酸低聚物水解料与新鲜乳酸原料合成的产物主要差别在于水解料合成的产物颜色较深，晶型较小，猜测是由于含酸率较高所致。为进一步验证乳酸低聚物水解料能够作为合成丙交酯的原料，有必要对合成的丙交酯粗品进行纯化和表征。并用纯化后的丙交酯进行合成聚乳酸的实验，用以比较乳酸体系和低聚物体系合成的丙交酯能否用于高分子量聚乳酸的合成，为综合评价乳酸低聚物水解料合成丙交酯的效率和成本提供依据。4.2实验部分4.2.1实验原料与仪器4.2.1.1实验药品和试剂丙交酯：中试生产乙酸乙酯(分析纯)：亚风试剂厂四氢呋喃(THF)：成都科龙化工试剂厂辛酸亚锡(分析纯)：南亚化工厂蒸馏水：自制4.2.1.2实验仪器真空泵(2X-4型，抽气速度4L/s)：成都南光实业公司真空干燥箱(DZF-3型)：上海医用仪器设备厂电子天平(METLERAE100)恒温油浴系统电炉布氏漏斗增力电动搅拌器烧杯、圆底烧瓶、玻棒、滴管4.2.2丙交酯的纯化本实验采用乙酸乙酯重结晶的方法纯化丙交酯粗品。本课题中的粗品丙交酯是一种半固态蜡状的混合物，可根据情况，在纯化前，38重庆大学硕士学位论文4丙交酯的纯化、聚合与表征采用真空抽滤将其中的水份抽去。重结晶法主要取决于3个因素：首先，它取决于溶解度随温度和溶剂组成的变化，这是一个平衡因素，类似于萃取中的分配系数和吸附中的吸附等温线。其次，结晶取决于晶体生长速率。第三，结晶依赖于“冷却曲线”。溶解度随温度和溶剂组成而改变。通常，溶解度随温度升高而增加。通过降低温度或改变溶剂组成，就可以引发晶体形成。重结晶的具体过程如下：首先将粗品丙交酯用真空抽滤的方法尽快除去其中的大部分水份，以免丙交酯在其中水解，影响产品的收率；然后在250ml的三口烧瓶中加入乙酸乙酯溶解粗产物，乙酸乙酯的用量为能溶解大部份的固体即可，未溶的部份水浴加热后基本全部溶解。全部溶解后的乙酸乙酯热溶液首先在常温下结晶析出规则的晶体，然后再在冰水浴中冷却结晶。结晶后得到大量无色片状物质。为了保证结晶物的纯度，重结晶过程需重复2~3次。将精制后的丙交酯在真空干燥器中室温干燥72h，备用。4.2.3丙交酯开环合成聚乳酸本实验采用辛酸亚锡为引发剂，丙交酯高温熔融本体聚合法。具体步骤如下：将纯度合格的D,L-丙交酯与辛酸亚锡按一定比例混合均匀后，在真空干燥器中于30～40℃干燥72h，再转入圆底瓶中。氮气保护下抽真空后密封。在一定的温度下熔融聚合到规定时间后急剧冷却至室温，终止反应。4.2.4结果的表征本实验室具有对丙交酯和聚乳酸成熟的表征方法。如通过红外光谱仪(IR)、X射线衍射仪(XRD)、毛细管熔点测定方法、差热分析仪(DSC)等手段对D，L-型丙交酯的晶体结构、晶形、化学结构和熔点等特性进行表征。对照已有的测量丙交酯的方法，我们这里采用两种测量丙交酯的方法。其一为红外光谱法，其二为毛细管熔点测定方法。把我们的测量数据与标准数据作比较，如果所测的红外和毛细管熔点数据吻合，就判定所制备出来的物质均为丙交酯。同时对合成产物进行红外光谱检测，如特征峰吻合，则认为两种体系制备的聚乳酸没有结构上的区别。4.2.4.1丙交酯熔点测定图4.1Fig4.1熔点测试装置示意图Sketchmapofcapillarymelting-pointtestingdevice39重庆大学硕士学位论文4丙交酯的纯化、聚合与表征整个实验过程重复三次，每次记下样品的初熔温度和全熔温度。实验结果如表4.1。4.2.4.2丙交酯红外表征纯净干燥的丙交酯晶体用溴化钾压片法制片，用红外光谱仪(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)记录聚合物在400-4000cm-1的红外光谱。对二者的红外光谱进行比较。4.2.4.3合成产物的红外表征以THF为溶剂分别对合成产物进行溶剂浇注成膜。用红外光谱仪(Perkin-ElmerSpectrumGXmodel)记录聚合物在400-4000cm-1的红外光谱。对二者的红外光谱进行比较。4.3结果与讨论4.3.1两种原料合成丙交酯的比较两种原料体系制备的丙交酯粗品存在外观上的差异，主要表现为：低聚物水解料体系制备的丙交酯颜色带棕黄，粘度较大，不如新鲜乳酸制备的交酯疏松。重结晶后，可以看到低聚物水解料制备的丙交酯晶型较细，颜色已经与新鲜乳酸制备的丙交酯没有太大区别。这可能是由于低聚物水解料体系制备的丙交酯中乳酸和低聚物的含量较高，导致颜色偏深，晶型较细。经多处重结晶纯化后，杂质被除去，二者的纯度接近，外观已经没有较大区别。此时能够通过熔点的测定和红外光谱的测定表征其纯度和结构。4.3.1.1毛细管熔点测定法测不同体系制备丙交酯的熔点表4.1Tab4.1制备体系低聚物体系新鲜乳酸体系两种原料体系制备丙交酯的熔点Melting-pointoflactidepreparedfromdifferentrawmaterialsystem实验1熔点℃125.2～126.4125.5～126.8实验2熔点℃125.2～126.4125.4～126.8实验3熔点℃125.2～126.4125.6～127.0平均值℃125.2～126.4125.5～126.9重结晶4次后，两种体系生成物质的熔点都在125.0℃～127.0℃之间，可以肯定，不同原料体系制备出来的物质经重结晶后确实是纯净丙交酯，而未有其他物质混合。4.3.1.2红外光谱法分析不同体系制备丙交酯的结构两种原料体系制备的丙交酯粗品经纯化后用红外光谱法分析其结构，如图4.2和图4.3所示40重庆大学硕士学位论文4丙交酯的纯化、聚合与表征100.0656055%T50151050.04000.030002000cm-0.01770.171758.751247.072995.902924.811446.311375.70792.74508.77827.53654.59476.41930.59770.99606.531101.431052.59图4.2Fig4.2100.7959055%T50151050.04000.030002996.442924.78新鲜乳酸体系制备的丙交酯结构IRspectrumofD,L-lactidepreparedfromfreshlactic-acid1445.251386.24508.731147.15827.74606.49477.741088.91793.10654.571056.65771.201100.96930.671248.911769.921758.792000cm-0.0图4.3Fig4.3低聚物水解料体系制备的丙交酯结构IRspectrumofD,L-lactidepreparedfromoligomer从图中可知，在2900～3000cm-1与1445cm-1附近有－CH3吸收峰，在1770cm-1附近有C=O吸收峰，1250cm-1处有－C－O－C－吸收峰，1100cm-1附近为－C－C－吸收峰。一般C=O峰出现在1710～1780cm-1之间，－C－O－C－峰出现在1020～1275cm-1之间，这里C=O峰和－C－O－C－峰分别在1770cm-1与1250cm-1附近，明显红移，表明两者处于环状结构之中。另外在930.6cm-1附近有一吸收峰这也可以说明有环状结构存在。两图的特征峰位置和强度均和标准的丙交酯红外图谱相符合，结合熔点分析，可以认为两种原料体系制备的丙交酯经重结晶纯化后没有结构上的差别，是同一种物质。4.3.2聚合产物聚乳酸的比较上述丙交酯晶体以辛酸亚锡为引发剂开环合成聚乳酸，用红外光谱法分析其41重庆大学硕士学位论文4丙交酯的纯化、聚合与表征结构，得到谱图如图4.3和图4.4所示图4.3Fig4.3乳酸制备的丙交酯聚合产物红外图谱IRspectrumofPolylactidepreparedfromthelactidefromfreshlactic-acid图4.4Fig4.4低聚物制备的丙交酯聚合产物红外图谱IRspectrumofPolylactidepreparedfromthelactidefromoligomer从红外光谱图中可以看到，2996cm-1处出现CH3伸缩振动峰，2946cm-1附近有CH伸展振动峰，1753cm-1为酯C＝O振动峰和1190cm-1C－O伸展振动，充分证明羰基存在，且930cm-1、653cm-1处已无环状结构的吸收峰，说明丙交酯已经转化为聚乳酸。图4.3和图4.4的特征吸收峰位置和相对吸收强度基本一致，可以认为均合成了结构一致的聚D，L－乳酸。同时也充分证明了釜底物水解成的乳酸低聚物能够与乳酸一样合成丙交酯，粗产物经纯化后同样适用于聚乳酸的合成。综上，通过毛细管测熔点法的检测和比较，认为乳酸低聚物水解料和新鲜乳酸合成的丙交酯经过3－4次重结晶后能够得到比较纯净的晶体，且红外光谱显示二者结构上没有大的差异，可以认为是纯净的丙交酯，能够用于聚乳酸的合成。对开环共聚产物的红外光谱表征也证明，聚合物的结构相同，都是聚乳酸。由此认为乳酸低聚物水解料用于丙交酯的合成是可行的。42重庆大学硕士学位论文5结论5结论本实验以循环利用丙交酯合成后的釜底物的为目的，研究了以水解料乳酸低聚物为原料合成丙交酯的可行性和优化条件。实验从釜底物制备水解料乳酸低聚物入手，对水解条件进行了探索和优化，对水解料的成分做了表征，尤其是对水解料中残留的催化剂含量和活性作了测定和验证。在获得质量稳定的水解料乳酸低聚物的前提下，用新鲜乳酸和水解料分别进行了合成丙交酯的实验，比较了两种体系反应过程的差异，为优化乳酸低聚物合成丙交酯的工艺提供了依据。采用了正交实验方法探讨了催化剂加入量、二脱水反应时间和新旧料混合比例对产率、产物含酸率等结果的影响，提出了最优的生产工艺。在总结设备生产规律的基础上，重现了优化生产工艺，验证了实验结果。本实验得出的主要结论如下：1、釜底物完全水解得到的稳定的乳酸低聚物成分为：水13％、酸和低聚物74.78%、催化剂8.64%、碳化物3.66%。2、乳酸低聚物水解料中残留的催化剂经X衍射和红外光谱表征，仍为乳酸锌，反应中可以起到催化脱水和解聚的作用，但催化效果不及新加入的催化剂，可以认为部分失活。3、乳酸低聚物体系和新鲜乳酸体系的反应过程有所不同，低聚物体系中丙交酯产生的时间提前，游离酸不易反应，是产物含酸率较新鲜乳酸体系高的主要原因。4、正交实验结果表明，新旧料混合反应体系中，催化剂加入量是影响产率和其他结果变量的主要因素。新催化剂占反应物质量0.7%时产率最高，达到41％。5、最优工艺条件为：新催化剂0.7%、新旧料比例2：1、二脱水反应时间2h。在生产设备上重现此工艺得到产物含酸率12.1%。6、新鲜乳酸体系和低聚物水解料体系合成的丙交酯经红外表征，没有结构上的区别。充分说明分别以两种丙交酯为原料都能够合成较高分子量的聚乳酸。43重庆大学硕士学位论文6展望6展望循环利用丙交酯合成产生的釜底物是降低生产成本的有效方法，本实验在制备、表征乳酸低聚物水解料方面做了一些基础的工作，取得了一些有参考价值的结果。本文的创新点在于：1、对釜底物的水解进行了条件的摸索，对水解料中残留催化剂含量和活性进行了详细表征。2、研究了以水解后的乳酸低聚物为原料合成丙交酯的反应条件，并在规模化合成设备上进行了验证。虽然我们的实验取得了一些可以参考的结果，但乳酸低聚物水解料的合成效果始终与新鲜乳酸体系存在差距，根据体系的特点，我们认为后续工作可以从以下几个方面展开：催化剂的分离：经过实验证明，残留催化剂部分失活，新旧料混合体系仍然要加入新催化剂才能达到较高的产率，这不可避免地导致催化剂的进一步累积。所以催化剂的分离、活化在循环反应达到一定次数之后是必需的步骤。体系粘度较大，催化剂分离有一定难度，可以尝试利用其在冷水中溶解度小的特点通过重结晶和抽滤进行分离。降低乳酸低聚物水解料的数均分子量：虽然我们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，从实验效果来看，数均分子量上升很快，说明体系中游离乳酸含量少，水解不彻底。如果进一步进行水解，或者分离残留的高分子量低聚物，将对降低反应体系的数均分子量水平和体系粘度起到积极作用。产物含酸率的降低：包括解聚前未能完全反应的游离乳酸的去除和对解聚过程中伴生乳酸的研究。前者可以通过改进生产工艺操作实现，后者则需要继续进行大量基础实验研究。丙交酯和聚乳酸产物的进一步分析：通过红外光谱已经定性证明了乳酸和低聚物原料合成的丙交酯和聚乳酸结构一致，但低聚物合成的丙交酯重结晶的晶型始终较新鲜乳酸合成的丙交酯细。如果能够对聚乳酸进行分子量表征，并通过晶体衍射进一步分析丙交酯的结晶结构，将对优化产物质量起到指导作用。44重庆大学硕士学位论文致谢致谢在本文完成之际，首先向我的导师王远亮教授致以最诚挚的感谢。本文的研究工作是在导师王远亮教授的悉心指导下完成的。在三年的学习、科研和生产实习中，自始至终受到导师王远亮教授的悉心教诲和帮助。导师渊博的知识、严谨的学风、敏锐开阔的思维方式、精益求精的治学态度、对事业孜孜不倦的追求、锐意开拓创新的精神以及给学生启发性的引导让我在学习和科研中养成了勤于思考的习惯。定期进行的课题的交流、讨论，使我在科研中如何发现问题、思考问题和解决问题的能力得到很大程度的锻炼，这些宝贵的经验令我受益终生。在此对导师给予我的关心、培养和引导表示最衷心的感谢！特别感谢罗彦凤老师、吴扬兰老师、陈佳博士、牛旭锋博士、李永刚、付春华、黄美娜等同学对我的热情帮助和支持。最后，向多年来在学习、生活中关心和帮助过我的朋友们表示感谢！向我的家人表示深深的谢意，谢谢你们多年来对我的支持，关怀和理解。感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！石梁萍二OO六年四月46重庆大学硕士学位论文参考文献参考文献[1]刘伟雄.乳酸和聚乳酸的最新进展.食品与发酵工业.2000,27(3):61-65[2]史铁均,董智贤.聚乳酸的性能、合成方法及应用.化工新型材料.2001,29(5):13-16[3]李洪权,全大萍,廖凯荣等.聚乳酸骨科内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]刘英豪.聚乳酸中间体丙交酯制备工艺的初步探索研究[学位论文].江苏.南京理工大学.2004.7-8.[6]董延茂,鲍治宇.聚L-乳酸的研究进展与产业化进程.江苏化工.2005,33(4):1-4[7]王勤，路岩，张娟.以聚乳酸为载体的药物释放及动物疗效学的研究.中国生物医学工程学报.1995.14(1).11-14[8]王远亮，潘君，蔡绍晳.组织工程研究的进展.生物化学与生物物理进展.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]张颂培,王锡臣.生物降解性医用高分子材料——聚乳酸.化工新型材料.1995,(8)：11-13[12]王向东.生物降解聚合物——聚乳酸研究现状.中国化工信息.2003,4:23-27[13]MKSheriff,PJShah,CFowler,odulationofdetrul,1996Jul:78(1):39-46[14]罗彦凤.聚(DL-乳酸)的该性及体外降解和细胞相容性研究[学位论文].重庆.重庆大学.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,全学军,周跃钢,等.聚乳酸研究的现状及发展方向.重庆工学院学报.2003,17(2):10-15[18]-scaleproduction,rDegradationandStability,1998,59:145-152[19]张子勇,陈燕琼.丙交酯单体的制备与纯化.高分子材料科学与工程.2003,19(2):52-5647重庆大学硕士学位论文参考文献[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]钟伟,戈进杰,马敬红,等.聚乳酸的直接缩聚制备及其异氰酸酯扩链探索.复旦学报(自然科学版).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]麦杭珍.可生物降解材料——聚乳酸的研究.博士学位论文.华南理工大学.2001[27]胡玉山,白东仁,张政朴,等.聚乳酸合成的最新进展.离子交换与吸附.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