专利名称：一种聚乳酸制备的方法
技术领域：
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种乳酸在复合催化剂作用下直 接縮聚制备高分子量的聚乳酸的方法。
背景技术：
随着科学与社会的发展，环境和资源问题越来越受到人们的重视，成为 全球性的问题。石油为原料的塑料材料应用广泛，这类材料使用后很难回收
利用，造成目前比较严重的"白色污染"问题；而且石油这一类资源属于不可 再生资源，大量的不合理的使用给人类带来了严重的资源短缺问题。降解材 料的出现，尤其是降解材料的原材料的可再生性为解决这一问题提供了有效 的手段。
聚乳酸(PLA)是目前研究应用相对较多的一种降解材料，它是以淀粉 发酵(或化学合成)得到的乳酸为基本原料制备得到的一种环境友好材料， 它不仅具有良好的物理性能，还具有良好的生物相容性和降解性能，且对人 体无毒无刺激。
目前常用的聚乳酸制备方法主要可分为间接(开环)法和直接法两种，
下式就是这两种常用聚合方法
<formula>formula see original document page 3</formula>间接(开环)法是目前绝大部分应用性聚乳酸所采用的聚合路线，即首
先将乳酸分子间脱水縮合制成乳酸低聚物，再由低聚物降解生成环状的丙交 酯；然后将丙交酯开环聚合生成高聚物。该法制备而得的聚乳酸分子量较高， 热稳定性较好，玻璃化温度和熔点都比较高。目前最大的聚乳酸生产商，美
国的NatureWorks公司就是利用开环聚合制备得高分子量的聚乳酸，现已建成 14万吨/年的生产装置。但是，间接(开环)法生产工艺冗长，工艺复杂，特 别是在丙交酯精制中需多次提纯与重结晶，耗用大量试剂，产品产率低，导 致聚乳酸价格昂贵，比常用的普通材料高出许多倍，严重阻碍了聚乳酸作为 一种通用塑料材料的广泛应用。
近年来，由乳酸直接縮聚合成聚乳酸的方法越来越引起人们的关注。关 于直接縮聚法合成聚乳酸的研究国外早有报道，近年来国内也开始进行这方 面的研究。
以下我们对直接法合成聚乳酸的进行简要的综述
1. 聚乳酸直接聚合的原理
聚乳酸的直接聚合是一个典型的縮聚反应，反应体系中存在着游离乳酸、
水、低聚物及丙交酯的平衡，其聚合方程式如下 <formula>formula see original document page 4</formula>根据缩聚反应聚合度的计算公式
<formula>formula see original document page 4</formula>D户.反应聚合度；反应平衡常数；残留水分
从上式可以看出,在一定温度下，由于K为常数，因此只有降低水分子的 含量，才能达到提高聚合度的目的，得到较高相对分子质量以及熔点的聚乳 酸。有利于小分子水分排除的方法比较多，如增加真空度，提高温度以及延 长反应时间等等。总的说来，要获得高相对分子质量的聚乳酸，反应过程中
必须注意以下3个问题动力学控制，水的有效脱除，抑制降解。
2. 聚乳酸直接聚合的不同方法
(1)熔融縮聚
熔融聚合是发生在聚合物熔点温度以上的聚合反应，是本体聚合。其优 点是得到的产物纯净，不需要分离介质，但是产物相对分子质量不高，因为 随着反应的进行，体系的粘度越来越大，小分子难以排出，平衡难以向聚合 方向移动。在熔融聚合过程中，催化剂、反应时间、反应温度等对产物相对 分子质量的影响很大。故单纯依靠熔融聚合很难得到具有较高分子量和熔点 的聚乳酸。
(2) 溶液共沸法
乳酸直接聚合的关键是水分子的排出，只有将绝大部分水分子排出，才 能获得较高相对分子质量的产物。在縮聚反应中使用一种不参与聚合反应、 能够溶解聚合物的有机溶剂，在一定温度和压力下，与单体乳酸、水进行共 沸回流，回流液经过除水后返回到反应容器中，逐渐将反应体系中所含的微 量水分带出，推动反应向聚合方向进行，从而获得高相对分子质量的产物， 这就是溶液共沸聚合方法。
目前，国外报道溶液聚合方法直接合成聚乳酸比较多，且得到了较高相 对分子质量的产物，达到了实际应用的要求。日本Ajioka等开发了连续共沸 除水直接合成聚乳酸的工艺，分子量可达30万以上，使日本MitsuiToatsn化 学公司实现了PLA的商品化生产。采用同样的工艺还直接合成了一系列脂肪 族聚酯化合物，分子量均超过了30万。国内赵耀明等人以联苯醚为溶剂，通 过溶液聚合得到了粘均相对分子量为4万的聚合物。
但是这个方法的缺陷也正是在于所引入反应体系的溶剂。目前大多采用 的沸点较高的溶剂，如二甲苯、二苯醚、苯甲醚、二苄醚等，都具有比较大 的毒性， 一来影响环境，二来也限制所得到的聚乳酸产品的应用。另外，大 量溶剂的使用，大大的增加了生产成本。再者，该法得到的聚乳酸产品熔点 只有166。C左右，比开环法得到PLA熔点小6 7。C。
(3) 直接聚合+扩链反应 由于乳酸直接聚合难以获得较高相对分子质量的产物，人们寻求一种新
的获取高分子量聚乳酸的方法，这就是使用扩链剂处理直接縮聚得到的聚乳
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酸的低聚物，得到高分子量的聚乳酸。可以用来作为扩链剂的物质，多数是 具有双官能团或多官能团的高活性的小分子化合物。
Woo等采用l，6—己二撑异氰酸酯(HDI)作为扩链剂，使得聚乳酸的分子 量由1000增长到76000 ，其反应机理为
<formula>formula see original document page 6</formula>Sepplala等以2,2'2双(22唑啉)(BOX)禾口1，6—己二撑异氰酸酯(HDI)进行 扩链反应，得到的聚乳酸的分子量超过20万。
Hiltimen等通过添加带双官能团的小分子物质l,4一丁二醇和己二酸分别 得到了带端羟基和端羧基的聚乳酸遥爪预聚物。通过控制加入的双官能团小 分子物质的比例，可以得到相对分子质量为2800 18000的聚合物。
这个方法同样因为引入一些有毒害物质作为扩链剂参与反应而给PLA的 应用带来问题。另外，扩链，制得的PLA熔点较低，结晶度小甚至不能结晶。 (4)固相聚合法
固相聚合是固态的低聚物在低于聚合物熔点而高于其玻璃化转变温度下 进行的聚合反应，这种方法能够有效的提高聚酯类聚合物的分子量。 固相聚合的机理为
在低分子量的聚乳酸预聚体(切片、粉末等)中，大分子链段被"冻结"形成 结晶区，而官能团末端基、小分子单体及催化剂被排斥在无定形区，可获得 足够能量通过扩散互相靠近发生有效碰撞，可以发生进一步的酯化反应，借 助真空或惰性气体将反应体系中小分子产物H20带走，使反应平衡向正方向 移动，使得分子链继续增长，得到较高分子量的产物。这些加长的分子链在 晶区与无定形区的边缘聚结，又使得聚合物的结晶度增加。聚乳酸的固相聚 合同时依赖于化学反应与物理扩散两方面的竞争，经过可逆化学反应、小分 子产物从粒子内部扩散至粒子表面、进而从粒子表面扩散进入周围真空或惰
性气体氛围。根据低速决定原理，整个聚合反应的反应速率由上述最慢的一 步决定。聚合时间、聚合温度、催化剂、氮气流量、预聚体结晶度、预聚体 几何形状等都将影响固相聚合反应的进程。
宇恒星等通过实验验证了固相聚合方法的有效性，首先合成相对分子质
量为8000的预聚物，然后以辛酸亚锡为催化剂，得到了粘均相对分子质量为3 万的聚合物。
然而到目前为止，采用直接法熔融+固相聚合制得的聚乳酸的熔点都不 高，并且所采用得聚合工艺得聚合时间过长。
发明内容
本发明的目的是在现有方法的基础上，克服熔融结合固相聚合的直接法 制聚乳酸的缺点，提供一种利用醋酸亚锡和磺酸化合物得复合催化体系，工 艺简单，成本相对低廉的直接法制备较高分子量的聚乳酸的方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到 一种聚乳酸制备的方法，包括如下步骤
A) 以乳酸为原料，先在温度为60 180'C的真空下脱水1 8小时；然
后以醋酸亚锡和磺酸化合物为复合催化剂，在温度为130 20(TC的真空下熔 融聚合3 24小时，得到预縮聚产物；
B) 将预縮聚产物在温度为90 180。C的真空下固相聚合8 120小时， 得到聚乳酸。
其中磺酸化合物为甲磺酸、乙磺酸或对甲苯磺酸，其用量为乳酸质量的 3000 20000ppm。醋酸亚锡的用量为乳酸质量的1000 8000ppm。原料乳酸 为纯度是质量含量大于88%的乳酸水溶液，其中乳酸为L-乳酸、D-乳酸或 L-乳酸与D-乳酸的混合物。
在制备方法中，原料乳酸先在温度为60 180°C、真空度为5 50KPa 的真空下脱水1 8小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降至5 50KPa，脱水步骤的真空度优选5 20KPa，温度优选90 130°C ，脱水时间 优选2 3小时；原料乳酸脱水后在温度为130 200°C、真空度为0.1 1KPa
的真空下熔融聚合3 20小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降至 0.1 1KPa，其中聚合温度优选130 180°C，聚合时间优选4.5 9小时；粉 末或粒子的预縮聚产物在温度为90 180。C、真空度为0.1 0.5KPa的真空下 固相聚合8 120小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降至0.1 0.5KPa，其中固相聚合温度优选110 17(TC，时间优选12 60小时。
醋酸亚锡和磺酸化合物的复合催化剂是第一阶段结束后加入到反应体系 中的。在本发明的制备过程中可以使用氮气或其他惰性气体(如氦、氖、氩 等)对反应物进行保护。
此制备方法所得得聚乳酸分子量是15 24万，分子量分布在1.62 2.50 之间。
测试方法(下同)
重均分子量(Mw)，日本岛津公司LCsolution GPC， 30°C，色谱级
四氢呋喃淋洗液。
熔点(Tm)，美国TA公司DSCQ—IOO。样品在200。C熔融2分钟后， 在2(TC/min下降温至0'C，再从0°C以20°C/min的速度升温到200°C 。 Tm 从这个回合的升温曲线确定，其值是熔融峰的温度峰值。
本发明的目的具体可以通过以下措施达到
向装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入纯度是质量含量大于88%的乳 酸水溶液(优选纯度是质量含量为90。Z的L-乳酸水溶液)，体系在氮气或其 他惰性气体保护下，放入温度为60 18(TC油浴中，在真空下脱水1 8小时， 其真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至5 50KPa并维持在5 50KPa 进行反应。脱水结束后用氮气或其他惰性气体使体系回复常压，向反应体系 中分别加入醋酸亚锡和磺酸化合物。然后在温度为130 200'C真空下熔融聚 合3 20小时，其真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.1 1KPa并维 持在这个真空度进行反应。粉状或粒状的预縮聚在温度为90 180°C，高真 空下固相聚合8 120小时即得到聚乳酸，其中真空度在30 60分钟内逐步 从常压降低至0.1 0.5KPa并维持在这个真空度。本发明的方法克服了熔融结合固相聚合的直接法制聚乳酸的缺点，采用 直接縮合法縮短了反应周期，获得了同时具有高分子量的聚乳酸。由本发明 制备聚乳酸，其工艺简单，成本相对低廉。
具体实施方式
实施例1:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入100g纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入100。C的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.3g和甲磺酸1.6g。然后体系温度升至160°C，在压力为 0.3KPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。将预縮聚得到的产物淬冷粉碎，然后粉碎样品放入到ll(TC的 真空体系中，并将压力降到0.2KPa保持2小时后，升温至150'C固相反应24 小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分
子量为212000的聚乳酸，测试其熔点为nrc。
实施例2:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入100g纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入10(TC的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.3g和甲磺酸0.8g。然后体系温度升至160。C，在压力为 0.3KPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。将粒状的预縮聚放入到ll(TC的真空体系中，并将压力降到 0.2KPa保持2小时后，升温至15(TC固相反应24小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分子量为202000的聚乳酸，
测试其熔点为nrc。
实施例3:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入100g纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入11(TC的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.5g和乙磺酸1.0g。然后体系温度升至170°C，在压力为 0.8KPa条件下熔融反应4.5小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.8KPa。将预縮聚得到的产物淬冷粉碎，然后粉碎样品放入到ll(TC的 真空体系中，并将压力降到0.2KPa保持2小时后，升温至150'C固相反应24 小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分 子量为210000的聚乳酸，测试其熔点为168°C。 实施例4:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入lOOg纯度是质量含量 为90。/^的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入10(TC的 油浴中，压力为20KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至20KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常 压后，加入醋酸亚锡0.3g和对甲苯磺酸0.4g。然后体系温度升至14(TC，在 压力为0.2KPa条件下熔融反应8小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从 常压降低至0.2KPa。将粒状预縮聚放入到ll(TC的真空体系中，并将压力降 到0.2KPa保持2小时后，升温至170。C固相反应14小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分子量为230000的聚乳酸， 测试其熔点为170°C。 实施例5:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入lOOg纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入10(TC的 油浴中，压力为5KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至5KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.7g和甲磺酸1.6g。然后体系温度升至160°C，在压力为0.3KPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。将预縮聚得到的产物淬冷，并粉碎成0.15 3mm之间粒子， 然后粉碎样品放入到ll(TC的真空体系中，并将压力降到0.2KPa保持2小时 后，升温至15(TC固相反应40小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常 压降低至0.2KPa。得到重均分子量为265000的聚乳酸，测试其熔点为170°C。 实施例6:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入100g纯度是质量含量 为90X的D-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入100。C的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水2小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.3g和甲磺酸0.8g。然后体系温度升至160°C，在压力为 0.3KPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。将预縮聚得到的产物淬冷，并粉碎成0.15 3mm之间粒子， 然后粉碎样品放入到ll(TC的真空体系中，并将压力降到0.2KPa保持2小时 后，升温至15(TC固相反应24小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常 压降低至0.2KPa。得到重均分子量为198000的聚乳酸，测试其熔点为170°C。 实施例7:
向250mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入lOOg纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入6(TC的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水7小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.3g和甲磺酸1.6g。然后体系温度升至130°C，在压力为 0.3KPa条件下熔融反应20小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。粒状的预縮聚放入到90。C的真空体系中，并将压力降到0.2KPa 保持4小时后，升温至150。C固相反应24小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分子量为195000的聚乳酸，测试其 熔点为172.4°C。
ii
实施例8:
向250rnL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入lOOg纯度是质量含量 为90X的L-乳酸，体系在氮气或其他惰性气体保护下。将体系放入170。C的 油浴中，压力为6KPa的条件下搅拌脱水1小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至6KPa;然后用氮气或其他惰性气体回复反应体系到常压 后，加入醋酸亚锡0.3g和甲磺酸1.6g。然后体系温度升至185°C，在压力为 0.3KPa条件下熔融反应3小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降 低至0.3KPa。粒状的预縮聚放入到90。C的真空体系中，并将压力降到0.2KPa 保持4小时后，升温至10(TC固相反应110小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至0.2KPa。得到重均分子量为191000的聚乳酸，测试其 熔点为169'C。 比较例1:
向500mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入IOOg纯度是质量含量 为90X的L-乳酸和氯化亚锡0.3g、苯磺酸0.4g，体系在氮气或其他惰性气 体保护下。加热至IO(TC，在压力为40KPa的条件下开搅拌脱水1小时；其 中真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至40KPa。然后体系温度升至 160°C，在压力为lKPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟 内逐步从常压降低至0.3KPa。将预縮聚得到的产物淬冷，并粉碎成0.15 3mm之间粒子，然后粉碎样品放入到ll(TC的真空体系中，真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至0.2KPa，程序控制温度9(TC升至140°C，反应 38小时。得到重均分子量为125000的聚乳酸，测试其熔点为164'C。
比较例2:
向500mL装有搅拌器和冷凝管的三颈烧瓶里加入100g纯度是质量含量 为90%的L-乳酸和氯化亚锡0.8g、苯磺酸l.Og，体系在氮气或其他惰性气体 保护下。加热至IOCTC,在压力为40KPa的条件下开搅拌脱水1小时；其中 真空度在30 60分钟内逐步从常压降低至40KPa。然后体系温度升至16(TC， 在压力为lKPa条件下熔融反应7小时，其中真空度在30 60分钟内逐步从
常压降低至0.3KPa。将预縮聚得到的产物淬冷，并粉碎成0.15 3mm之间 粒子，然后粉碎样品放入到IIO'C的真空体系中，真空度在30 60分钟内逐 步从常压降低至0.5KPa，程序控制温度卯'C升至140°C，反应38小时。得 到重均分子量为83000的聚乳酸，测试其熔点为154°C。
权利要求
1、一种聚乳酸制备的方法，其特征在于包括如下步骤A)以乳酸为原料，先在温度为60～180℃的真空下脱水1～8小时；然后以醋酸亚锡和磺酸化合物为复合催化剂，在温度为130～200℃的真空下熔融聚合3～24小时，得到预缩聚产物；B)将预缩聚产物在温度为90～180℃的真空下固相聚合8～120小时，得到聚乳酸。
2、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于所述的磺酸化 合物为甲磺酸、乙磺酸或对甲苯磺酸，其用量为乳酸质量的3000 20000ppm。
3、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于醋酸亚锡的用 量为乳酸质量的1000 8000ppm。
4、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于原料乳酸为纯 度是质量含量大于88%的乳酸水溶液，其中乳酸为L-乳酸、D-乳酸或L-乳 酸与D-乳酸的混合物。
5、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于原料乳酸先在 温度为60 18(TC、真空度为5 50KPa的真空下脱水l 8小时，其中真空 度在30 60分钟内逐步从常压降至5 50KPa。
6、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于原料乳酸脱水 后在温度为130 200°C 、真空度为0.1 1KPa的真空下熔融聚合3 20小时， 其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降至0.1 1KPa。
7、 根据权利要求1所述的聚乳酸制备的方法，其特征在于预縮聚产物在 温度为90 180°C、真空度为0.1 0.5KPa的真空下固相聚合8 120小时， 其中真空度在30 60分钟内逐步从常压降至0.1 0.5KPa。
全文摘要
本发明涉及一种乳酸直接缩聚制备高熔点聚乳酸的方法。本方法以乳酸为原料，先经过脱水处理，再在醋酸亚锡和磺酸组成的复合催化剂的存在下，反应进行预缩聚，得到预缩聚产物；将预缩聚产物进行固相聚合反应，最后得到聚乳酸。该方法采用直接缩合法缩短反应周期，获得了同时具有高分子量的聚乳酸。由本发明制备聚乳酸，其工艺简单，成本相对低廉。
文档编号C08G63/06GK101376687SQ200710131099
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者波 于, 勇 何, 曹晓秀, 朱可新, 玲 樊, 晓 郭 申请人:东丽纤维研究所(中国)有限公司