超临界二氧化碳中左旋精氨酸引发合成聚乳酸及其共聚物

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生物可降解材料聚乳酸(PLA)通常被称为“生物塑料”,聚乳酸可通过水解进行生物降解,产生的乳酸可以在体内或环境中分解为水和二氧化碳。PLA的结晶性能优异,结构规整,但脆性高,易折,且降解速率慢。为了改善其性能,将其与已交酯(GA)共聚得到共聚物(PLGA),并通过调整投料比,可控制产物的结晶度与降解速率,PLGA可广泛用于医药、医疗、医学诊断等行业。内酯开环聚合的催化剂可分为金属催化剂和非金属催化剂。近年以辛酸亚锡(SnOct2)为代表的金属催化剂被广泛使用,尽管美国食品药品监督管理局(FDA)已批准其可用于医用聚合物的合成,但规定产物中残留锡含量限制为20ppm,如高于这个标准则存在着潜在的安全问题。柠檬酸(Citric Acid)和左旋精氨酸(L-Arg)可作为内酯开环聚合的催化剂和引发剂。柠檬酸可来源于天然植物,也是人体新陈代谢的中间产物,左旋精氨酸是人体所必须的氨基酸之一,因此这两种物质是绿色安全的。又因其特殊的化学结构而决定了在内酯引发与催化过程中可以高效的发挥作用。超临界二氧化碳(ScCO2)是一种绿色溶剂,与传统溶剂相比具有绿色无毒、副反应少、易于操作等优点。分散聚合法是ScCO2聚合的一类重要方法,而稳定剂是分散聚合能否顺利进行的关键。稳定剂对产物的分子量、分散性和形貌等性能具有重要的影响。本文使用柠檬酸催化ε-己内酯(ε-CL)合成稳定剂,并将其用于在ScCO2中由左旋精氨酸引发合成聚丙交酯及其共聚物。本论文的主要研究内容有:(1)以柠檬酸为催化剂,羟丙基封端的聚二甲基硅氧烷(HTPDMS)为引发剂,进行己内酯(ε-CL)的分散开环聚合,合成得到了一系列具有不同比例的三嵌段PCL-PDMS-PCL稳定剂。探究了合成产物在ScCO2中不同温度下的溶解度和CO2的浊点密度,研究了作为稳定剂在ScCO2中用于左旋聚乳酸(PLLA)分散聚合的性能。在催化剂与单体的摩尔比为1:7,反应温度为65℃,反应时间为16h时,可获得性能最佳的稳定剂;由实验结果可知,合成的各比例稳定剂均可用于ScCO2分散聚合,在相同反应条件下,编号为SB121的稳定剂在载入量为5 wt%时得到的产物综合性能最好。(2)以ScCO2为绿色溶剂,左旋精氨酸为引发剂,PCL-PDMS-PCL三嵌段共聚物为稳定剂,对左旋丙交酯(L-LA)的开环分散聚合进行了研究。考察了反应温度、反应压力和反应时间对产物性能的影响,并给出了聚合反应的合成路线和机理。实验结果表明,在压力为12MPa,温度为130℃和反应时间为48h时,制备的产物PLLA是具有良好分散性细粉(9μm)、较高的数均分子量(11700g/mol)和较好的分散系数(1.31)。并进行了聚合反应的动力学研究,结果表明,该反应是可控的活性聚合反应,且为一级动力学反应。(3)以L-Arg为引发剂,PCL-PDMS-PCL三嵌段共聚物为稳定剂,在ScCO2中,对L-LA与乙交酯(GA)的无规共聚进行了研究。以LA与GA的摩尔比为5:5的条件,通过中心复合设计法(CCD)设计了系列实验方案,并对实验结果进行了优化,得到最佳反应条件是反应温度为137.0℃,反应时间为43.2h,在此条件下可获得数均分子量为7053(g/mol)的产物PLGA。另外,在此条件下制备了3:7与7:3的PLGA,并对三种比例的PLGA进行了结构、结晶性与热力学性能分析。实验结果表明,共聚物中LA与GA比例的实验值与理论值基本一致,LA与GA比例为7:3时PLGA的结晶性最好,且Tg与Tm值适合于后期的加工处理。(4)使用GaussView5.0软件,根据化学式建立了原料及各阶段产物的分子模型,再使用Gaussian09软件优化了所建模型的几何构型,并对最优模型进行了单点能的计算,振动频率的分析。由计算结果可知,由单体开始至三聚体各阶段的单点能(SP)逐步降低,稳定性逐步提高,由此可得该聚合反应为可控的活性聚合,这个结论与实验结论是一致的。同时使用震动频率(Freq)分析得到的红外谱图与实验测定的结果也基本一致。
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