CN101981082A - 制造稳定的聚丙交酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造聚丙交酯的方法，该方法包括以下步骤：将丙交酯和聚合反应催化剂结合，将上述混合物在聚合反应条件下形成液态的聚丙交酯，添加有机过氧化物，将液体聚丙交酯经过脱挥发分步骤，使聚丙交酯凝固。

Description

制造稳定的聚丙交酯的方法

技术领域

本发明涉及一种制造稳定聚丙交酯的方法。

背景技术

聚丙交酯(polylactide)，也被称为聚乳酸(polylactic acid)，在生物基聚合物领域，例如包装材料上是一种很有前途的材料。由于它的高生物相容性和再吸收能力，使其在生物医学领域也成为一种有吸引力的材料。可以衍生自可再生资源的事实使得其作为衍生自石油的聚合物的可持续替代品特别有吸引力。聚丙交酯可以由乳酸通过缩合反应聚合来获得。然而Dorough在US 1,995,970中已认识到并公开得到的聚丙交酯具有有限的价值，因为缩聚无法生产出所需高分子量的聚酯。

因此，大多数关于生产聚丙交酯的方法的出版物都公开了聚合乳酸形成预聚物，随后通过催化剂解聚形成粗丙交酯(也就是闭环反应)的第一步骤，和粗丙交酯在提纯后用作第二步骤的起始原料，即通过开环聚合作用制备聚丙交酯。为了本说明书的目的，术语聚丙交酯和聚乳酸可以互换使用。

在高温聚合物加工中经常遇到的普遍问题是产品由于不够稳定而解聚。除非采取合适的预防措施，否则取决于温度和压力条件，聚丙交酯由于形成丙交酯而易褪色和分子量降解。

US 5,338,822描述了熔融-稳定的丙交酯聚合物，其包含优选具有数均分子量大约10000到大约300000g/mol的多个聚丙交酯聚合物链，丙交酯浓度为低于约2wt％，水的浓度为低于约1000ppm，和稳定剂。该稳定剂可以包括抗氧化剂或水清除剂。优选的抗氧化剂是含亚磷酸盐化合物、受阻酚类化合物、或其它酚类化合物。该公布指出，其优选保持低催化剂浓度来增加产品的稳定性。然而这导致了聚合反应速率下降。还可以通过使用溶剂清除聚合物中的催化剂来增加产品稳定性，这需要一个额外的处理步骤，或通过添加催化剂失活剂。引用的合适的催化剂失活剂为受阻烷基、芳基和酚酰肼，脂肪族和芳香族的单-和二羧酸的酰胺，环酰胺，脂肪族和芳香族醛的腙和二腙，脂肪族和芳香族的单-和二羧酸的酰肼，双酰化的肼的衍生物，杂环化合物和它们的混合物。然而出现了这些化合物在稳定聚丙交酯时并不总是有效的情况。

US 6,353,086描述了一种使用选自亚磷酸酯抗氧化剂和多官能羧酸中的失活剂稳定含有乳酸残基的聚合物组合物的方法，再次出现这些化合物在稳定聚丙交酯时并不总是有效的情况。

WO99/50345描述了一种制造具有低含量乳酸残基的PLA的方法，其含有0.01至2wt％的催化剂失活剂，该催化剂失活剂的每个分子平均包括大于两个羧酸基团。例如失活剂是聚丙烯酸。

US 6,153,306描述了一种聚丙交酯涂布纸或板产品。

US 5,998,552描述了一种制造特殊性能PLA的方法。公开了各种稳定剂的使用。

US 6,559,244描述了在熔化过程中向PLA加入过氧化物。

EP 882751描述了一种使用甘油或丁内酯作为助催化剂制备可生物降解的聚酯例如PLA的方法。

US 5,844,066描述了加入一种有机螯合剂到乳酸基聚酯来使酯化催化剂失活。

在聚丙交酯制造领域中，不断需要新的工艺以找到许多不同的，经常是矛盾的需求之间的一个平衡。略举数例，高聚合反应速率是令人向往的特征，另一个令人向往的特征是得到的产品具有高稳定性，特别是在熔体中的高稳定性。进一步，有时人们期望保持组合物尽可能的简单，例如，通过避免加入助催化剂来增加反应速率，或通过避免加入额外的稳定剂。进一步期望的特征是具有良好色泽；清晰透明的产品比淡黄色产品更有吸引力。进一步地，期望减少或阻止可以在处理装置上沉积的丙交酯蒸气的形成。聚合物中大量聚丙交酯的存在也可有害地影响到聚合物的机械性能和可加工性。

发明内容

根据本发明，这种需求通过提供一种制造聚丙交酯的方法来解决，该方法包括以下步骤：将丙交酯和聚合反应催化剂结合，将混合物在聚合条件下形成液态的聚丙交酯，添加有机过氧化物，使液体聚丙交酯经过脱挥发分步骤以及使聚丙交酯凝固。

注意到WO95/18169描述了可加工的聚(含氧酸)，例如通过在熔化处理过程中向聚合物中加入0.05-3wt％的过氧化合物使其稳定的聚丙交酯，该过氧化合物降解产生一个或多个酸基团。这种产品具有良好的熔体强度和弹性。在该参考文献中过氧化合物在聚合物熔化处理过程中添加，而不是，根据本发明中的要求，在聚合和脱挥发分过程之间加入。发现根据本发明在制造过程中的该特定时机加入有机过氧化物会使得聚合物产率提高，并且减少聚合物解聚。

根据本发明的方法，已经发现高聚合反应速率可以与产品的高稳定性、特别是在熔体中的高稳定性结合。进一步，在一个实施方案中，可以省去加入助催化剂。进一步，得到的产品具有良好的颜色，良好的稳定性，和低丙交酯含量。

如上所指出，在根据本发明的方法中第一步是丙交酯和聚合反应催化剂结合。

在本发明中用作起始原料的丙交酯可以是L-丙交酯(由两个L-乳酸分子获得)，D-丙交酯(由D-乳酸分子获得)，内消旋丙交酯(由L-乳酸分子和D-乳酸分子获得)，或以上两种或更多种的混合物。具有大约126℃熔点的50/50的L-丙交酯和D-丙交酯的混合物常常在文献中被称为D，L-丙交酯。当使用高熔点的丙交酯时，根据本发明的方法特别吸引人。因此，在本发明的一个实施方案中，用作起始原料的丙交酯是含有至多50％的其它丙交酯的L-丙交酯。例如，用作起始原料的丙交酯可以是含有50至10％D-丙交酯的L-丙交酯。在另一个实施方案中，丙交酯是基本上纯的L-丙交酯，其中″基本上纯″的含义是它可以含有至多10wt％的其它丙交酯，例如，至多5wt％，或至多2wt％。在另外的实施方案中，丙交酯是基本上纯的D-丙交酯，其中“基本上纯”的含义是它可以含有至多10wt％的其它丙交酯，例如至多5wt％，或至多2wt％。

用于本发明中的合适的催化剂为本领域已知的用于丙交酯聚合反应的那些。在一个实施方案中，用于本发明的催化剂是具有以下通式的催化剂：

(M)(X1，X2…Xm)n

其中M是选自元素周期表的2、4、8、9、10、12、13、14和15族的金属，(X1，X2……Xm)独立地选自烷基、芳基、氧化物、羧酸根、卤化物、醇盐、烷基酯的组，m是从1到6的整数，和n是从0到6的整数，其中m和n的值取决于金属离子的氧化态。

在第2族中优选使用Mg。在第4族中优选使用Ti和Zr。在第8族中优选使用Fe。在第12族中优选使用Zn。在第13族中可以提到使用Al、Ga，In和Tl。在第14族中优选使用Sn和Pb。在第15族中优选使用Sb和Bi。一般说来，优选使用第4、14和15族的金属。M优选选自Sn、Pb、Sb、Bi和Ti。可以特别优选使用Sn基催化剂。

对于卤化物可以提及的是如SnCl2、SnBr2、SnCl4和SnBr4的锡卤化物。对于氧化物可以提及的是SnO和PbO。对于烷基羧酸根，可以提及的是辛酸根(＝2-乙基己酸根)、硬脂酸根和乙酸根，例如以下的形式：辛酸Sn、(又称二(2-乙基己酸)Sn(II))、硬脂酸Sn、二乙酸二丁基锡、三(2-乙基己酸)丁基锡、(2-乙基己酸)Sb、(2-乙基己酸)Bi、三乙酸Sb、(2-乙基己酸)Na、硬脂酸Ca、硬脂酸Mg、和硬脂酸Zn。其它的合适的化合物包括四苯基锡、三(乙二醇)Sb、铝醇盐和锌醇盐。

在一个实施方案中，以上通式中的M是在其最低氧化态的金属离子，其中该金属离子也具有更高的氧化态。这组中优选的金属离子包括Sn(II)、Pb(II)、Sb(III)、Bi(III)和Ti(II)。认为这些特殊类型的催化剂和过氧化物的结合产生了高度稳定的聚丙交酯组合物，在这些实施方案中特别优选使用Sn(II)催化剂。关于这个实施方案中合适的催化剂的进一步说明，参考以上所提到的。

可以优选使用二(2-乙基己酸)Sn(II)，也称作辛酸锡，因为这种材料可商业购得并可溶于液体丙交酯。进一步，该化合物已经得到FDA的批准。

催化剂的使用量影响了聚合反应速率以及最终产品的稳定性。当使用更多催化剂时，聚合反应速度提高。另一方面，在现有技术的方法中，已知更多催化剂存在对于产品的熔融稳定性有不利的影响。在本发明中，聚合反应后加入过氧化物抵消了稳定性问题，因此有可能比本领域通常使用的技术使用更高的催化剂浓度。

以金属重量计，该催化剂浓度通常至少5ppm，更特别是至少10ppm。当与常规相比使用更大的量时，催化剂浓度是至少30ppm，更特别是至少50ppm。催化剂浓度一般为至多1300ppm，特别是至多500ppm。

如果确实需要，聚合步骤可以是在助催化剂即进一步提高聚合反应速率的化合物存在下进行。合适的助催化剂为本领域已知的。参考例如US 6,166,169。该文献描述了具有以下通式的助催化剂：

(Y)(R1，R2…Rq)p

其中Y是选自周期表15或16族的元素，(R1，R2……Rq)是选自烷基、芳基、氧化物、卤化物、烷氧基、氨基烷基、硫代烷基、酚盐、氨芳基、硫代芳基的化合物组中的一种的取代基，q是从1到6的整数，和p是从0-6的整数。助催化剂的用量通常与催化剂的用量具有相同数量级，例如催化剂与助催化剂的摩尔比率在50∶1到1∶50。US 6,166,169指出助催化剂优选包括磷化合物、特别是P(R1、R2、R3)3，其中R1、R2、R3独立地选自芳基和烷基。指出特别优选的是P(Ph)3。选择适当的助催化剂属于本领域技术人员的能力范围。

然而根据本发明一个实施方案中，该方法在基本上不存在添加的含磷化合物的情况下进行，因为怀疑它们可以干涉过氧化物的稳定活性。“基本上不存在添加的含磷化合物”的含义是指没有向体系加入会显著影响聚合物的聚合反应速率的量的含磷化合物。

在本发明的一个实施方案中，聚合反应在基本不存在添加的助催化剂的情况下进行。当希望限制不同组分在聚合物体系中的数量时，该技术方案可能是吸引人。“在基本不存在添加的助催化剂”的含义是指体系中没加入足够能显著影响聚合物的聚合反应速率的量的助催化剂。在该实施方案中优选使用上述的提高的催化剂浓度。

将混合物在聚合反应条件下形成聚丙交酯。该聚合反应可在间歇过程、半连续过程或连续过程中进行。在连续过程进行该聚合反应被认为是优选的。该聚合反应优选是在惰性条件下进行。最终产品的数均摩尔质量(Mn)一般至少为10000克/摩尔，特别是至少30000克/摩尔，更特别是至少50000克/摩尔。根据本发明的方法的摩尔质量上限并不关键并且是根据情况可变的。它一般在500000以下，更具体地说低于300 000。

聚合反应一般在至少100℃的温度下进行，特别是至少160℃。聚合温度一般至多240℃，更特别是至多220℃。

聚合反应一直进行到以起始丙交酯计达到至少80％的转化率。更特别地，聚合反应可以进行到至少87％的转化率，更尤其是至少95％。理论上最大转化率当然是100％，但是由于热力学的原因不可能达到。得到的转化率一般最多在99％。在聚合后直接测定转化率。

根据本发明方法的下一步骤是向聚合物中加入有机过氧化物。这一般在聚丙交酯处于熔化状态的温度下进行。更特别地，这在上述给出的聚合温度范围之内的温度下进行。

当聚合反应已经结束后，也就是说达到最终的转化率百分数后，开始加入过氧化物。

然而，在制造高分子量聚合物的情况下，更吸引人的是在聚合反应已经基本上完成后加入过氧化物到组合物，例如，当转化率高于50％、更特别是高于60％、又更特别是高于70％，但是在已经获得最终的转化率百分数之前时。如果需要，过氧化物可以分两个或更多个部分在不同转化率下加入。在一个实施方案中，过氧化物分为至少两部分加入，其中一部分过氧化物在转化率高于50％但是低于达到最终转化率百分数时加入，其它部分在达到最终转化率百分数后加入。在该实施方案中，过氧化物也可以分为两个或更多个部分在不同转化率下加入。

合适的过氧化物是表现出半衰期使得当过氧化物与和聚合物在规定的温度下结合时至少部分过氧化物分解的那些。应当考虑当过氧化物加入到熔体中，过氧化物的稳定性应该使得在过氧化物于整个熔体内均匀化之前不会已经分解到不可接受的程度。这在制备非常粘稠的材料时可能特别重要。在一个实施方案中，过氧化物应使得在150-220℃下在1-60秒内过氧化物分解至少80％。更具体地说，过氧化物在150-220℃下在10到30秒内分解至少90％。

一般说来，只要符合上述的要求，可以使用以下组的有机过氧化物：通式为R-O-O-R′的二烷基过氧化物、通式为R-O-O-H的氢过氧化物、通式为R-(CO)-O-O-R′的过氧化酯、通式为R-(CO)-O-O-(CO)-R′的二酰基过氧化物、通式为R-O-(CO)-O-O-R′的过氧碳酸盐、通式为R-O-(CO)-O-O-(CO)-O-R′的过氧化二碳酸盐和通式为C(O-O-R)2R′R″的过氧缩酮。在以上所有通式中，R、R′和R″为1-20个碳原子、直链或支链的、取代或未取代的、饱和或不饱和的和具有或不具有杂原子的有机烷基或芳基。合适的过氧化物为现有技术中已知的和本领域技术人员通过上述给出的教导在能力范围内可以选择合适的材料。

合适的过氧化物包括过氧化苯甲酰、二月桂酰基过氧化物、叔丁基过氧基-二乙基乙酸酯、叔丁基过氧基-2-乙基己酸酯、叔丁基过氧基-异丁酸酯、叔丁基过氧基-乙酸酯、叔丁基过氧基-苯甲酸酯和联苯甲酰过氧化物。

过氧化物添加量一般为至少0.01wt％，尤其是至少0.05wt％。过氧化物添加量一般至多3wt％，尤其是至多2wt％。

虽然不希望被任何理论所限制，但是可以全部或部分解释过氧化物使聚丙交酯稳定的作用的理论之一被认为是关于催化剂的失活活性。在本发明的一些实施方案中，认为通过转化催化剂中的金属到更高氧化态，使得其作为(解)聚合催化剂不再具有或具有较少的活性，从而可以完全或部分地使催化剂失活。

过氧化物通过传统方式混合在整个聚合产品中。

在加入过氧化物后，液体聚丙交酯经过脱挥发分步骤。进行脱挥发分步骤来清除挥发物，尤其是没有反应的单体。在脱挥发分步骤得到的产品中，丙交酯单体一般以低于2wt％的含量，尤其是低于1wt％的含量，更特别是低于0.5wt％的含量存在。脱挥发分方法是聚丙交酯制造领域中为大家所熟知的，因此不需要进一步说明。

在脱挥发分步骤后使聚丙交酯凝固。其可以通过本领域中已知的方式被转化成颗粒。

本发明将通过以下实施例说明，但并不限制于以下实施列。

实施例1

通过在装有BEP 280磁性联轴器、锚式搅拌器、温度计和用于加热的外部油浴的1升B üch í实验室高压釜中将Pu-ralact L(来自PURAC)熔融聚合制备聚(L-丙交酯)，Pu-ralact L是聚合物级L-丙交酯((3S-顺式)-3，6-二甲基-1，4-二氧六环-2，5-二酮)。首先装有夹套的不锈钢反应器受热直到油温为160℃。接下来用氮气冲洗反应器和加入495克(3.44摩尔)的固体L-丙交酯。关闭反应器前，再次用氮气吹入。关闭反应器后，升高油温，丙交酯在搅拌下熔化。当熔体温度达到130℃，加入800ppm的己醇引发剂(来自Acros)和200ppm的辛酸亚锡聚合催化剂(SnOct₂，来自Sigma Aldrich，原样使用)。再次用氮气吹扫反应器，熔体温度提升到180℃。在引发剂和催化剂添加的时刻起，从观察到熔体粘度增加可以知道聚合反应开始。90分钟后，丙交酯转化率为96％并将熔融聚合物从反应器取出，用冰急冷并切成小块，通过Retch超离心研磨机和摇筛机将其碾磨成为＜200微米的颗粒。通过将它们保持在130℃下96小时使得这些颗粒达到它们的平衡丙交酯浓度。氯仿作为洗脱液的具有PS校正的PLLA均聚物的GPC分析和光散射检测显示重均分子量Mw为114kg/mol。

如此获得的PLLA不具备熔体稳定性并且在加热时发生热催化解聚。

为了改善熔体稳定性，将用商业购得的液态氢过氧化物处理上述获得的PLLA。

在圆底烧瓶中放入20克的PLLA颗粒和0.4克氢过氧化物在5克甲醇中的溶液。烧瓶被连接到B üchi RotaVap R-200并下降到70℃温度的油浴中。在连续转动下，氢过氧化物均匀地覆盖在PLLA颗粒上，同时甲醇在70℃的温度下蒸发。

通过具有板-板几何结构(D＝25mm，缝隙宽度1mm)的Anton-Paar Physica MCR 301流变仪来测量过氧化物涂覆PLLA颗粒的熔体粘度。流变仪的板和罩子被加热到190℃。当达到设定温度后，样品在板之间受热15分钟。多余的材料被从板上移除并且发现在190℃、10s^-1的角频率和10％应变下材料的复数粘度为650Pa.s。

对比实施例1

在圆底烧瓶中加入20克PLLA颗粒和5克甲醇。除了没有过氧化物存在，重复实施列1中的蒸发步骤。

在Anton-Paar板-板流变仪中190℃温度下熔化后的热塑性材料的复数粘度为115Pa.s。

这个结果表明在实施例1中提到的氢过氧化物的存在有效地抵消了材料在流变仪中熔化期间的降解。

对比实施例2

丙交酯经过与实施例1描述的相同的聚合条件，但是在开始聚合时和锡聚合催化剂一同加入0.10wt％的氢过氧化物。发现90分钟后的转化率为88％，而不是96％，并且Mw仅仅为64kg/mol。

实施例2

在连续中试规模聚合反应器中通过L-丙交酯(Pu-ralact L，来自Purac)的熔融聚合来制备PLLA。反应器由静态混合器的排列构成和连续地以25kg/hr加入熔融丙交酯、200ppm的SnOct₂催化剂和用来控制分子量的己醇。反应器在160-200℃的温度范围内运转。在一个试验中当达到最终聚合度时将氢过氧化物加入到熔融聚合物中。

所有制备的PLLA样品，不管它们是否含有过氧化物，从反应器中排出后含有大约7％的残留丙交酯和典型地显示出根据GPC vs.PS校准标准测定的Mn为100kg/mol。

熔体稳定性通过Anton Paar板-板流变仪测定的流变性能再次进行评价。表1显示了在180或190℃温度下11s^-1的角频率时的复数粘度数据。第三列给出PLLA熔融后直接测定的熔体粘度的绝对值。随后的列中给出了在时间间隔5分钟下进行的连续测量中的粘度减少，每次同以前测量得到的值比较。在聚合反应器最终部分中的经过氢过氧化物处理的PLLA样品呈现了较高的复数粘度和明显较少的流变仪中热处理时通过解聚的降解。

表1

可以从表1中看到，加入过氧化物显著地减少了随时间减少的粘度值。含有过氧化物的样品的结果更加显著，因为预期具有较高初粘度的这些样品比具有较低初始粘度的样品将显示更高的粘度减少。

这些实施例表明通过用氢过氧化物直接在丙交酯聚合后和在脱挥发分前对熔融物料进行处理，大大改进了反应器级聚丙交酯的熔体稳定性。

Claims (8)

1.一种制造聚丙交酯的方法，该方法包括以下步骤：将丙交酯和聚合反应催化剂结合，将上述混合物在聚合反应条件下形成液态的聚丙交酯，添加有机过氧化物，将液体聚丙交酯经过脱挥发分发骤，使聚丙交酯凝固。

2.根据权利要求1的方法，其中该催化剂是具有以下通式的催化剂：

(M)(X1，X2……Xm)n    (I)

其中M是选自元素周期表中2、4、8、9、10、12、13、14和15族的金属，(X1，X2……Xm)独立地选自烷基、芳基、氧化物、羧酸根、卤化物、醇盐、烷基酯的组中，m是从1到6的整数，和n是从0到6的整数，其中m和n的值取决于金属离子的氧化态。

3.根据权利要求2的方法，其中M是在它最低氧化态的金属离子，其中该金属离子还具有更高氧化态。

4.根据权利要求3的方法，其中M选自Sn(II)、Pb(II)、Sb(III)、Bi(III)和Ti(II)。

5.根据前述任一权利要求的方法，其中该催化剂用量为以金属计算至少5ppm，和以金属计算至多1300ppm。

6.根据前述任一权利要求的方法，其在基本不存在添加的含磷化合物的情况下进行。

7.根据前述任一权利要求的方法，其中聚合反应在基本不存在添加的助催化剂的情况下进行。

8.根据前述任一权利要求的方法，其中过氧化物使得至少80％的过氧化物在150-220℃的温度下在1到60秒内分解。