CN102219986B - 生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子及其制备方法，其特点是使用物理气体发泡剂、采用模压物理气体发泡法、以熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯粒料为原料，在温度为T_m-25-T_m+15℃、压力为8-20MPa条件下，恒温保压5-20min，以5-30MPa/s速度卸压并在30s以内取样冷却，即可获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。由于发泡层比实体更利于药物释放和装填，加上生物可降解的特点，所以该中空发泡粒子的性能更加优异，可望在药物缓释、农用肥料缓释、填料贮存与使用等领域有广泛应用。本制备方法便捷、无溶剂、无杂质、绿色环保、粒子大小可控可调、工艺流程简单、适用范围广、生产周期短、成本低、适合工业化生产。

Description

生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯(PBAT)中空发泡粒子及其制备方法，属于高分子中空球材料或者中空胶囊领域。

背景技术：

聚合物中空材料是一种特殊结构的聚合物材料，其外壳部分为聚合物，内部为中空气泡。这种特殊结构的聚合物材料在食品、轻工、医药、石油化工、农牧业和生物技术等领域具有广泛的应用前景。目前所报道的制备中空材料方法多种多样，就属性而言可分为化学法(原位聚合法、界面聚合法等)、物理化学法(复合凝聚法、复合乳液法等)和物理法(空气悬浮法、喷雾干燥法等)，以模版合成或层层堆砌构造的方式，用无机、有机、半导体、金属、高分子等各类物质为原料制备中空材料，赋予光学、电学、热学、力学、光电学、磁学及催化等新的材料性能。进入21世纪，随着人们对微纳米技术研发热潮的兴起，现在报道最多的是微纳米级中空胶囊的制备技术，如中国专利CN1303140C和CN101785984A采用化学法成功制备了微米和纳米尺寸的聚合物中空材料，中国专利CN101773811A采用层层自组装法制备了微米尺寸的聚合物中空材料。尽管这类材料的应用还在探索，使用的安全性也有待研究评估，但这些制备技术所产生的精巧微纳米中空微球如同旷世的艺术品一样，让人不得不对发明者巧妙的构思和精湛的实验技术惊叹不已。

然而，实际应用中最常见的中空材料(如油墨控制释放胶囊)尺寸一般在2-200μm，壳层厚度为0.2-10μm，估计在材料加工或农业领域中毫米甚至厘米尺寸的中空材料可能更有发展应用的潜力，可是尚未有人能够制备。一般中空材料的壳层都为实心材料，不便于装填和释放包裹的活性物，这是公认的常识。如果把中空材料的壳层做成发泡材料，那么既可节省原材料，又可克服中空材料壳层性能的不足，但是目前还未见有其制备方法的报道。此外，目前制备中空材料的方法大多都比较复杂、繁琐、需要使用大量的有机溶剂、产品需要后处理、生产效率低、成本高、很难大规模工业化生产。与当今社会所倡导的节能减排、高效能、低碳、绿色环保的发展理念要求有很大的差距。因此，寻找一种成本低廉、绿色环保、生产效率高、应用范围广、产品尺寸可控可调、产品性能卓越，并可从聚合物原材料直接制备聚合物中空材料的普适方法迫在眉睫，也是该领域的制备技术所期盼的发展方向。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯(PBAT)中空发泡粒子及其制备方法，其特点是中空粒子的壳层为发泡材料而内部为中空结构；用物理气体发泡剂、采用物理气体发泡法制备而成；设备要求低、工艺流程简单、易于操作、生产周期短、生产成本低、有利于工业化生产。

本发明者认为，中空球材料或者中空胶囊无论采用什么制备方法或者过程都是向材料内部引入一个小气泡，最终形成由外壳包裹气体的中空结构。物理气体发泡法是将高压物理气体直接注入到高聚物熔体中达到饱和，然后快速卸压和冷却，而得到发泡材料。只不过人们通常关注的是如何得到泡孔大小均匀分布的发泡材料，而较少关注如何将注入的高压气体在发泡膨胀时保留在粒子内部，而形成发泡粒子中空的结构。本发明者发现，选用适当熔体强度的高聚物粒子作为原料，在一定的加工工艺条件下(温度、压力和卸压速度)，当高聚物熔体强度与卸压时高压气体快速向外膨胀发泡的张力不协调时，其熔体内部气泡就会破裂，形成更大孔洞的高聚物中空发泡粒子。

本发明选用生物可降解材料聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯(PBAT)粒子为原料，用物理气体发泡剂、采用物理气体发泡法直接制备外壳为发泡层的中空发泡材料，即中空发泡粒子或者中空发泡胶囊。

本发明的目的由以下技术措施实现：

首先，精确调控发泡工艺条件，让PBAT粒子熔体强度与物理发泡剂含量处于合适搭配，以保证快速卸压时粒子外层发泡膨胀但不破裂，而粒子中心内部破裂开孔但发泡粒子整体却不塌陷。

其次，选用适当的物理气体作为发泡剂，提高发泡剂在PBAT中的溶解度，以增强熔体膨胀发泡张力。一般来说CO₂、丁烷或戊烷等发泡剂在高聚物熔体中溶解度比氮气高，可以溶解更多的发泡剂，有助于得到发泡倍率更高的PBAT发泡材料。同时，我们也发现CO₂对PBAT的结晶具有溶剂化作用，可以降低结晶的熔融温度，从而降低发泡温度，使PBAT熔体处在更接近固化的发泡温度条件。这样有利于在卸压瞬间固化粒子皮层发泡材料结构，让粒子内部中心的PBAT过度发泡而破裂开孔。

再其次，选择适当熔体强度的PBAT聚合物作为原料。对于制备中空发泡材料的原料来说，材料熔体强度过低不容易发泡，熔体强度过高又不容易撕开内部熔体。为此，必须选用熔体强度适中的PBAT原料粒子。本发明选用了一种工业化生产的PBAT原料，发现其熔体强度适合制备PBAT中空发泡粒子。

最后，选择适当的发泡设备，通过精确调控发泡工艺参数，快速取走和冷却发泡样品，可实现上面的技术措施所要达到的目的。模压物理气体发泡装置(CN101612772A)适合这样的发泡要求，因为发泡后可以通过降低模压板，短时间(10-30s内)取走发泡样品，快速固化发泡结构，避免发泡粒子因过热而整体结构塌陷。此外，商业化生产的螺杆物理气体挤出发泡设备也符合要求，因为可以在模头出口快速切粒发泡，通过水冷或风冷快速固化发泡结构。可见，只要选择适当的发泡工艺条件，用模压物理气体发泡法和挤出物理气体发泡法均可制备出PBAT的中空发泡粒子。

本发明的实施方案概括如下：

1、一种生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯(PBAT)中空发泡粒子，它是使用熔点为T_m℃的PBAT聚合物的含添加剂的粒子在物理发泡剂存在下由物理气体发泡法制备而成，其粒径为3-15mm，其壳层为发泡层，发泡倍率为1.5-20倍，其特征在于发泡密度为0.06-0.82g/cm³，泡孔平均孔径为10-100μm，泡孔均匀分布，≥90％，优选≥95％，更优选≥98％的泡孔的直径偏差不超过平均孔径的15％，而粒子内部为中空，中空孔径为1-10mm。

2、根据以上1项所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子，其特征在于物理气体发泡法是模压物理气体发泡法、挤出物理气体发泡法或高压反应釜浸渍法。

3、根据以上1项所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子，其特征在于物理发泡剂为氮气、二氧化碳或3-8个碳原子的饱和脂肪烃中的任一种。

4、根据以上1项中所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子，其特征在于熔点为T_m℃的PBAT为己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯两种结构单元按10-90∶90-10(优选20-80∶80-20，更优选30-70∶70-30，再更优选40-60∶60-40)的摩尔比组成含量构成的共聚物，共聚物的熔点T_m℃随共聚组成含量而变化，熔点T_m℃是以10℃/min的升温速度测量PBAT聚合物的DSC熔融峰所对应的温度。

5、根据以上1项所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子，其特征在于添加剂是成核剂、增塑剂、抗氧剂、抗静电剂、阻燃剂和染色剂中的至少一种。添加剂的含量为0.5-20％，以不影响材料的可发泡性能和产生中空结构为度。

6、根据以上1-5项中任何一项所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用模压物理气体发泡法时，将熔点为T_m℃的PBAT聚合物作为原料与添加剂一起混合挤出的粒料，置于温度为T_m-25至T_m+15℃，优选T_m-20至T_m+10℃的高压模具内，保证粒料总体积不超过高压模具容积的1/25，向高压模具内充入8-20MPa，优选在10-16MPa的物理气体发泡剂，恒温保压5-20min，随后以5-30MPa/s的速度卸压至常压，在30s以内快速取样，室温冷却，即可获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。

7、根据以上1-6项中任何一项所述生物可降解的PBAT中空发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用挤出物理气体发泡法时，将熔点为T_m℃的PBAT、添加剂和物理气体发泡剂一起在挤出机中熔融混合，发泡剂的量由流量计控制，其注入量占挤出机物料进料(原料+添加剂+发泡剂)总和的2-25wt％，优选在5-15wt％，挤出机出口处的压力为8-20MPa，优选在10-16MPa，在T_m-25至T_m+15℃范围内优选在T_m-20至T_m+10℃范围内的温度下，在空气中挤出发泡，获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。

8、根据以上1-6项中任何一项所述生物可降解的PBAT高发泡倍率微孔发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用高压反应釜浸渍法时，将熔点为T_m℃的PBAT的含添加剂的粒料、分散剂和发泡剂一起在高压反应釜中搅拌混合均匀，只要调控加工条件使反应釜中浸渍压力为8-20MPa，优选在10-16MPa，在T_m-25至T_m+15℃范围内的温度下，优选在T_m-20至T_m+10℃范围内的温度下，浸渍恒温保压5-20min，然后以5-30MPa/s速度快速卸压至常压，取出发泡粒子，经通风干燥，即可获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。

性能测试：

采用游标卡尺和光学显微镜分析测试中空发泡粒子大小、发泡层孔径、厚度和中空尺寸。

将PBAT中空发泡粒子从中间切开，用游标卡尺或显微镜测量发泡层厚度和中空孔径；将发泡层切成薄片，放在光学显微镜下以观察泡孔均匀程度并测量泡孔直径。光学显微镜为爱国者数码观测王GE-5，其软件自带图像测量功能。

发泡粒子照片使用爱国者数码相机V1018拍照。发泡粒子发泡密度以标准ASTM D792-08进行测定。

发泡倍率计算公式：

$n=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}$

n：发泡倍率，ρ_p：树脂基体的密度，ρ_f：发泡粒子的密度。

本发明具有如下优点：

由于中空球外壳为发泡层，不仅可降低原材消耗和生产成本，还可赋予该种中空材料作为缓释材料更加优异的性能，因为发泡层比实体更利于药物释放和药物装填。此外，由于中空发泡粒子大小完全取决于原料粒子的大小，所以可以根据应用的需要，从微观到宏观调控制备不同大小的中空发泡粒子。本发明的制备技术原理具有普适性，所用的生产设备要求低，工艺流程简单，易于操作，生产周期短，生产成本低，有利于工业化生产。

PBAT是一种可以完全生物降解的材料，所选的物理气体发泡剂均无毒无污染，因此本发明的中空发泡材料生产过程和制备的PBAT中空发泡材料是完全绿色环保的。本发明所制备的PBAT中空发泡材料可作为一种特殊的生物降解的缓释材料，可与现有的缓释材料媲美，具有很强的市场竞争力。因此，本发明将有助于推动缓释材料领域向绿色环保方向发展，促进生物降解缓释材料的应用。

本领域的技术熟练人员可以根据本发明的原理和技术的精髓，通过改变原料粒子大小和加工工艺条件，制备出从微观到宏观尺寸的中空发泡粒子，且粒子外壳发泡层的孔径大小、发泡倍率、厚度以及粒子内部空腔的大小都可以根据需要进行调控。比如，用作生物医药的缓释材料，最终的产品可做成中空微纳米胶囊，可以采用溶液浸渍方法装填药物，然后植入到生物体的靶向部位，中空微胶囊的药物再缓释出来进攻靶位目标，最后胶囊的残留物生物降解或者消化。对于用作农用化肥的缓释材料，产品可以做成几毫米到几十毫米大小的中空发泡粒子，可以采用溶液浸渍方法装填肥料，也可以直接注入液体肥料，然后放到农作物或植物根部，随生长季节变化进行长期缓慢施肥，最后的废弃物可以生物降解，不造成环境污染。

附图说明：

图1为PBAT典型的原料粒子和中空发泡粒子照片

图2为PBAT中空发泡粒子的典型剖面照片：含有实体的中空结构和无实体的中空结构

图3为PBAT中空发泡粒子发泡层的典型泡孔形貌照片

具体实施方法：

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

本发明的实施例所用的PBAT原料的熔点为128.4℃，结晶热焓为19.09J/mg，PBAT原料粒子密度分别为1.23g/cm³。

实施例1

将PBAT粒子置于模压物理气体发泡装置中高压模具内，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。待模具达到设定温度110℃，充入16MPa的CO₂，恒温保压5-15min，随后以23MPa/s的速度卸压至常压。取出发泡材料，并对其进行光学显微镜分析和密度测量，其结果见表1。

表1不同保压时间所制备的PBAT中空发泡粒子结构性能比较

实施例2

将PBAT粒子置于模压物理气体发泡装置中高压模具内，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。待模具达到设定温度100-120℃，充入16MPa的CO₂，恒温保压15min，随后以23MPa/s的速度卸压至常压。取出发泡材料，并对其进行光学显微镜分析和密度测量，其结果见表2。

表2不同发泡温度所制备的PBAT中空发泡粒子结构性能比较

实施例3

将PBAT粒子置于模压物理气体发泡装置中高压模具内，保证粒子总体积不超过模具容积的1/25，使粒子有足够的空间进行发泡。待模具达到设定温度120℃，充入设定压力的CO₂，恒温保压15min，随后以一定的速度卸压至常压。取出发泡材料，并对其进行光学显微镜分析和密度测量，其结果见表3。

表3不同发泡压力所制备的PBAT中空发泡粒子结构性能比较

Claims (6)

1.一种生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子，它是使用熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯的含添加剂的粒子在物理发泡剂存在下由物理气体发泡法制备而成，其粒径为3-15mm，其壳层为发泡层，发泡倍率为1.5-20倍，其特征在于发泡密度为0.06-0.82g/cm³，泡孔平均孔径为10-100μm，泡孔均匀分布，≥90％的泡孔的直径偏差不超过平均孔径的15％，而粒子内部为中空，中空孔径为1-10mm；

其中，物理发泡剂为二氧化碳、3-8个碳原子的饱和脂肪烃中的任一种；添加剂是成核剂、增塑剂、抗氧剂、抗静电剂、阻燃剂和染色剂中的至少一种，其含量为0.5-20wt％。

2.根据权利要求1所述生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子，其特征在于物理气体发泡法是模压物理气体发泡法、挤出物理气体发泡法或高压反应釜浸渍法。

3.根据权利要求1所述生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子，其特征在于熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯为己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯两种结构单元按10-90∶90-10的摩尔比组成含量构成的共聚物，共聚物的熔点T_m℃随共聚组成含量而变化，熔点T_m℃是以10℃/min的升温速度测量聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯的DSC熔融峰所对应的温度。

4.根据权利要求1-3之一所述生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用模压物理气体发泡法时，可将熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯作为原料与添加剂一起混合挤出的粒料，置于温度为T_m-25-T_m+15℃的高压模具内，保证粒料总体积不超过高压模具容积的1/25，向高压模具内充入8-20MPa的物理气体发泡剂，恒温保压5-20min，随后以5-30MPa/s的速度卸压至常压，在30s以内快速取样，室温冷却，获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。

5.根据权利要求1-3之一所述生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用挤出物理气体发泡法时，可将熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯、添加剂和物理气体发泡剂一起在挤出机中熔融混合，发泡剂的量由流量计控制，其注入量占挤出机物料进料的原料+添加剂+发泡剂总和的2-25wt％，挤出机出口处的压力为8-20MPa，在T_m-25至T_m+15℃范围内的温度下，在空气中挤出发泡，获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。

6.根据权利要求1-3之一所述生物可降解的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯中空发泡粒子的制备方法，其特征在于当采用高压反应釜浸渍法时，可将熔点为T_m℃的聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯的含添加剂的粒料、分散剂和发泡剂一起在高压反应釜中搅拌混合均匀，只要调控加工条件使反应釜中浸渍压力为8-20MPa，在T_m-25至T_m+15℃范围内的温度下，浸渍恒温保压5-20min，然后以5-30MPa/s速度快速卸压至常压，取出发泡粒子，经通风干燥，即可获得壳层发泡而内部中空的中空发泡粒子。