CN103193963A

CN103193963A - 超临界二氧化碳分散聚合稳定剂及其制备方法和使用方法

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Publication number: CN103193963A
Application number: CN2013101210958A
Authority: CN
Inventors: 詹世平; 黄星; 赵启成
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103193963B

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳分散聚合稳定剂，结构为聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯。稳定剂可用于PLLA的合成，反应条件19MPa、90℃，稳定剂用量为聚合反应单体质量的10～3%；制备的产品，可以直接用于药物缓释体系。本发明还给出了制备稳定剂的方法，以羟丙基硅油及己内酯为主要原料，经催化剂辛酸亚锡催化开环制备而成的ABA三元嵌段共聚物，其中羟丙基硅油与己内酯二者的质量比为2:1～1:1之间。本发明的稳定剂可以用于聚乳酸，聚乙丙交酯，聚己内酯等脂肪族聚酯在超临界二氧化碳里的分散聚合反应。本发明制备方法工艺简单，环境友好，其中二氧化碳可以重复循环利用，成本低，应用前景好。

Description

超临界二氧化碳分散聚合稳定剂及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳中的分散聚合反应，更具体地说，涉及生物材料聚乳酸(PLA)，聚乙丙交酯（PLGA），聚己内酯（PCL）等的合成，及其他功能材料的合成。

背景技术

超临界二氧化碳(ScCO₂)具有无毒、无污染、不燃、化学反应惰性以及价格低廉等特点。并且，其对非极性有机小分子有良好的溶解性，对聚合物有良好的溶胀作用，可降低聚合物的玻璃化转变温度，有利于聚合反应的进行。反应完成后，可通过减压的方法使CO₂与体系分离，并且在减压过程中，ScCO₂的萃取作用可将未反应的单体、引发剂及稳定剂萃出，避免了传统工艺中繁琐的后处理工序。因此使用ScCO₂代替有毒易挥发的有机溶剂作为反应介质是目前绿色化学工业研究的热点。

由于CO₂为非极性分子，ScCO₂对聚合物的溶解能力有限，在ScCO₂进行的聚合反应大部分属于非均相反应，通常需要添加稳定剂才可制备具有高分子量或精细形貌(如粉末或微球)的聚合物。目前，超临界二氧化碳的分散聚合反应已有大量报道，如一些高含氟官能团或高含硅氧烷基的聚合物以及极少量碳氢聚合物可作为ScCO₂中分散聚合稳定剂。但是这些稳定剂均难以满足用于工业化聚合反应的要求。这些稳定剂用于工业生产所面临的难题有：稳定剂成本昂贵(如含氟类稳定剂及大部分硅氧烷基稳定剂)、稳定剂本身具有毒性(如含氟类稳定剂)以及工作压力高(大部分硅氧烷基稳定剂与碳氢稳定剂，工作压力通常为34.5MPa)等。

发明内容

本发明提供一种无毒且成本低廉的ABA三元嵌段聚硅氧烷共聚物，用作稳定剂。这种稳定剂可以在较高的温度和较低的压力下(≤20MPa)发挥作用，而且这种稳定剂可以生物降解。本发明有助于ScCO₂聚合技术实现工业化，有利于绿色化学工业的发展。

为了达到上述目的，本发明提供了一种超临界二氧化碳分散聚合稳定剂，结构为聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯，如下所示：

其中，x=5～15之间的整数，n=30～40之间的整数。

本发明还提供了一种制备上述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的方法，其包括如下步骤：

在三口烧瓶中加入质量比为1:1～2:1，总质量为6～10g的羟丙基硅油与己内酯，加入60～80mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于120～135℃下共沸除水，当蒸出75～80%体积的甲苯后加入羟丙基硅油摩尔分数0.5%～5%的辛酸亚锡，继续蒸出3～5%体积的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至100～120℃，反应24～48h；反应结束后降温至20～30℃，加5～8mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的-18℃～0℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加5～8mL二氯甲烷溶解产物，再次用-18℃～0℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂。

优选方式下，所用的羟丙基硅油的分子量为3200。此外，稳定剂中聚二甲基硅氧烷链段为亲二氧化碳端，聚己内酯链段为亲聚合物端。制备过程中，所述辛酸亚锡为催化剂，催化羟丙基硅油开环聚合嵌段聚己内酯链段，优选方式下，辛酸亚锡的含量为羟丙基硅油的摩尔比为0.5%～2.5%。

本发明还提供了一种上述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的使用方法，稳定剂聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯用于PLLA的合成，制备PLLA粉末，反应条件为压力19MPa，温度90℃，其中所述稳定剂用量为聚合反应单体质量的10～3%。

优选方式下，所述稳定剂用量为聚合反应单体质量的5～3%。

一个优选使用方法，如下：在50mL不锈钢反应釜中加入2g L-丙交酯、0.06～0.2g稳定剂、45mg辛酸亚锡，20μL丁醇以及聚四氟乙烯转子，密封反应釜。缓慢通CO₂5min后加热，同时对反应釜进行加压，达到90℃、19MPa后，搅拌，反应20h，停止加热和搅拌，反应釜自然搅拌降温至室温，缓慢放气。打开反应釜，收集白色粉末状产物。

本发明公开了一种超临界二氧化碳中分散聚合稳定剂的制备方法。它以羟丙基硅油及己内酯为主要原料，经催化剂辛酸亚锡催化开环制备而成的ABA三元嵌段共聚物，其中羟丙基硅油与己内酯二者的质量比为2:1～1:1之间。该稳定剂可以用于聚乳酸(PLA)，聚乙丙交酯(PLGA)，聚己内酯（PCL）等脂肪族聚酯在超临界二氧化碳中的分散聚合反应。特别是经分散聚合反应可以直接制备粉末状的PLLA产品，后处理过程大大减少，制备的PLLA产品，可以直接用于药物缓释体系。该制备方法工艺简单，环境友好，其中二氧化碳可以重复循环利用，成本低，应用前景好。

附图说明

图1是本发明稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL的合成路线示意图。

图2是稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL及单体的FT-IR谱图。

图3是稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL的¹HNMR谱图。

图4是超临界二氧化碳中PLLA分散聚合的装置图。

图5是稳定剂用量对产物粒径分布的影响。

图6是不同稳定剂用量合成的PLLA粉末的SEM图，其中，图a是稳定剂用量为10%的情况，图b是稳定剂用量为5%的情况，图c是稳定剂用量为3%的情况。

具体实施方式

本发明一种用于超临界二氧化碳中聚合反应的稳定剂，以价格便宜的羟丙基硅油及己内酯为原料，经开环聚合制备了用于超临界二氧化碳分散聚合反应的稳定剂。其结构为聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯，具体结构如下：

稳定剂为聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯三元嵌段共聚物(PCL-b-PDMS-b-PCL)，在稳定剂分子中，聚二甲基硅氧烷链段作为亲CO₂部分，聚己内酯（PCL链段）作为亲聚合物(产物)部分；亲聚合物部分会通过范德华作用力与聚合物分子相互吸引，亲CO₂的聚硅氧烷链段在ScCO₂相中伸展，由于稳定剂的稳定作用，聚合物会在超临界二氧化碳中形成稳定的分散体系，从而可以提高产物分子量及改变产物形貌。

此外，稳定剂在制备过程中使用无水甲苯为溶剂，并通过共沸除水除去体系中反应物的痕量水分。制备过程中，稳定剂以辛酸亚锡为催化剂，催化羟丙基硅油开环聚合嵌段聚己内酯链段，辛酸亚锡的含量为羟丙基硅油的摩尔分数的0.5%～5%之间之间，最优选用量为0.5%～2.5%之间。

本发明选用工业生产的羟丙基硅油(Mn≈3200，AC-80，方舟（佛冈）化学材料有限公司)，既保证了稳定剂的成本低廉，又保证了稳定剂的低毒性，使此类稳定剂具有宽广的应用范围。

本发明的合成路线如图1所示，具体合成方法为：

在预先干燥100mL三口烧瓶中加入质量比为1:1～2:1，总质量为6～10g的羟丙基硅油与己内酯，加入60～80mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于120～135℃下共沸除水，当蒸出75～80%体积的甲苯后加入羟丙基硅油摩尔分数0.5%～5%的辛酸亚锡，继续蒸出3～5%体积的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至100～120℃反应24h～48h。反应结束后降温至20～30℃加5～8mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的-18℃～0℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加5～8mL二氯甲烷溶解产物，再次用-18℃～0℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL。

稳定剂的结构分析:

本发明是采用红外光谱(以下称FT-IR)及¹HNMR对所合成的聚硅氧烷基稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL的结构进行了分析表征。

图2显示了产物与单体的红外谱图对比情况。由图中可看出，产物中有酯类羰基C=O伸缩振动峰(1733cm^-1)，亚甲基C-H伸缩振动峰(2939cm^-1and2864cm^-1)，酯基的C-O伸缩振动峰(1000-1300cm^-1)，PDMS链段Si-C键的弯曲振动(800cm^-1)及Si-O键的伸缩振动峰(1097cm^-1)，从红外谱图上看，合成的产物确实是PCL-b-PDMS-b-PCL。

图3是PCL-b-PDMS-b-PCL的¹HNMR谱图。根据g位置的峰面积与c的峰面积可以计算出PCL链段的分子量，根据g位置峰面积与h位置的峰面积的比值可以计算PDMS链段的分子量

下面以稳定剂的合成及ScCO₂中聚L-乳酸（PLLA）的分散聚合为具体实施实例，阐述本发明的具体实施方法。

（1）稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL的合成

实例1、在预先干燥100mL三口烧瓶中加入3g羟丙基硅油与3g己内酯，加入80mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于125℃共沸除水，当蒸出50mL的甲苯后加入40mg的辛酸亚锡，继续蒸出4mL的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至120℃反应24h。反应结束后降温至20℃加6mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的-5℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加6mL二氯甲烷溶解产物，再次用-5℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL，产品质量为5.3g,，产率为88.3%，经核磁计算确定其最终分子量为1592-3200-1592。

实例2、在预先干燥100mL三口烧瓶中加入4.5g羟丙基硅油与3g己内酯，加入70mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于130℃共沸除水，当蒸出45mL的甲苯后加入50mg的辛酸亚锡，继续蒸出3.5mL的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至120℃反应24h。反应结束后降温至25℃加8mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的0℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加8mL二氯甲烷溶解产物，再次用0℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL，产品质量为6.5g,，产率为87.3%，经核磁计算确定其最终分子量为1022-3200-1022。

实例3、在预先干燥100mL三口烧瓶中加入2.5g羟丙基硅油与2.5g己内酯，加入75mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于120℃共沸除水，当蒸出50mL的甲苯后加入30mg的辛酸亚锡，继续蒸出4mL的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至100℃反应24h。反应结束后降温至常温加5mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的-18℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加入5mL二氯甲烷溶解产物，再次用-18℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂PCL-b-PDMS-b-PCL，产品质量为4.7g,，产率为93.3%，经核磁计算确定其最终分子量为1596-3200-1596。

（2）稳定剂参与分散聚合的效果表征

如图4所示超临界二氧化碳中PLLA分散聚合的装置图示意图，CO₂气瓶1输出的CO₂经气瓶开关3送至冷井4，再由高压计量泵5泵送，经截止阀7进入反应釜。图中，标号2为普通压力表、标号6为耐震压力表、标号8为数显压力表、标号9为蓝宝石可视窗片、标号10为温度转速控制器、标号11为加热模块、标号12为出料阀、标号13为加热带、标号14为收集器、标号15为放液阀、标号16为流量计。

使用上述装置制备PLLA的具体实施实例如下：

实例4、L-丙交酯（L-LA）的分散聚合在50mL不锈钢反应釜中进行，如图4所示。实验前用DMC将反应釜清洗干净，反应釜中加入2g L-LA、0.1g实例1中合成的稳定剂（5%单体质量）、45mg辛酸亚锡，20μL丁醇以及聚四氟乙烯转子，密封反应釜。缓慢通CO₂5min后加热，同时打开柱塞泵对体系进行加压，达到实验温度(90℃)和反应压力(19MPa)后，开动搅拌器；反应20h，停止加热和搅拌，反应釜自然搅拌降温至室温，缓慢放气。打开反应釜，收集白色粉末状产物，产率92%。

用凝胶渗透色谱(GPC，Shodex公司，四氢呋喃为流动相，40℃，流速1mL/min)测得产物PLLA的数均分子量(M_n)为1.1万，分子量分布(PDI)为1.19。.

实例5、具体操作同实例4单体L-LA用量为2g，0.2g实例1中合成的稳定剂（10%单体质量），45mg辛酸亚锡，20μL丁醇，反应时间20h，产品为白色粉末，数均分子量(M_n)为1.3万，分子量分布(PDI)为1.24。产率93%。

实例6、具体操作同实例4单体L-LA用量为2g，0.06g实例1中合成的稳定剂稳定剂（3%单体质量），45mg辛酸亚锡，20μL丁醇，反应时间20h，产品为白色粉末，数均分子量(M_n)为1.2万，分子量分布(PDI)为1.18。产率91%。

经激光粒度仪测定产物的粒径分布，如图5所示，数据显示稳定剂用量为5%时制备的PLLA粒径最小，分布最窄。

经钨丝灯扫描电子显微镜测定不同用量的稳定剂对产物形貌的影响，如图6所示，其中，图a是稳定剂用量为10%的情况，图b是稳定剂用量为5%的情况，图c是稳定剂用量为3%的情况；可以看出稳定剂用量5%时粒径最均一。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超临界二氧化碳分散聚合稳定剂，其特征在于，结构为聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯，如下所示：

其中，x=5～15之间的整数，n=30～40之间的整数。

2.一种制备权利要求1所述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在三口烧瓶中加入质量比为1:1～2:1，总质量为6～10g的羟丙基硅油与己内酯，加入60～80mL无水甲苯，连接分水器，在氩气保护下于120～135℃下共沸除水，当蒸出75～80%体积的甲苯后加入羟丙基硅油摩尔分数0.5%～5%的辛酸亚锡，继续蒸出3～5%体积的甲苯，撤换分水器为回流装置，降温至100～120℃反应24～48h；

反应结束后降温至20～30℃加5～8mL二氯甲烷溶解产物，缓慢滴加入10倍体积的-18℃～0℃的液态甲醇中，得到白色固态产物，重新加5～8mL二氯甲烷溶解产物，再次用-18℃～0℃的液态甲醇沉淀2次，除去未反应的单体，将产物置于真空干燥箱中30℃干燥至恒重，得到稳定剂。

3.根据权利要求2所述制备超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的方法，其特征在于，所述的稳定剂所用的羟丙基硅油的分子量为3200。

4.根据权利要求2所述制备超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的方法，其特征在于，聚二甲基硅氧烷链段为亲二氧化碳端，聚己内酯链段为亲聚合物端。

5.根据权利要求2～4任一所述制备超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的方法，其特征在于，所述辛酸亚锡为催化剂，催化羟丙基硅油开环聚合嵌段聚己内酯链段，辛酸亚锡的含量为羟丙基硅油的摩尔分数的0.5%～2.5%之间。

6.一种权利要求1所述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的使用方法，其特征在于，稳定剂聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯用于PLLA的合成，制备PLLA粉末，反应条件为压力19MPa，温度90℃，其中所述稳定剂用量为聚合反应单体质量的10～3%。

7.根据权利要求6所述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的使用方法，其特征在于，所述稳定剂用量为聚合反应单体质量的5～3%。

8.根据权利要求6或7所述超临界二氧化碳分散聚合稳定剂的使用方法，其特征在于，

在50mL不锈钢反应釜中加入2g L-丙交酯、0.06～0.2g稳定剂、45mg辛酸亚锡，20μL丁醇以及聚四氟乙烯转子，密封反应釜；

缓慢通入CO₂，5min后加热，同时对反应釜进行加压，达到90℃、19MPa后，搅拌，反应20h，停止加热和搅拌，反应釜搅拌降温至室温，缓慢放气；打开反应釜，收集白色粉末状产物。