CN104829822B - 星形梳状聚碳酸酯及其制备方法 - Google Patents
星形梳状聚碳酸酯及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一类星形梳状聚碳酸酯及其制备方法，该聚合物结构如下：An‑C，A为聚碳酸酯，C为星形大分子引发剂残基，n为星形支化度，n大于等于3；星形梳状聚碳酸酯An‑C的数均分子量为1×104‑70×104，聚碳酸酯的单臂数均分子量为0.1×104‑3×104；星形大分子引发剂为羟基化星形液体聚合物，其羟基数量为8‑60，其数均分子量为0.1×104‑1.3×104。以多官能团羟基化星形液体聚合物为引发剂、有机非金属碱为催化剂，通过环碳酸酯开环聚合制备的高枝化聚碳酸酯具有高分子量、窄分布的特点，无金属杂质残留；高分子量有效地提高了物理机械性能；高枝化结构有效地改善了加工性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料合成与制备技术领域，特别涉及到一类可生物降解的聚碳酸酯材料，其特征在于高分子量、高枝化星形梳状聚碳酸酯及其制备方法，本发明所制备的聚碳酸酯具有优异的物理机械性能和优良的加工性能。
背景技术
脂肪族聚碳酸酯由于可在有水的条件下或在生物体内降解，最终分解为CO2和水，可作为降解材料使用，而且结合其低毒、生物相容性好等优点，在医学上可用做手术材料、骨骼固定装置及药物载体等。但是到目前为止，对于脂肪族聚碳酸酯的制备、性能和应用尚有待于进一步研究和开发。
脂肪族聚碳酸酯有三种制备途径：(1)二元醇与碳酸酯或二元醇与氯甲酸酯的缩聚；(2)CO2与环氧化合物在有机金属催化剂存在下的共聚，比较典型的是二乙基锌体系催化剂和稀土催化剂；(3)环碳酸酯的开环聚合。由于开环聚合反应条件温和，聚合物结构容易控制，得到的聚合产物纯净而引起人们的日益关注，并且可以通过使用毒性较小且易于脱除的催化剂进行催化，所得到的聚合产物可以满足医学及食品业的需要，所以成为近年来的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一类星形梳状聚碳酸酯，这类星形梳状聚碳酸酯具有高枝化、高分子量、窄分布的特点，同时具有优异的物理机械性能和极佳的加工性能，是一类无毒、可降解、具有高度生物安全性的医用生物材料。本发明的另一个目的在于提供一种上述星形梳状聚碳酸酯简单高效的制备方法。本发明的技术特征在于以羟基化星形液体聚合物为星形大分子引发剂，所制备的星形梳状聚碳酸酯无金属残留。
一类星形梳状聚碳酸酯，其特征在于该聚合物具有如下结构：An－C，其中A为聚碳酸酯，C为星形大分子引发剂残基，n为星形支化度，n大于等于3；星形梳状聚碳酸酯An-C的数均分子量为1×104－70×104，优选为2×104－50×104；聚碳酸酯的单臂数均分子量为0.1×104－3×104，优选为0.2×104－2×104；星形大分子引发剂为羟基化星形液体聚合物，星形大分子引发剂中的羟基数量为8－60，优选为12-50；星形大分子引发剂的数均分子量为0.1×104－1.3×104，优选为0.2×104－1×104。
一类星形梳状聚碳酸酯的制备方法，其特征在于：在常压及惰性气体保护下，惰性气体选自氮气、氩气，依据产物分子量的大小，将催化剂有机非金属碱、单体环碳酸酯、有机溶剂、星形大分子引发剂羟基化星形液体聚合物依次加入到带有搅拌的反应器中，配制成单体环碳酸酯摩尔浓度为0.5－2M的溶液，打开搅拌，单体环碳酸酯与羟基的摩尔比为8－250，有机非金属催化剂与羟基的摩尔比为0.1－5，优选为0.5－2；聚合反应控制在0.25－15h，聚合反应温度控制在0－50℃，当反应结束后终止反应，终止剂与羟基的摩尔比为2－5，终止剂为苯甲酸，对聚合物溶液进行后处理、产品干燥，最终得到星形梳状聚碳酸酯An-C。本发明所涉及的一类星形梳状聚碳酸酯的制备方法与已报道的聚碳酸酯的合成方法相比，本质区别就在于本发明所使用的引发剂为多羟基化星形液体聚合物。
本发明所涉及的单体环碳酸酯选自三亚甲基环碳酸酯(TMC)、2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯(DTC)中的一种或几种的混合物。本发明所涉及的有机溶剂选自芳烃、卤代烷烃，其中芳烃选自苯、甲苯、乙苯、二甲苯、氯苯中的一种或几种的混合物，优选甲苯；卤代烷烃选自氯仿、二氯甲烷、三氯甲烷、溴乙烷、碘甲烷、1,2-二氯乙烷中的一种或几种的混合物，优选二氯甲烷。本发明所涉及的催化剂选自已有技术所公开的任何有机非金属碱，其中包括下列有机非金属碱中的一种或几种的混合物：胍类催化剂、脒类催化剂、膦腈类催化剂、硫脲类催化剂、吡啶类催化剂、氮杂环卡宾类催化剂、膦化物催化剂，优选自胍类催化剂、脒类催化剂。胍类催化剂选自1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)、氮甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(MTBD)；脒类催化剂选自1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)；硫脲类催化剂选自1-(3,5-双-三氟甲基-苯基)-3-环己基硫脲；吡啶类催化剂选自4-二甲基氨基吡啶(DMAP)、4-吡咯烷基吡啶(PPY)；氮杂环卡宾类催化剂选自1,3-双(2,4,6-三甲苯基)咪唑-2-亚基、1,3-二异丙基-4,5-二甲基-咪唑-2-亚基、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)-咪唑-2-亚基；膦化物催化剂选自三正丁基膦、三叔丁基膦、二甲基苯基膦、甲基二苯基膦、三苯基膦。
本发明所涉及的星形大分子引发剂选自已有技术所公开的任何多羟基星形液体聚合物，其中包括下列多羟基星形液体聚合物中的一种或几种多羟基星形液体聚合物的混合物：羟基化星形液体聚丁二烯，羟基化星形液体聚异戊二烯，羟基化星形液体丁二烯/异戊二烯共聚物，优选自羟基化星形液体聚丁二烯、羟基化星形液体聚异戊二烯。星形大分子引发剂羟基化星形液体聚合物的制备方法，其特征在于包括以下三个部分：星形液体聚合物的制备、环氧化星形液体聚合物的制备、羟基化星形液体聚合物的制备；其中星形液体聚合物和环氧化星形液体聚合物的制备方法参见中国发明专利ZL200710157403.7(丁二烯/异戊二烯/苯乙烯星形梳状聚合物及其制备方法)和ZL200810190932.1(星形梳状丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物及其制备方法)中所公开的制备方法；羟基化星形液体聚合物的制备方法，其特征在于：将溶剂四氢呋喃、环氧化星形液体聚合物加入到反应器中，在室温或25℃－30℃下搅拌均匀，滴加三氟甲磺酸水溶液，滴加完成后再反应3－4小时，加入三氯甲烷终止反应；用去离子水将胶液洗至中性后，蒸馏除去大部分溶剂，再用冷阱真空深冷与THF共沸进一步除去残留溶剂，得到透明胶液。
现以羟基化星形液体聚丁二烯为例说明本发明星形大分子引发剂的制备方法，但不局限于羟基化星形液体聚丁二烯，其它星形大分子引发剂的制备方法与下述方法相同。羟基化星形液体聚丁二烯的制备方法，其特征在于包括以下三个部分：星形液体聚丁二烯的制备、环氧化星形液体聚丁二烯的制备、羟基化星形液体聚丁二烯的制备；其中星形液体聚丁二烯和环氧化星形液体聚丁二烯的制备方法参见中国发明专利ZL200710157403.7(丁二烯/异戊二烯/苯乙烯星形梳状聚合物及其制备方法)和ZL200810190932.1(星形梳状丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物及其制备方法)中所公开的制备方法；羟基化星形液体聚丁二烯的制备方法，其特征在于：将40g溶剂四氢呋喃(THF)、5g环氧化星形液体聚丁二烯(环氧值为19.73％)加入到反应器中，在室温或25℃－30℃下搅拌均匀，滴加三氟甲磺酸水溶液(TfOH：2.8mL；H2O：10.26g)，滴加完成后再反应3.5小时，加入150mL三氯甲烷终止反应；用去离子水将胶液洗至中性后，蒸馏除去大部分溶剂，再用冷阱真空深冷与THF共沸进一步除去残留溶剂，得到透明胶液。
本发明的效果和益处就在于：采用星形大分子引发剂羟基化星形液体聚合物制备生物可降解材料聚碳酸酯，工艺流程简单高效，成本较低；引发剂不含金属，聚合物无金属杂质残留；高分子量、窄分布有效地提高了聚碳酸酯的物理机械性能；同时，高枝化结构有效地改善了高分子量、窄分布聚碳酸酯的加工性能。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但并非限制本发明权利要求保护的范围。羟基化聚丁二烯羟基化度(E)的测定：羟基化聚合物羟基化度采用1H-NMR方法测试，计算公示如下：
其中：羟基峰位置为3.4ppm和3.6ppm；聚丁二烯不同结构峰位置：1,2结构为4.9ppm、顺反1,4结构为5.4ppm。
实施例1
羟基化星形液体聚丁二烯的制备：采用经典的阴离子聚合方法，以环己烷为溶剂、正丁基锂为引发剂、四氯化硅为偶联剂，制备星形液体聚丁二烯，偶联前聚丁二烯的数均分子量为3000，偶联后产物星形液体聚丁二烯数均分子量为11600(采用凝胶渗透色谱仪GPC测试)，分子量分布指数(简称PDI，下同)为1.13。在250mL反应器中加入溶有上述液体聚丁二烯3.93g的甲苯溶液150mL，打开搅拌，当温度升至40℃时加入1.37g的98％甲酸，在30min内滴完2.47g的30％双氧水，反应2小时；用去离子水将胶液洗至中性后，蒸馏除去大部分溶剂，得到透明胶液，环氧度为12.26％(采用核磁共振法NMR测试)。取2.0g环氧化星形液体聚丁二烯，50g四氢呋喃于反应器中搅拌，将1.02g三氟甲磺酸溶于1.23g的去离子水中滴加到反应器中，反应3.5小时，加入250mL三氯甲烷终止反应。用去离子水将胶液洗至中性后，蒸馏出去大部分溶剂，再用冷阱真空深冷与THF共沸至恒重后，得到透明胶液；产物羟基化度为12.26％，羟基数为52.67，数均分子量为12000(GPC测试)，PDI为1.18。
实施例2
星形梳状聚碳酸酯的制备：常温常压，惰性气体氮气保护下，将1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)0.023g(按TBD与羟基的摩尔比为1计量)、0.037g实施例1中合成的羟基化星形液体聚丁二烯引发剂、0.83g三亚甲基环碳酸酯单体加入到8.5ml二氯甲烷中，单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为3200，反应1.5h。加入终止剂苯甲酸(按终止剂与羟基的摩尔比为3计量)，反应终止后对聚合物胶液进行后处理，干燥后进行分析测试，得到最终产品星形梳状聚碳酸酯。产物经GPC分析重均分子量9.7×104，数均分子量6.7×104，PDI为1.45，玻璃化转变温度为-19.5℃。
实施例3
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为10，单臂数均分子量为1000，TBD与羟基的摩尔比为0.2，反应15min，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量4.3×104，数均分子量3.3×104，PDI为1.30,玻璃化转变温度为-18.9℃。
实施例4
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为100，单臂数均分子量为6500，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量23.0×104，数均分子量16.3×104，PDI为1.41,玻璃化转变温度为-18.7℃。
实施例5
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为150，单臂数均分子量为12800，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量51.9×104，数均分子量33.3×104，PDI为1.56，玻璃化转变温度为-18.5℃。
实施例6
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为200，单臂数均分子量为18000，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量67.6×104，数均分子量45.7×104，PDI为1.48，玻璃化转变温度为-18.0℃。
实施例7
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为250，单臂数均分子量为21500，TBD与羟基的摩尔比为5，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量89.5×104，数均分子量58.1×104，PDI为1.54，玻璃化转变温度为-17.9℃。
实施例8
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为2100，TBD与羟基的摩尔比为0.5，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量4.5×104，数均分子量3.4×104，PDI为1.32,玻璃化转变温度为-19.6℃。
实施例9
星形梳状聚碳酸酯的制备：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为3000，TBD与羟基的摩尔比为2，有机溶剂为甲苯，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量10.7×104，数均分子量7.5×104，PDI为1.42,玻璃化转变温度为-19.2℃。
实施例10
星形梳状聚碳酸酯的制备：常温常压，惰性气体氮气保护下，将1，8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)0.05g(按DBU与羟基的摩尔比为2计量)、实施例1中合成的羟基化星形液体聚丁二烯引发剂0.037g、三亚甲基环碳酸酯单体0.83g加入到8.5ml二氯甲烷中，单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为2300，反应13h。加入终止剂苯甲酸(按终止剂与羟基的摩尔比为3计量)，反应终止后对聚合物溶液进行后处理，干燥后进行分析测试，得到最终产品星形梳状聚碳酸酯。产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量6.9×104，数均分子量4.9×104，PDI为1.40,玻璃化转变温度为-19.6℃。
实施例11
星形梳状聚碳酸酯的制备：常温常压，惰性气体氮气保护下，将氮甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(MTBD)0.05g(按MTBD与羟基的摩尔比为2计量)、实施例1中合成的羟基化线形液体聚丁二烯引发剂0.037g、三亚甲基环碳酸酯单体0.83g加入到8.5ml二氯甲烷中，单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为3300，反应15h。加入终止剂苯甲酸(按终止剂与羟基的摩尔比为3计量)，反应终止后对聚合物溶液进行后处理，干燥后进行分析测试，得到最终产品星形梳状聚碳酸酯。产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量8.4×104，数均分子量6.8×104，PDI为1.24,玻璃化转变温度为-18.9℃。
实施例12
羟基化星形液体聚异戊二烯的制备：制备方法同实施例1，产物羟基化度为12.73％，羟基数为33.95，数均分子量为9200(GPC测试)，PDI为1.16。以本实施例制备的羟基化星形液体聚异戊二烯为引发剂，制备星形梳状聚碳酸酯：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为100，单臂数均分子量为6200，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量11.9×104，数均分子量8.4×104，PDI为1.42,玻璃化转变温度为-18.4℃。
实施例13
羟基化星形液体聚丁二烯的制备：制备方法同实施例1，产物羟基化度为11.52％，羟基数为42.67。以本实施例制备的羟基化星形液体聚丁二烯为引发剂，制备星形梳状聚碳酸酯：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为50，单臂数均分子量为3800，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量6.3×104，数均分子量4.5×104，PDI为1.41,玻璃化转变温度为-18.9℃。
实施例14
羟基化星形液体聚丁二烯的制备：制备方法同实施例1，产物羟基化度为7.73％，羟基数为28.6。以本实施例制备的羟基化星形液体聚丁二烯为引发剂，制备星形梳状聚己内酯：试验配方和制备方法同实施例2，不同之处为单体三亚甲基环碳酸酯与羟基的摩尔比为100，单臂数均分子量为6800，TBD与羟基的摩尔比为1，产物星形梳状聚碳酸酯经GPC分析重均分子量12.8×104，数均分子量9.7×104，PDI为1.32,玻璃化转变温度为-18.0℃。
Claims (5)
1.一类星形梳状聚碳酸酯，其特征在于，该聚合物具有如下结构：An-C，其中A为聚碳酸酯，C为星形大分子引发剂残基，n为星形支化度，n大于等于3；星形梳状聚碳酸酯的数均分子量为1×104-70×104，聚碳酸酯的单臂数均分子量为0.1×104-3×104；星形大分子引发剂为羟基化星形液体聚合物，星形大分子引发剂中的羟基数量为8-60，星形大分子引发剂的数均分子量为0.1×104-1.3×104；其中羟基化星形大分子引发剂选自羟基化星形液体聚丁二烯、羟基化星形液体聚异戊二烯、羟基化星形液体丁二烯/异戊二烯共聚物中的一种或两种以上混合；
所述的一类星形梳状聚碳酸酯的制备方法，在常压及惰性气体保护下，依据星形梳状聚碳酸酯分子量的大小，将催化剂有机非金属碱、单体环碳酸酯、有机溶剂、星形大分子引发剂羟基化星形液体聚合物依次加入到带有搅拌的反应器中，配制成单体环碳酸酯摩尔浓度为0.5-2M的溶液，搅拌，单体环碳酸酯与羟基的摩尔比为8-250，催化剂有机非金属碱与羟基的摩尔比为0.1-5，聚合反应控制在0.25-15h，聚合反应温度控制在0-50℃，当反应结束后终止反应，终止剂与羟基的摩尔比为2-5，终止剂为苯甲酸，对聚合物溶液进行后处理、产品干燥，最终得到星形梳状聚碳酸酯An-C；其中催化剂有机非金属碱选自脒类催化剂、硫脲类催化剂、吡啶类催化剂、氮杂环卡宾类催化剂、膦化物催化剂中的一种或两种以上混合；羟基化星形大分子引发剂选自羟基化星形液体聚丁二烯、羟基化星形液体聚异戊二烯、羟基化星形液体丁二烯/异戊二烯共聚物中的一种或两种以上混合；有机溶剂选自芳烃、卤代烷烃中的一种或两种混合；
所述的有机溶剂芳烃选自苯、甲苯、乙苯、二甲苯、氯苯中的一种或两种以上混合；所述的有机溶剂卤代烷烃选自氯仿、二氯甲烷、三氯甲烷、溴乙烷、碘甲烷、1,2-二氯乙烷中的一种或两种以上混合。
2.根据权利要求1所述的星形梳状聚碳酸酯，其特征在于，所述的星形梳状聚碳酸酯An-C的数均分子量为2×104-50×104，聚碳酸酯的单臂数均分子量为0.2×104-2×104。
3.根据权利要求2所述的星形梳状聚碳酸酯，其特征在于，所述的星形大分子引发剂的数均分子量为0.2×104-1×104，星形大分子引发剂中的羟基数量为12-50。
4.根据权利要求3所述的星形梳状聚碳酸酯，其特征在于，所述的单体环碳酸酯选自三亚甲基环碳酸酯、2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯中的一种或两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的星形梳状聚碳酸酯，其特征在于，所述的催化剂有机非金属碱选自1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯、氮甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯、1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯中的一种或几种的混合物；所述的催化剂有机非金属碱与羟基的摩尔比为0.5-2。
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| CN104829822A (zh) | 2015-08-12 |
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