CN113024850A - 一种自由基聚合无溶剂制备聚乳酸微球的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由基聚合无溶剂制备聚乳酸微球的方法，属于材料领域。本发明将丙交酯、催化剂、引发剂和苯乙烯混合均匀后进行开环聚合和自由基聚合，本发明提出的一种自由基分散聚合方法，无需使用二氯甲烷、三氯甲烷等有机溶剂作为反应介质，所用原料成本低，制备方法简便。该方法使得开环聚合反应中丙交酯单体的反应效率较高，得到的聚乳酸微球具有较好的表面形态和稳定的粒径范围，整个反应高效清洁，绿色环保。

Description

一种自由基聚合无溶剂制备聚乳酸微球的方法
技术领域
本发明涉及一种自由基聚合无溶剂制备聚乳酸微球的方法，属于材料技术领域。
背景技术
聚乳酸是一种以可再生的植物资源(如玉米、马铃薯等)中的淀粉为原料制备而成的可生物降解热塑性聚酯。其生产过程绿色环保，最终降解产物为二氧化碳和水，不会造成环境污染。将聚乳酸制备成各种塑料制品，部分取代常规的不可降解石油基塑料制品，是解决当下塑料污染的重要方法之一。如果将聚乳酸制备成一种尺寸从1μm到900μm不等的微塑料颗粒，可以拓展聚乳酸微球在医药、农业、化妆品等领域的应用。
聚乳酸微球因其良好的可降解性和生物相容性得到人们的广泛关注，聚乳酸微球作为药物载体在生物医药领域有着广泛的需求。目前关于聚乳酸微球的制备方法主要有溶剂挥发法、喷雾干燥法、界面沉积法、超临界流体分散法、高压电喷射法(马喜峰.聚乳酸的合成及其微球制备研究新进展[J].化学工程师,2020,(12))，这些方法均需使用大量有机溶剂或者损耗大量热能，方法本身不安全且不环保，制备成本高昂。
发明内容
【技术问题】
本发明要解决的技术问题是：提供一种无需使用二氯甲烷、三氯甲烷等有毒溶剂，方法安全且环保的聚乳酸微球的制备方法。
【技术方案】
为了解决上述问题，本发明将丙交酯、催化剂、引发剂和苯乙烯混合均匀后进行开环聚合与自由基聚合，利用苯乙烯的自由基聚合以增大聚乳酸分子间的间距制备得到聚乳酸微球，制备过程中无需使用二氯甲烷、三氯甲烷等有毒溶剂作为反应介质，得到的聚乳酸微球产物得率高且有均匀的尺寸，良好的表面形态，反应原料成本远低于二氯甲烷或三氯甲烷作为反应介质，整个聚合反应高效清洁，绿色环保，具有一定的可推广性。本发明将丙交酯直接一步法制备成聚乳酸微球，提高聚乳酸微球的可加工性，降低制备难度。
本发明的第一个目的是提供一种制备聚乳酸微球的方法，所述方法是将丙交酯、催化剂、引发剂和苯乙烯混合均匀后，在80℃～200℃下进行聚合反应，制备得到聚乳酸微球，聚合过程中无溶剂。
在本发明的一种实施方式中，所述制备方法为：将丙交酯和苯乙烯在熔融状态下混合均匀，再加入丙交酯的催化剂和苯乙烯的引发剂，在80℃～200℃下进行丙交酯开环聚合反应与苯乙烯自由基聚合反应，制备得到聚乳酸微球。
在本发明的一种实施方式中，丙交酯和苯乙烯的质量比为1：(0.5～15)。
在本发明的一种实施方式中，丙交酯的催化剂为辛酸亚锡，加入量为丙交酯质量的0.1～1‰。
在本发明的一种实施方式中，苯乙烯的引发剂为偶氮二异丁腈，加入量为苯乙烯质量的0.5‰～0.5％。
在本发明的一种实施方式中，所述熔融混合的温度为80℃～130℃。
在本发明的一种实施方式中，熔融混合的条件为：温度80℃～130℃，真空度为-0.1～1MPa，时间0.5～1h，机械搅拌转速为50～400转/分钟，作用是为了原料混合均匀，同时去除原料中的水；除水方式为减压蒸馏法。
在本发明的一种实施方式中，苯乙烯自聚合条件优选为：氮气气氛，聚合温度为：85～150℃，机械搅拌速度为500～2000转/分钟，反应时间为2～3h。
在本发明的一种实施方式中，丙交酯开环聚合条件优选为：氮气气氛，聚合温度为110～190℃，机械搅拌速度为500～2000转/分钟，反应时间为2～3h。
在本发明的一种实施方式中，聚合反应后还需在高温条件下整理，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球；所述整理条件为：氮气气氛，整理温度为：170～200℃，反应时间为1～2h。
本发明的第二个目的是提供一种应用上述方法制备得到的聚乳酸微球。
在本发明的一种实施方式中，所述聚乳酸微球的平均粒径小于100μm，PDI小于0.1，表面形态光滑。
本发明的第三个目的是提供一种上述聚乳酸微球在生物医药、农业、化妆品、复合材料方面的应用。
在本发明的一种实施方式中，聚乳酸微球产物作为药物缓释的载体或者作为复合材料中的增强体。
本发明的第四个目的是提供一种缓释药物，所述药物为微胶囊结构，壁材为上述聚乳酸微球，芯材为药物。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过将丙交酯与苯乙烯在三口烧瓶中熔融混合，通入氮气保护，通过机械搅拌搅拌均匀获得丙交酯-苯乙烯共混物，加入丙交酯催化剂辛酸亚锡和苯乙烯引发剂偶氮二异丁腈并分散均匀，升高温度使丙交酯开环聚合和苯乙烯自聚合，聚合同时抽真空除水，加快机械搅拌速度，最后聚合完成得到包含聚乳酸微球的聚乳酸-苯乙烯共混物。聚合过程均在高真空，无水状态下进行。本发明提出的一种无溶剂自由基分散聚合制备方法，无需使用二氯甲烷、三氯甲烷等有机溶剂作为反应介质，所得共混产物可以作为复合材料增强体使用。
(2)本发明所使用的反应原料苯乙烯，价格低廉，其反应产物聚苯乙烯具有良好的相容性、耐久性、抗氧化性。制备得到的聚乳酸微球是由丙交酯聚合得到的，属于可再生资源，原料来源充足且具有良好的生物降解性，可完全降解成水和二氧化碳，不会对环境造成污染。使用丙交酯直接聚合成聚乳酸微球，既环保又可降解，同时避免了大量有毒溶剂的使用。目前已知的聚乳酸微球的制备均是以有机溶剂作为反应介质或者成本高昂的电喷雾法，而本发明使用的制备方法为自由基分散聚合，在110～130℃下丙交酯处于熔融状态，无需使用溶剂作为反应介质，继续升高温度即可使丙交酯发生开环聚合，反应过程环保且简单高效，做到了绿色环保制备，顺应了时代的发展，同时合成产物聚乳酸微球在医药、农业或作为增强体用于复合材料等方面具有巨大的应用潜力。
(3)本发明通过使用丙交酯为原料，苯乙烯为外相，制备出独立分散的聚乳酸微球，其平均粒径小于100μm，PDI小于0.1，表面形态光滑，制备分子量可控。
附图说明
图1为本发明实施例2中所制备的聚乳酸微球的SEM照片，×100。
图2为本发明实施例2中所制备的聚乳酸微球的SEM照片，×400。
图3为本发明实施例2中所制备的聚乳酸微球-聚苯乙烯共混物和纯聚乳酸的红外光谱图。
图4为本发明实施例2中所制备的聚乳酸微球-聚苯乙烯DSC图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
粒径和PDI测试方法：将提取出的聚乳酸微球制备成0.003g/ml的乙醇溶液，使用英国马尔文仪器有限公司型号Nano-ZS90的电位分析仪测量聚乳酸微球的粒径和PDI。
实施例1：
将100g的丙交酯与100g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至140℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min，丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为79.195μm，PDI为0.0934。
实施例2
将100g的丙交酯与100g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至150℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为80.132μm，PDI为0.0931。
图1和图2为本实施例中所制备的聚乳酸微球的SEM照片。照片中的白色颗粒即为聚乳酸微球，粒径在1μm到900μm范围内。
图3为本发明所制备的聚乳酸微球-聚苯乙烯共混物和纯聚乳酸的红外光谱图。如图3所示，谱图中共混物样品的最强峰是1748cm-1，是C＝O伸缩振动峰，属于聚乳酸的特征峰，1213cm-1、1127cm-1和1043cm-1处样品出现C-O-C的伸展振动峰，表明样品中有酯基的存在，由此可以确认产物为聚乳酸。
图4为本实施例所制备的聚乳酸微球-聚苯乙烯DSC图。
实施例3
将100g的丙交酯与100g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至160℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min，丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为79.465，PDI为0.0926。
实施例4
将100g的丙交酯与200g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至150℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为76.174，PDI为0.0927。
实施例5
将100g的丙交酯与50g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至150℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为82.177μm，PDI为0.0944。
实施例6
将10g的丙交酯与100g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至150℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为68.176μm，PDI为0.0823。
实施例7
将10g的丙交酯与50g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至150℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为67.132μm，PDI为0.0721。
实施例8
将100g的丙交酯与200g苯乙烯放入三口烧瓶中，在氮气气氛下，温度为100℃，搅拌器旋转速度为200r/min条件下熔融30min得到混合均匀的丙交酯-苯乙烯共混物。继续升高温度至160℃，加入丙交酯质量1‰的辛酸亚锡与苯乙烯质量0.1％的偶氮二异丁腈，同时抽真空保持真空度为-0.8MPa，搅拌器速度为1000r/min,丙交酯开环聚合与苯乙烯自聚合3h后升高温度至180℃继续反应1h，得到包覆于聚苯乙烯中的聚乳酸微球平均粒径为75.122μm，PDI为0.0913。
实施例9：聚乳酸微球在药物缓释中的应用
一种缓释药物，所述药物为微胶囊结构，壁材为上述聚乳酸微球，芯材为药物。
以阿司匹林为例，其制备方法是以实施例1制备得到的聚乳酸微球作为载体，其制备方法是将阿司匹林与聚乳酸微球使用复乳法制备出包覆于聚乳酸微球内的阿司匹林聚乳酸微球。
对比例1：
参照实施例1的方法制备聚乳酸微球，区别仅在于，调整苯乙烯的添加量为10g，其他条件同实施例1，制备所得产物难以形成聚乳酸微球。实施例1和对比例1的对照结果说明苯乙烯添加量过小难以形成有效的阻隔外相，对聚乳酸微球的形成有很大影响。
对比例2：
参照实施例1的方法制备聚乳酸微球，区别仅在于，调整苯乙烯的添加量为2000g，其他条件同实施例1，无法形成聚乳酸微球。实施例1和对比例2的对照结果说明苯乙烯添加量过大丙交酯难以开环聚合形成聚乳酸，对聚乳酸微球的形成有很大影响。
对比例3：
参照实施例1的方法制备聚乳酸微球，区别仅在于，省略苯乙烯，其他条件同实施例1，无法制备得到聚乳酸微球。实施例1和对比例3的对照结果说明苯乙烯作为反应中的外相，在丙交酯开环聚合过程中对丙交酯起到分散作用，对聚乳酸微球的形成有很大影响。
对比例4：
参照实施例1的方法制备聚乳酸微球，区别仅在于，将苯乙烯替换成其他分散剂，如热塑性聚氨酯弹性体TPU，其他条件同实施例1，无法制备得到聚乳酸微球。实施例1和对比例4的对照结果说明苯乙烯的自由基聚合对丙交酯起到很强的分散的作用，对聚乳酸微球的形成有很大影响。
表1
Figure BDA0002989139130000061
对比例1与对比例2中，苯乙烯的添加量过少和过多，难以形成聚乳酸微球，苯乙烯的添加量过少的时候难以对丙交酯形成有效的阻隔分散作用，丙交酯成团开环聚合成聚乳酸，无法形成聚乳酸微球，苯乙烯的添加量过多的时候，由于苯乙烯含量过多，苯乙烯自聚合情况下，阻碍催化剂辛酸亚锡，导致丙交酯无法开环聚合，无法形成聚乳酸微球。在对比例3中，省略苯乙烯，导致反应中无外相，丙交酯仅能开环聚合成聚乳酸。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种制备聚乳酸微球的方法，其特征在于，所述方法是将丙交酯、催化剂、引发剂和苯乙烯混合均匀后，进行聚合反应，制备得到聚乳酸微球，聚合过程中无溶剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备方法为：将丙交酯和苯乙烯在熔融状态下混合均匀，再加入丙交酯的催化剂和苯乙烯的引发剂，在80℃～200℃下进行丙交酯开环聚合反应与苯乙烯自由基聚合反应，制备得到聚乳酸微球。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，丙交酯和苯乙烯的质量比为1：(0.5～15)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，丙交酯的催化剂为辛酸亚锡，加入量为丙交酯质量的0.1～1‰。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，苯乙烯的引发剂为偶氮二异丁腈，加入量为苯乙烯质量的0.5‰～0.5％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述熔融混合的温度为80℃～130℃。
7.应用权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的聚乳酸微球。
8.权利要求7所述的聚乳酸微球在生物医药、农业、化妆品、复合材料方面的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用中聚乳酸微球作为药物缓释的载体，或作为复合材料中的增强体。
10.一种缓释药物，其特征在于，所述药物为微胶囊结构，壁材为权利要求7所述的聚乳酸微球，芯材为药物。
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