CN1272356C - 单模微波辐照下制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法 - Google Patents

Abstract

单模微波辐照下制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法，涉及生物医用材料领域。该方法采用无溶剂、无催化剂的清洁生产工艺，以聚己内酯二醇、聚醚二元醇、脂肪族二异氰酸酯、小分子多元醇扩链剂或交联剂以及成孔剂为原料，在单模微波辐照下制备聚氨酯及其多孔产品和管状产品。先将原料加热熔融搅拌混匀后倒入微波压力试管中，再将试管放入单模微波加速有机合成系统中接受微波辐照，同时进行空气风冷，即可合成所需的聚氨酯材料。本发明使用微波来促进异氰酸酯基与醇羟基的反应，取代传统合成方法中使用的催化剂(如有机锡、胺类)，从而避免由产品中残留的催化剂引起的细胞毒性。采用本体聚合，避免了溶剂对产品生物相容性的潜在危害。

Description

单模微波辐照下制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法

技术领域

本发明涉及制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法，特别涉及一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法，属于高分子生物医用材料制备技术领域。

背景技术

微波技术应用于有机合成领域始于1986年加拿大的Gedye等人对微波炉中进行的酯化反应的研究。微波辐射下的有机合成反应，由于能提高反应速率数倍甚至数千倍，具有操作简便、副产物少、产率高、易纯化及环境友好等优点，给有机合成带来了一次飞跃，至今已发展为一个引人注目的新领域-MORE化学(Microwave-induced Organic ReactionsEnhancement Chemistry)即微波促进有机化学。现有的微波反应装置多为多模微波炉，比如由家用微波炉改装而来的反应器，多数具有能量分布不均匀、反应重现性差等缺点。单模微波辅助合成技术是近几年兴起的新技术，与多模技术相比具有能量密度高、能量分布均匀、反应重现性好等优点，在有机合成方面的优势已经显现。本发明中使用的美国CEM公司生产的Discover^单模微波加速有机合成系统获得了美国2003年R&D100大奖，标志着单模微波辅助合成技术正开始被广泛承认与应用。微波辅助聚合已有文献报道主要集中在酯化反应和自由基加聚等方面，而本发明涉及的单模微波辅助合成的聚氨酯产品尚未见报道。

聚氨酯是一类重要的合成树脂，主要是由多异氰酸酯、大分子多元醇和扩链剂/交联剂聚合而成的。其中多异氰酸酯和扩链剂/交联剂共同构成了聚氨酯材料的硬段结构，大分子多元醇构成了聚氨酯材料的软段结构。由于硬段结构和软段结构不完全相容而形成微相分离结构，使聚氨酯材料具有优良的力学性能和生物相容性。因此聚氨酯材料在生物医用领域得到了较广泛的应用，如制作心脏起搏器绝缘层、人工血管、静脉介入诊疗导管、动脉插管、导尿管、医用血袋等。

目前有多种牌号的聚氨酯应用于生物医用领域，除少数采用脂肪族的4，4’-二环己基甲烷二异氨酸酯等为聚氨酯分子链的硬段外，多数是采用芳香族的4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯等为聚氨酯分子链的硬段。有研究发现其在高温或强碱作用下会产生致癌物质4，4’-二甲烷二苯基二胺(MDA)。而且由于结构中芳环的存在，以芳香族多异氰酸酯为原料合成的聚氨酯产品在使用过程中会产生氧化发黄现象，其氧化产物也有可能对人体造成危害。用脂肪族二异氰酸酯为原料合成的聚氨酯虽然没有由芳环带来的不利因素，但是其一，因脂肪族异氰酸酯的反应活性远低于芳香族异氰酸酯，故现有工艺为提高反应速率和聚合度，一般都在合成时加入了催化剂；其二，由于脂肪族异氰酸酯不含苯环结构，其制得的聚氨酯的力学性能常比芳香族异氰酸酯为原料制得的聚氨酯低。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术的不足，提供一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯及其塑型产品的方法，该方法采用无溶剂、无催化剂的清洁生产工艺，制备具有生物降解性的医用聚氨酯材料及其孔隙率可调的多孔聚氨酯弹性体和管形弹性体，为组织工程的进一步应用打下基础。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)先将平均分子量为200～4000聚醚二元醇、平均分子量为500～4000聚己内酯二醇或两者的混合物与过量的脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0；

2)将上述混合物倒入微波压力试管，称出混合物质量，充入氮气保护，盖上密封塞；

3)将装有反应混合物的试管放入单模微波加速有机合成系统，在温度80～85℃下反应10～40分钟，然后加入与过量部分的二异氰酸酯等当量的、分子量小于300的脂肪族二元醇扩链剂或三元醇交联剂，使此时体系中异氰酸基与羟基摩尔比为1；继续在90～95℃下反应10～40分钟出料。

上述步骤1)中所述反应混合物体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.02～1.10。

本发明所述的脂肪族二异氰酸酯选用4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种；所述的聚醚二元醇选用聚乙二醇、聚氧化丙烯二元醇、聚四氢呋喃醚二元醇中至少一种；所述的扩链剂选用乙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、1，2-丙二醇或1，3-丙二醇中的至少一种；所述的交联剂选用丙三醇或三羟甲基丙烷中至少一种。

本发明技术特征还在于：所述的聚醚二元醇选用聚乙二醇，所述的脂肪族二异氰酸酯选用1，6-己二异氰酸酯，所述的扩链剂选用1，4-丁二醇，所述的交联剂选用丙三醇。

本发明还提供了一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯塑型产品的方法，特征在于该方法包括如下步骤：

1)先将平均分子量为200～4000聚醚二元醇、平均分子量为500～4000聚己内酯二醇或两者的混合物与过量的脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0；

2)将上述混合物倒入微波压力试管，充入氮气保护，盖上密封塞；

3)将装有反应混合物的试管放入单模微波加速有机合成系统，在80～95℃下反应10～40分钟，然后加入与过量部分的二异氰酸酯等当量的分子量小于200的脂肪族二元醇扩链剂或三元醇交联剂，使此时体系中异氰酸基与羟基摩尔比为1.0；

4)在微波压力试管中加入芯棒，或加入成孔剂，成孔剂采用粒径分布为20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO₃颗粒；

5)继续在90～95℃下反应10～40分钟出料，可制得聚氨酯管或制得含成孔剂的聚氨酯棒；

6)用去离子水浸泡含成孔剂的聚氨酯棒，溶去成孔剂后真空干燥，得到多孔的聚氨酯棒。

本发明具有以下优点及突出性效果：①本发明选用的脂肪族二异氰酸酯原料本身无潜在毒性，制成品使用过程也没有氧化物产生，所选聚己内酯二醇与聚醚二元醇的生物相容性也很好，制备过程中又不加催化剂，因而本发明获得的聚氨酯无毒，作为医用材料使用更安全。②本发明制备的聚氨酯材料亲水性好，其主要成分具备一定生物降解性能，可应用于需要材料逐渐降解的场合。③本发明制备的线型聚氨酯材料具有热塑性，加工成型无需溶剂和助剂。④本发明制备的交联型聚氨酯为具有优良力学性能的弹性体，且产品成型与合成反应可在同一过程中完成。⑤本发明制备的聚氨酯材料在使用及贮存过程中不易氧化发黄，能较好地保持产品的外观色泽。

附图说明

图1为本发明中实施例二中的交联型聚氨酯棒实物图。

图2为本发明中实施例三中的未除成孔剂时的交联型聚氨酯棒实物图。

具体实施方式

本发明提供的医用聚氨酯材料的制备方法是将一定配比的脂肪族二异氰酸酯、聚醚二元醇、聚己内酯二醇和小分子扩链剂/交联剂，使用美国CEM公司生产的Discover^单模微波加速有机合成系统(以下称微波反应器)中进行微波辐照和同步风冷，采用半预聚法进行制备。

具体工艺步骤如下：

制备线型聚氨酯材料的工艺步骤为：

(1)先将一定配比的聚醚二元醇、聚己内酯二醇与过量的脂肪族二异氰酸酯在50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0，过程中使用氮气保护；

(2)将(1)中配得的混合液定量加入放有搅拌磁子的微波压力试管，充入氮气保护并用其胶塞密封好，并根据异氰酸酯的过量摩尔数计算出使反应体系中异氰酸基与羟基的摩尔比变为1.0所需加入的二元醇摩尔数，此即为扩链反应所需的二元醇的量；

(3)将(2)中试管放入微波反应器，开启电磁搅拌和同步风冷，在80～85℃下反应10～40分钟后用注射器刺穿胶塞向管中按(2)中计算量加入扩链剂二元醇，将试管放回微波反应器，开启同步风冷，继续在90～95℃下反应10～40分钟，取出产品即得线型聚氨酯产品。

制备孔径和孔隙率可控制的多孔交联型聚氨酯棒的工艺步骤为：

(1)先将一定配比的聚醚二元醇、聚己内酯二醇与脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0，过程中使用氮气保护；

(2)将(1)中配得的混合液定量加入放有搅拌磁子的微波压力试管，充入氮气保护并用其胶塞密封好，并根据异氰酸酯的过量摩尔数计算出使反应体系中异氰酸基与羟基的摩尔比变为1.0所需加入的三元醇摩尔数，此即为交联反应所需的三元醇的量；

(3)将(2)中试管放入微波反应器，开启电磁搅拌和同步风冷，在80～85℃下反应10～40分钟后用注射器刺穿胶塞向管中按(2)中计算量加入三元醇，机械搅拌均匀后加入预定比例的粒径分布为20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO₃颗粒作为成孔剂，搅拌使体系混合均匀后，将试管放回微波反应器，开启同步风冷，继续在90～95℃下反应10～40分钟，取出产品即得多孔聚氨酯棒。

如果是制备交联型聚氨酯管，其工艺步骤为：

(1)先将一定配比的聚醚二元醇、聚己内酯二醇与脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0，过程中使用氮气保护；

(2)将(1)中配得的混合液定量加入放有搅拌磁子的微波压力试管，充入氮气保护并用其胶塞密封好，并根据异氰酸酯的过量摩尔数计算出交联反应所需的三元醇摩尔数；

(3)将(2)中试管放入微波反应器，开启搅拌和同步风冷，在80～85℃下反应10～40分钟后用注射器刺穿胶塞向管中按(2)中计算量加入三元醇，机械搅拌均匀后向试管内塞入预制的聚四氟乙烯芯棒，将反应物粘液挤入由试管和芯棒形成的管形空腔中，将试管放回微波反应器，开启同步风冷，继续在90～95℃下反应10～40分钟，取出产品即得聚氨酯管。

下面给出实施例以对本发明的具体步骤进行说明，需要指出以下实施例是对本发明的进一步阐述，不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

将平均分子量为4000的聚己内酯二醇20克与平均分子量为4000的聚氧化丙烯二元醇20克加入带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于60℃熔融搅拌混合5分钟后，加入4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯2.864克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.10，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为4.286克。将试管放入微波反应器，在磁力搅拌和同步风冷下微波辐照10分钟，期间试管温度保持在80℃，然后取出试管用注射器穿刺加入90毫克1，4-丁二醇，放入微波反应器中继续在搅拌和风冷下微波辐照40分钟，期间试管温度保持在90℃。取出产物，即得热塑性聚氨酯产品。如需纯化，可在索氏提取器中用沸腾的去离子水抽提24小时后进行真空干燥。

实施例2：

将平均分子量为2000的聚己内酯二醇20克与平均分子量为1000的聚乙二醇10克加入带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于50℃熔融搅拌混合5分钟后，加入1，6-己二异氰酸酯6.728克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为2.0，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为4.111克，将试管放入微波反应器，在同步风冷下微波辐照30分钟，期间试管温度保持在85℃。然后取出试管用注射器穿刺加入137毫克丙三醇，放入微波反应器中继续在风冷下微波辐照30分钟，期间试管温度保持在95℃。取出聚氨酯弹性棒，见说明书附图1。

实施例3：

将平均分子量为2000的聚己内酯二醇12克与平均分子量为1000的聚乙二醇6克加入到带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于60℃熔融搅拌混合5分钟后，加入1，6-己二异氰酸酯4.037克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为2.0，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为3.159克，将试管放入微波反应器，在同步风冷下微波辐照30分钟，期间温度保持在85℃，然后取出试管用注射器穿刺加入106毫克丙三醇，加入8克经过筛分、粒径150微米左右的NaCl粒，机械搅拌混匀，放入微波反应器中继续在风冷下微波辐照30分钟，期间试管温度保持在95℃。取出带成孔剂的聚氨酯弹性棒，见说明书附图2。

实施例4：

将平均分子量为500的聚己内酯二醇25克与平均分子量为200的聚乙二醇10克加入到带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于60℃熔融搅拌混合5分钟后，加入1，6-己二异氰酸酯18.501克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.10，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为5.350克，将试管放入微波反应器，在同步风冷下微波辐照40分钟，期间温度保持在85℃，然后取出试管用注射器穿刺加入106.1毫克三羟甲基丙烷，将预制的可中心定位的聚四氟乙烯芯棒插入试管中，将反应物粘液挤入由试管和芯棒形成的管形空腔中，用胶塞密封试管，放入微波反应器中继续在风冷下微波辐照10分钟，期间试管温度保持在95℃。可取出聚氨酯管。

实施例5：

将平均分子量为2000的聚己内酯二醇20克与平均分子量为1000的聚四氢呋喃醚二元醇10克加入带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于60℃熔融搅拌混合5分钟后，加入1，6-己二异氰酸酯3.431克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.02，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为3.343克。将试管放入微波反应器，在磁力搅拌和同步风冷下微波辐照10分钟，期间试管温度保持在80℃，然后取出试管用注射器穿刺加入4.7毫克1，6-己二醇，放入微波反应器中继续在搅拌和风冷下微波辐照40分钟，期间试管温度保持在90℃。取出产物，即得热塑性聚氨酯产品。如需纯化，可在索氏提取器中用沸腾的去离子水抽提24小时后进行真空干燥。

实施例6：

将平均分子量为2000的聚己内酯二醇20克与平均分子量为1000的聚乙二醇10克加入带搅拌器、氮气保护和温度控制的三口瓶，于50℃熔融搅拌混合5分钟后，加入1，6-己二异氰酸酯5.046克，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.5，继续搅拌混合10分钟。然后将混合液加入装有搅拌磁子的微波压力试管中，称出加入的混合物为3.505克，将试管放入微波反应器，在同步风冷下微波辐照30分钟，期间试管温度保持在85℃。然后取出试管用注射器穿刺加入76.1毫克1，2-丙二醇，放入微波反应器中继续在风冷下微波辐照30分钟，期间试管温度保持在95℃，可制得热塑性聚氨酯产品。如需纯化，可在索氏提取器中用沸腾的去离子水抽提24小时后进行真空干燥。

Claims (8)

1.一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)先将平均分子量为200～4000聚醚二元醇、平均分子量为500～4000聚己内酯二醇或两者的混合物与过量的脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0；

2)将上述混合物倒入微波压力试管，称出混合物质量，充入氮气保护，盖上密封塞；

3)将装有反应混合物的试管放入单模微波加速有机合成系统，在温度80～85℃下反应10～40分钟，然后加入与过量部分的二异氰酸酯等当量的、分子量小于300的脂肪族二元醇扩链剂或三元醇交联剂，使此时体系中异氰酸基与羟基摩尔比为1；继续在90～95℃下反应10～40分钟出料。

2、根据权利要求1所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：步骤1)中所述反应混合物体系中异氰酸基与羟基的摩尔比为1.02～1.10。

3、根据权利要求1所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：所述的脂肪族二异氰酸酯选用4，4’-二环已基甲烷二异氰酸酯或1，6-己二异氰酸酯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：所述的聚醚二元醇选用聚乙二醇、聚氧化丙烯二元醇、聚四氢呋喃醚二元醇中至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：所述的扩链剂选用乙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、1，2-丙二醇或1，3-丙二醇中的至少一种。

6、根据权利要求1所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：所述的交联剂选用丙三醇或三羟甲基丙烷中至少一种。

7.按照权利要求1～6任一权利要求所述的制备医用聚氨酯的方法，其特征在于：所述的聚醚二元醇选用聚乙二醇，所述的脂肪族二异氰酸酯选用1，6-己二异氰酸酯，所述的扩链剂选用1，4-丁二醇，所述的交联剂选用丙三醇。

8.一种单模微波辐照下制备医用聚氨酯塑型产品的方法，特征在于该方法包括如下步骤：

1)先将平均分子量为200～4000聚醚二元醇、平均分子量为500～4000聚己内酯二醇或两者的混合物与过量的脂肪族二异氰酸酯在温度50～60℃下搅拌混合均匀，使体系中异氰酸基与羟基的摩尔比大于1.0且小于2.0；

2)将上述混合物倒入微波压力试管，充入氮气保护，盖上密封塞；

3)将装有反应混合物的试管放入单模微波加速有机合成系统，在80～95℃下反应10～40分钟，然后加入与过量部分的二异氰酸酯等当量的分子量小于200的脂肪族二元醇扩链剂或三元醇交联剂，使此时体系中异氰酸基与羟基摩尔比为1.0；

4)在微波压力试管中加入芯棒，或加入成孔剂，成孔剂采用粒径分布为20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO₃颗粒；

5)继续在90～95℃下反应10～40分钟出料，可制得聚氨酯管或制得含成孔剂的聚氨酯棒；

6)用去离子水浸泡含成孔剂的聚氨酯棒，溶去成孔剂后真空干燥，得到多孔的聚氨酯棒。

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