CZ20021138A3

CZ20021138A3 - Způsob výroby kopolymerů akrylonitrilu

Info

Publication number: CZ20021138A3
Application number: CZ20021138A
Authority: CZ
Inventors: Vladimir A. Stoy
Original assignee: Vladimir A. Stoy
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-08-14
Also published as: JP2003510422A; EP1232192A4; US6617390B2; AU7844200A; ATE442390T1; US6232406B1; EP1232192A1; US6451922B2; US20010044502A1; EP1642911A3; WO2001023438A1; CZ303516B6; US20020193531A1; JP4018386B2; DE60042936D1; EP1642911A2; AU773629B2; ES2330611T3; EP1232192B1; CA2386265A1

Description

Způsob výroby kopolymerů akrylonitrilu

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká hydrogelů a konkrétněji způsobu výroby hydrogelů, které využívají hydrolýzy, řízené samoukončením.

Dosavadní stav techniky

Polyakrylonitrilové (PAN) polymery jsou často používány k výrobě membrán, k výrobě textilních vláken, k výrobě uhlíkových vláken a hydrogelů, nebo jako strojírenské plasty. Jejich složení se pohybuje od čistého PAN homopolymeru až ke kopolymerúm akrylonitrilu (AN), obsahujícím přibližně 20 molárních procent různých komonomerů.

Akrylonitril se typicky kombinuje buď s hydrofilními komonomery (jako je akrylamid, vinylpyrrolidon, styrensulfonová kyselina, vinylsulfonová kyselina a podobně), nebo s hydrofobními komonomery (jako jsou alkylakryláty nebo methakryláty, styren, vinylchlorid, methylstyren vinylpyridin a podobně). Takové kopolymery jsou obvykle považovány za polyakrylonitril, pokud si stále uchovávají hlavní charakteristiky polyakrylonitrilu, zejména vysokou krystaličnost a vysokou teplotu tání v nepřítomnosti—-r-oz-pouštědel—polyakrylonitrilu----P-oJ-y.a-kr-y.Lo.n.i.trj.l_je_ prakticky neroztavitelný, neboť jeho teplota tání (teoreticky vyšší než 320°C) je vyšší než teplota, při níž se rozpadá (polyakrylonitril ztrácí barvu při teplotách vyšších než přibližně 150 °C a přibližně nad 200 °C přechází na nerozpustné, neroztavitelné prekursory grafitu).

Polyakrylonitril má jedinečnou krystalickou strukturu s pravidelností difrakce (ohybu) rentgenových paprsků přibližně 5,2 A, vykazuje necitlivost vůči stereo-pravidelnosti polymeru a bočnou organizaci krystalů v orientovaných stavech. Jinými typickými vlastnostmi polyakrylonitrilu jsou vynikající stálost vzhledem k

♦ 4 4' 4 · 4 4 4 4. 4 4 4· okolnímu prostředí a vysoká pevnost v tahu, zvláště v orientovaném stavu.

Jako jiné neroztavitelné polymery (například aramidy) je polyakrylonitril třeba zpracovávat z roztoků ve vhodných rozpouštědlech (jako jsou dimethylsulfoxid, DMSO, dimethylformamid, DMF, koncentrované roztoky chloridu zinečnatého a některé jiné) za použití vhodného mokrého způsobu (například srážením, suchým spřádáním a podobně).

Některé z akrylonitrilových polymerů se stávájí roztavitelnými po zavedení vhodných komonomerú. Takové kopolymery jsou zpracovatelné běžnými způsoby pro zpracování plastů, jako je protlačování nebo vstřikovací lisování. Toho ovšem nelze dosáhnout bez podstatného porušení krystalické struktury a ztráty určitých cenných vlastností, jako je vysoká tepelná stálost. Existuje podstatný strukturální rozdíl mezi roztavitelnými modakrylovými kopolymery a neroztavitelným polyakrylonitrilem.

Akrylonitril je někdy spojován s vysoce polárními komonomery pro zvýšení své hydrofilnosti a ke zlepšení určitých žádoucích vlastností, -j a k-o-j e-b a r-v i teín o s t-te-x-t i I n i c h-v-l á k e n,-s m á č i-v-o s-t-s e pa r.ač n.Lch_me_m.bLán_a podobně. Polyakrylonitrilové kopolymery s hydrofilními komonomery jsou někdy používány ve formě hydrogelů, to jest vodou nerozpustných elastomerů, obsahujících velké množství vody. Hydrogely jsou zvláště vhodné pro biomedicínské výrobky, jako jsou implantáty, obvazy na rány, kontaktní čočky, bioseparační membrány a kluzné povlaky.

Hydrogely mohou být buď běžného typu termoset s kovalentní mřížkou, nebo termoplastickými hydrogely s fyzikální mřížkou, vytvářenou interakcemi hydrofobních skupin. Kovalentně zesítěné hydrogely na bázi polyakrylonitrilu jsou někdy syntetizovány kombinací

** ♦·' polymerizace akrylonitrilového monomeru ve vodných rozpouštědlech, jako jsou koncentrované roztoky chloridu zinečnatého nebo kyseliny dusičné. Hydrofilni komonomery jsou často deriváty akrylové kyseliny, jako sole, estery, amidy, amidiny, hydrazidiny a podobně. Pokud jsou takové komonomery kopolymerovány s akrylonitrilem, jsou v řetězci polyakrylonitrilu náhodně distribuovány. Kopolymerace akrylonitrilu s hydrofilními komonomery v koncentrovaných roztocích chloridu zinečnatého k vytvoření zesítěných hydrogelů je popsána v patentu US 3 812 071 (A. Stoy). Pozměnění vlastností polyakrylonitrilu kopolymerací s karboxylovanými komonomery a následné ovlivnění alkalickými látkami je popsáno v patentu US 4 272 422 (Tanaka).

Poměrně nízká koncentrace náhodně distribuovaných hydrofilních monomerů je potřebná k dosažení rozpustnosti ve vodě, nebo velmi silného bobtnání. Je to dáno tím, že krystalizační schopnost vyžaduje určitou minimální délku sekvence nitrilových skupin v polohách 1,3. S tím, jak délka spojitých sekvencí akrylonitrilových jednotek (to jest sekvencí akrylonitrilových jednotek mezi dvěma odlišnými jednotkami) klesá se vzrůstajícím obsahem náhodně distribuovaných komonomerů odlišných od akrylonitrilu, klesá rovněž krystaličnost, teplotní stálost a jiné výhodné vlastnosti polyakrylonitrilových polymerů. Bylo pozorováno, -ž-e—vlastnosti—takových—h-ydr-ogeJů—mohou—být—zlepšeny, pokud—po. polymeraci nebo kopolymerací akrylonitrilu a vodných anorganických rozpouštědel následuje kysele katalyzovaná hydrolýza, jak je popsáno v patentech US 4 123 406 (A. Stoy se spoluautory), 4 172 823 (A. Stoy se spoluautory) a 4 228 056 (A. Stoy).

Bylo stanoveno, že zlepšené vlastnosti hydrolyzovaného polyakrylonitrilu jsou způsobeny komplementární (doplňkovou) fyzikální mřížkou. V mnoha případech je fyzikální mřížka, vytvořena řízenou, částečnou hydrolýzou polyakrylonitrilu, dostatečně stálá a přídavná kovalentní mřížka není nezbytná.

_ Λ

J '9 ί ·* ·♦ ·'« ♦·' ? > * :ř * ·.* ·' >·· · 9 '· ··· Ε· 9 ·_.

99 9 9 9 9 9 ♦ 4 9 '

9 '9 9 9 9 9 9 * 9 9 .*9 ·< 9 9 9' ·

Takové hydrolýzy se typicky provádějí za použití kyselé katalýzy, vedoucí k vytvoření multiblokových kopolymerů (multi-block copolymers,

MBC) se střídavými sekvencemi akryionitriiových a akrylamidových jednotek. Rozpouštědly polyakrylonitrilu, vhodnými pro kyselou hydrolýzu, jsou typicky koncentrované vodné roztoky chloridu zinečnatého, jak je popsáno v patentu US 2 837 492 (Stanton se spoluautory) a v patentu US 3 987 497 (A. Stoy se spoluautory), nebo koncentrované anorganické kyseliny, jako kyselina sírová, kyselina dusičná, kyselina fosforečná a směsi těchto látek. Takový způsob je popsán například v patentech US 3 926 930 (Ohfuka se spoluautory),

US 3 709 842 (A. Stoy), US 4 026 296 (A, Stoy se spoluautory), US 4 173 606 (V. Stoy se spoluautory) a US 4 183 884 (Wichterle se spoluautory).

Fyzikální mřížka v hydrogelech na bázi polyakrylnitrilu může být formována shluky .polyakrylonitrilových sekvencí. Fyzikálně zesítěné polyakrylonitrilové hydrogely mají své nitrilové skupiny (AN jednotky) a hydrofilní skupiny organizované ve střídajících se sekvencích, nazývaných také multiblokové kopolymery, MBC. Pokud jsou akrylonitrilové sekvence (nazývané také tvrdé bloky) dostatečně dlouhé, oddělují se v přítomnosti vody od sekvencí hydrofilních jednotek

-(-nazý-vaný-ch—také—měkké—bloky—)—za—for-mov-á-n-í—kT-y-S-tali-cký-ch_s.hJ-uků.,vytvářejících mřížku. K fázovému oddělení je nezbytná určitá minimální délka tvrdého bloku. Nadto je určitá délka tvrdého bloku vyžadována pro výstavbu stálého krystalového shluku. Aktuální minimální délky tvrdých bloků nejsou známé. Podle některých odhadů jsou pouze tvrdé bloky o nebo více nitrilových jednotkách účinné pro výstavbu shluků, vytvářejících mřížku.

Je třeba zmínit, že fázové oddělení multiblokových kopolymerů není čisté ani úplné. Každý krystalový shluk bude obsahovat nějaké hydrofilní skupiny, které narušují jeho organizaci. Krystalové shluky ·♦ • ~ 4

4 *♦ '4 '9 « i» i

4 * ♦ · 4 4 ♦ (4 '4 • ^: 4 4 -4 4

4 4 budou mít také široké rozdělení velikostí. Následně budou mít tedy krystalové shluky i široké rozdělení teplot tání a odolnosti shluku vůči místnímu tlaku. Takové hydrogely typicky vykazují omezenou teplotní stálost a odlišnou odolnost vůči tečení pod tlakem. Čím jsou tvrdé bloky delší a čím je jejich délka v multiblokových kopolymerech jednotnější, tím lepší je teplotní a mechanická stálost výsledného hydrogelu.

Multiblokové kopolymery, obsahující akrylonitril, jsou vyráběny vhodnými reakcemi polyakrylonitrilu (typicky hydrolýzou nebo aminolýzou), přeměňující přivěšené nitrilové skupiny na hydrofilní deriváty akrylové kyseliny. Reakce, vedoucí ke vzniku multiblokových kopolymerů, se nazývají také zipové reakce, v nichž nitrilové skupiny přiléhající k již zreagovaným skupinám (tj. derivátu akrylové kyseliny odlišnému od nitrilu), jsou reaktivnější než nitrilové skupiny, přiléhající k jiným nitrilům (což je základní uspořádání v původním polyakrylonitrilovém homopolymeru). Hydrofilní měkké bloky jsou iniciovány poměrně pomalou reakcí nitrilu, dotýkajícího se na obou stranách jiných nitriiú. Jakmile je jednou zavedena nová přivěšená skupina, mohou měkké bloky narůstat rychlejší propagační reakcí. ,

Pokud by reakce nebyla ukončena před úplným spotřebováním nitrilu, propagace (přirůstání) měkkého bloku pokračuje, dokud reakce

-nespotř-ebuje-ve-šker-é-dostupné-nit-r-ilo-v-é-sk-upiny-v daném polymerovém-řetězci. Pokud jsou veškeré nitrily spotřebovány, je vzniklým produktem vodou rozpustný akrylový polymer (vhodný například jako přídavná látka k vrtným kalům při výrobě oleje).

K vytvoření multiblokového kopolymerů se v každém řetězci iniciuje více než jeden měkký blok. Vytvoření multiblokového kopolymerů vyžaduje specifické vztahy mezi molekulovou hmotností a rychlostmi iniciace, propagace a terminace zipové reakce. Pokud tyto podmínky nejsou splněny, reakce poskytuje náhodný kopolymer,

- o • r- ··' * ř· * • · ·♦· • * · střídavý kopolymer, směs homopolymerů nebo jiné meziprodukty, nevhodné pro výrobu hydrogelu.

I když je vytvářen multiblokový kopolymer, může se jeho průměrná délka bloků a rozdělení délek bloků lišit v široké škále, závisející na reakční kinetice. Obecná analýza produktů zipových reakcí je poskytnuta například N. Platem a spoluautory v Journal of Polymer Science; Polymer Chemistry Edition, díl 12, 2165 až 2185, 1974. V praktických termínech vyžaduje sekvenční analýza znalost rychlostních konstant jednotlivých reakcí. Takové způsoby jsou popsány například V. Stoyem, v Journal of Polymer Science; Polymer Chemistry Edition, díl 13, 1175 až 1182, 1975 a v v Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, díl 15, 1029 až 1033, 1977.

Z výše zmíněného vyplývá, že řiditelná a opakovatelná výroba stálých termoplastických hydrogelů vyžaduje neobvyklou úroveň kontroly reakčních kinetik. (Reakční rychlosti většiny reakcí typicky ovlivňují pouze hospodárnost způsobu výroby. V případě reakčních kinetik multiblokových kopolymerů je přímo ovlivněna i kvalita produktu). Kontrola reakce je vyžadována na několika úrovních:

K syntetizování vhodných multiblokových kopolymerů musí být_ zipová reakce zastavena při předem stanovené částečné konverzi. To je spíše neobvyklý požadavek u chemické reakce, kde je obvykle žádoucí nejvyšší konverze. Reakční konverze může být v principu omezena dostupností jednoho z reakčních činidel. Taková reakce by mohla být samozakončovací při takové konverzi, kdy se jedna z reagujících složek spotřebuje. Vzhledem k tomu, že zde je vyžadována specifická avšak omezená konverze nitrilových skupin, musí být jejich spolureaktant přítomen v menší molární koncentraci než nitrilové skupiny. To je zvláště obtížné v případě hydrolýzy, neboť voda je přítomna ve velkém molárním nadbytku jako součást reakce.

<í '9 9 «♦·♦ · ·» 9· • L* '''· • »φ· ·>·

9' · · ♦ 19» '9 9 * ' • « ·9

Samoukončení je někdy možné v případě heterogenní, alkalicky katalyzované hydrolýzy polyakrylonitrilu (saponifikace, zmýdelnění) při zvýšených teplotách, která se používá k výrobě vodou rozpustných nebo superabsorbujících akrylových polymerů. Patent US 2 812 317 (Barret se spoluautory) popisuje přímou vícekrokovou saponifikaci vodných emulzí polya kry Ion itril u hydroxidy alkalických kovů při zvýšené teplotě. Podle Barreta je saponifikace za těchto podmínek stechiometrickou reakcí nitrilu s hydroxidem, poskytující karboxylát. Na každou reagující nitrilovou skupinu je tedy spotřebována jedna molekula hydroxidu a hydroxid alkalického kovu může být v každém kroku přidán v omezeném množství, aby byl spotřebován v průběhu saponifikace.

Podobný způsob, používaný k výrobě vodou rozpustných polymerů akrylové kyseliny saponifikaci polyakrylonitrilové kašovité směsi, je popsán v patentu US 2 861 059 (Mowry se spoluautory). Saponifikace se provádí v přítomnosti s vodou mísitelných kapalin, které jsou chabými rozpouštědly jak pro polyakrylonitril, tak i pro saponifikační produkty. Vzhledem k tomu, že cílem je v podstatě úplná saponifikace, není množství hydroxidu kritické, pokud je konečný produkt rozpustný vodou.

Částečná saponifikace akrylových^-vláken—v—přítomnosti velké koncentrace hydroxidu alkalického kovu je popsána v patentu US 4 366 206 (Tanaka). Velká koncentrace hydroxidu nebo jiných elektrolytů vyvolává změnu mechanismu tak, že produktem saponifikace je spíše zesítěný hydrogel než vodou rozpustný akrylátový polymer. Složení reakční kapaliny může být změněno přidáním různých organických nebo anorganických látek, pokud nedojde k rozpouštění polyakrylonitrilových vláken. Popsaný způsob saponifikace se provádí v molárním nadbytku hydroxidu. Proto může být reakční konverze (tj. tloušťka vnějšího hydrogelového pláště) řízena reakční dobou.

'9

9999 ♦ 'φ • f· '4 · . 9

Zlepšení výše uvedeného způsobu je popsáno v patentu US 4 374 175 (Tanaka). Zlepšení spočívá ve styku polyakrylonitrilových vláken s pouze omezeným množstvím reakčního činidla tak, že reakce může probíhat pouze do určité hloubky, čímž ponechává jádro vlákna nedotčené. Způsob musí probíhat při vysoké teplotě pro dosažení vysoké reakční rychlosti a k umožnění řízení tloušťky hydrogelové vrstvy.

Patent US 5 496 890 (Sackmann se spoluautory) popisuje superabsorbující polymery, připravené přímou částečnou saponifikací polyakrylonitrilových disperzí. Produkt obsahuje 30 až 60 molárních procent karboxylátových skupin, 20 až 60 procent karbonamidových skupin, 10 až 20 % zbytkových nítrilových skupin a jeho kapacita bobtnání je do 1 000 g vody na 1 g polymeru. Způsob používá styk rozptýlených polyakrylnitrilových částic s vodným roztokem hydroxidu alkalického kovu, v množství, odpovídajícím více než 1 molu hydroxidu na 1 mol přeměněného nitrilu. Reakční konverze je sledována jako množství uvolněného amoniaku a je ukončena neutralizací přebytku hydroxidového reakčního činidla přídavkem kyseliny, například kyseliny chlorovodíkové.

-Posledních—5—odk-az-ů—ukazuje,—že_saponifikace pevného polyakrylonitrilu má odlišný mechanismus než reakce polyakrylonitrilu v roztoku a poskytuje produkty s odlišným složením, které nejsou multiblokovými kopolymery. Reakce polyakrylonitrilu v roztoku se typicky provádějí s velkým nadbytkem dalšího reakčního činidla. Proto není možné použít samoukončovacího řízení v žádném z dosud známých způsobů výroby multiblokových kopolymerů. Ve všech až dosud popsaných případech je hydrolýza polyakrylonitrilu ukončena srážením meziproduktu multiblokového kopolymerů a/nebo extrakcí či neutralizací reakčních složek, (jako jsou rozpouštědla a katalyzátory), v určitém okamžiku, kdy podle odhadu nastane požadovaná konverze.

- 9 • ·· toto toto toto * .· }to to , '· to · · to to · ^!· to toto to « to to 9 to to to ·' toto · Ito · « · to to to toto.· to · · • <·· ítoto ·· to toto·

Ukončení reakce v závislosti na čase je velmi obtížné, neboť vyžaduje přesnou kontrolu reakční rychlosti, která je závislá na změnách teploty, koncentracích a jiných proměnných. Nadto je obtížné ukončit reakci ve stejný časový okamžik pro všechny řetězce polymeru, zejména pokud je reakce prováděna v průmyslovém měřítku. To přispívá k heterogenitě produktu, neboť ne všechny řetězce polymeru mají stejné složení, (tj.

rozdělení konverze).

Jak je ukázáno v dosud uvedeném popisu, existují mnohé technické problémy, týkající se způsobu hydrolýzy polyakrylonitrilu, který používá stejnou sloučeninu jako rozpouštědlo i katalyzátor. Tyto problémy vedou k heterogenitě a slabé krystaličnosti těchto produktů, což se projevuje jejich tavitelností v přítomnosti bobtnavých činidel, která nejsou rozpouštědly polyakrylonitrilu, jako vody a glycerolu. To je výhodou pro zpracování zmíněných hydrogelů z jednoduchých tavenin, jak je popsáno v patentu US 4 053 442 (Jungr se spoluautory). Několik patentů navrhlo řízení heterogenity a sekvenčního složení produktů různými prostředky (patenty US 3 897 382, V. Stoy se spoluautory a 3 948 870, V. Stoy se spoluautory), ovšem nemohly by vyřešit základní problémy ukončení reakce.

-Dříve—popsaná—hydr-ol-ý-z-a—pol-y-ak-r-y-lo ni t-r-il u—v—roztoku—používákyselé katalyzátory. V roztocích může být prováděna také bazicky katalyzovaná hydrolýza polyakrylonitrilu. V takovém případě je mechanismus odlišný od kyselé katalyzované hydrolýzy i od dříve popsané bazicky katalyzované heterogenní hydrolýzy. Odlišný je nejen mechanismus, ale reakční produkt má také odlišné chemické složení a strukturu.

Takový způsob je popsán v patentu US 4 107 121 (V. Stoy) a zahrnuje homogenní, bazicky katalyzovanou hydrolýzu polyakrylonitrilu, rozpuštěného ve vodném roztoku rhodanidu. Popsaná reakce může být

• · •» <		t* ♦ · ♦ · ·	•	·* •
		• ·· »·♦	«	«
				«
	•	• · « ·	•	•
«►· ·	*	10* ··

katalyzována různými bázemi, včetně amoniaku, terciárních aminů, karbonátů a hydroxidů alkalických kovů. Tato reakce poskytuje aniontové polymery s pouze menší koncentrací jiných reakčních produktů, jako je akrylamid. Výsledné polymery jsou tepelně nestálé, neboť mohou být taveny dokonce i v suchém stavu. To ukazuje na nízkou, pokud vůbec nějakou krystaličnost shluků polyakrylonitrilu. Pokud jednou nabobtnají vodou, mohou být výsledné hydrolyzáty taveny při teplotách tak nízkých jako při 75 °C, aniž by byly kovalentně zesítěny. Hydrolyzáty, připravené tímto způsobem, jsou často spontánně kovalentně zesítěny vedlejšími reakcemi nitrilových skupin.

Reakce, popsaná v patentu US 4 107 121, není samoukončující, neboť voda z rozpouštědla je přítomna ve velkém molárním nadbytku. Kromě toho je popsaná reakce katalyzována dokonce amoniakem, který je jedním z reakčních produktů. Způsob výroby vyžaduje ukončení reakce odstraněním katalyzátoru buď neutralizací, nebo promytím.

Vzhledem k problémům řízení ukončení hydrolýzy polyakrylonitrilu v roztoku jsou hydrolytické a jiné reakce polyakrylonitrilu někdy prováděny v tak zvaném akvagelovém stavu, který spojuje určité vlastnosti heterogenních systémů a systémů reakcí v roztoku. Tento způsob je popsán v patentu ϋ'δ^-4^—943^—6Ί’8^—(VMStoy se spoluaUfory)? Podle tohoto patentu se polyakrylonitril nejprve přivádí do stavu akvagelu, který je propustný pro reakční činidla mísitelná s vodou. CN skupiny v akvagelovém stavu jsou reaktivní podobně jako v roztoku. V souhlase s tím se může akvagel účastnit mnoha reakcí, včetně kyselé nebo bazicky katalyzované hydrolýzy, aminolýzy, alkoholýzy, hydrazinolýzy, Ritterovy reakce a jiných reakcí. Tento systém umožňuje sledování reakční konverze měřením bobtnání produktu v reakční směsi. To poněkud usnadňuje určení koncového bodu reakce. Ačkoliv takové popsané hydrolytické reakce nejsou samoukončující a musejí být zastaveny odstraněním katalyzátoru, zjednodušené určení

- 11 toto' toto toto- to* toto toto

4» to to · ' · to to » to • · to · · ·♦· ?· >

to ·«··'· to «to e .«ive é « • · to -to to · ··« ,···. to· >*to ·· ···'· koncového bodu umožňuje lepší kontrolu konverze konečného produktu a tím lepší reprodukovatelnost.

Ovšem heterogenní reakce jsou vždy, přinejmenším do určité míry, difuzně řízené, což vede k vyšší konverzi na rozhraní pevné látky a kapaliny než v množství pevných částic. To dále přispívá k heterogenitě produktu vzhledem k širokému rozdělení konverze mezi řetězci polymeru. V mnoha případech multiblokové kopolymery koexistují vedle stále nezreagovaného polyakrylonitrilu. To je někdy považováno za výhodu pro hydrofilní vlákna nebo kašovité směsi, jak je popsáno v dříve diskutovaných Tanakových patentech, nebo pro membrány a málo bobtnavé hydrogely pro katetry a jiná zařízení, jak je popsáno v patentech US 4 379 874 a 4 420 589 (oba V. Stoy).

Dva posledně zmíněné patenty navrhují použití homopolymeru polyakrylonitrilu jako přídavné látky pro stabilizování krystalových shluků v hydrogelu. To je navrženo k překlenutí základních problémů řízení sekvenčního složení multiblokových kopolymerů prostřednictvím reakční kinetiky. Ovšem toto opatření je mnohem vhodnější pro hydrofilní polymery a hydrogely s malým obsahem vody než pro silně bobtnající hydrogely. Heterogenní produkty nejsou vhodné pro

-hydrOgely-lék-ař-s-k-é-k-v-ali-t-y-s-velk-ým-obsahem-vOd-y-a-pr-0-mnohá-po-UŽi.tí.,_ jako jsou například oční čočky.

V jiných případech multiblokové kopolymery spolu existují s plně hydrolyzovanými, vodou rozpustnými polymery, které mohou nekontrolovatelně difundovat z takových hydrogelů v průběhu dlouhých časových období. V některém případě mohou v jednom produktu koexistovat všechny tři typy polymerů (tj. nezreagovaný polyakrylonitril, multiblokový kopolymer a vodou rozpustný akrylát). Taková komplexita komplikuje kontrolu vlastností a je málo přijatelná pro biomedicínské polymery.

·' « • * ··> ·* ·· *«4 •to * · ··· ·»·«

A Q «»·«······· = ! Z. ^β β ,9 3 * β « « 9 9 9 · · ι· · · toto .4 · · · to · ♦ · · to to

Z dosavadního stavu techniky, popisujícího jiné modifikace polyakrylonitrilu než je hydrolýza, je třeba zmínit patent US 5 252 692 (Lovy se spoluautory). Tento patent popisuje aminolýzu polyakrylontrilu reakcí nitrilů a primárních aminů, která poskytuje kopolymery, obsahující jako hlavní reakční produkt N-substituované amidy a N-substituované amidiny. Tato reakce může být prováděna jak v roztoku, tak jako heterogenní reakce. Ačkoliv samoukončení není zvláště zmíněno, maximální konverze aminolýzy může být, přinejmenším teoreticky, řízena molárním poměrem CN/primární amin v reakční směsi. Prakticky však tuto reakci nelze považovat za samoukončovací, neboť kompetující hydrolytická reakce nemůže být řízena stejným způsobem.

Z výše uvedeného stavu techniky je zřejmé, že hydrolýza polyakrylonitrilu je velmi složitou reakcí, jejíž výtěžek velmi závisí na reakčních podmínkách, včetně povahy katalyzátoru, na teplotě, koncentracích reagujících látek, přítomnosti a typu rozpouštědla polyakrylonitrilu a na dalších parametrech. Je rovněž zřejmé, že dosud známé reakční směsi, poskytující akrylové multiblokové kopolymery jsou přirozeně nestálé, takže reakce musí být ukončena a produkt izolován v přesně určený časový okamžik. Tyto faktory komplikují výrobu a snižují použitelnost akrylových multiblokových kopolymerů_____

Bez ohledu na předcházející stav techniky jím tento vynález není ani předkládán, ani učiněn zjevným.

Podstata vynálezu

Vynález se týká způsobu samoukončovací hydrolýzy polyakrylonitrilu, který podstatně eliminuje heterogenitu výsledného muitiblokového polymeru a poskytuje v podstatě stálý roztok multiblokového kopolymerů, který může být přeměněn na tvarované • · «· ·* .·* 9 · · · • 9 · · · · 9* « ,*««« v w « • 9 «999

9,9· 9 9 · ♦ ·9 «1-9-9 hydrogelové předměty protlačováním, odléváním, lisováním a spřádáním, ponořováním nebo podobnými způsoby tvarování, kombinovanými se srážením z vodné kapaliny. Podmínky pro samoukončovací hydrolýzu polyakrylonitrilu vyžadují katalyzátor na bázi alkalického kovu (MY) v určitém specifickém molárním poměru vůči CN skupinám v poloze 1,3 a přítomnost thiokyanátu sodného.

Hydrolytická reakce zahrnuje tři zásadní kroky:

1. Smísení reakční směsi z alespoň dvou složek A a B v předem stanoveném poměru, přičemž jedna složka (A) obsahuje rozpuštěný polyakrylonitril a jedna složka (B) obsahuje bazický katalyzátor obecného vzorce XY, kdy obě složky obsahují thiokyanát sodný a vodu.

.Rozdělení stále kapalné homogenní směsi do více oddílů nebo nádob tak, aby bylo dosaženo vysoce specifického povrchu, vhodného pro účinné chlazení.

3. Zahřátí směsi na předem stanovenou reakční teplotu a udržování takové teploty po předem stanovenou dobu, která je

-—-do-statečná-pr-o-úpln-ý-pr-ůběh-r-eakoe-k-dosažení-př-edem-zvOlenékonverze.

Převedení vzniklého roztoku multiblokového kopolymeru do nádoby pro skladování, transport nebo další zpracování srážením.

Vzniklé hydrogely mají velký obsah vody, velkou teplotní stálost, dokonce i plně hydratované a vynikající mechanické vlastnosti.

Samozakončení hydrolýzy akrylonitrilu v předkládaném vynálezu se dosahuje neutralizací silně bazického katalyzátoru MY slabě

- 14 kyselými skupinami, vytvářenými reakcí takových CN skupin, které jsou původně v polohách 1,3. CN skupiny v polohách 1,3 se hydrolyzují určitým mechanismem, což je předem daná podmínka pro tento vynález. Pokud výchozí polymer obsahuje menší koncentraci jiných CN skupin (například izolovaných CN skupin), může být provedena vhodná náprava. V dalším textu jsou CN skupinami míněny přivěšené CN skupiny v polohách 1,3.

Bylo zjištěno, že existuje předvídatelný a opakovatelný ale překvapivě nikoliv stechiometrický vztah mezi složením produktu, molárním poměrem [MY]/[CN] a maximální konverzí reakce pro dané reakčni podmínky. Tato znalost umožňuje jednoduché určení koncového bodu za použití určité předem stanovené specifické hodnoty [MY]/[CN] pro každou požadovanou konverzi. Pro dané reakčni podmínky může být stanovena konstanta proporcionality A (popsaná níže), tak jako teplota a složení rozpouštědla. Ukončovat reakci extrakcí nebo neutralizací rozpouštědla a/nebo katalyzátoru v určitém časovém bodu není nutné, neboť reakce se ukončí sama (samoukončení), jakmile je katalyzátor neutralizován reakčním produktem na základě již uvedeného.

-T-βnto-v-7-tah-me-z-i-sIož-ením-r-eakční-směsi_a_kone-čnou konverzí lze nyní stanovit empiricky. Například je možné měnit [MY]/[CN] pro určité reakčni podmínky (teplotu, složení roztoku, jakost polyakrylonitrilu, koncentraci polyakrylonitrilu, složení katalyzátoru) a najít výslednou reakčni konverzi po dostatečné době reakce.

Požadovaný poměr může být také předem odhadnut následujícím výpočtem:

Molámí konverze MC (v %) je

MC = ([CN]₀ - [CN])/(100 . [CN]₀) (1)

· ₆ís e -i.

= I = kde [CN]₀ a [CN] jsou molární koncentrace nitrilových skupin v reakční směsi na počátku reakce a na konci reakce.

Bazicky katalyzovaná reakce CN v přítomnosti thiokyanátu sodného nakonec poskytuje 3 hlavní typy skupin: karboxyly (COOH), amidy (CO.NH₂) a amidiny (CNH.NH₂). Konečná koncentrace CN tedy bude [CN] = [CN]₀ - ([COOH] + [CO.NH₂] + [CNH.NHJ) (2)

Bylo stanoveno, že v přítomnosti thiokyanátu sodného se COOH formuje v konstantním poměru vzhledem k ostatním dvou skupinám, zejména [COOH] = a.([CO.NH₂] + [CNH.NHJ) (3)

Rovněž bylo zjištěno, že amidiny a amidy se formují přibližně konstantní rychlostí při daných reakčních podmínkách, takže [CO.NH₂] = b.[CNH.NHJ (4) kde a a b jsou volitelné konstanty.

Kombinací (3) a (4) se získá následující:

[CNH.NHJ = [COOH]/a.(1 + b) (5) a dosazením z rovnice (1) uvedené výše se získá následující vztah:

COOH = {a/(1 + a)} . MC. [CN]₀/100 (6) [CNH.NHJ = {1/(1 + a)(1 + b)} . MC. [CN]₀/100 (7)

- 16 ti titi ti· ti ti ti · • ti titi tititi titititi titi titi ti • ti · ti ti • ti titi titi •ti '»·· • titi ti ti • tititi

Katalyzátorový kation M⁺ je vázán na některé, ne však na všechny skupiny COOH. Je stanoveno, že přítomnost ionizovaných COOH skupin potlačuje ionizaci jiných COOH skupin v jejich blízkosti a tedy jejich účinnost při neutralizování MY navázáním M⁺. Tato vazebná účinnost je vyjádřena konstantou c. Nadto mohou některé skupiny COOH vzájemně reagovat s amidiny, které jsou silně kationtovými skupinami, kompetujícími s M⁺ o vazebná místa. Poměrná vazebná síla amidinu a M⁺ bude vyjádřena konstantou d. Maximální d = 1, kdy každá amidinová skupina vzájemně reaguje s jednou skupinou COOH.

Koncentrace neutralizovaného MY tedy bude [MY] = [COOH]/c - d.[CNH.NH₂] (8)

Spojení rovnic (10) a (8) vede k [MY]/[CN]₀ = A.MC/100 (9) kde A = {a(1 + b) - c.d.}/{c.(1 + a).(1 + b)} (10)

Bylo zjištěno, že reakce, probíhající za podmínek tohoto vynálezu, poskytuje 2/3 COOH skupin a 1/3 skupin o vzorci C(=Z)NH2, kde Z je buď O nebo NH. Skupiny, kde^-Z = O~“jsou neutTálmmi amidovými skupinami a skupiny, kde Z = NH, jsou kationtovými amidinovými skupinami. Bylo tedy empiricky zjištěno, že se molární poměr amidových a amidinových skupin pohybuje v rozmezí přibližně od 0,6 do 2,0 a průměrný poměr pro typické reakční podmínky má hodnotu 1,4. Nadto bylo zjištěno, že v průměru jsou jak amidové, tak amidinové skupiny vždy obklopeny karboxylovými skupinami na obou stranách. Tyto vztahy závisí na reakčních podmínkách a byly vyjádřeny volitelnými konstantami v rovnicích (1) až (10). Typické hodnoty a rozmezí těchto konstant jsou následující:

• · · · ··· · · · ···· ·· ·· ··· · · • ···· · · ·

Hodnota	Rozmezí
a = 2	1,95 - 2,2
b = 1,4	0,6 - 2,2
c = 2	1,6 - 3,2
d = 1	0,5 - 1,1

Jak ukazuje dosavadní stav techniky, hlavni účinek na reakční mechanismus může mít rozpouštědlo. Volba reakčního rozpouštědla je proto důležitá. Musí se jednat o rozpouštědlo vhodné pro polyakrylonitril i pro konečný produkt a musí být slučitelné s katalyzátorem. Rozpouštědlo ovlivňuje reakci tím, že ovlivňuje ionizaci meziproduktů, ,karboxylátových skupin a katalyzátoru. Nevhodně zvolené rozpouštědlo může vést ke zcela odlišnému polymeru než je multiblokový kopolymer, složený z výše uvedených skupin.

Pro účely předkládaného vynálezu je optimálním rozpouštědlem vodný roztok, obsahující thiokyanát sodný v koncentraci přibližně od 50 % do 60 % hmotnostních a s výhodou od 53 % hmotnostních do 57 % hmotnostních.

Menší část thiokyanátu sodného může být nahražena thiokyanátem draselným, líthným nebo vápenatým, aniž by se rozpouštědlo stalo pro vynález nepoužitelným. Je pravidlem, že by jiným thiokyanátem nemělo být nahraženo více než 33 % hmotnostních thiokyanátu sodného. Menší část vody v rozpouštědle A může být nahražena organickými kapalinami, jako nižšími alifatickými alkoholy Cý až C₃, glycerolem nebo ethylenglykolem. Je pravidlem, že takovými organickými kapalinami by nemělo být nahraženo více než 25 % hmotnostních vody. Je třeba zmínit, že dokonce i menší změna ve složení rozpouštědla může vést k významné změně hodnot konstant a, b, c ad.

- 18 • · e β

Katalyzátorem reakce je silná báze obecného vzorce ΜΎ, kde M je Li, K nebo Na a Y' je anion, odvozený od slabé kyseliny s pKa vyšší než přibližně 5. Typicky Y' představují: OH-, SiO₂ ²', CN' nebo CO₃ ²'. Upřednostňovaným katalyzátorem je NaOH.

Způsob obsahuje následující podstatné kroky:

1. Polyakrylonitril se rozpustí ve vodném anorganickém rozpouštědle S, obsahujícím thiokyanát sodný, k vytvoření roztoku A. Koncentrace polyakrylonitrilu v roztoku A je označována (c_{PAN A}), v [% hmotnostních];

2. Katalyzátor MY se rozpustí v uvedeném rozpouštědle Sk vytvoření roztoku B. Koncentrace MY v roztoku B je označována (c_MY8), ^v [^% hmotnostních];

3. Roztoky A a B se smísí v hmotnostním poměru (A/B) při teplotě do [°C]. Koncentrace polyakrylonitrilu v reakční směsi C je (c_Pan _c) ^θ koncentrace katalyzátoru je (c_{MY C}), obojí v [% hmotnostních]. Molární poměr je [MY/PAN] = (MW_pan/MW_my)*(c_{my c})/(c_{PAN c}) (11) kde MW_pan a MW_m jsou molekulové hmotnosti průměrné polyakrylonitrilové jednotky (53 pro akrylonitril) a katalyzátoru (40 pro NaOH). Množství roztoků A a B jsou zvolena k dosažení určité, předem stanovené hodnoty [MY/PAN];

4. Reakční teplota se zvýší na teplotu t_r [°C] a udržuje se na této teplotě po dobu reakce T_r, která je dostatečná k dosažení požadované konverze; a

5. Teplota se sníží na teplotu okolí, výsledný odlévací roztok C se udržuje v uzavřeném zásobníku, dokud se nezpracuje na hydrogel.

Pro samoukončení je nezbytné zvolit reakční podmínky tak, aby amoniak a báze o stejné nebo menší síle nebyly účinnými katalyzátory hydrolytické reakce. Jako vedlejší produkt výše popsané hydrolytické reakce se vytváří zejména amoniak. Pokud by nově vzniklý amoniak byl schopný reagovat s CN skupinami a/nebo katalyzovat hydrolýzu za zvolených reakčních podmínek, potom by taková reakce nebyla samoukončovací. Katalytická účinnost amoniaku může být potlačena prováděním reakce v rozpouštědle o značné iontové síle a při poměrně nízké teplotě. Požadavky, týkající se rozpouštědla, jsou definovány výše. Reakční teplota by měla být v rozmezí od 50 °C do 100 °C a lépe od 60 °C do 80 °C. Volba reakčních podmínek je podstatná. Z předchozího stavu techniky je známo, že za odlišných podmínek jsou amoniak a dokonce i slabé báze účinnými katalyzátory hydrolýzy polyakrylonitrilu. Hydrolýza CN, katalyzovaná amoniakem, by mohla zabránit samoukončení reakce.

Ačkoliv je tento způsob jednoduchý, zmiňovaná chemická reakce nikoliv,--Je-stanoveno,_že_bazicky_katalyzovaná hydrolýza polyakrylonitrilu v přítomnosti thiokyanátu sodného probíhá ve dvou krocích:

1. Bazicky katalyzovanou polymerací nitrilových skupin k vytvoření oblasti žebříkového polymeru nebo bloku v polymerním řetězci; a,

2. Hydrolýzou meziproduktu žebříkového polymeru (LPI, Ladder Polymer Intermediate) na konečný multiblokový kopolymer.

- 20 I Jako ve většině následných reakcí, vychází koncentrace LPI

I meziproduktu od 0, prochází maximem a poté se snižuje zpátky na 0.

I LPI je málo rozpustný v rozpouštědle S. Viskozita reakční směsi proto

I vzrůstá s koncentrací LPI a prochází maximem. Viskozita v tomto

I maximu může být tak vysoká, že se reakční směs stává kaučukovitou

I nebo dokonce pevnou před tím, než se stane opět kapalnou. V této fázi

I nelze reakční směs míchat a podmínky pro přenos tepla jsou velmi

I špatné. Vzhledem k tomu, že hydrolytická reakce polyakrylonitrilu je

I ’ exotermní, teplota v objemu reakční směsi vzrůstá více než na stěně

I reakční nádoby, výsledkem čehož je nežádoucí teplota reakce. Teplota

I může vzrůstat nad požadovanou mez v některých částech reakční

I směsi, kde může dojít ke ztrátě samozakončovacího charakteru. Nad to

I je sekvenční rozdělení citlivé vůči reakční teplotě, neboť iniciace,

I propagace a terminace reakce mají různé aktivační energie. Nestejná

I teplota reakční směsi vede k heterogenitě produktu. Pokud se reakce

I provádí ve větším zásobníku, může dokonce získat charakter neustále probíhající (run-away) reakce, poskytující nedefinovaný zuhelnatělý zbytek, nebo může dokonce dojít k explozi. Je proto nejdůležitější řídit teplotu reakce i tehdy, pokud reakční směs nelze míchat.

Proto by měl být poměr termostabilního povrchu vůči objemu

---i-jdržován—v-yšší—než_2-0_[.míLj_ a s výhodou vyšší než 50 fm¹]. Toho lze dosáhnout různými metodami, jako je vložení trubicového teplotního výměníku do reakční směsi na počátku kroku 4 a jeho volitelného odstranění poté, kdy se reakční směs opět stane tekutou. Upřednostňovaný způsob zahrnuje rozdělení reakční směsi na mnoho dílů před krokem 4 a jejich spojení po kroku 4 a s výhodou až po kroku 5. Toho lze dosáhnout rozptýlením reakční směsi do nemísitelné kapaliny (například petroůeje nebo silikonového oleje), nebo naplněním směsi do mnoha nádobek o malém průměru, umístěných v kapalině o termostatem udržované teplotě pro přenos tepla. Jakmile je reakce skončena, odlévací roztok může být shromážděn pro skladování a/nebo

zpracování. Tato opatření mohou být velmi obtížná u způsobu, který není samoukončovací, neboť by mohla vést ke zvýšené heterogenitě produktu.

Zlepšený způsob přináší nejen méně nákladnou výrobu, ale rovněž produkt multiblokového kopolymerů s podstatně zlepšenou homogenitou a současně zlepšenou reprodukovatelností, mechanickou pevností, stálostí, jasností a jinými vlastnostmi. Produkt má také zlepšenou biologickou slučitelnost vzhledem k nižšímu obsahu vodou extrahovatelných podílů.

• Způsob výroby a vlastnosti produktu mohou být dále zlepšeny odstraněním kyslíku a/nebo vyzařovaného světla během reakce a skladování odlévacího roztoku multiblokového kopolymerů. Přítomnost kyslíku a světla vyvolává určité odbarvení produktu, pravděpodobně stabilizací určitých chromoformních struktur meziproduktů v polymeru. Odstranění těchto vedlejších reakcí zlepšuje kvalitu produktu a dále zlepšuje možnost určení koncového bodu a reprodukovatelností způsobu výroby.

Jak bylo uvedeno výše, způsob podle vynálezu poskytuje stálý, skladovatelný roztok multiblokového kopolymerů (očUevačí^-roztok)? který může být někdy v budoucnosti zpracován na tvarované hydrogelové předměty. To poskytuje výrobnímu způsobu pružnost, stejně jako zlepšenou kontrolu kvality produktu. Surový odlévací roztok obsahuje jako vedlejší produkt amoniak. Amoniak zapáchá a snižuje stálost a dobu skladovatelnosti odlévacího roztoku. Bylo zjištěno, že amoniak je možné neutralizovat přidáním slabých kyselin včetně kyseliny borité a organických hydroxykyselin, jako je kyselina citrónová. Silnější kyseliny nelze použít, neboť rozkládají thiokyanát, přítomný v roztoku. Stabilizovaný odlévací roztok je proto čirý, v podstatě bezbarvý

- 22 a stálý po delší časová období při teplotě okolí, zejména pokud je skladován v tmavých zásobnících a/nebo pod inertním plynem.

Celý výrobní proces je dokončen přeměnou odlévacího roztoku na tvarovaný hydrogelový předmět jako vlákno, tyčku, trubku, folii a podobně. Roztok se přeměňuje na pevnou látku tak zvanou koagulací, srážením. Srážení sestává z toho, že se roztok v určitém definovaném tvaru (v tenké vrstvě, v kulovité kapénce, ve vláknu) přivede do styku s vodou, která difunduje do roztoku a snižuje koncentraci thiokyanátu. Snížená koncentrace thiokyanátu iniciuje fázové oddělení hydrofobních tvrdých bloků a následné převedení odlévacího roztoku na pevnou látku. Rozpouštědlo a jiné zbytky jsou poté extrahovány přebytkem vody nebo vodným roztokem.

Hydrogel, vyráběný tímto způsobem, má výhodu mnohem většího bobtnání v čisté vodě než v izotonickém roztoku. Zatímco tento jev může být v podstatě pravdivý pro jakýkoliv hydrogel o vysoké koncentraci iontových skupin, lze ho málokdy využít pro čištění hydrogelů vzhledem k extrémní lámavosti většiny takových hydrogelů, pokud bobtnají v čisté vodě. Mechanické vlastnosti hydrogelových produktů (které jsou důsledkem jejich struktury a pravidelnosti; to -7-n amen á—jsou—dán-y—z působě m—V-ý-r-O.b-y-)—um ožnu j-Lb-ezpO-č nou extrakci dokonce i extrémně velkého množství vody, kdy je difuzívita (prolínavost) vysoká dokonce i pro velké molekuly. To umožňuje extrahovat z hydrogelů zbytky o poměrně vysoké molekulové hmotnosti, jako jsou vodou rozpustné oligomery. Jakmile je hydrogel přiveden do izotonických podmínek, jeho bobtnání dramaticky klesá a to omezuje jeho propustnost. Zbytkové oligomery, pokud jsou přítomné, jsou účinně a trvale zachyceny v gelu za podmínek použití. To je podstatnou výhodou pro biomedicínské polymery, z nichž je extrakce oligomerů často velmi obtížná. Hydrogely formované zde popisovaným způsobem jsou velmi stálé, dokonce i za vysoké teploty. Výrobek vytvořený z ·'· ··

- 23 takových hydrogelů může být sterilizován autoklávováním i v silně hydratovaném stavu (například při obsahu tekutiny 90 % hmotnostních, nebo vyšším).

Ještě dalším důsledkem strukturní pravidelnosti (to znamená důsledkem zde uvedeného způsobu) je vynikající tvarová paměť v širokém rozmezí podmínek. Tato vlastnost umožňuje plnou rehydrataci deformovaných xerogelů, změkčení v deformovaném tvaru, anizotropní bobtnání a jiné jedinečné a výhodné vlastnosti.

Multiblokové kopolymery, vytvořené zde popsaným způsobem, mají jak aniontové, tak kationtové skupiny připojené přímo na hlavní řetězec. Nadto je každá kationtová skupina obklopena dvěma aniontovými skupinami a může vytvářet vnitřní sole v úzkém rozmezí pH. To vede k dramatickému snížení bobtnání v rozmezí pH mezi 3,5 a 4,0. Hydrogel, který je výsledkem zde popsaného způsobu, může měnit rovnováhu obsahu pevné látky více než v řádu velikostní změny a poměr mezi pevnou látkou a kapalinou v ještě širším rozmezí. Tato vlastnost umožňuje konstrukci anizotropních implantátů, které mohou bobtnat v upřednostňovaných směrech a změnu nikoliv pouze jejich velikosti, ale také jejich geometrie během styku s tělními tekutinami.

Tento vynález je dále ozřejměn následujícími příklady, na něž se neomezuje.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

155 hmotnostních dílů polyakrylonitrilového homopolymeru, majícího hmotnostně střední molekulovou hmotnost 155 000, se rozptýlí ve 450 hmotnostních dílech vody. V průběhu přibližně tří hodin se za

- 24 míchání při teplotě přibližně 60 °C postupně přidá 605 hmotnostních dílů krystalického thiokyanátu sodného. Polyakrylonitril se během tohoto časového období v podstatě rozpustí a vytvoří viskózní roztok A. Roztok A se míchá po dalších 6 hodin při teplotě přibližně 70 °C k úplnému rozpuštění a poté se ochladí na méně než 25 °C.

Roztok B se připraví v jiné nádobě. 15,5 hmotnostních dílů hydroxidu sodného a 250 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného se rozpustí v 250 hmotnostních dílech deionizované vody při teplotě okolí.

Roztok A a roztok B se smísí v hmotnostním poměru 2,347 v míchaném, sklem vyloženém reaktoru při 22 °C. Výsledná výrobní směs

V má následující složení (veškeré procentní údaje jsou v procentech hmotnosti):

polyakrylonitril 8,08 % hydroxid sodný 0,90 % thiokyanát sodný 49,55 % voda 40,57 %

Toto složení odpovídá molárnímu poměru [MY/CN] = 0,1325

Směs se naplní do mnoha skleněných zásobníků s plastovými uzávěry. Každý má objem přibližně 10 litrů, výšku 330 mm a průměr 200 mm. Uzavřené zásobníky se ponoří do vodní lázně a 48 hodin se udržují při teplotě 70 °C. Jakmile je teplota zvýšena, směs v zásobnících rychle tmavne a zvyšuje se její viskozita. Postupně se stává tmavě hnědou kaučukovitou pevnou látkou. Jak reakce pokračuje, barva se postupně mění z tmavě hnědé na červenohnědou a přes tmavě oranžovou až na žlutou. Současně směs přechází na kapalinu o přibližně původní viskozitě. Výsledný roztok je viskózní kapalinou, jejíž vzhled se podobá medu a silně čpící amoniakem. Složení polymeru se ·· ·· : t · i

- 25 * · · · • · · · «'·<

··«··· · · • · · · • ·· ·«

měří pomocí nukleární magnetické rezonance (NMR) přímo po skončení reakce a poté opět po 30 dnech skladování ve sklěněné lahvi při teplotě okolí; veškeré koncentrace jsou v molárních procentech. Složení je shodné v rámci přesnosti použitého způsobu. Hydrogely vytvořené z roztoku bezprostředně po reakci a po 30 dnech skladování roztoku byly rovněž shodné, jak bylo prokázáno jejich obsahem vody (v hmotnostních procentech) a vzhledem. Údaje, prokazující stálost při skladování roztoku kopolymerů, jsou shrnuty v následující tabulce.

	po reakci	po 30 dnech
Akrylonitrilové jednotky	54,9 %	55,1 %
Jednotky kyseliny akrylové	10,2 %	30,0 %
Akrylamidové jednotky	8,9 %	9,3%
Akrylamidinové jednotky	6,0 %	5,8 %
Hydrogelový obsah vody v deion. vodě	98,8 % hm.	98,6 % hm.
Hydrogelový obsah kapaliny v 0,9 % hm. NaCl	90,6 % hm.	90,6 % hm.

Roztok byl v podstatě stálý dokonce i pro delší období skladování při okolních podrnírTKacTT ^- Pro další zpracování se zásobníky otevřou a vyprázdní do nádob z nerezové ocele. Roztok se zahřívá po několik hodin na teplotu 55 °C za střídavého aplikování vakua a dusíku. Jakmile viskozní roztok neobsahuje bubliny, přivádí se tryskou do vodní lázně tak, aby se srážel do tvaru tyčinek hydrogelů. Hydrogel se několikrát promývá vodou a poté vodným roztokem 0,9 % hmotnostních NaCl, dokud z extraktu nezmizí detegovatelný zbytek thiokyanátu sodného.

- 26 «- ·

• · · • · ·

Výsledný hydrogel obsahuje 90,3 % hmotnostního izotonického solného roztoku. Pevnost v tahu při teplotě okolí a plné hydrataci izotonickým roztokem je přibližně 6 kg na cm², což je nejméně přibližně 2x až 3x více než u jiných hydrolyzátů polyakrylonitriu s podobným obsahem kapaliny a složením polymeru. Autoři tohoto vynálezu předpokládají, že toto zlepšení může přispívat ke zlepšené homogenitě polymeru.

Protlačované hydrogelové tyčinky mohou být vysušeny pod tlakem, pro použití jako složky zařízení pro rozšiřováni tkáně (tissue expander device). Bobtnání hydrogelu je silně závislé na prostředí pro bobtnání. Pokud je umístěn v čisté vodě, bobtná co do objemu, dokud neobsahuje více než 98 % hmotnostních kapaliny. Pokud je umístěn do zředěné kyseliny (například kyseliny fosforečné nebo kyseliny dusičné) a po té se promyje čistou vodou, silně se scvrkne a stane se zakaleně ztuhlým kaučukovitým plastem o obsahu vody menším než 80 % hmotnostních. Svůj obsah vody může opět získat neutralizací slabou bází, jako je vodný roztok hydrogenuhličitanu sodného. Toto chování je při některých použitích vhodné.a předpokládá se, že je způsobeno přítomností akrylamidinových a karboxylátových skupin ve stejném polymerním řetězci.

Příklad 2

155 hmotnostních dílů polyakrylnitrilového kopolymeru, obsahujícího 94 molárních procent akrylonitriu a 6 molárních procent methylakrylátu a majícího hmotnostně střední molekulovou hmotnost 110 000, se rozpustí v roztoku 380 hmotnostních dílů vody, 50 hmotnostních dílů thiokyanátu vápenatého a 450 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného. Do míchaného roztoku se postupně přidává polyakrylonitril, dokud se v podstatě nerozpustí na viskozní roztok A. Roztok A se míchá po dalších 6 hodin při teplotě přibližně 60 °C k

- 27 ί ί ** ♦ <

• · . i · ··« • · · · · 4 4 · · • 4 · 4 · • 44 · ·· ,·· • 4 4»

9 · 9

9 » dokončení rozpouštění a poté se ochladí na teplotu okolí, nižší než 22 °C.

Roztok B se připravuje v jiné nádobě. 6,65 hmotnostních dílů hydroxidu sodného se rozpustí v roztoku, obsahujícím 110 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného a 110 hmotnostních dílů deionizované vody při teplotě okolí.

Roztoky A a B se smíchají v hmotnostním poměru 4,283 v míchaném, sklem vyloženém reaktoru při 25 °C. Výsledná výrobní směs má následující složení (veškeré procentní údaje jsou hmotnostní):

polyakrylonitril	12,14 %
hydroxid sodný	0,52 %
thiokyanát sodný a draselný	17,78 %
voda	39,56 %

Toto složení odpovídá molárnímu poměru [MY]/[CN] = 0,0588

Reakční směs se čerpá pod ochrannou dusíkovou atmosférou do mřížky z mnohočetných skleněných trubiček o průměru 120 mm a o celkové-délce-př-ibližně—1-0-0-m.Jlub-ulár-n-í_(-tr-ub-ko-V-ý-)-r-eakto.r_je_u.mísJě.n_ ve vodní lázni, termostatem udržované na teplotě 80 °C. Reakční směs se v něm udržuje po 18 hodin. Směs rychle tmavne a přechází na pevnou látku, ale na konci reakce mění barvu na světle hnědou a stává se kapalnou. Výsledný viskozní roztok se čerpá do sběrného tanku, kde se ochlazuje na 20 až 25 °C. K neutralizování volného amoniaku a odstranění jeho zápachu se přidají přibližně 2 % kyseliny citrónové.

Výsledný odlévací roztok se používá k výrobě hydrogelových membrán. Roztok se rozprašuje v tenké vrstvě na skleněnou plotnu a sráží se ponořením do 5% roztoku thiokyanátu sodného. Vysrážené φ' ·' φ φ φ'

- 28 t·’ tabule hydrogelu jsou potom několikrát promývány vodou, dokud není odstraněn veškerý molekulární zbytek.

Výsledné hydrogelové membrány obsahují 91 % hmotnostních kapaliny v rovnováze s čistou vodou. Pokud nasáknou 0,9% roztokem NaCl (procenta hmotnostní) sníží se obsah kapaliny přibližně na 80 % hmotnostních. Membrány mohou být sterilizovány autoklávováním v izotonickém solném roztoku, aniž by došlo ke změně jejich vlastností.

Příklad 3

100 hmotnostních dílů polyakrylonitrilového homopolymeru, majícího hmotnostní průměrnou molekulovou hmotnost .270 000, se rozpustí v roztoku 380 hmotnostních dílů vody, 150 hmotnostních dílů thiokyanátu draselného a 350 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného. Do míchaného roztoku se postupně přidává polyakrylonitril, dokud se v podstatě nerozpustí na viskozní roztok A. Roztok A se míchá po další dvě hodiny při teplotě přibližně 80 °C k dokončení rozpouštění a po té se ochladí na teplotu okolí nižší než 20 °C.

Roztok B se připravuje v jiné nádobě. 17 hmotnostních dílů hydroxidu—draselného—se—rozpustí—v—roztoku,—obsahujícím-—150 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného a 200 hmotnostních dílů deionizované vody při teplotě okolí.

Roztok A a roztok B se smísí v hmotnostním poměru 2,670 v míchaném, sklem vyloženém reaktoru při 20° C. Výsledná výrobní směs má následující složení: (veškerá procenta jsou hmotnostní):

polyakrylonitril hydroxid draselný thiokyanát sodný

7,42 % 1,26 % 57,12 %

thiokyanát draselný voda

11,14 % 43,06 %

Toto složení odpovídá molárnímu poměru [MY]/(CN] = 0,1600

Reakční směs se zpracovává ve stejném zařízení, jaké bylo popsáno v příkladu 2, a to 36 hodin při teplotě 75 °C. Výsledný viskozní roztok se čerpá do sběrného tanku, kde se ochlazuje na teplotu 20 až 25 °C. K neutralizování volného amoniaku a odstranění jeho zápachu se přidají přibližně 2 % kyseliny citrónové.

Polyakrylonitril o relativní molekulové hmotnosti 250 000, zreagovaný s vysokou konverzí spřádáním vláken do 5% srážecí lázně se promyje v 5% roztoku NaCl, okyselí sé 1% kyselinou fosforečnou a promyje se deionizovanou vodou.

Roztok se protlačuje vícečetnou tryskou do srážecí lázně k vytvoření svazku vláken. Koncentrace srážecí lázně zahrnuje koncentraci thiokyanátu sodného o hodnotě přibližně 10 % hmotnostních a koncentraci draslíku o hodnotě přibližně 3,33 % hmotnostního a udržuje se během spřádání. Vysrážená vlákna se promyjí—v—TQ-%—r-o-z-tok-u—{-hmotnostní—pr-ooenta-)—NaCl—ve—vO-d-ě_a_pO_té__ procházela lázní s obsahem 1% kyseliny sírové a následně lázní deionizované vody.

Takto vytvořená vlhká hydrofilní akrylová vlákna se natahují a suší pod tlakem. Vlákna jsou v čisté voděu mírně hydrofilní, ovšem silně bobtnají ve vodných kapalinách při pH přibližně kolem hodnoty 7.

Taková vlákna se mohou hodit jako absorpční vlákna pro obvazování ran a k jiným použitím.

Příklad 4

100 hmotnostních dílů polyakrylonitrilového homopolymeru, majícího hmotnostně střední molekulovou hmotnost 80 000, se rozpustí v roztoku 380 dílů vodýa 500 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného. K míchanému roztoku se postupně přidává polyakrylonitril, dokud se v podstatě nerozpustí na roztok A. Roztok A se míchá po další 2 hodiny při teplotě přibližně 60 °C k dokončení rozpouštění a po té se ochladí na teplotu okolí nižší než 20 °C.

Roztok B. se připravuje v jiné nádobě. 20 hmotnostních dílů hydroxidu sodného se rozpustí v roztoku, obsahujícím 350 hmotnostních dílů thiokyanátu sodného a 250 hmotnostních dílů deionizované vody při teplotě okolí. Poté se přidá 1 hmotnostní díl hexamethylendiaminu a rozpustí se ve směsi.

Roztok A a roztok B se smísí v hmotnostním poměru 1,573 v míchaném, sklem vyloženém reaktoru při 24 °C. Výsledná výrobní směs má následující složení (veškeré procentní údaje jsou hmotnostní):

polyakrylonitril 6,25 % hydroxid sodný 1,25 % thiokyanát sodný 53,09 % hexamethylendiamin’ 39735^-% voda 0,06 %

Toto složení odpovídá molárnímu poměru [MY]/[CN] = 0,265

Výrobní reakční směs se rozptýlí (disperguje) v 7 000 hmotnostních dílů minerálního oleje s rozptýleným, jemně mletým uhličitanem vápenatým jako stabilizátorem disperze. Tato disperze se zahřívá na 75 °C v pomalu míchaném reaktoru. Rozptýlené kapénky reakční směsi vytvářejí pevnou látku a mění barvu na tmavý odstín a poté postupně přecházejí na žlutavý odstín, ovšem zůstávají ve stavu

- 31 kaučukovité pevné látky, který je způsobený přetrvávajícím zesítěním. Disperze se ochladí a nabobtnalé polymerové perličky se oddělí od oleje. Perličky se rozptýlí do 10% vodného roztoku (hmotnostní procenta) thiokyanátu sodného, promyjí se 5% roztokem NaCI, poté se promyjí 0,9% roztokem NaCI (hmotnostní procenta) a vysuší se. Takto získané perličky hydrogelu je možné použít jako absorbent vody, nebo jako nosič pro biologicky aktivní sloučeniny.

Na základě těchto poznatků je možné vytvořit mnohé modifikace a varianty předkládaného vynálezu. Je tedy zřejmé, že v rozsahu připojených nároků může být vynález prováděn i jiným způsobem, než zde bylo konkrétně uvedeno.

Zastupuje:

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby kopolymerů akrylonitrilu, majících multiblokovou strukturu, zahrnující hydrofilní skupiny kyseliny akrylové, akrylamidů a akrylamidinů v hydrofilních blocích a zbytkové nitrilové skupiny v hydrofobních blocích, částečnou hydrolýzou polyakrylonitrilu na předem stanovenou konverzi hydrolýzy, při níž se hydrolýza sama ukončí, způsobem, který zlepšuje kvalitu a snižuje heterogenitu produktu, vyznačující se tím, že zahrnuje kroky, při nichž:

a) se vytvoří první reakční směs, která zahrnuje polyakrylonitril, rozpuštěný ve vodném reaktivním rozpouštědle s obsahem thiokyanátu sodného;

b) se vytvoří druhá reakční směs, která zahrnuje reakční katalyzátor obecného vzorce MY, rozpuštěný ve vodném reaktivním rozpouštědle s obsahem thiokyanátu sodného;

c) se smísí reakční směsi z kroků (a) a (b) před vytvořením výrobní reakční směsi;

d) se zmíněná reakční směs rozdělí do množství fyzických reakčních oddílů pro zvýšení vnější plochy povrchu vzhledem k objemu ve srovnání s vnější plochou povrchu jediného reakčního oddílu ke zvýšení účinnosti chlazení a ke snížení nežádoucích tepelných účinků středového jádra; a,

e) se zahřívá uvedená rozdělená výrobní reakční směs do předem stanoveného rozmezí reakční teploty a toto teplotní rozmezí se udržuje po předem stanovenou dobu, která je dostatečná pro dosažení předem stanovené úrovně hydrolýzy, při níž je výsledný roztok kopolymerů v podstatě stálý při teplotě okolí.

- 33 • 4· ♦· 4« '99

9 · · · · · · · • · · · «·· 9 « #j

9 9 99 9 9 9 <9 9 '9 9 · »

4 * · · · t · ·
2. Způsob výroby podle nároku 1, vyznačující se tím, že předem stanovené rozmezí reakční teploty je dostačující k vyvolání dočasného ztuhnutí zmíněné reakční směsi.
3. Způsob výroby podle nároku 2, v y z n a č u j í c í s e t í m, že předem stanovené rozmezí reakční teploty je vyšší než 50 °C a nižší než 110 °C.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m, že zmíněné smísení k vytvoření výrobní reakční směsi se provádí při teplotě nižší než 50 °C.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zmíněná hydrolytická reakce se provádí za nepřítomnosti kyslíku alespoň během operací, při nichž teploty přesahují 50 °C.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m, že zmíněný roztok kopolymeru se dále stabilizuje přidáním slabé organické kyseliny, která nevyvolává rozpad uvedeného thiokyanátu sodného.
7. Způsob podle nároku 6, v y z n a č u j í c í s e t í m, že__ zmíněná slabá organická kyselina se zvolí ze skupiny, sestávající z kyseliny citrónové, kyseliny maleinové, alaninu, kyseliny askorbové, kyseliny glutamové, kyseliny benzoové a kyseliny glukonové.
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zmíněné fyzické reakční oddíly se stýkají s médiem tepelného přenosu, termostatem udržovaným při teplotě v uvedeném rozmezí reakčních teplot.

- 34 • »· 0* 0 0 00 • 0 0' 0 0 '0' · · • 0 0 0 0 0 * 0 0 · ,'00 00 0 0 0 0 0 0 0 « 0 • 0 0 0 », 0 0 0 0 · 9' 0 · 0: <0 0 0 0 0
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že zmíněnými fyzickými reakčními oddíly jsou vzájemně propojené tubulární oddíly.
10. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že zmíněnými fyzickými reakčními oddíly jsou oddělené uzavřené zásobníky.
11. Způsob podle nároku 8, v y z n a č u j í c í s e t í m, že zmíněné fyzikální reakční oddíly mají specifický povrch styčné plochy s uvedeným mediem tepelného přenosu větší než 20 [m'¹].
12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že předem stanovené rozmezí reakční teploty je dostatečně vysoké pro vyvolání dočasného ztuhnutí zmíněné reakční směsi.
13. Způsob podle nároku 1, vyznačuj ící se t í m, že jako zmíněný reakční katalyzátor obecného vzorce MY se použije katalyzátor kovové sloučeniny, kde M je zvoleno ze skupiny, sestávající z lithia, draslíku a sodíku a kde Y je aniontem, odvozený od slabé kyseliny s hodnotou pKa vyšší než přibližně 5.
14. Způsob podle nároku 13, v y z n a č u j í c í se t í m, že zmíněnou sloučeninou alkalického kovu obecného vzorce MY je sloučenina, kde Y se zvolí ze skupiny, sestávající z OH', SiO₂ ²', CN' a CO₃ ²'.
15. Způsob podle nároku 13, v y z n a č u j í c í se t í m, že sloučeninou alkalického kovu obecného vzorce MY je hydroxid sodný.
16. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zmíněný katalyzátor na bázi alkalického kovu, obecného vzorce MY, má ϊ ·

1 ,

- 35 v uvedené výrobní směsi předem stanovený molární poměr [MY]/[CN], kde [MY] představuje molární koncentraci MY a [CN] představuje molární koncentraci přivěšených CN skupin polyakrylonitrilu v polohách 1,3.
17. Způsob výroby podle nároku 16, vyznačující se tím, že zmíněný poměr [MY]/[CN] leží v rozmezí od 0,02 do 0,25.
18. Způsob výroby podle nároku 17, vyznačující se tím, že zmíněný poměr [MY]/[CN] leží v rozmezí od 0,05 do 0,15.
19. Způsob výroby podle nároku 1, vyznačující se t í m, že koncentrace zmíněného thiokyanátu sodného v uvedené výrobní směsi představuje přibližně 50 % až 60 % hmotnostních vzhledem ke hmotnosti thiokyanátu sodného a hmotností vody.
20. Způsob výroby podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že thiokyanát, zvolený ze skupiny, se sestávající z thiokyanátu draselného, thiokyanátu lithného a thiokyanátu vápenatého, je ve zmíněné výrobní směsi rovněž zahrnut v menším množství vzhledem ke zmíněnému thiokyanátu sodnému.
21. Způsob výroby podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že výsledný reakční produkt se formuje na tvarovaný hydrogelový předmětu způsobem, který zahrnuje následující kroky:

a) srážení zmíněného roztoku kopolymerů s přebytkem vodné srážecí kapaliny; a,

b) extrakci reakčních zbytků z hydrogelů vodnou extrakční kapalinou.

-36
22. Způsob výroby podle nároku 21,vyznačující se tím, že zmíněná srážecí kapalina je vodným roztokem, obsahujícím méně než přibližně 5 % hmotnostních anorganických solí, zvolených: ze skupiny, sestávající z halogenidu alkalického kovu, thiokyanátu alkalického kovu, síranu alkalického kovu, chloridu amonného a síranu amonného.
23. Způsob výroby podle nároku 21,vyznačující setím, že zmíněná vodná extrakční kapalina je kapalinou zvolenou ze skupiny, sestávající z vody, vodného roztoku 0,9 % hmotnostních NaCl, izotonického pufrovaného roztoku a Riňgerova roztoku.
24. Produkt, vyznačující se t í m, že je získán způsobem podle nároku'1.
25. Odlévací polymerní roztok, vyznačující se tím, že je získán způsobem podle nároku 1 a zahrnuje zmíněný v podstatě stálý roztok kopolymeru.
26. Hydrogel vyznačující se t í m, že je získán způsobem podle nároku 21.