WO2009062222A1 - Nichtstatistische copolyester von l-milchsäure mit kontrollierter comonomerverteilung - Google Patents

Nichtstatistische copolyester von l-milchsäure mit kontrollierter comonomerverteilung Download PDF

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WO2009062222A1
WO2009062222A1 PCT/AT2008/000411 AT2008000411W WO2009062222A1 WO 2009062222 A1 WO2009062222 A1 WO 2009062222A1 AT 2008000411 W AT2008000411 W AT 2008000411W WO 2009062222 A1 WO2009062222 A1 WO 2009062222A1
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block
blocks
dilactide
monomer units
lactic acid
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PCT/AT2008/000411
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Gerald Rafler
Jutta Rafler
Andreas Windsperger
Robert Edlauer
Josef Gass
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Jungbunzlauer Austria Ag
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    • C08G2261/12—Copolymers
    • C08G2261/126—Copolymers block

Definitions

  • the invention relates to non-statistical copolyesters of L-lactic acid with polymerizable Comonomeren comonomers, in particular stereoisomeric cyclic esters of D- or L, D-lactic acid, with controlled copolymer distribution.
  • Polyesters based on L-lactic acid produced in a multi-stage process with biotechnological and chemical process steps from starch-containing substrates, are expected to have a high substitution potential for thermoplastically deformable hetero-chain polymers in synthetic fibers, foils and foamed materials. This is justified in particular with the biogenic raw material base from available agricultural products in combination with a property and processing profile analogous to imported, petrochemical based plastics.
  • the material and processing properties of the homo- and copolyesters of lactic acid are determined analogously to other thermoplastics both by the chemical structure and molar mass of the polymer as well as the morphology of the material.
  • the property profile of this plastic is crucial by the chirality of the monomer and its Presence imprinted in the polymer (Scheme 1).
  • poly-L-lactic acid has an isotactic polymer structure due to the chiral monomer units, which causes partial crystallinity in the polymeric solid and thus also determines the typical material properties.
  • the thermal properties, such as melting point, melting behavior and heat resistance, as well as the mechanical properties of the polymer are to a large extent a function of the proportion of chiral defect structures.
  • Isomer-free poly-L-lactic acid is semicrystalline, relatively high melting point for an aliphatic polyester, and also the mechanical properties, such as tensile and flexural strength or modulus, are at a high level. level.
  • poly-D, L-lactic acid is composed of randomly distributed L and D monomers in an equimolar ratio. The polymer structure is atactic with consequent amorphous morphology, significantly lower softening temperature and in particular lower modulus.
  • the molecular weight is another factor that particularly affects the mechanical properties of the material. To minimize morphological faulty structures in the solid state, therefore, high molecular weights with as narrow a production-dependent as possible, but at least a constant molar mass distribution should be sought.
  • the relatively broad ranges for the molecular and macroscopic parameters result, on the one hand, from the high sensitivity of the poly-L-lactide to impurities due to the stereoisomers D, D-dilactide or meso-dilactide and, on the other hand, from the different synthetic or molding conditions.
  • bi- or ternary copolymers can be prepared with random copolymer distribution, the monomers can be used in any combination and in wide concentration ratios.
  • copolyesters of the structurally identical stereoisomeric diesters of chiral or racemic lactic acid L 1 L, D 1 D or meso-dilactide.
  • L 1 L, D 1 D or meso-dilactide L 1 L, D 1 D or meso-dilactide
  • copolyesters of L, L-dilactide with D, L-dilactide are commercially available for the production of resorbable bone implants (RESOMER types, company publication Boehringer Pharma GmbH).
  • the D, L dilactide contents are up to 30 mol%.
  • WO 95/09879 describes polylactic acids which are obtained by polymerization of an L 1 L / D, L dilactide mixture having an LL dilactide content of 80 mol%.
  • Copolyesters of glycolic acid with 1, 4-dioxan-2-one (dioxanone) and 1, 3-dioxan-2-one (Trimethylencarbonreli) and non-statistical distribution are to DE 69408897 (see also EP 0,626,404) by a stepwise Monomer dosing can be obtained in which first a random PoIy (1, 4-dioxan-2-one-co-1, 3-dioxan-2-one) is synthesized, which acts as a starting material for the ring-opening polymerization of the diglycolide.
  • Copolymers of non-random L-lactic acid with monomer mixtures are inevitably formed in the copolymerization of L, L-dilactide with polyalkylene oxides, preferably polyethylene or polytetramethylene glycols.
  • these block copolymers contain structure-different chain linkages which can not react with the ester groups of the polyester component.
  • di-, tri-, or multiblockcopolyether esters (Scheme 3) (compare EP 0 684 961 and DE 69530363).
  • the polyester segments can also be formed from copolyesters of L 1 L- or D, L-dilactide with the comonomers shown in Scheme 2.
  • block copolyether esters shown in Scheme 3 in which the segmental linkage of polyester and polyether components is achieved by ester groups.
  • block copolymers of poly-L-lactic acid which are obtained by chain linkage of diisocyanates, diacyl halides or bisoxazolines (WO 94/19384, DE 19943774).
  • polyester segments of different ester group reactivity for example poly-L- or poly-D, L-lactide segments
  • chain segments of other polyesters with AB- (polyesters of hydroxycarboxylic acids) or with AA / B B structure (polyester of dicarboxylic acids with diols) are linked to biodegradable block copolymers.
  • R 11 R 2 H, CH 3, C n H 2n + 1
  • the invention is based on the object Copolyester of L -Lactic acid whose processing and material properties are controlled mainly by the composition of the monomers used and their comonomer and block length distribution in the polymer. It is therefore an object of the invention to propose a process for preparing these polymers, with which they can be prepared economically and technologically safely in high yield from L, L-dilactide and the polymerizable, structurally identical and / or structurally different comonomers used.
  • block copolyesters are prepared by continuous, two-step ring-opening copolymerization of L, L-dilactide with one or more aliphatic heterocycles copolymerizable therewith.
  • the non-random copolyesters of L-lactic acid with polymerizable comonomers thus obtained have a controlled copolymer distribution and can be processed by thermoplastic deformation into fibers, films, containers or foamed materials.
  • the material and processing properties of these non-random copolyesters, given given, technically relevant molar masses, are a function of copolymer composition, copolymer distribution and block length distribution alone. While the copolymer composition is adjusted by the ratio of the comonomers used, copolymer and block length distributions are controllable throughout the manufacturing process. moreover continuous process management provides a high productivity process.
  • L, L-dilactide is polymerized to form first blocks A of poly-L-lactide, which continue to be present as monomer-containing polymer melt, to which in a second stage one or more aliphatic heterocycles metered and be polymerized as blocks B to the first block A.
  • Unreacted L, L-dilactide, comonomer still present as well as to a lesser extent inter- and intramolecular transesterifications lead to the formation of further block structures.
  • pure poly-L-lactic acid blocks A are produced, which serve as the basis for polymerizing blocks B through the ring-opening reactions of the comonomers metered in step 2, thus ensuring the desired non-statistical distribution of the monomer units in a straightforward manner.
  • the two stages of the two-stage process are carried out in separate apparatus, wherein in particularly preferred embodiments the first stage is carried out in a high mixing intensity reactor and the second stage in a twin-screw extruder.
  • the first stage is carried out in a high mixing intensity reactor and the second stage in a twin-screw extruder.
  • a relatively uniform block length of the first A blocks is produced and thus ensures that sufficient L, L dilactide Monomers are present in the melt to form more A blocks can.
  • the twin-screw extruder provided for the second stage one or more comonomers can be added in a readily controllable manner to the melt of the poly-L-lactic acid blocks, in order to ensure uniform distribution of the polymer chain lengths.
  • a plurality of different monomer units can be copolymerized to the blocks B in order to achieve desired properties of the copolyesters in total.
  • These can also be copolymerized in several subblocks B n , which together form the blocks B where n indicates the number of different monomer units.
  • the different monomer units of the sub-blocks B n are preferably metered in succession to the melt of the growing polymer chains.
  • the aliphatic heterocycles added in step 2 as comonomers can be either structure-different cyclic diesters, esters or carbonates or structurally identical stereoisomers of L, L-dilactide, mixtures thereof or mixtures of one or more thereof with further L, L-dilactide, which form blocks B be polymerized.
  • L L-dilactide structurally different comonomers are preferably 1, 4-dioxane-2,5-dione (diglycolide), 1, 4-dioxan-2-one (dioxanone), oxepan-2-one ( ⁇ -caprolactone) and or 1, 3-dioxan-2-one (trimethylene carbonate), as shown in Scheme 2 above. These give copolyesters having preferred properties with dilactides and, because of different reactivities in the polymerization reaction, preferably form homogeneous blocks with monomers of the same type.
  • Block A Block B
  • x, y, m, n and p are as defined above, by copolymerization of L, L-dilactide with at least one structurally identical stereoisomer of LL-dilactide, ie D 1 D-di-lactide, meso-dilactide or a racemic Dilactide mixture, are prepared.
  • LL-dilactide ie D 1 D-di-lactide, meso-dilactide or a racemic Dilactide mixture
  • the molar fraction x of the blocks A can vary according to the present invention in the range of 0.01 ⁇ x ⁇ 0.99, preferably in the range of 0.50 ⁇ x ⁇ 0.99, even more preferably in the range of 0.75 ⁇ x ⁇ 0.99, and for pure lactic acid block copolyesters even more preferably in the range of 0.85 ⁇ x ⁇ 0.99.
  • block copolyesters can be prepared with a high proportion of poly-L-lactic acid, which in turn material and material science preferred and thus represent industrially valuable materials.
  • meso-dilactide due to the equimolar composition of L- and D-lactide, the D-lactide contents are to be halved in total.
  • the L-lactide block and the polyester block prepared by polymerization of meso-dilactide differ significantly by the steric arrangement of the methyl groups.
  • the methyl groups are arranged isotactically.
  • atactic and syndiotactic structures dominate.
  • the number of monomer units m in the blocks A is preferably also in the range of 5 ⁇ m ⁇ 1000, as well as the number of monomer units n in the blocks B is in the range of 5 ⁇ n ⁇ 1000, preferably m ⁇ n.
  • block copolyesters are produced with blocks of different length, wherein the properties of the product can be set as desired by the ratio m: n.
  • the number of block repeats p is preferably in the range of 1 ⁇ p ⁇ 100.
  • a diblock copolyester is a special case.
  • multiblock copolyesters with p> 3 in which the application-relevant material properties are significantly above those of random copolyesters of the same composition, are preferably produced.
  • tensile strength and notched impact strength are increased as a result of internal softening, the thermal properties such as melting point and heat resistance change.
  • All parameters x, y, m, n and p are controllable by the process control and the polymerization conditions and lead to valuable polyester products.
  • At least one dissolved or nanoparticulate tin-based catalyst is preferably used for the polymerization in order to achieve sufficient polymerization rate and thus high molecular weights.
  • at least one dissolved or nanoparticulate phosphorus-based stabilizer and / or at least one stabilizer with a tropolone structure is used for the melt stabilization, which guarantees high melt stability and suppresses the occurrence of chain degradation during work-up and thermoplastic deformation of the block copolyesters.
  • a stabilizer a known cyclic phosphinate or phosphine amide is preferably used. This will be discussed in more detail later.
  • the invention also relates to the immediate products of the embodiments of the process according to the invention, that is non-random block copolyesters of L-lactic acid containing polyester blocks of the following structure:
  • Block A Block B wherein:
  • the blocks B are ring-opened monomer units of aliphatic heterocycles selected from structure-different cyclic diesters, esters and carbonates, structurally identical stereoisomers of LL dilactide, mixtures thereof and mixtures of one or more thereof with L, L-dilactide, even more preferably ring-opened Monomer units of 1,4-dioxane-2,5-dione (diglycolide), 1,4-dioxan-2-one (dioxanone), oxepan-2-one ( ⁇ -caprolactone) and / or 1,3-dioxane -2-one (trimethylene carbonate).
  • 1,4-dioxane-2,5-dione diglycolide
  • 1,4-dioxan-2-one 1,4-dioxan-2-one
  • oxepan-2-one ⁇ -caprolactone
  • 1,3-dioxane -2-one trimethylene carbonate
  • block copolyesters of the invention are pure lactic acid block copolyesters of the following structure
  • Block A Block B
  • the molar fraction x of the blocks A is preferably in the range of 0.01 ⁇ x ⁇ 0.99, more preferably in the range of 0.50 ⁇ x ⁇ 0.99, even more preferably in the range of 0.75 ⁇ x ⁇ 0, 99, and especially for exclusively from lactic acid monomers existing block copolyester even more preferably in the range of 0.85 ⁇ x ⁇ 0.99.
  • the number of monomer units m in the blocks A is preferably in the range of 5 ⁇ m ⁇ 1000, and the number of monomer units n in the blocks B is preferably also in the range of 5 ⁇ n ⁇ 1000, where particularly preferably m is n.
  • the number of block repeats p is moreover preferably in the range of 1 ⁇ p ⁇ 100. All of these block copolyesters have outstanding properties for numerous applications, as has already been stated above and will also be described below.
  • the composition of the resulting polyester blocks is controllable as previously mentioned by the chemical structure of the comonomers as well as the technology of ring-opening polymerization and the apparatus used.
  • the products can be used as biodegradable plastics for fibers, films, foams and injection molded articles.
  • the component selection and the component composition for the block copolyesters is determined from material economics of price and availability of comonomers. Material-scientific aspects of selection and composition result from the known relationships between structure and morphology as well as physical properties of non-statistical copolyesters. These differences between random and non-statistical copolyesters of the same comonomer composition in the polymeric solid mainly relate to morphological and consequent thermal and mechanical properties. Such relationships between material properties and block length and block length distribution are shown in detail for heteroket polymers, for example in H.-G. Elias: Macromolecules, 6th ed., Weinheim: Wiley-VCH, 2002 and the literature quoted there.
  • the block copolyesters according to the invention relate in particular to the blocks of the stereoisomeric dilactides of L- and D-lactic acid shown in Scheme 1, with material economy aspects.
  • the polyesters of the invention can be prepared from two of the three known dilactide stereoisomers as well as from all three stereoisomers.
  • non-random copolyesters of L-lactic acid with polymerizable comonomers with controlled copolymer distribution can also be obtained by thermal plastic deformation to fibers, films, containers or foamed materials are processed.
  • These random copolyesters because of their excellent biocompatibility, may preferably be used for resorbable biomaterials in the fields of surgical suture and implant materials, as well as parenteral drug carriers.
  • the aim of the copolymerization is, in particular, to optimize the physical properties of the polyesters and to adapt their degradation and absorption behavior to the specific medical requirements.
  • the block copolyesters according to the invention are prepared in a continuous process with low or excluded backmixing and temporally and spatially staggered metering of the monomers.
  • the ring opening polymerization is started as mentioned with L, L-dilactide and the structurally identical or structurally identical comonomers of the polyesters.
  • L-lactide melt can be added later.
  • this procedure also applies to the synthesis of the preferred poly-b- (L-lactide-co-D-lactide) s or poly-b- (L-lactide-co-D, L-lactide) s with L-lactide moieties > 50 mol% and the most preferred with L-lactide> 85 mol%.
  • the ring-opening polymerization of the dilactides according to Scheme 5 is continuously carried out under technically relevant conditions, preferably in a tightly meshing, co-rotating twin-screw extruder with a specially designed for this purpose
  • twin-screw extruder may be preceded by a further extruder or a kneader with a discharge screw.
  • dissolved or nanoparticulate tin-based catalysts or catalyst mixtures and / or stabilized blockcopolyesters are dissolved or nanoparticulate phosphorus-based stabilizers and / or stabilizers with a tropolone structure.
  • the block copolyesters according to the invention are preferably prepared by ring-opening polymerization of the cyclic diesters of L- and D-lactic acid in the presence of tin carboxylates which are fixed in solution or on AEROSIL or AEROXID nanoparticles, optionally together with a cocatalyst (dodecanol), which are preferably in the first polymerization, ie to L, L-dilactide, are metered.
  • the block copolymerization can also be carried out in the presence of the tin / titanium-based catalyst system described in DE 10113302 (also see US 6,657,042).
  • dissolved or nanoparticulate phosphorus-based stabilizers in the form of cyclic phosphinates or phosphinamides can be added.
  • These stabilizers provide excellent stabilization and thus a better yield of high molecular weight end product since they stabilize the non-random copolyesters of poly-L-lactic acid against degradation of the molecular weight by depolymerization, thermolysis or hydrolysis.
  • Particularly suitable are the cyclic phosphinic acid esters and phosphinic acid amides described in WO 2003/87191 (cf. also DE 19537365) (Scheme 6) or the tropolones listed in DE 19537365 (Scheme 7).
  • the copolymer composition is adjusted by the molar ratio of the starting monomers and the number of monomers m and n in the polyester blocks is controlled by the reactivity of the comonomers and the technology of ring-opening polymerization and the extrusion technique used in the reactive extrusion.
  • the course of polymerization is preferably monitored via the monomer conversion and the molar masses of samples taken off.
  • the monomer conversion can be determined gravimetrically by reprecipitation from methylene chloride / methanol, the molecular weights can be determined, for example, by gel chromatography in methylene chloride.
  • the characterization of the structure of the block copolyester prepared by the process according to the invention can be carried out on the basis of thermoanalytical (DSC) and X-ray and NMR spectroscopic investigations. However, only the block copolyesters with structurally different comonomers can be investigated by NMR spectroscopy.
  • copolyester according to the invention poly (L-lactide (90) -co-D-lactide (10)) is partially crystalline and melts at 152 0 C.
  • copolyester according to the invention poly (L-lactide (90) -co-D, L-lactide (10)) is also partly crystalline and melts at 149 0 C.
  • the melt is cooled after discharge on a cooling belt and the melt strand granulated.
  • the collected samples are extracted with methanol or a methanol / ether mixture and then analyzed.
  • M n 114,000 g / mol
  • M w / M n 2.12.
  • a technically relevant equipment for the production of these polyesters by reactive extrusion comprises • Pre-reactor (stirred reactor, twin-screw extruder L / D> 28, kneader with discharge flange) for the synthesis of the low molecular weight poly-L-lactide
  • the twin-screw extruder adapted to a special reactive extrusion process is fed with the poly-L-lactide melt by means of a melt pump.
  • the dosing of the structurally different comonomers diglycolide, ⁇ -caprolactone, trimethylene carbonate or dioxanone (compare Scheme 2) or the structurally identical comonomers D 1 D, meso-dilactide or a racemic mixture is carried out gravimetrically.
  • the Blockcopolyesterschmelze is discharged, passed the melt strand over a cooling belt and then granulated.
  • FIG. 1 shows the reactive extrusion system for the synthesis of the block copolyesters of lactic acid according to the invention.
  • Example 1 Poly-b- (L-lactide (75) -co-glycolide (25))
  • the catalyst used is tin (II) octonoate (Sn (oct) 2 ) in a concentration of 10.sup.- 4 mol / mol of monomer unit
  • tin (II) octonoate (Sn (oct) 2 ) in a concentration of 10.sup.- 4 mol / mol of monomer unit
  • L, L-dilactide and catalyst are metered in.
  • the amount of melt fed to the twin-screw extruder is 250 g / h.
  • the polymerizing poly-L-lactide melt diglycolide (46 g / h) and the stabilizer UKANOL DOP (3 4 IO "4 mol / mol) are then metered in.
  • the metering of the stabilizer takes place via a microdosing pump 9 heating zones set temperature profile in the extruder was in the range 180-205 0 C.
  • the demonomerized polymer melt is tied via a transport air cooling a granulator supplied.
  • L, L-dilactide and meso-dilactide are copolymerized in the described apparatus system in a molar ratio of 9: 1 in the presence of 10 "4 mol / mol of Sn (oct) 2 , stabilized with UKANOL DOP, and vacuum-monomerized and worked up.
  • the amount of poly-L-lactide melt supplied to the twin-screw extruder is 250 g / hr.
  • Meso-dilactide is metered in at 28 g / h of the polymerizing poly-L-lactide melt.
  • L, L-dilactide and D, D-dilactide in the described apparatus system are copolymerized in a molar ratio of 9: 1 in the presence of a nanoparticulate catalyst / stabilizer system.
  • the nanoparticulate catalyst / stabilizer system consists of Sn (oct) 2 / AEROSIL 106 and UKANOL DOP / AEROSIL 106, each of which is dispersed in toluene and fed to the twin-screw extruder by means of microdosing pumps (catalyst: 7.5 * 10 5 mol / mol and stabilizer: 3 * 10 "4 mol / mol.)
  • the temperature profile set in the extruder through the 9 heating zones in this test run was in the range from 195 to 215 ° C.
  • Example 4 Poly-b- (L-lactide (85) -co-D, L-lactide (15)) Analogously to Example 3, L, L-dilactide and meso-dilactide are copolymerized in the described apparatus system in the molar ratio 85:15 in the presence of the nanoparticulate catalyst / stabilizer system.
  • the catalyst content is 3 * 1 CT 4 mol / mol.
  • the stabilizer content was correspondingly increased to 10 -3 mol / mol
  • the temperature profile in the extruder set in the course of the 9 heating zones in the test run was in the range from 175 to 195 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blockcopolyestern von L-Milchsäure, die Polyesterblöcke der nachstehenden Struktur (I) enthalten, worin: R: H, -CH3, -C2H5; x: molarer Anteil der Blöcke A; y: molarer Anteil der Blöcke B; x + y = 1; m: Anzahl der L-Milchsäure-Einheiten in Block A; n: Anzahl der Monomer-Einheiten in Block B; o: Anzahl an Methylengruppen; 0 ≤ o ≤ 4; und p: Anzahl der Blockwiederholungen; bedeuten, wobei die Blockcopolyester durch kontinuierliche, zweistufige Ringöffnungscopolymerisation von L,L-Dilactid mit einem oder mehreren damit copolymerisierbaren aliphatischen Heterozyklen hergestellt werden.

Description

Nichtstatistische Copolyester von L-Milchsäυre mit kontrollierter
Comonomerverteilung
Die Erfindung betrifft nichtstatistische Copolyester von L-Milchsäure mit polymerisa- tionsfähigen Comonomeren, insbesondere stereoisomeren zyklischen Estern von D- bzw. L,D-Milchsäure, mit gesteuerter Copolymerverteilung.
Stand der Technik
Polyestern auf Basis von L-Milchsäure, hergestellt in einem mehrstufigen Prozess mit biotechnologischen und chemischen Verfahrensstufen aus stärkehaltigen Substraten, wird ein hohes Substitutionspotenzial für thermoplastisch verformbare Hetero- kettenpolymere bei Synthesefaserstoffen, Folien und geschäumten Materialien prognostiziert. Begründet wird dies insbesondere mit der biogenen Rohstoffbasis aus verfügbaren landwirtschaftlichen Produkten in Kombination mit einem Eigenschaftsund Verarbeitungsprofil analog zu eingeführten, petrochemisch basierten Kunststoffen.
Die Material- und Verarbeitungseigenschaften der Homo- und Copolyester von Milch- säure werden analog anderen Thermoplasten sowohl durch chemische Struktur und Molmasse des Polymers als auch die Morphologie des Materials bestimmt.. Darüber hinaus wird das Eigenschaftsbild dieses Kunststoffs entscheidend durch die Chiralität des Monomers und deren Erhalt im Polymer geprägt (Schema 1). Poly-L-milchsäure weist im Gegensatz zu den meisten aliphatischen Thermoplasten, ausgenommen Polyamide, infolge der chiralen Monomerbausteine eine isotaktische Polymerstruktur auf, die Teilkristallin ität im polymeren Festkörper bedingt und damit auch die typischen Materialeigenschaften determiniert. Insbesondere die thermischen Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Schmelzverhalten und Wärmeformbeständigkeit, sowie die mechanischen Eigenschaften des Polymers sind in starkem Umfang eine Funk- tion des Anteils chiraler Fehlstrukturen. Isomerenfreie Poly-L-milchsäure ist teilkristallin, für einen aliphatischen Polyester relativ hochschmelzend, und auch die mechanischen Eigenschaften, wie Zug- und Biegefestigkeit oder Modul, sind auf einem ho- hen Niveau. Im Gegensatz dazu ist PoIy-D, L-milchsäure aus statistisch verteilten L- und D-Monomeren in äquimolarem Verhältnis aufgebaut. Die Polymerstruktur ist ataktisch mit daraus folgender amorpher Morphologie, signifikant niedrigerer Erweichungstemperatur sowie insbesondere geringerem Modul. In Tabelle 1 sind Ergeb- nisse zum Einfluss von D-Monomerstrukturen auf die Materialeigenschaften von Poly-L-Iactid zusammengestellt, wobei die höheren D-Monomeranteile keine Folge synthesebedingter Razemisierungen, sondern durch Zusätze bei der Polymerisation erreicht wurden (D.W. Grijpma, AJ. Pennings: Makromol. Chemie 195, 1649 (1994)). Die Formkörper für die mechanischen Prüfungen wurden durch Pressen bei Tempe- raturen oberhalb des Polymerschmelzpunkts hergestellt.
Figure imgf000004_0001
L-Milchsäure D-Milchsäure
Figure imgf000004_0002
L-Dilactid meso-Dilactid D-Dilactid
Schema 1. Stereoisomere von Dilactid (3,6-Dimethyl-1 ,4-dioxan-2,5-dion)
Tabelle 1. Thermische und mechanische Eigenschaften von Poly-L-milchsäuren in Abhängigkeit vom D-Milchsäure-Anteil
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Infolge der relativ schwachen Nebenvalenz-Wechselwirkungskräfte bei aliphatischen Polyestern ist die Molmasse ein weiterer Faktor, der insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflusst. Zur Minimierung morphologischer Fehlstrukturen im Festkörper sind deshalb hohe Molmassen mit möglichst enger, herstellungsabhängig zumindest jedoch konstanter Molmassenverteilung anzustreben.
In Abhängigkeit von den Herstellungs- bzw. Formgebungsverfahren lassen sich aus der wissenschaftlichen und Patentliteratur für Poly-L-milchsäure die folgenden Bereiche für die molekularen Parameter bzw. Festkörpereigenschaften angeben (vgl. beispielsweise R. E. Drumright et al., Adv. Mater. 12, 1841 (2000); N. Kawashima et al.: Polylactic acid „LACEA", S. 251 , sowie P. Gruber et al., Polylactides „NatureWorks PLA", S. 235, in Y. Doi und A. Steinbüchel, Biopolymers, Vol. 4. Weinheim: Wiley- VCH, 2002; R. Auras et al., Macromol. Biosci. 4, 835 (2004); G. Schmack et al., J. Appl. Polymer Sei. 73, 2785 (1999); G. Perego et al., J. Appl. Polymer Sei. 59, 37 (1996)).
• Molmassen Mn: 50.000 ... 120.000 g/mol • Molmasse Mw: 90.000 ... 250.000 g/mol
• L-Monomeranteil: > 95 %
• Restmonomergehalt: < 2 % • Schmelzpunkt Tm: 170 ... 185 0C
• Zugfestigkeit (Formkörper): 55 ... 70 MPa
• Zugfestigkeit (Faser): 200 ... 450 MPa
• Biegefestigkeit: 60 ... 120 MPa • Modul: 3 ... 6 GPa
Die relativ weiten Bereiche für die molekularen und makroskopischen Parameter resultieren zum einen aus der hohen Sensitivität des Poly-L-Iactids gegenüber Verunreinigungen durch die Stereoisomere D,D-Dilactid bzw. meso-Dilactid und zum an- deren aus den unterschiedlichen Synthese- bzw. Formgebungsbedingungen.
Die Abhängigkeit wichtiger einsatzrelevanter Materialeigenschaften des Poly-L-Iactids vom Anteil der stereoisomeren D1D- und meso-Dilactide ist vergleichbar einer Polymermodifizierung durch Copolymerisation mit strukturdifferenten Comonomeren. Diese Copolymere von L1L- bzw. D,L-Dilactid mit Diglykolid (1 ,4-Dioxan-2,5-dion), Dioxanon (1 ,4-Dioxan-2-on), ε-Caprolacton (Oxepan-2-on) und Trimethylencarbonat (1 ,3-Dioxan-2-on) werden in vielfältiger Weise zur Eigenschaftsadaption von medizinisch genutzten, resorbierbaren Biomaterialien für chirurgische Nähfäden, Implantate für die Knochenfixation sowie parenterale Arzneistoffträger eingesetzt (A. Löfgren, A.-Ch. Albertsson, P. Dubois, R. Jerome: J. Macromol. Sei. Rev. Macromol. Chem. Phys. C 35, 379 (1995); M. Szycher: „High Performance Biomaterials", Technomic Publishing Co., Inc., 1991) (vgl. Schema 2).
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1
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Schema 2. Heterocycloaliphatische Monomere
1: 3,6-Dimethyl-1 ,4-dioxan-2,5-dion (Dilactid); 2: 1,4-Dioxan-2,5-dion (Diglykolid); 3: 1 ,4-Dioxan-2-on (Dioxanon); 4: Oxepan-2-on (ε-Caprolacton); 5: 1 ,3-Dioxan-2-on
(Trimethylencarbonat)
Mit den in Schema 2 dargestellten zyklischen Estern, Diestern bzw. Carbonaten können bi- oder auch ternäre Copolymere mit statistischer Copolymerverteilung hergestellt werden, wobei die Monomere in beliebiger Kombination und in weiten Konzentrationsverhältnissen eingesetzt werden können. Beschrieben sind auch Copolyester aus den strukturidentischen stereoisomeren Diestern von chiraler bzw. razemischer Milchsäure (L1L-, D1D- oder meso-Dilactid). So werden für die Herstellung von resorbierbaren Knochenimplantaten Copolyester von L,L-Dilactid mit D,L-Dilactid kommerziell angeboten (RESOMER-Typen, Firmenschrift Boehringer Pharma GmbH). Die D,L-Dilactidgehalte betragen in Abhängigkeit von der gewünschten Morphologie bis zu 30 Mol-%.
Auch bei Poly-L-milchsäuren für technische Applikationen ist infolge von prozessbedingten Razemisierungen mit einem D-Anteil von < 5 Mol-% zu rechnen (Tabelle 2). Dieser drückt sich vor allem in den thermischen Eigenschaften der PLA-Kunststoffe aus. Wie bei anderen statistischen Copolyestern auch führen Anteile von Comono- meren zu morphologischen Änderungen im polymeren Festkörper (H.-G. Elias: Makromoleküle, 6. Aufl., Weinheim: Wiley-VCH, 2002). Bei geringen Comonomerantei- len erfolgt Schmelzpunktdepression, bei hohen Anteilen fehlen definierte Schmelzpunkte, und solche Copolyester erweichen bei signifikant niedrigeren Temperaturen infolge ihrer amorphen Struktur.
Tabelle 2. Razemisierung von L,L-Dilactid und PLA nach 4 h bei 200 0C (Daten aus US 5.616.657)
Probe Enantiomerenzusammensetzung
L-Lactid [%] D-Lactid [%]
Ausgangs-PLA 96,0 4,0
PLA ohne Katalysator nach Erhitzen 95,4 4,6
PLA mit SnO nach Erhitzen 88,3 11,7
Ausgangs-Lactid 99,7 0,3
Lactid ohne Katalysator nach Erhitzen 97,2 2,8
Neben dieser prozessbedingten Bildung von D-stereoisomeren Strukturen in der Poly-L-milchsäure durch Razemisierung kann der Zusatz von meso-Dilactid bzw. D.L-Dilactid auch gezielt zur Adaption der Polymereigenschaften an verarbeitungs- oder anwendungsspezifische Materialanforderungen genutzt werden. So werden in der WO 95/09879 Polymilchsäuren beschrieben, die durch Polymerisation eines L1L- /D,L-Dilactidgemischs mit einem L.L-Dilactidanteil von 80 Mol-% erhalten werden. Auch bei PLA-Kunststoffen für die Folienherstellung soll der Zusatz von bis zu 7 MoI- % meso-Dilactid, entsprechend einem D-Anteil von 3,5 Mol-%, die Verarbeitungsund Folieneigenschaften durch Erhöhung der Kristallisationsgeschwindigkeit und Re- duktion des Kristallinitätsgrades verbessern (R. Drumright, P. Gruber, D. Henton, Adv. Mater. 12, 1841 (2000)).
Unabhängig von der chemischen Struktur des Comonomers (Dilactiddiastomere oder aliphatische Heterozyklen) werden bei der diskontinuierlich oder kontinuierlich durch- geführten Copolymerisation mit Dosierung von Monomergemischen Copolyester mit statistischer Copolymerverteilung erhalten, deren Copolymerzusammensetzung bei homogenphasiger Prozessführung in Schmelze und im Bereich der technisch relevanten Umsätze > 90 % selbst bei deutlich unterschiedlichen Copolymerisationspara- metern voll dem Comonomerverhältnis der Ausgangsmischung entspricht (D. K. GiI- ding, A. M. Reed: Polymer 20, 1459 (1979)). Auch die Reaktionsprofile der Copoly- merisation entsprechen denen der Homopolymerisation, wie kinetische und mechanistische Untersuchungen zur Copolymerisation von D,L-Dilactid/Diglykolid-Mischun- gen zeigten (G. Rafler. J. Dahlmann, Acta Polymerica 41, 611 (1990)). Infolge der höheren Reaktivität des Diglykolids gegenüber dem Dilactid verläuft zwar die Ringöff- nungspolymerisation bei höheren Diglykolidgehalten rascher, aber signifikante Abweichungen von der statistischen Copolymerverteilung konnten auch bei Diglykolid- anteilen von 50 Mol-% nicht festgestellt werden. Bei der üblicherweise durchgeführten Copolymerisation in Rührreaktoren (diskontinuierlich) oder Rührreaktorkaskaden wird die Bildung von statistischen Copolyestern darüber hinaus durch die parallel ab- laufenden inter- und intramolekularen Umesterungsreaktionen noch unterstützt.
Lediglich unter speziellen Polymerisationsbedingungen in Ampullen bei 110 0C bei weitgehend heterogenphasigem Verlauf und mit weitgehender Zurückdrängung der inter- und intramolekularen Umesterungsreaktionen der binnenständigen Estergrup- pen bzw. Esterendgruppen konnten in Abhängigkeit von der Monomerreaktivität nichtstatistische Verteilungen bei Copolymeren von L,L-Dilactid mit ε-Caprolacton bzw. Trimethylencarbonät beobachtet werden (D. W. Grijpma, A. J. Pennings: Makromol. Chemie 195, 1633 (1994)). Copolyester der Glykolsäure mit 1 ,4-Dioxan-2-on (Dioxanon) und 1 ,3-Dioxan-2-on (Trimethylencarbonät) und nichtstatistischer Vertei- lung sollen nach DE 69408897 (vgl. auch EP 0.626.404) durch eine stufenweise Monomerdosierung erhalten werden, bei der zunächst ein statistisches PoIy(1 ,4-di- oxan-2-on-co-1 ,3-dioxan-2-on) synthetisiert wird, das als Startmaterial für die Ringöffnungspolymerisation des Diglykolids fungiert. Ein Beweis für die nichtstatistische Verteilung der Monomerkomponenten wird in dieser Patentschrift nicht angetreten, wobei noch zu berücksichtigen ist, dass bei der angewandten, diskontinuierlichen Durchführung der Polymerisation im Rührreaktor zumindest inter- und intramolekulare Umesterungen zwischen den 1 ,4-Dioxan-2-on-co-1 ,3-dioxan-2-on- und 1 ,4-Di- oxan-2,5-dion-Segmenten bei den angewandten Verweilzeiten und in schmelzflüssiger Phase in erheblichem Umfang ablaufen, die letztendlich in der Startphase gebildete Blockstrukturen auflösen und zu statistischen Verteilungen führen. Die diskontinuierliche Verfahrensweise verhindert infolge der hohen Reaktivität der Zwischen- kettenaustauschreaktion der Estergruppen die Bildung von nichtstatistischen Copoly- estern. Selbst eine stufenweise Monomerdosierung wird durch die diskontinuierliche Prozessführung nivelliert, und es werden Copolyester erhalten, die sich von analog zusammengesetzten, durch Einsatz von Monomergemischen hergestellten nicht unterscheiden.
Copolymere von L-Milchsäure mit nichtstatistischer Verteilung bei Dosierung von Monomergemischen werden zwangsläufig bei der Copolymerisation von L,L-Dilactid mit Polyalkylenoxiden, vorzugsweise Polyethylen- oder Polytetramethylenglykolen, gebildet. Diese Blockcopolymere enthalten mit der anteiligen Etherstruktur jedoch strukturdifferente Kettenverknüpfungen, die nicht mit den Estergruppen der Polyesterkomponente reagieren können. In Abhängigkeit von der Funktionalität des PoIy- ethers und den Polymerisationsbedingungen können Zwei-, Drei- oder auch Multi- blockcopolyetherester gebildet werden (Schema 3) (vgl. EP 0.684.961 und DE 69530363). Dabei können die Polyestersegmente auch aus Copolyestem von L1L- bzw. D,L-Dilactid mit den in Schema 2 dargestellten Comonomeren gebildet werden.
H3C
[OCHCO]
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m = n O ^ m , n
Schema 3. Blockcopolyetherester von Milchsäure mit Polyethylenglykol
Neben diesen in Schema 3 dargestellten Blockcopolyetherestem, bei denen die Segmentverknüpfung von Polyester- und Polyetherkomponente durch Estergruppen er- folgt, sind auch Blockcopolymere von Poly-L-milchsäure bekannt, die durch Kettenverknüpfung von Diisocyanaten, Diacylhalogeniden oder Bisoxazolinen erhalten werden (WO 94/19384, DE 19943774). Mit solchen „aktivierten" Kettenverlängerern ("chain extending agents") können auch Polyestersegmente unterschiedlicher Ester- gruppenreaktivität, beispielsweise PoIy-L- oder PoIy-D, L-Iactid-Segmente, mit Kettensegmenten anderer Polyester mit AB- (Polyester von Hydroxycarbonsäuren) oder mit AA/B B-Struktur (Polyester von Dicarbonsäuren mit Diolen) zu biologisch abbaubaren Blockcopolymeren verknüpft werden.
Eine vollkommen andere Vorgehensweise zur Synthese nichtstatistischer Copoly- ester von L- und D.L-Milchsäure wird in der DE 4218510 beschrieben, bei der die nichtstatistische Verteilung der Comonomere durch intramolekulare Umesterung (Zwischenkettenaustauschreaktion) von Polyestern unterschiedlicher oder gleicher Primärstruktur erzeugt wird (Schema 4). Die Blockcopolyester unterscheiden sich von den strukturanalogen statistischen Copolyestern vor allem durch ihre thermischen Eigenschaften sowie ihr Abbauverhalten. Hergestellt werden diese Blockcopolyester in einem kontinuierlichen Prozess, vorzugsweise in Apparaten hoher Durchmischungsintensität (Zweischneckenextruder, kontinuierlich arbeitende Knetmaschinen), um bei möglichst geringer Verweilzeit intensiven Kontakt zwischen den Makromolekülen herzustellen. Das Verfahren erlaubt die Herstellung bi- und ternärer Blockcopolyester mit durch die Prozessbedingungen und die apparativen Parameter kontrollierbarer Sequenzlänge und Sequenzlängenverteilung.
X -t
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R11R2 = H, CH3, c n H2n+1
Schema 4. Synthese nichtstatistischer Copolyester durch intermolekulare Umesterung von aliphatischen Homo- oder Copolyestern Das Zahlenmittel der Molmasse entspricht bei dieser Verfahrensweise den Molmasseanteilen der zugrunde liegenden Komponenten, da die mittlere Anzahl der Monomereinheiten pro Makromolekül bei schonenden Zwischenkettenaustausch- bedingungen praktisch nicht geändert wird, sondern lediglich ihre Anordnung in den Ketten.
Statistische und nichtstatistische Copolyester von L- bzw. D,L-Milchsäure mit den in Schema 2 dargestellten Comonomeren oder Polyalkylenoxiden werden vorzugswei- se als Biomaterialien für resorbierbare chirurgische Nahfäden und Knochenimplantate sowie als partikuläre Träger für parenterale Arzneistoffformulierungen mit durch den Polymerabbau kontrollierter Wirkstofffreisetzung eingesetzt. Bei diesen Anwendungen stehen Fragen der Biokompatibilität und der Resorptionseigenschaften im Vordergrund. Raum/Zeit-Ausbeute und wirtschaftliche Effizienz der Verfahren spielen bei den benötigten Mengen praktisch keine Rolle.
Aufgabe der Erfindung
Vor dem Hintergrund des dargestellten Standes der Technik bei Homo- und Copoly- estern von L-Milchsäure für Verpackungskunststoffe, hochwertige Synthesefasern und als Werkstoff für Medizin- und Hygieneprodukte mit Einwegcharakter sowie ihrer Herstellung und applikationsspezifischen Modifizierung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Copolyester von L-Milchsäure herzustellen, deren Verarbeitungs- und Materialeigenschaften vor allem durch die Zusammensetzung der eingesetzten Monomere sowie ihrer Comonomer- und Blocklängenverteilung im Polymer gesteuert werden. Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dieser Polymere vorzuschlagen, mit dem sie wirtschaftlich sowie technologisch sicher in hoher Ausbeute aus L,L-Dilactid und den eingesetzten polymerisationsfähigen, strukturidentischen und/oder strukturdifferenten Comonomeren hergestellt werden können.
Beschreibung der Erfindung Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem ein Verfahren zur Herstellung von Block- copolyestern von L-Milchsäure, die Polyesterblöcke der nachstehenden Struktur enthalten:
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Block A Block B worin:
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x: molarer Anteil der Blöcke A; y: molarer Anteil der Blöcke B; x + y = 1 ; m: Anzahl der L-Milchsäure-Einheiten in Block A; n: Anzahl der Monomer-Einheiten in Block B; o: Anzahl an Methylengruppen;
0 < o < 4; p: Anzahl der Blockwiederholungen; bedeuten, bereitgestellt wird, wobei die Blockcopolyester durch kontinuierliche, zweistufige Ringöffnungscopolymerisation von L,L-Dilactid mit einem oder mehreren damit co- polymerisierbaren aliphatischen Heterozyklen hergestellt werden.
Die so erhaltenen nichtstatistischen Copolyester der L-Milchsäure mit polymerisationsfähigen Comonomeren weisen eine gesteuerte Copolymerverteilung auf und können durch thermoplastische Verformung zu Fasern, Folien, Containern oder geschäumten Materialien verarbeitet werden. Die Material- und Verarbeitungseigen- Schäften dieser nichtstatistischen Copolyester sind bei gegebenen, technisch relevanten Molmassen allein eine Funktion von Copolymerzusammensetzung, Copolymerverteilung und Blocklängenverteilung. Während die Copolymerzusammensetzung durch das Verhältnis der eingesetzten Comonomere eingestellt wird, sind Co- polymer- und Blocklängenverteilung über den Herstellungsprozess steuerbar. Zudem wird durch die kontinuierliche Verfahrensführung ein Verfahren hoher Produktivität bereitgestellt.
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten Stufe L,L-Dilac- tid zu ersten Blöcken A aus Poly-L-Iactid polymerisiert, die als weiterhin monomerhäl- tige Polymerschmelze vorliegen, zu der in einer zweiten Stufe ein oder mehrere ali- phatische Heterozyklen zudosiert und als Blöcke B an die ersten Blöcke A anpoly- merisiert werden. Nichtumgesetztes L,L-Dilactid, noch vorhandenes Comonomer sowie in geringem Umfang ablaufende inter- und intramolekulare Umesterungen führen zur Bildung weiterer Blockstrukturen. Somit werden in der ersten Stufe Blöcke A aus reiner Poly-L-milchsäure erzeugt, die als Basis für das Anpolymerisieren von Blöcken B durch die Ringöffnungsreaktionen der in Stufe 2 zudosierten Comonomere dienen, wodurch die gewünschte nichtstatistische Verteilung der Monomereinheiten auf einfache Weise gewährleistet wird.
Vorzugsweise werden die beiden Stufen des zweistufigen Prozesses in getrennten Apparaten durchgeführt, wobei in besonders bevorzugten Ausführungsformen die erste Stufe in einem Reaktor mit hoher Durchmischungsintensität und die zweite Stufe in einem Doppelschneckenextruder durchgeführt werden. Auf diese Weise wird in der ersten Stufe aufgrund der guten Durchmischung der L,L-Dilactid-Monomere, auch mit gegebenenfalls zugesetzten Katalysatoren, eine relativ einheitliche Blocklänge der ersten A-Blöcke erzeugt und damit sichergestellt, dass weiterhin ausreichend L,L-Dilactid-Monomere in der Schmelze vorhanden sind, um weitere A-Blöcke ausbilden zu können. In dem für die zweite Stufe vorgesehenen Doppelschnecken- extruder können ein oder mehrere Comonomere gut steuerbar zur Schmelze der Poly-L-milchsäure-Blöcke zudosiert werden, um wiederum für eine gleichmäßige Verteilung der Polymerkettenlängen zu sorgen.
Gemäß vorliegender Erfindung können in der zweiten Stufe somit auch mehrere un- terschiedliche Monomereinheiten zu den Blöcken B copolymerisiert werden, um gewünschte Eigenschaften der Copolyester insgesamt zu erzielen. Diese können auch in mehreren Unterblöcken Bn copolymerisiert werden, die zusammen die Blöcke B bilden, worin n die Anzahl der unterschiedlichen Monomereinheiten angibt. Dazu werden die unterschiedlichen Monomereinheiten der Unterblöcke Bn vorzugsweise nacheinander zur Schmelze der wachsenden Polymerketten zudosiert.
Die in Stufe 2 als Comonomere zudosierten aliphatischen Heterozyklen können sowohl stukturdifferente zyklische Diester, Ester oder Carbonate oder strukturgleiche Stereoisomere von L,L-Dilactid, Gemische davon oder Gemische eines oder mehrerer davon mit weiterem L,L-Dilactid sein, die zu den Blöcken B polymerisiert werden. Als zu L,L-Dilactid strukturdifferente Comonomere werden vorzugsweise 1 ,4-Dioxan- 2,5-dion (Diglykolid), 1 ,4-Dioxan-2-on (Dioxanon), Oxepan-2-on (ε-Caprolacton) und/ oder 1 ,3-Dioxan-2-on (Trimethylencarbonat) eingesetzt, wie sie im obigen Schema 2 dargestellt sind. Diese ergeben mit Dilactiden Copolyester mit bevorzugten Eigenschaften und bilden aufgrund unterschiedlicher Reaktivitäten bei der Polymerisationsreaktion bevorzugt homogene Blöcke mit Monomeren derselben Art.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Milchsäure-Blockcopolyester der nachfolgenden Struktur
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Block A Block B
worin x, y, m, n und p wie zuvor definiert sind, durch Copolymerisation von L,L-Dilac- tid mit zumindest einem strukturgleichen Stereoisomer von L.L-Dilactid, d.h. D1D-Di- lactid, meso-Dilactid oder einem razemischen Dilactid-Gemisch, hergestellt werden. Diese ausschließlich aus Milchsäure-Monomeren bestehenden nichtstatistischen Copolyester stellen bevorzugte Materialien für zahlreiche Anwendungen dar.
Der molare Anteil x der Blöcke A kann gemäß vorliegender Erfindung im Bereich von 0,01 ≤ x ≤ 0,99 variieren, vorzugsweise im Bereich von 0,50 < x < 0,99, noch bevor- zugter im Bereich von 0,75 < x < 0,99, und für reine Milchsäure-Blockcopolyester noch bevorzugter im Bereich von 0,85 < x < 0,99. Das heißt, dass Blockcopolyester mit hohem Anteil an Poly-L-milchsäure hergestellt werden können, die wiederum materialwirtschaftlich und materialwissenschaftlich bevorzugte und damit industriell wertvolle Materialien darstellen. Bei Einsatz von meso-Dilactid sind infolge der äqui- molaren Zusammensetzung aus L- und D-Lactid die D-Lactidanteile summarisch zu halbieren. Unabhängig von dieser summarischen Erhöhung des L-Lactidanteils im gesamten Copolyester unterscheiden sich jedoch der L-Lactidblock und der durch Polymerisation von meso-Dilactid hergestellte Polyesterblock signifikant durch die sterische Anordnung der Methylgruppen. Bei den L- und D-Lactidblöcken sind die Methylgruppen isotaktisch angeordnet. Im Polyesterblock aus meso-Dilactid dominieren ataktische neben syndiotaktischen Strukturen.
Die Anzahl der Monomereinheiten m in den Blöcken A liegt vorzugsweise ebenso im Bereich von 5 < m < 1000, wie auch die Anzahl der Monomereinheiten n in den Blöcken B im Bereich von 5 < n < 1000 liegt, wobei vorzugsweise m ≠ n ist. Dadurch werden Blockcopolyester mit unterschiedlich langen Blöcken hergestellt, wobei durch das Verhältnis m:n die Eigenschaften des Produkts wunschgemäß eingestellt werden können. Zudem liegt die Anzahl der Blockwiederholungen p vorzugsweise im Bereich von 1 < p < 100. Dadurch kann das Molekulargewicht des Blockcopolyester eingestellt werden und können die Produkteigenschaften modelliert werden. Für einen Zweiblockpolyester von L-Milchsäure beträgt demnach p = 1. Für die zahlenmittlere Molmasse eines Zweiblockpolyesters ergibt sich dementsprechend
Mn = x (n*MMon) + y (m*MMθn)
Ein Zweiblockcopolyester ist ein Sonderfall. Vorzugsweise hergestellt werden unter materialwissenschaftlichen Aspekten vor allem Multiblockcopolyester mit p > 3, bei denen die anwendungsrelevanten Materialeigenschaften signifikant über denen von statistischen Copolyestern gleicher Zusammensetzung liegen. So werden beispielsweise Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit infolge innerer Weichmachung erhöht, die thermischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Wärmeformbeständigkeit än- dem sich aber im Gegensatz zu den statistischen Copolyestern der L-Milchsäure nur geringfügig. Alle Parameter x, y, m, n und p sind durch die Verfahrensführung und die Polymerisationsbedingungen steuerbar und führen zu wertvollen Polyesterprodukten.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird für die Polymerisation vorzugsweise zumindest ein gelöster oder nanopartikulärer zinnbasierter Katalysator eingesetzt, um ausreichende Polymerisationsgeschwindigkeit und damit hohe Molmassen zu erzielen. Weiters wird zur Schmelzestabilisierung der Blockcopolyester vorzugsweise zumin- dest ein gelöster oder nanopartikulärer phosphorbasierter Stabilisator und/oder zumindest ein Stabilisator mit Tropolonstruktur eingesetzt, was hohe Schmelzestabilität garantiert und das Auftreten von Kettenabbau während Aufarbeitung und thermoplastischer Verformung der Blockcopolyester unterdrückt. Als Stabilisator wird dabei bevorzugt ein bekanntermaßen wirksames zyklisches Phosphinat oder Phosphin- amid eingesetzt. Darauf wird später noch detaillierter eingegangen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung auch die unmittelbaren Produkte der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt nichtstatistische Blockcopolyester von L-Milchsäure, die Polyesterblöcke der nachstehenden Struktur enthalten:
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Block A Block B worin:
R: H, -CH3 i, -C2H5; x: molarer Anteil der Blöcke A; y: molarer Anteil der Blöcke B; x + y = 1 ; m: Anzahl der L-Milchsäure-Einheiten in Block A; n: Anzahl < der Monomer-Einheiten in Block B; o: Anzahl an Methylengruppen;
0 < o < 4; und p: Anzahl der Blockwiederholungen; bedeuten.
Vorzugsweise sind in den Blöcken B ringgeöffnete Monomereinheiten aliphatischer Heterozyklen, ausgewählt aus stukturdifferenten zyklischen Diestern, Estern und Carbonaten, strukturgleichen Stereoisomeren von L.L-Dilactid, Gemischen davon und Gemischen eines oder mehrerer davon mit L,L-Dilactid, enthalten, noch bevor- zugter ringgeöffnete Monomereinheiten von 1 ,4-Dioxan-2,5-dion (Diglykolid), 1 ,4-Di- oxan-2-on (Dioxanon), Oxepan-2-on (ε-Caprolacton) und/oder 1 ,3-Dioxan-2-on (Tri- methylencarbonat).
In bevorzugten Ausführungsformen sind die erfindungsgemäßen Blockcopolyester reine Milchsäure-Blockcopolyester der nachfolgenden Struktur
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Block A Block B
worin x, y, m, n und p wie zuvor definiert sind, ist, und in deren Blöcken B ringgeöffnete Monomereinheiten strukturgleicher Stereoisomere von L,L-Dilactid, d.h. D1D-Di- lactid und/oder meso-Dilactid, enthalten sind.
Der molare Anteil x der Blöcke A liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 < x < 0,99, noch bevorzugter im Bereich von 0,50 < x < 0,99, noch bevorzugter im Bereich von 0,75 < x < 0,99, und speziell für ausschließlich aus Milchsäuremonomeren bestehende Blockcopolyester noch bevorzugter im Bereich von 0,85 < x < 0,99. Die Anzahl der Monomereinheiten m in den Blöcken A liegt vorzugsweise im Bereich von 5 < m < 1000, und die Anzahl der Monomereinheiten n in den Blöcken B liegt vorzugsweise ebenfalls im Bereich von 5 < n < 1000, wobei besonders bevorzugt m ≠ n ist. Die Anzahl der Blockwiederholungen p liegt außerdem besonders bevorzugt im Bereich von 1 < p < 100. All diese Blockcopolyester weisen hervorragende Eigenschaften für zahlreiche Anwendungen auf, wie oben bereits ausgeführt wurde und auch nachste- hend beschrieben wird.
Die Zusammensetzung der erhaltenen Polyesterblöcke ist wie zuvor erwähnt durch die chemische Struktur der Comonomere sowie die Technologie der Ringöffnungspolymerisation und die eingesetzte Apparatetechnik steuerbar. Die Produkte können beispielsweise als biologisch abbaubare Kunststoffe für Fasern, Folien, Schäume und Spritzgussartikel verwendet werden. Die Komponentenauswahl und die Komponentenzusammensetzung für die Blockcopolyester wird unter materialwirtschaftlichen Aspekten von Preis und Verfügbarkeit der Comonomere bestimmt. Materialwissenschaftliche Aspekte bei Auswahl und Zusammensetzung ergeben sich aus den be- kannten Zusammenhängen zwischen Struktur und Morphologie sowie physikalischen Eigenschaften der nichtstatistischen Copolyester. Diese Unterschiede zwischen statistischen und nichtstatistischen Copolyestern gleicher Comonomerzusammenset- zung betreffen im polymeren Festkörper vor allem morphologische und daraus folgende thermische und mechanische Eigenschaften. Ausführlich dargestellt sind sol- che Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften und Blocklänge und Blocklängenverteilung für Heterokettenpolymere beispielsweise in H.-G. Elias: Makromoleküle, 6. Aufl., Weinheim: Wiley-VCH, 2002 und der dort zitierten Literatur.
Die erfindungsgemäßen Blockcopolyester betreffen unter materialwirtschaftlichen As- pekten vor allem die Blöcke der in Schema 1 dargestellten stereoisomeren Dilactide von L- und D-Milchsäure. Wie bei den, beispielsweise in Schema 2 dargestellten, strukturdifferenten Comonomeren für das L,L-Dilactid können die erfindungsgemäßen Polyester sowohl aus zwei der drei bekannten Dilactid-Stereoisomere als auch aus allen drei Stereoisomeren hergestellt werden.
Diese nichtstatistischen Copolyester der L-Milchsäure mit polymerisationsfähigen Comonomeren mit gesteuerter Copolymerverteilung können ebenfalls durch thermo- plastische Verformung zu Fasern, Folien, Containern oder geschäumten Materialien verarbeitet werden. Diese statistischen Copolyester können wegen ihrer exzellenten Biokompatibilität vorzugsweise für resorbierbare Biomaterialien in den Bereichen chirurgischer Naht- und Implantatmaterialien sowie parenteraler Arzneistoffträger ver- wendet werden. Durch die Copolymerisation sollen insbesondere die physikalischen Eigenschaften der Polyester optimiert sowie ihr Abbau- und Resorptionsverhalten an die spezifischen medizinischen Anforderungen adaptiert werden.
Die erfindungsgemäßen Blockcopolyester werden m erfindungsgemäßen Verfahren in einem kontinuierlichen Prozess mit geringer bzw. ausgeschlossener Rückvermischung sowie zeitlich und örtlich versetzter Dosierung der Monomere hergestellt, wobei die Ringöffnungspolymerisation wie erwähnt mit L,L-Dilactid gestartet wird und die strukturdifferenten bzw. strukturidentischen Comonomere der Poly-L-Iactid- Schmelze später zudosiert werden. Diese Verfahrensweise gilt selbstverständlich auch für die Synthese der bevorzugten Poly-b-(L-lactid-co-D-lactid)e bzw. Poly-b-(L- lactid-co-D,L-lactid)e mit L-Lactidanteilen > 50 Mol-% und den besonders bevorzugten mit L-Lactidanteilen > 85 Mol-%.
Die Ringöffnungspolymerisation der Dilactide gemäß Schema 5 wird unter technisch relevanten Bedingungen kontinuierlich vorzugsweise in einem dicht kämmenden, gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder mit einem speziell auf diese
Blockcopolymerisation abgestimmten Schneckendesign und einem dem Extruder vorgeschalteten Rührreaktor mit einem axial durchmischenden Rührer durchgeführt.
Anstelle des Rührreaktors kann dem Doppelschneckenextruder ein weiterer Extruder oder ein Kneter mit Austragschnecke vorgeschaltet sein.
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Schema 5. Ringöffnungspolymerisation von Dilactiden Wie erwähnt werden in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Polymerisation gelöste oder nanopartikuläre zinnbasierte Katalysatoren bzw. Katalysatorgemische und/oder zur Stabilisierung der Blockcopolyester gelöste oder nanopartikuläre phosphorbasierte Stabilisatoren und/oder Stabilisatoren mit Tropolonstruktur eingesetzt. Die erfindungsgemäßen Blockcopolyester werden bevorzugt durch Ringöffnungspolymerisation der zyklischen Diester von L- und D- Milchsäure in Gegenwart von Zinncarboxylaten, die in Lösung oder auf AEROSIL- bzw. AEROXID-Nanopartikeln fixiert vorliegen, gegebenenfalls gemeinsam mit einem Cokatalysator (Dodecanol), hergestellt, die vorzugsweise in der ersten Polymerisationsstufe, d.h. zu L,L-Dilactid, zudosiert werden. Zur Reduktion des Schwermetallgehalts sowie zur Erhöhung der Prozesssicherheit und zur Optimierung der Eigenschaften des Endprodukts kann die Blockcopolymerisation auch in Gegenwart des in der DE 10113302 (vgl. auch US 6.657.042) beschriebenen, auf Zinn/Titan basierenden Katalysatorsystems durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können gelöste oder nanopartikuläre phosphorbasierte Stabilisatoren in Form zyklischer Phosphinate oder Phos- phinamiden zugesetzt werden. Diese Stabilisatoren liefern eine ausgezeichnete Sta- bilisierung und somit eine bessere Ausbeute an hochmolekularem Endprodukt, da sie die nichtstatistischen Copolyester der Poly-L-milchsäure gegen Abbau der Molmasse durch Depolymerisation, Thermolyse oder Hydrolyse stabilisieren. Besonders geeignet sind die in der WO 2003/87191 (vgl. auch DE 19537365) beschriebenen zyklischen Phosphinsäureester und Phophinsäureamide (Schema 6) bzw. die in der DE 19537365 aufgeführten Tropolone (Schema 7).
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Schema 6. Phosphinate bzw. Phosphazene als Stabilisatoren für erfindungsgemäße Blockcopolyester
Figure imgf000022_0002
Schema 7. Cyclohepta-3,5,7-trien-1-ol-2-on und seine Derivate als Stabilisatoren für erfindungsgemäße Blockcopolyester
Die Copolymerzusammensetzung wird durch das Molverhältnis der Ausgangsmono- mere eingestellt und die Anzahl der Monomere m und n in den Polyesterblöcken durch die Reaktivität der Comonomere sowie die Technologie der Ringöffnungspolymerisation und die bei der Reaktivextrusion eingesetzten Extrusionstechnik gesteuert.
Der Polymerisationsverlauf wird dabei vorzugsweise über den Monomerumsatz und die Molmassen von abgenommenen Proben verfolgt. Der Monomerumsatz kann gra- vimetrisch durch Umfallen aus Methylenchlorid/Methanol bestimmt werden, die Molmassen können beispielsweise gelchromatographisch in Methylenchlorid ermittelt werden. Die Charakterisierung der Struktur der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Blockcopolyester kann auf Basis thermoanalytischer (DSC) sowie röntgenographischer und NMR-spektroskopischer Untersuchungen erfolgen. Allerdings können mittels NMR-Spektroskopie nur die Blockcopolyester mit struktur- differenten Comonomeren untersucht werden. Diese vergleichenden Untersuchungen zur Blocklänge und ihrer Verteilung wurden an den analog hergestellten Poly-b- (L-lactid-co-glykolid)en und Poly-b-(L-lactid-co-caprolacton)en mittels 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektroskopie durchgeführt. 1H-NMR-Spektroskopie liefert genaue Angaben zur Zusammensetzung dieser Polyester. Detaillierte Aussagen zur Blocklänge sind mittels 13C-NMR-Spektroskopie zu erhalten.
In den Tabellen 3 und 4 ist der Polymerisationsverlauf von jeweils einer L1L- (90)/D, D(IO)- bzw. L,L(90)/meso-Dilactid-Mischung mit stufenweiser Monomerdosie- rung, beginnend mit L,L-Dilactid und anschließender Zugabe des Stereoisomers, bei diskontinuierlicher Verfahrensweise in einem Modellsystem unter Laborbedingungen aufgeführt.
Tabelle 3. Monomerumsatz und zahlenmittlere Molmasse der Copolymerisation von L,L-Dilactid (90 Mol-%) mit D,D-Dilactid (10 Mol-%) in einer Glasapparatur mit geschraubtem Blattrührer
Polymerisationstemperatur: 195 0C Katalysator: Sn(oct)2, gelöst in Toluen Katalysatorkonzentration: T10"4 mol/mol
Figure imgf000023_0001
Der erfindungsgemäße Copolyester Poly(L-lactid(90)-co-D-lactid(10)) ist teilkristallin und schmilzt bei 152 0C.
Tabelle 4. Monomerumsatz und zahlenmittlere Molmasse der Copolymerisation von L,L-Dilactid (90 Mol-%) mit meso-Dilactid (10 Mol-%) in einer Glasapparatur mit geschraubtem Blattrührer
Polymerisationstemperatur: 195 0C
Katalysator: Sn(oct)2, gelöst in Toluen
Katalysatorkonzentration: 1*10"* mol/mol
Figure imgf000024_0001
Der erfindungsgemäße Copolyester Poly(L-lactid(90)-co-D,L-lactid(10)) ist ebenfalls teilkristallin und schmilzt bei 149 0C.
Hinweise auf eine nichtstatistische Comonomerverteilung ergeben sich trotz der stufenweisen Monomerdosierung bei diskontinuierlicher Verfahrensweise unter Labor- bedingungen nicht. Als Modell für die technisch relevante Synthese der erfindungsgemäßen Blockco- polyester ist die Copolymerisation von nicht aufgearbeitetem, monomer- und kataly- satorhältigem, niedermolekularem Poly-L-Iactids mit meso-Dilactid in einem Doppelschneckenextruder anzusehen (Tabelle 5). Der Doppelschneckenextruder weist 7 Heizzonen bei einem L/D-Verhältnis von 35 auf, und er ist mit einem prozessadap- tierten Schneckenmodell mit hohem Anteil an Knet- und Stauelementen ausgerüstet. Die Mischung wird gravimetrisch unter N2 -Beschleierung zudosiert.
Tabelle 5. Zahlen- und gewichtsmittlere Molmassen eines Poly-b-(L-lactid(75)-co- D,L-Iactid(25))s, hergestellt durch Reaktivextrusion eines Poly-L-Iactid (75 Mol-%) / meso-Dilactid- (25 Mol-%) Gemischs in einem Doppelschneckenextruder
Durchsatz: 200 g/h
Katalysator: 3*10"* mol/mol Sn(oct)2 auf AEROSIL R106 (nanopartikulär)
Figure imgf000025_0001
Die Schmelze wird nach dem Austrag auf einem Kühlband abgekühlt und der Schmelzestrang granuliert. Die abgenommenen Proben werden mit Methanol bzw. einem Methanol/Ether-Gemisch extrahiert und dann analysiert. Formal über die gesamte Laufzeit des Modellversuchs ergibt sich eine Molmasse von Mn = 114.000 g/mol und eine Polydispersität von Mw/Mn = 2,12. Der erfindungsgemäße Blockco- polyester Poly-b-(L-lactid(75)-co-D,L-lactid(25)) ist trotz des hohen D,L-Anteils teilkristallin und schmilzt bei 152 0C.
Vergleichsuntersuchungen mit den zu L,L-Dilactid strukturdifferenten Monomeren (L,L-Dilactid / Diglykolid und L,L-Dilactid / ε-Caprolacton) unter identischen Bedingungen mit 13C-NMR-Auswertung der Proben ergaben L-Lactidblöcke von m > 30 und für Diglykolid bzw. ε-Caprolacton n > 15 bei Einsatz von 25 Mol-% des Comonomers. Die Ergebnisse sind auf die Polymilchsäuren übertragbar, da Polymerisations- und Umesterungsgeschwindigkeit bei den in Schema 2 dargestellten zyklischen Estern und Carbonaten vergleichbar sind.
Eine technisch relevante Ausrüstung zur Herstellung dieser Polyester durch Reaktiv- extrusion umfasst • Vorreaktor (Rührreaktor, Doppelschneckenextruder L/D > 28, Kneter mit Aus- tragssch necke) zur Synthese des niedermolekularen Poly-L-Iactids
• Dosierpumpe für Katalysatordosierung
• Schmelzepumpe zur Dosierung des Poly-L-Iactids
• dichtkämmender Doppelschneckenextruder L/D > 48 • gravimetrische Dosierung für D1D-, D1L- bzw. meso-Dilactid
• gravimetrische Dosierung für Stabilisator
• Vakuumentmonomerisierung mit Abtrennung für Dilactide (Vakuumpumpe, Kühler, Behälter)
• Transportband zur Abkühlung des Schmelzestrangs • Granulator
Dem an einen speziellen Reaktivextrusionsprozess adaptierten Doppelschneckenextruder wird die Poly-L-Iactidschmelze mittels Schmelzepumpe zugeführt. Die Dosierung der strukturdifferenten Comonomere Diglykolid, ε-Caprolacton, Trimethylen- carbonat oder Dioxanon (vgl. Schema 2) bzw. der strukturidentischen Comonomere D1D-, meso-Dilactid oder eines razemischen Gemischs erfolgt gravimetrisch. Nach Stabilisierung und Entmonomerisierung wird die Blockcopolyesterschmelze ausgetragen, der Schmelzestrang über ein Kühlband geführt und anschließend granuliert. In Fig. 1 ist das Reaktivextrusionssystem für die Synthese der erfindungsgemäßen Blockcopolyester der Milchsäure dargestellt.
In Fig. 1 bedeuten:
1 Vorreaktor zur Synthese des Poly-L-Iactids
2 Doppelschneckenextruder
3 Transportband 4 Dosierung Katalysator
5 Dosierung L,L-Dilactid
6 Dosierung Poly-L-Iactidschmelze
7 Dosierung Comonomere
8 Dosierung Stabilisator 9 Vakuumpumpe
10 Kondensator Monomerbrüden
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben, die nur den Gegenstand der Erfindung anschaulich erläutern sollen. Sie stellen keine über die formulierten Ansprüche hinausgehende Einschränkung dar.
Beispiel 1 : Poly-b-(L-lactid(75)-co-glykolid(25))
Für die kontinuierliche Copolymerisation von L,L-Dilactid mit Diglykolid nach dem in Fig. 1 dargestellten Verfahrensprinzip wurde ein 2,5-l-Rührreaktor mit einem Doppelschneckenextruder Leistritz ZSE (gleichsinnig drehend, L/D = 50, Heizzonen: 9) über eine Zahnradpumpe zur Förderung der Poly-L-Iactidschmelze kombiniert. Der Reak- tor wird mittels Wärmeträger über einen separaten Thermostat temperiert. Die Regelung erfolgt über die Innentemperatur. Der Rührreaktor wird zum Reaktionsstart mit 1 ,5 kg gut getrocknetem L,L-Dilactid gefüllt und auf 195 0C aufgeheizt. Dann wird die Katalysatorlösung über eine Mikrodosierpumpe zudosiert. Als Katalysator wird Zinn(ll)-octonoat (Sn(oct)2) in einer Konzentration von 10"4 mol/mol Monomereinheit eingesetzt. Nach einer Polymerisationszeit von ca. 5 min wird mit dem Austrag der monomerhältigen Poly-L-Iactidschmelze aus dem Rührreaktor (7) über die Zahnrad- pumpe (6) in den Doppelschneckenextruder (2) begonnen. Zur Aufrechterhaltung des Schmelzeniveaus im Rührreaktor werden L,L-Dilactid und Katalysator nachdosiert. Die Menge der dem Doppelschneckenextruder zugeführten Schmelze beträgt 250 g/h.
In dem Doppelschneckenextruder werden dann der polymerisierenden Poly-L-Iactid- Schmelze Diglykolid (46 g/h) und der Stabilisator UKANOL DOP (34I O"4 mol/mol) zudosiert. Die Dosierung des Stabilisators erfolgt über eine Mikrodosierpumpe. Das über die 9 Heizzonen eingestellte Temperaturprofil im Extruder lag im Bereich von 180 bis 205 0C. Die entmonomerisierte Polymerschmelze wird über ein Transport- band mit Luftkühlung einem Granulator zugeführt.
Das Poly-b-(L-lactid(75)-co-glykolid(25)) und seine Herstellung wurden wie folgt charakterisiert: Umsatz: 94,0 % Mn: 76.000 g/mol
Mw: 160.000 g/mol
Tm: 155 0C
Kristallinität: teilkristallin Blocklängen:
Figure imgf000028_0001
Beispiel 2: Poly-b-(L-lactid(90)-co-D,L-lactid(10))
Analog Beispiel 1 werden in dem beschriebenen apparativen System L,L-Dilactid und meso-Dilactid im Molverhältnis 9:1 in Gegenwart von 10"4 mol/mol Sn(oct)2 copoly- merisiert, mit UKANOL DOP stabilisiert, vakuumentmonomerisiert und aufgearbeitet. Die Menge der dem Doppelschneckenextruder zugeführten Poly-L-Iactidschmelze beträgt 250 g/h. Meso-Dilactid wird mit 28 g/h der polymerisierenden Poly-L-Iactid- Schmelze zudosiert.
Das Poly-b-(L-lactid(90)-co-D,L-lactid(10)) und seine Herstellung wurden wie folgt charakterisiert: Umsatz: 95,5 % Mn: 69.000 g/mol
Mw: 152.000 g/mol Tm: 165 0C
Kristallinität: teilkristallin
Beispiel 3: Poly-b-(L-lactid(90)-co-D-lactid(10))
Analog Beispiel 1 werden in dem beschriebenen apparativen System L,L-Dilactid und D,D-Dilactid im Molverhältnis 9:1 in Gegenwart eines nanopartikulären Katalysator/ Stabilisator-Systems copolymerisiert. Das nanopartikuläre Katalysator/Stabilisator- System besteht aus Sn(oct)2/AEROSIL 106 und UKANOL DOP/AEROSIL 106, die jeweils getrennt in Toluen dispergiert mittels Mikrodosierpumpen dem Doppelschne- ckenextruder zugeführt werden (Katalysator: 7,5*10 5 mol/mol und Stabilisator: 3*10"4 mol/mol). Das über die 9 Heizzonen eingestellte Temperaturprofil im Extruder lag bei diesem Versuchslauf im Bereich von 195 bis 215 0C.
Das Poly-b-(L-lactid(90)-co-D,L-lactid(10)) und seine Herstellung wurden wie folgt charakterisiert:
Umsatz: 92,5 %
Mn: 108.000 g/mol
Mw: 220.000 g/mol
Tm: 172 0C Kristallinität: teilkristallin
Beispiel 4: Poly-b-(L-lactid(85)-co-D,L-lactid(15)) Analog Beispiel 3 werden in dem beschriebenen apparativen System L,L-Dilactid und meso-Dilactid im Molverhältnis 85:15 in Gegenwart des nanopartikulären Katalysator/ Stabilisator-Systems copolymerisiert. Der Katalysatorgehalt beträgt 3*1 CT4 mol/mol. Der Stabilisatorgehalt wurde dementsprechend auf 10"3 mol/mol erhöht. Das über die 9 Heizzonen eingestellte Temperaturprofil im Extruder lag bei diesem Versuchslauf im Bereich von 175 bis 195 0C.
Das Poly-b-(L-lactid(85)-co-D,L-lactid(15)) und seine Herstellung wurden wie folgt charakterisiert:
Umsatz: 95,5 %
Mn: 136.000 g/mol
Mw: 275.000 g/mol
Tm: 158 0C Kristallinität: teilkristallin
Beispiel 5: Poly-b-(L-lactid(95)-co-D-lactid(5))
Analog Beispiel 1 werden in dem beschriebenen apparativen System L,L-Dilactid und D,D-Dilactid im Molverhältnis 95:5 in Gegenwart eines zinn/titanbasierten Katalysator-Systems (2*10'5 mol/mol Sn(OCt)2 / 10"4 mol/mol Ti-tetraisopropylat) entsprechend DE 10113302 oder US 6.657.042 copolymerisiert. Das über die 9 Heizzonen eingestellte Temperaturprofil im Extruder lag bei diesem Versuchslauf im Bereich von 185 bis 205 °C.
Das Poly-b-(L-lactid(95)-co-D-lactid(5)) und seine Herstellung wurden wie folgt charakterisiert: Umsatz: 95,5 % Mn: 85.000 g/mol Mw: 175.000 g/mol
Tm: 178 0C
Kristallinität: teilkristallin

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Blockcopolyestern von L-Milchsäure, die Polyesterblöcke der nachstehenden Struktur enthalten:
Figure imgf000031_0001
Block A Block B worin:
R: H, -CH3, -C2H5; x: molarer Anteil der Blöcke A; 0 y: molarer Anteil der Blöcke B; x + y = 1 ; m: Anzahl der L-Milchsäure-Einheiten in Block A; n: Anzahl der Monomer-Einheiten in Block B; o: Anzahl an Methylengruppen; 5 0 < o ≤ 4; und p: Anzahl der Blockwiederholungen; bedeuten, wobei die Blockcopolyester durch kontinuierliche, zweistufige Ringöffnungscopoly- merisation von L,L-Dilactid mit einem oder mehreren damit copolymerisierbaren ali-0 phatischen Heterozyklen hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe L,L-Dilactid zu ersten Blöcken A aus Poly-L-Iactid polymerisiert wird, die als weiterhin monomerhältige Schmelze vorliegen, wozu in einer zweiten Stufe ein oder5 mehrere aliphatische Heterozyklen zudosiert und als Blöcke B an die ersten Blöcke A anpolymerisiert werden, wonach weitere Blöcke A und B anpolymerisiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stufen des zweistufigen Prozesses in getrennten Apparaten durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe in einem Reaktor mit hoher Durchmischungsintensität und die zweite Stufe in einem Doppelschneckenextruder durchgeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe mehrere unterschiedliche Monomereinheiten zu den Blöcken B copolymerisiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe mehrere unterschiedliche Monomereinheiten zu mehreren Unterblöcken Bn copolymerisiert werden, die zusammen die Blöcke B bilden, worin n die Anzahl der unterschiedlichen Monomereinheiten angibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Monomereinheiten der Unterblöcke Bn nacheinander zudosiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aliphatische Heterozyklen stukturdifferente zyklische Diester, Ester oder Carbonate, strukturgleiche Stereoisomere von L,L-Dilactid, Gemische davon oder Gemische eines oder mehrerer davon mit weiterem L,L-Dilactid zu den Blöcken B polymerisiert werden. '"
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als zu L,L-Dilactid strukturdifferente Comonomere 1 ,4-Dioxan-2,5-dion (Diglykolid), 1 ,4-Dioxan-2-on (Di- oxanon), Oxepan-2-on (έ-Caprolacton) und/oder 1 ,3-Dioxan-2-on (Trimethylencarbo- nat) eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Milchsäure-Blockcopolyester der nachfolgenden Struktur
Figure imgf000033_0001
Block A Block B
worin x, y, m, n und p wie zuvor definiert sind, durch Copolymerisation von L,L-Dilac- tid mit zumindest einem strukturgleichen Stereoisomer von L,L-Dilactid, d.h. D1D-Di- lactid, meso-Dilactid oder einem razemischen Dilactid-Gemisch, hergestellt werden.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der molare Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,01 ≤ x < 0,99 liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der molare Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,50 ≤ x ≤ 0,99 liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der molare Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,75 < x < 0,99 liegt.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Monomereinheiten m in den Blöcken A im Bereich von 5 < m < 1000 liegt.
15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Monomereinheiten n in den Blöcken B im Bereich von 5 < n < 1000 liegt.
16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m ≠ n ist.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Blockwiederholungen p im Bereich von 1 < p < 100 liegt.
18. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Polymerisation zumindest ein gelöster oder nanopartikulärer zinnbasierter Katalysator eingesetzt wird.
19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass zur Stabilisierung der Blockcopolyester zumindest ein gelöster oder nanopartikulärer phosphorbasierter Stabilisator und/oder zumindest ein Stabilisator mit Tropolonstruktur eingesetzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisator ein zyklisches Phosphinat oder Phosphinamid eingesetzt wird.
21. Nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestellter nichtstatistischer Blockcopolyester von L-Milchsäure, der Polyesterblöcke der nachstehenden Struktur enthält:
Figure imgf000034_0001
Block A Block B worin:
Figure imgf000034_0002
x: molarer Anteil der Blöcke A; y: molarer Anteil der Blöcke B;
X + y = 1 ; m : Anzahl der L-Milchsäure-Einheiten in Block A; n: Anzahl ι der Monomer-Einheiten in Block B; o: Anzahl an Methylengruppen; 0 < o < 4; und p: Anzahl der Blockwiederholungen; bedeuten.
22. Blockcopolyester nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass in den Blöcken B ringgeöffnete Monomereinheiten aliphatischer Heterozyklen, ausgewählt aus stukturdifferenten zyklischen Diestern, Estern und Carbonaten, strukturgleichen Stereoisomeren von L.L-Dilactid, Gemischen davon und Gemischen eines oder mehrerer davon mit L,L-Dilactid, enthalten sind.
23. Blockcopolyester nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Blöcken B ringgeöffnete Monomereinheiten von 1 ,4-Dioxan-2,5-dion (Diglykolid), 1 ,4-Dioxan-2-on (Dioxanon), Oxepan-2-on (ε-Caprolacton) und/oder 1 ,3-Dioxan-2-on (Trimethylencarbonat) enthalten sind.
24. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Milchsäure-Blockcopolyester der nachfolgenden Struktur
Figure imgf000035_0001
. Block A Block B
worin x, y, m, n und p wie zuvor definiert sind, ist, in dessen Blöcken B ringgeöffnete Monomereinheiten strukturgleicher Stereoisomere von L,L-Dilactid, d.h. D,D-Dilactid und/oder meso-Dilactid, enthalten sind.
25. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der molare Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,01 ≤ x ≤ 0,99 liegt.
26. Blockcopolyester nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der molare Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,50 ≤ x < 0,99 liegt.
27. Blockcopolyester nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mola- re Anteil x der Blöcke A im Bereich von 0,75 ≤ x < 0,99 liegt.
28. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Monomereinheiten m in den Blöcken A im Bereich von 5 < m < 1000 liegt.
29. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Monomereinheiten n in den Blöcken B im Bereich von 5 < n < 1000 liegt.
30. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass m ≠ n ist.
31. Blockcopolyester nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Blockwiederholungen p im Bereich von 1 ≤ p < 100 liegt.
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