交联马来酸酐共聚物的制备方法 所属领域
本发明涉及交联马来酸酐共聚物的制备方法，尤其涉及烷基乙烯基醚/马来酸酐共聚物与多元醇化合物的交联方法。
现有技术
低级烷基乙烯基醚/马来酸酐(AVE/MA)共聚物，例如马来酸酐与C1-C4烷基乙烯基醚(如甲基或乙基乙烯基醚)的共聚物是本领域已知的，并且一向被认为是适用于个人护理用、农用、医用和洗涤剂组合物中的水溶性成分。
具体说来，美国专利5202112和5334375中公开了以商品名“Gantrez”可商购的甲基乙烯基醚/马来酸酐共聚物可在口用护理组合物(如牙膏和漱口剂)中用作增稠剂和非阳离子抗菌剂类抗菌增效剂。Gantrez是购自ISP Investments，Inc.的平均分子量(M.W.)约为30000-1000000的甲基乙烯基醚/马来酸酐共聚物。口用组合物中优选采用药用级Gantrez S-97(M.W.70000)。
本领域已知：如US5385729，可通过共聚物交联制备适于在口用护理组合物中用作增稠剂的具有线性粘弹特性的AVE/MA共聚物。共聚物的交联是在AVE和MA单体的聚合过程中通过在反应介质中加入优选中等适量的3-15％(重量)的不饱和交联剂而进行的，该交联剂一般是含非共轭的端部烯属不饱和基团的C4-C30的烃，如1，7-辛二烯、1，9-癸二烯，二乙烯基乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇和十二烷二醇二丙烯酸酯。
美国专利5385729还公开了AVE/MA共聚物可在聚合反应后进行交联，其中采用的是能与AVE/MA共聚物主链上的羧基侧基反应的多官能交联剂。典型的交联剂有约含4-30个碳原子的多元醇化合物，其中包括直链或环状多元醇如丁二醇和十八烷二醇，聚乙二醇、甘油、蔗糖和季戊四醇。专利权人提出：在该聚合后交联方法中，AVE/MA共聚物的酸酐环应首先经水解打开，从而在交联反应完成前释放出。与多元醇交联剂反应所需的游离羧基(cooH)。专利权人还提出AVE/MA共聚物的聚合后交联不如与烯属不饱和烃地交联，因为多元醇交联产物更易发生水解，从而会损失所需的线性粘弹特性。
发明简述
本发明涉及交联烷基乙烯基醚/马来酸酐共聚物的制备方法，由该方法可提供一种具有口用护理应用所需的改进的线性粘弹特性的产品，该方法包括：在约50-90℃下，在水溶液中烷基乙烯基醚/马来酸酐共聚物与多元醇化合物同时反应，然后得到交联产物。
将采用本发明的方法制备的多元醇交联产物用于洁齿组合物时，意外地能改善该洁齿用品的物理特性，即能降低粘性，改进其挤出特性。
对优选实施方案的描述
本发明的交联聚合物是马来酸酐共聚物与C1-C4烷基乙烯基醚(优选甲基或乙基乙烯基醚)经多元醇化合物(如甘油或山梨醇)交联得到的凝胶产品。
适用于制备本发明凝胶产品的烷基乙烯基醚/马来酸酐共聚物中含有重量比约为1∶4至4∶1的烷基乙烯基醚和马来酸酐单体，优选分子量约为30000-1000000的甲基乙烯基醚/马来酸酐(MVE/MA)共聚物。这些共聚物按上述的商品名Gantrez销售。
采用本发明的方法令AVE/MA共聚物交联，可形成线性粘弹性材料。共聚物轻度交联，从而它们能在含水体系中膨胀并形成具有三维网状构造的凝胶。
本发明的方法是在AVE/MA共聚物形成之后采用多元醇进行交联反应。交联反应是在含水介质中进行的，根据反应机理，一般认为该反应是缩聚反应。适用的多元醇交联剂包括：山梨醇、木糖醇、甘露醇、蔗糖、果糖、烷基聚糖苷、甘油、季戊四醇、乙二醇和聚丙二醇，其中优选山梨醇和甘油。
制备交联共聚物组合物时采用的水优选是不含有机杂质的去离子水。水的用量一般约占制备交联聚合物的反应介质的60-95％。水的用量包括单独加入的水，和由其它成分引入的水，例如多元醇(如山梨醇)中所含的水。
优选在少量碱性催化剂的存在下进行交联反应。碱的存在能增强并促进交联反应的速率。可采用有机碱或无机碱，其浓度约占共聚物的0.1-2％(重量)，更优选约为0.25-1％(重量)。典型的有机碱例如有单乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺(TEA)。典型的无机碱有碱金属氢氧化物，例如氢氧化钠和氢氧化钾。优选的碱性催化剂是氢氧化钠。
根据本发明的优选实施方案是在碱催化剂的存在下进行本发明方法，采用甘油或山梨醇之类的多元醇作为交联剂，含有多元醇的含水反应介质与AVE/MA共聚物的重量比至少约为40∶1，优选约为50∶1。不含碱催化剂时的反应时间要长得多才能有效交联，这会增进AVE/MA共聚物的水解，使得可与多元醇反应的酸酐的量显著降低。该情况下，反应介质中不含碱催化剂时，多元醇与酸酐的初始重量比应约为5∶1，以确保存在足量的、可用的未经水解的酸酐，足以经交联反应形成所需的粘弹性凝胶产品。
在交联共聚物的制备中，将AVE/MA共聚物和多元醇交联剂加入盛放于适用的容器中的水中。在优选实施方案中(即在碱性催化剂存在的情况下)，先将多元醇和水的混合物预热至约50-90℃，优选约为55-75℃。向该多元醇/水混合物中经搅拌缓慢加入AVE/MA共聚物，混合约3-5分钟。然后在多元醇/水和AVE/MA的共聚物混合物中加入碱性催化剂。用于促进交联反应所需的催化剂的量应使反应介质的pH约为6-8.5。应避免较高的pH水平，防止交联产品发生相转化而由凝胶变成溶胶。采用常规的搅拌装置如机械搅拌器或振动器，在持续搅拌条件下在水/碱性催化剂混合物中加入AVE/MA共聚物；持续搅拌直至反应完全，过程时间一般是加入AVE/MA后约4-10分钟。
本发明主题中所制备的交联AVE/MA共聚物适用于各种个人护理产品，可参见美国专利5385729。发现AVE/MA共聚物特别适用于制备洁齿组合物，如牙膏和牙用凝胶。
在洁齿组合物的制备中，采用本发明所制备的交联AVE/MA共聚物，其中应用了适于口用的载体，包括含有保湿剂的水相，优选保湿剂是甘油或山梨醇，或者亚烷基二醇如聚乙二醇或丙二醇；其中水的含量一般约为3-50％(重量)，更优选约为5-20％(重量)，甘油、山梨醇和/或亚烷基二醇成分的总量一般约占洁齿组合物的15-70％(重量)，优选约为25-50％(重量)。多元醇交联AVE/MA共聚物也具有保湿剂作用，从而可以避免在洁齿用品中采用所需的相当数量的其它保湿剂。
洁齿用品中可含有磨料化合物，包括：偏磷酸钠、偏磷酸钾、磷酸三钙、二水合磷酸氢二钙、碳酸钙、硅酸铝、水合氧化铝、碳酸氢钠、和煅烧氧化铝。优选的磨料包括磷酸氢二钙和含硅物质，如二氧化硅，更优选沉淀的无定形水合二氧化硅，如由Huber Corporation销售的Zeodent 115。洁齿用品中磨料的浓度一般约为10-60％(重量)，优选约为20-40％(重量)。
经多元醇交联的AVE/MA共聚物适于在洁齿组合物中用作增稠剂或胶凝剂。本发明的交联AVE/MA共聚物在洁齿组合物中的用量约为0.1-5.0％(重量)，优选约为0.25-2.0％(重量)。
补充增稠剂包括天然或合成材料，例如爱尔兰苔、ι-角叉菜胶、黄芪胶、淀粉、聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基丙基纤维素、羟丁基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基纤维素钠，以及增稠用二氧化硅，如由Huber Corporation销售的Zeodent 165，以及由W.R.Grace Corporation出品的Sylox 15。本发明洁齿组合物中这些补充增稠剂的用量约为0.1-10％(重量)，优选约为0.5-2％(重量)。
本发明的洁齿组合物中采用表面活性剂用于获得增进的预防作用，并能令洁齿组合物更适用于美容洁齿。表面活性剂优选是能令组合物具有洗涤和发泡特性的洗涤剂成分。适用的表面活性剂的实例有：高级脂肪酸单甘油酯单硫酸的水溶性盐，如氢化椰油脂肪酸的单甘油酯单硫酸钠，高级烷基硫酸盐如月桂基硫酸钠，烷芳基磺酸钠盐如十二烷基苯磺酸钠，高级烷基磺基乙酸盐，月桂基磺基乙酸钠，1，2-二羟基丙磺酸的高级脂肪酸酯，以及低级脂族氨基羧酸化合物的基本饱和的高级脂族酰胺，如在脂肪酸、烷基或酰基基团等中含12-16个碳原子的成分。最后值得一提的酰胺的实例是N-月桂酰基肌氨酸和N-月桂酰基、N-豆蔻酰基、或N-棕榈酰基肌氨酸的钠盐、钾盐和乙醇胺盐。
本洁齿组合物中表面活性剂的用量一般约为0.3-5％(重量)，优选约为0.5-2％(重量)。
本发明洁齿组合物中还可含有用作抗龋齿剂的氟离子源或供氟化合物，其用量应足以提供约25-5000ppm氟离子，并且包括无机氟化物盐如可溶性碱金属、碱土金属盐，例如氟化钠、氟化钾、氟化铵、单氟磷酸钠和六氟硅酸钠。优选氟化钠和单氟磷酸钠。
除氟化物之外，本发明的洁齿组合物中还可含有抗牙石剂，如焦磷酸盐，包括二碱金属或四碱金属缩聚磷酸盐，如Na4P2O7、K4P2O7、Na2K2P2O7、Na2H2P2O7和K2H2P2O7，三聚磷酸钠和三聚磷酸钾、长链缩聚磷酸盐如六偏磷酸钠和环磷酸盐，如三偏磷酸钠，洁齿组合物中抗牙石剂的用量约为1-5％(重量)。
本发明的洁齿组合物中还可含有矫味剂。洁齿组合物中矫味剂的浓度约为0.1-5％(重量)，更优选约为0.5-1.5％(重量)。
适用于实施本发明的矫味剂包括香精油。其实例包括留兰香、椒样薄荷、冬青、黄樟、丁香、鼠尾草、桉树、墨角兰、肉桂、柠檬、白柠檬、葡萄柚和香橙的精油。其中最常用的是椒样薄荷和留兰香的精油。合成化学品如薄荷醇、香芹酮和茴香脑均适用。
可加入本发明洁齿组合物的其它多种成分包括：抗菌剂如三氯生、洗必太，脱敏剂如硝酸钾，防腐剂，聚硅氧烷以及叶绿素化合物。如采用这些辅料，则其在洁齿组合物中的用量应基本不会对所需的产品特性产生不利影响。
洁齿用品的制备是本领域已知的。美国专利3996863、3980767、4328205和4358437描述了牙膏及其制备方法，其可用于生产本发明的洁齿用品，这些专利均结合在本发明中作为参考。在Harry′s美容学(Cosmeticology)第7版(1982，由J.B.Wilkinson和R.J.Moore，由纽约化学出版社(Chemical Publishing)出版)609-617页中有对该口用组合物的进一步讨论。
以下实施例用于进一步说明本发明，但对本发明不构成任何限定。除非特别指出，所有份数或百分比均以重量计，并且所有的温度均以摄氏度计。
实施例I
通过本发明的后聚合法(称为“方法A”)制备交联甲基乙烯基醚/马来酸酐(MVE/MA)共聚物；该方法中将水/甘油溶液(其中含甘油26份)经搅拌加热至65℃，加入5.1份粉末状MVE/MA共聚物酸酐(GantrezS-97)，多元醇与MVE/MA共聚物的重量比为5.1-1。在持续搅拌下约经1小时加热至约65℃，直至制成透明的凝胶状产品。
为了对照，重复方法A的过程，但采用的多元醇与MVE/MA的重量比低于5∶1。方法A制得的对照产品以及由对照方法B、C和D制得的产品的粘度和外观均记录在下表I中。25℃下，在Carri-Med CSL100流变仪上同时采用平行对比盘测定各组产品对剪切应力点所产生的剪切应变，从而测定各产品的粘度。
为了进一步对照，重复实施例I的过程，但采用甲基乙烯基醚/马来酸共聚物替代MVE/MA共聚物，MVE/MA共聚物的酸酐环预先经水解开环。该方法称为方法E。由方法E制备的产品的粘度和外观也列于下表I中。
表I 方法 MVE/MA 份数 甘油份数 多元醇与共 聚物的重量 比粘度(厘泊) 外观 A 5.1 26 5.1∶1 18521 凝胶 B 5.5 17 3.1∶1 3672 粘性液体 C 5.9 9 1.5∶1 470 微粘液体 D 6.5 0 未采用 29 稀液体 E 5.1 26 5.1∶1 117 稀液体
对于表I中的方法A-D，显然，如果要得到交联粘弹性凝胶产品，要求甘油与MVE/MA之比应约为5∶1。由表I中方法E所得的产品的物理特性表明，如果MVE/MA共聚物的酸酐环在与多元醇反应前预先开链，则产品不能充分交联。
实施例II
采用不同的多元醇交联剂重复实施例I的方法(方法A)，反应混合物中还加入了0.5％或0.8％氢氧化钠。其中由被称为方法F、G、H、I和J的各方法制得的产品均是与方法A所得产品相类似的粘弹性交联凝胶。由方法F、G、H、I和J制得的凝胶是在加入MVE/MA共聚物后约4-10分钟时形成的，而方法A中形成交联粘弹性凝胶则需要约1小时的反应时间。方法F-J中制备交联共聚物所采用的各成分的具体重量百分比列于下表II中。
表II 成分 方法F 方法G 方法H 方法I 方法J MVE/MA 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 山梨醇(70％活 性) 50.0 甘油 50.0 木糖醇 10.0 蔗糖 20.0 季戊四醇 5.0 水 88.5 78.5 93.5 48.2 48.2 氢氧化钠 0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 总重量％ 100 100 100 100 100
实施例III
采用以下步骤，由经山梨醇交联的MVE/MA共聚物凝胶制备具有抗牙石或抗菌特性的牙膏组合物(称为组合物X和Y)：
根据表III中所列的配方量，将氟化钠和糖精钠溶于水中，并用Lightning螺旋桨式搅拌器或类似装置混合约5分钟，以确保完全溶解。另外根据实施例II的方法I制备经山梨醇交联的MVE/MA共聚物凝胶，用于制备洁齿组合物，陆续加入聚乙二醇(PEG)保湿剂、Gantrez、任一种焦磷酸四钠(TSPP)抗牙石剂、以上制备的氟化钠/糖精钠水溶液、染料或二氧化钛着色剂、余量的氢氧化钠碱、补充保湿剂和/或流变学调节剂、包括甘油、羟甲基纤维素钠和ι-角叉菜胶。将这些成分加入盛装有经山梨醇交联的MVE/MA共聚物凝胶的适宜容器中，经Lightning或其它螺旋桨式搅拌器混合约20分钟。混合后将该混合物转移至Ross行星式搅拌器中，向其中加入二氧化硅磨料，在最低转速1档下搅拌约1分钟，用以润湿磨料粉末；然后开动Ross搅拌器的真空泵，在28英寸的真空条件下采用5至6档的转速将混合物混合约10-15分钟，此时加入月桂基硫酸钠、三氯生抗菌剂和矫味剂成分，然后在完全真空条件下再继续混合约15分钟。
为了对照，重复实施例III的过程，用于制备抗牙石和抗菌牙膏，所得组合物分别被称为组合物X-I和Y-I，其中不采用经山梨醇交联的MVE/MA共聚物。其中是用常规的增稠剂替代了经山梨醇交联的MVE/MA共聚物，即采用ι-角叉菜胶、增稠用二氧化硅和附加的Gantrez替代经山梨醇交联的MVE/MA共聚物。
表III 成分 牙膏组合物 X(重量％) 牙膏组合物 X-I(重量 ％) 牙膏组合物 Y(重量％) 牙膏组合物 Y-I(重量 ％)MVE/MA共聚物 0.5 --- 0.5 ---水 14.31 8.0 18.217 15.607山梨醇 29.157 30.367 23.663 20.85甘油 10.0 10.0 20.0 20.0PEG 3.0 3.0Gantrez(13％溶液) 7.69 11.54 7.69 15.0NaOH碱溶液 0.75 1.0 0.9 1.2TSPP 2.0 2.0 --- ---二氧化钛 0.3 0.3 0.5 0.5氟化钠 0.243 0.243 0.243 0.243糖精钠 0.4 0.4 0.3 0.3羟甲基纤维素钠粘结剂 1.0 1.2 1.0 1.1ι-角叉菜胶 --- 0.3 --- 0.4Zeodent 115二氧化硅磨料 --- --- 20.0 20.0Zeodent 165二氧化硅增稠剂 1.5 2.5 1.5 1.5Sylodent 783磨料 27.0 27.0 --- ---三氯生抗菌剂 --- --- 0.3 0.3矫味剂 0.95 0.95 1.0 1.0月桂基硫酸钠 1.2 1.2 1.5 1.5总重量％ 100.0 100.0 100.0 100.0
发现根据本发明方法配制的洁齿用品X和Y的外观比对照组的洁齿用品X-I和Y-I更为洁白有光泽。此外，在应用各牙膏管体用于刷牙时，发现牙膏X和Y比牙膏X-I和Y-I的“粘性”小，更易于挤出，即，挤在牙刷上的牙膏挤出段不存在使用牙膏X-I和Y-I时出现的尾端仍与管内膏体相连不断的现象。