分子量可控两嵌段聚合物的制备方法 【技术领域】
本发明属于聚合物的制备领域，具体涉及一种两嵌段聚合物的制备方法。
背景技术
随着对环境问题的日益关注，生物可降解材料受到了广泛的关注。脂肪族聚酯由于其良好的生物可降解性和生物相容性，广泛应用于食品包装和生物医药等领域，如手术缝合线、药物缓释载体、组织工程支架、外科植入材料等等。同时，脂肪族聚酯中的聚乳酸(PLA)更是由于其非石油来源，受到了人们的重视。
不同的脂肪族聚酯由于其结构的差异，其降解速度、机械性能等方面都存在着差异。如聚己内酯(PCL)分子链规整、柔顺，结晶性强，但在体内的降解速度较慢；PLA虽然降解速度较快，但其线形结构僵硬、机械性能较差。因此，选择丙交酯(LA)与己内酯(CL)单体共聚，可改善聚合物的机械性能、调节共聚物的降解速率。又如，做为手术缝合线的聚乙交酯(PGA)体内降解速度太快，通过与PCL共聚来调节降解速率。生物可降解聚酯通过调节共聚物中共聚单体的种类、配比以及分子量等，以改变聚合物的亲水性、结晶性，从而达到调节聚合物降解速度的目的。
US2362511公开了一种聚乙醇酸及其共聚物的制备方法，通过缩聚反应制备聚乙醇酸及其与其他醇酸的无规共聚物。由于缩聚反应单体的转化率难以达到很高，得到的聚合物分子量不高，同时单体损耗较明显，并且分离较麻烦。US6150497公开了通过乙交酯开环聚合制备高分子量的聚乙醇酸的制备方法，该方法制备简单，为本体聚合，且转化率高，可以得到高分子量的聚乙醇酸。Journal of Polymer Science：Part A：PolymerChemistry，Vol.35.219-226报道了通过熔融聚合法制备ε-己内酯和乳酸两嵌段聚合物的制备方法，但是该方法制备的聚合物分子量不高，预聚物聚ε-己内酯段的分子量只有1.5～5.2×103，整个聚合物的重均分子量为17.4～49.7×103，分子量不可控。Journal of PolymerScience：Part A：Polymer Chemistry，Vol.39.294-306报道了通过溶液聚合法制备聚ε-己内酯和乙交酯两嵌段聚合物的方法，但该方法用四氢呋喃、甲苯等有机溶剂，制备过程复杂，溶剂回收麻烦，对环境污染严重。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有制备两嵌段聚合物方法的缺点，提供一种利用熔融聚合法来制备分子量可控的两嵌段聚合物的方法。
本方法采用熔融聚合法，减少了溶液聚合过程中大量有机废液的产生，有利于环境保护，同时简化了制备过程。该方法的一个突出特点是，通过计算加入的引发剂的量，控制所得聚合物的分子量，从而达到聚合物分子量可控。该方法的一个技术难点在于对反应体系严格无水的控制，以确保所合成的聚合物的分子量和计算出来的理论值相吻合，达到分子量可控的目的。本发明的目的具体可以通过以下方法来实现：
一种分子量可控的两嵌段聚合物的制备方法，该方法包括如下步骤：
第一步：将脂肪族内酯在熔融状态及引发剂和催化剂的作用下，开环聚合，生成末端带有羟基的大分子引发剂；
第二步：用末端带有羟基的大分子引发剂在催化剂的作用下引发另一种脂肪族内酯开环聚合，生成两嵌段聚合物。
其中通过改变引发剂的用量，来控制第一步生成的末端带有羟基的大分子引发剂的分子量；再通过改变末端带有羟基的大分子引发剂的用量，来控制第二步生成的两嵌段聚合物的分子量。引发剂(或大分子引发剂)的用量具体可以通过目标分子地分子量来确定，最终得到的目标分子的理论分子量其中M为单体在目标分子中的重复的主体结构的分子量，M(引)为引发剂的分子量(当其较小时可忽略，如第一步反应)，mol(单体)为单体的摩尔量，mol(引)为引发剂的摩尔量。
在两步反应中，必须先除去反应体系中的水分，再在保护气体的保护下进行反应。本发明中所述的反应体系，不仅包括进行反应的空间及装置，还包括参加反应的反应物。因此，在反应时，不仅需要将反应装置内先真空干燥再通保护气体(如氮气)进行保护，而且对反应物也需要采用重结晶、真空干燥等方法进行除水，如第一步和第二步中所述的脂肪族内酯在反应前，先经过重结晶并真空干燥。
本发明所述的两嵌段聚合物是由两种脂肪族内酯开环聚合生成，该脂肪族内酯选自丙交酯、乙交酯、ε-己内酯、β-丁内酯、β-戊内酯中的任意两种组分。该两嵌段聚合物包括聚丙交酯-co-聚乙交酯两嵌段共聚物(PGA-co-PLA)，聚丙交酯-co-聚ε-己内酯两嵌段共聚物(PCL-co-PLA)，聚ε-己内酯-co-聚β-丁内酯两嵌段共聚物。
本发明以有机金属类催化剂为催化剂、醇类引发剂为引发剂，引发脂肪族内酯开环聚合。反应先生成有机金属与醇的共引发体系，然后该共引发体系进攻内酯的酯键发生开环聚合反应，生成端基为羟基的大分子引发剂。该大分子引发剂的端羟基在催化剂的作用下再引发另一种脂肪族内酯开环聚合，生成两嵌段聚合物。
所述的有机金属类催化剂选自于辛酸亚锡、醋酸钴、醋酸镍、异丙醇铝或二乙基锌中的一种或多种，其中优选辛酸亚锡，催化剂的添加量为单体重量的0.1～5％。
所述的醇类引发剂选自于甲醇、乙醇、异丁醇、辛醇、异戊醇、癸醇或月桂醇中的一种或多种。引发剂的量通过所要合成的聚合物分子量的大小来确定。
本发明中所述的脂肪族内酯在经过重结晶精制后，在惰性气体保护下进行聚合反应。第一步的反应时间为3～7小时，反应温度为110～150℃，生成的大分子引发剂在氯仿中完全溶解，再用甲醇沉淀过滤，真空干燥。
第二步用所生成的大分子引发剂引发另一种脂肪族内酯开环聚合，生成两嵌段聚合物，反应时间为3～24小时，反应温度为110～250℃。
本发明所制备的两嵌段聚合物的重均分子量在1×104～1×106，分子量分布为1～2。
本发明突出优点在于，制备的两嵌段共聚物的分子量可控。脂肪族内酯通过醇类引发剂开环聚合生成端基为羟基的大分子引发剂。引发剂与单体的摩尔比越小，则反应的活性点越少，生成的大分子的分子量就越高。通过控制引发剂与单体的摩尔比可以控制生成的大分子引发剂的分子量。制备出分子量一定的大分子引发剂后，在一定的反应条件下，大分子引发剂的端羟基引发另一种脂肪族内酯开环聚合，通过控制加入的单体的量来控制另一嵌段聚合物的分子量大小。
本发明的一个技术难点为，整个反应过程必须在严格无水的条件下进行。本发明是通过醇类引发内酯开环聚合，通过引发剂上羟基的含量来控制聚合物分子量的大小。由于水分子也含有羟基，存在一定的引发效果，使得聚合物的分子量难以控制。尤其在反应的第二步过程中，随着大分子引发剂的分子量的提高，其端羟基的反应活性明显降低，如果体系中存在水分子，单体则容易被水分子引发开环聚合生成均聚物，难以得到两嵌段共聚物。
脂肪族内酯必须通过重结晶除去水分和杂质，并且真空干燥，同时保证反应器的干燥无水。在第一步反应中，先将脂肪族内酯单体和催化剂一同加入到三颈瓶中，在40～60℃下抽真空0.5～2小时，将脂肪族内酯单体和催化剂中残余的水分除去；再通入氮气，将体系升至反应温度，加入引发剂引发内酯开环聚合。产物溶于氯仿后甲醇沉淀，去除残留的单体和催化剂，再真空干燥24～48小时。
第二步，将合成的大分子引发剂研磨成粉末，加入到三颈瓶中，再加入催化剂，同样在40～60℃下抽真空0.5～2小时，除去体系中的水分。再通入氮气，将体系升至反应温度，制备两嵌段聚合物。产物溶于氯仿后甲醇沉淀，去除残留的单体和催化剂，再真空干燥24～48小时。
本发明采用熔融聚合的方法，减少了溶液聚合过程中大量有机废液的产生，有利于环境保护，同时简化了制备过程。该方法还可以通过计算加入的引发剂的量，控制所得聚合物的分子量，从而达到聚合物分子量可控。
【具体实施方式】
下面通过实施例进一步说明本发明。
在下列的实施例中，聚合物的分子量是通过GPC(日本岛津，型号：Prominence)测得的重均分子量来表征。
实施例1～4制备了一系列PCL-PLA两嵌段共聚物，重均分子量为3×104～30×104。
实施例1
上式为合成聚ε-己内酯(PCL)的化学方程式，通过计算引发剂(乙醇)的量，控制PCL分子量的大小。计算公式如下：
mol(ϵ-CL)×Mmol(C2H5OH)V(C2H5OH)×ρ(C2H5OH)×144---(1)]]>
将11.4gε-己内酯(ε-CL)和81mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空1小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射21μl C2H5OH(ρ＝0.79g/ml)，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应3小时。
将反应产物用氯仿完全溶解，用甲醇沉淀，再真空抽滤得到白色沉淀物，真空干燥24小时后研磨成细小的粉末。
用GPC侧得产物的分子量：分子量分布
通过公式(1)计算得到理论分子量为31,670，与实测结果基本一致。
将5g PCL-OH预聚物粉末、81mg Sn(Oct)2、5g L-LA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到150℃，磁力搅拌，反应10小时，得到重均分子量为79,245的PCL-PLA两嵌段共聚物，反应方程式如下：
如果反应完全，可以得到分子量比为1∶1的PCL-PLA两嵌段共聚物，但由于合成过程中有少量的LA单体升华，未参与反应，所以制备的两嵌段共聚物中PLA段的链段稍小于理论值。
实施例2
将11.4gε-己内酯(ε-CL)和40.5mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空1小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射10μlC2H5OH，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应5小时。
将反应产物用氯仿完全溶解，用甲醇沉淀，再真空抽滤得到白色沉淀物，产物真空干燥24小时后研磨成细小的粉末。
用GPC实测的分子量：
通过公式(1)计算得到理论分子量为66,4003，与实测结果基本一致。
将5g PCL-OH预聚物、40.5mg Sn(Oct)2、5g L-LA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到150℃，磁力搅拌，反应15小时。得到重均分子量为140,700的PCL-PLA两嵌段共聚物。
实施例3
将11.4gε-己内酯(ε-CL)和60.5mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空1小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射60μl C2H5OH，开始升温到120℃，磁力搅拌，反应5小时。
产物的理论值为11,068；实测分子量为：
将3g PCL-OH预聚物、60.5mg Sn(Oct)2、5g L-LA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到130℃，磁力搅拌，反应8小时。得到重均分子量为37,154的PCL-PLA两嵌段共聚物。
实施例4
将11.4gε-己内酯(ε-CL)和40.5mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空1小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射40μl月桂醇(ρ＝0.86g/ml)，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应7小时。
产物的理论值为61,655；实测分子量为：
将5g PCL-OH预聚物、60.5mg Sn(Oct)2、10g L-LA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到140℃，磁力搅拌，反应20小时。得到重均分子量为274,478的PCL-PLA两嵌段共聚物。
实施例5～7制备了一系列PLA-PGA两嵌段共聚物，重均分子量为5×104～20×104。
实施例5
PLA-OH预聚物合成化学方程式如下
通过计算引发剂(乙醇)的量，控制PCL分子量的大小。计算公式如下：
mol(ϵ-CL)×Mmol(C2H5OH)V(C2H5OH)×ρ(C2H5OH)×144---(2)]]>
将14.4g L-LA和40.5mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空2小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射21μl C2H5OH，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应5小时。得到重均分子量为42,300的PLA-OH大分子引发剂，反应方程式如下；
将反应产物用氯仿完全溶解，用甲醇沉淀，再真空抽滤得到白色沉淀物，产物真空干燥24小时后研磨成细小的粉末。
产物的理论值为40,000；实测分子量为：
将5g PLA-OH预聚物、40.5mg Sn(Oct)2、5g GA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到220℃，磁力搅拌，反应4小时。得到重均分子量为101.200的PLA-PGA两嵌段共聚物。
实施例6
将14.4g L-LA和40.5mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空2小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射60μl C2H5OH，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应5小时。得到重均分子量为22,500的PLA-OH大分子引发剂。
产物的理论值为13,980；实测分子量为：
将5g PLA-OH预聚物、40.5mg Sn(Oct)2、10g GA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到190℃，磁力搅拌，反应8小时。得到重均分子量为54,300的PLA-PGA两嵌段共聚物。
实施例7
将14.4g L-LA和81mg Sn(Oct)2滴加到250ml三颈瓶中，放入到50℃的油浴中，抽真空2小时后，通氮气三次，再用微量注射器往三颈瓶中注射40μl癸醇(ρ＝0.83g/ml)，开始升温到140℃，磁力搅拌，反应3小时。得到重均分子量为29,800的PLA-OH大分子引发剂。
产物的理论值为68,571；实测分子量为：
将5g PLA-OH预聚物、40.5mg Sn(Oct)2、5g GA加入到三颈瓶中，在50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到200℃，磁力搅拌，反应10小时。得到重均分子量为167,400的PLA-PGA两嵌段共聚物。
实施例8～9制备了一系列PCL-PGA两嵌段共聚物，重均分子量为2×104～20×104。
实施例8
将5g重均分子量为78,197的PCL-OH、40.5mg Sn(Oct)2、8g GA加入到三颈瓶中，50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到180℃，磁力搅拌，反应12小时。得到重均分子量为165,700的PCL-PGA两嵌段共聚物。
实施例9
将5g重均分子量为15,670的PCL-OH、40.5mg Sn(Oct)2、5g GA加入到三颈瓶中，50℃油浴中抽真空1小时后，通氮气三次，然后开始升温到160℃，磁力搅拌，反应12小时。得到重均分子量为29,400的PCL-PGA两嵌段共聚物。