聚乙醇酸及其共聚酯的制备与性能

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聚乙醇酸(PGA)作为一种新型的生物可降解工程塑料,是化学结构最简单的线性可降解聚酯。由于优异的生物相容性和可降解性、较高的机械强度和卓越的气体阻隔性,PGA已被广泛应用于石油天然气开采、包装材料和生物医药等领域,如药物纳米载体、假体、可吸收手术缝合线等。通常,PGA可通过乙交酯(GL)的开环聚合和乙醇酸(GA)的熔融缩聚制得。GL的开环聚合可制备高分子量的PGA,但GL制备工艺复杂,价格昂贵,导致PGA售价高。相较而言,GA熔融缩聚制备PGA成本更低,原子利用率更高。本论文基于熔融缩聚路线,系统地研究了PGA及其共聚酯的聚合工艺、结构和性能。首先,针对GA熔融缩聚制备PGA,比较了四种金属盐催化剂(无水醋酸锌、醋酸锌、钛酸四异丙酯和三氟甲烷磺酸铋)和一种非金属催化剂(双三氟甲烷磺酰亚胺)催化效果,发现三氟甲烷磺酸铋催化剂具有最佳的催化效果。在三氟甲烷磺酸铋催化剂的作用下,研究了酯化温度(160~190℃)、催化剂含量(0.05~0.25 wt%)等聚合工艺条件对PGA的特性黏度、热分解温度和熔点的影响,发现最优聚合工艺条件为:催化剂含量为0.20 wt%、酯化温度为180℃、缩聚温度为210℃。在此最优聚合条件下,所制备PGA呈浅灰色状、特性黏度大于0.35 d L/g。同时,所制备PGA具有较好的热稳定性,5 wt%热分解温度大于250°C,熔点约为220°C。固相缩聚技术通过在较低的温度下脱除小分子提高聚酯的分子量,是提高分子量的常用手段。因此,进一步利用固相缩聚技术对GA熔融缩聚制备的PGA进行增黏,提高分子量。以三氟甲烷磺酸铋为催化剂,在相同的固相缩聚时间(12 h)下,研究了固相缩聚温度(190~220℃)和催化剂含量(0.05~0.20 wt%)对PGA特性黏度的影响,确定最优固相缩聚温度为210°C、催化剂含量为0.20 wt%。在此固相缩聚条件下,以三氟甲烷磺酸铋为催化剂,可以将PGA的特性黏度从0.36 d L/g提高到0.59 d L/g。其次,由于PGA具有良好的降解性能,通过共聚在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中引入GA单元,有望实现PET的可降解化。通过使用不同单体和投料方式,采用四条聚合工艺路线制备聚对苯二甲酸-乙二醇-乙醇酸共聚酯[P(ET-co-GA)]。核磁共振氢谱结果表明该四条聚合工艺路线都可成功制备P(ET-co-GA)共聚酯。通过改变投料比,采用一锅法熔融缩聚制备了不同共聚组成的P(ET-co-GA),并研究了GA含量对P(ET-co-GA)的结晶行为、热性能和降解性能的影响。研究发现,不同共聚组成的P(ET-co-GA)和PET的5 wt%热分解温度都大于300℃,表明GA单元的引入几乎不影响P(ET-co-GA)的热稳定性。广角X射线散射结果表明,PET占优的P(ET-co-GA)结晶形成PET型晶体,但其特征衍射峰随着GA含量的增加向q减小的方向移动,表明GA单元排入晶格,导致晶胞膨胀。GA单元的引入显著影响P(ET-co-GA)的结晶和熔融行为,降低共聚酯的结晶程度和熔点,减缓结晶速率。随着GA含量从0 mol%增加到11.98 mol%,熔点从247.40℃降低到214.20℃,结晶温度从201.10℃降低到145.50℃。通过模拟海水和脂肪酶降解实验发现,GA单元的引入可以显著提高P(ET-co-GA)的降解速率。随着GA含量的增加,P(ET-co-GA)的降解速率加快。最后,对一锅法制备P(ET-co-GA)的聚合工艺优化后,所制备P(ET-co-GA)的特性黏度大于0.30 d L/g。采用固相缩聚技术,进一步将P(ET-co-GA)的特性黏度提高至约0.70 d L/g。同时,采用2.5 L缩聚反应釜实现了P(ET-co-GA)的公斤级制备。所制备P(ET-co-GA)的特性黏度大于0.60 d L/g,可进行注塑成型加工,具有较好的可加工性。
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