以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法

1.以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于它包括如下步骤：将丙交酯和锻烧高岭土按重量比(100-1000)∶1混合，然后在真空度为1-500Pa的真空条件或100-101325Pa的惰性气体气氛条件下进行开环聚合反应，所述的开环聚合反应为
140-280℃恒温反应12-96h，得到聚合物；再加入丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。
2.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的恒温反应的温度为140℃，所述的恒温反应的时间为48h。
3.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的开环聚合反应为微波辐照反应，微波辐照功率为50-1000W；微波辐照时间为
20-120min。
4.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的锻烧高岭土为以煤矸石干法制备的超细煅烧高岭土，它是将粒度小于45um的煤矸石粉料和尿素按重量比为(3-20)∶1混合后，加入球磨机或振动磨中，干法研磨得插层复合物，然后置入锻烧炉中，以5℃/分钟的升温速度升温至600℃恒温0.5小时，再加热至
850-900℃，恒温1小时，锻烧过的粉料冷却后，再送入打散机打散，得到锻烧高岭土。
5.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的锻烧高岭土的制备为：取高岭土原料，经过水洗、过滤、烘干、球磨；按照高岭土原料：0.2-1mol/L的六偏磷酸钠溶液的固液重量比为1∶5，加入0.2-1mol/L六偏磷酸钠溶液，混合，80-100℃搅拌4-6h，过滤、洗涤和干燥得到酸处理样品；按照酸处理样品与重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液的重量比为1∶1，加入重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液，混合，90-100℃搅拌10-15h，处理完毕后，再经过过滤、洗涤、干燥和球磨即得锻烧高岭土。
6.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的丙交酯是外消旋丙交酯、内消旋丙交酯、左旋丙交酯、右旋丙交酯中的一种或多种的混合，多种混合时为任意配比。
7.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的丙酮与聚合物的重量比为(100-500)∶1。
8.根据权利要求1所述的以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于：所述的开环聚合反应中加入丙交酯类单体开环聚合催化剂，按丙交酯与丙交酯类单体开环聚合催化剂重量比(1000-5000)∶1加入丙交酯类单体开环聚合催化剂。

以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于高分子化学技术领域，具体涉及一种生物医用降解材料聚乳酸的制备方法。\n背景技术\n[0002] 聚乳酸(PLA)是一类可降解的生物医用高分子材料。聚乳酸具有优良的生物降解性、生物相容性和生物安全性，其降解产物乳酸可参与人体内糖代谢，无残留，安全无毒，作为药物控制释放载体、手术缝合线、组织工程支架材料和骨修复材料等在生物医学领域有着广泛的研究和应用。聚乳酸通用采用本体聚合方法，即以丙交酯为单体，在催化剂的作用下，以一定的反应条件使丙交酯开环聚合生成聚乳酸。丙交酯有L，L-丙交酯(LLA，又称左旋丙交酯)、D，D-丙交酯(DLA，又称右旋丙交酯)和D，L-丙交酯(DLLA，又称内消旋丙交酯)三种立体异构体。\n[0003] 目前丙交酯开环聚合合成聚乳酸的反应中，公认催化效率最好的催化剂是辛酸亚锡(Kricheldorf H R，et al，Polylactones 48.Sn(Oct)2-initiated polymerization of lactide：A mechanistic study，Macromolecules，2000，33，702.)，其反应路线如下：\n[0004] \n[0005] 但在上述聚合反应过程中，金属催化剂辛酸亚锡无法从合成的聚合物中彻底去除，致使其在聚合物中不可避免地残留，而且根据研究表明：辛酸亚锡具有细胞毒性(Saunders I K，et al，Polylactones，39.Zn lactate-catalyzed copolymerization of L-lactide with glycolide or-caprolactone，Macromol.Chem.Phys，1998，199，1081；\nSchwarch G，et ai，Ring opening polymerization of D，L-lactide in the presence of zinc metal and zinc lactate.Polym.Int，1998，46，177.)，这使得将此类材料作为医用材料，特别是作为长期服用药物的载体、植入性医用材料等，具有严重的安全隐患。\n[0006] 进入21世纪以来，纳米矿物材料由于其优良特性被广泛应用于生产生活领域。高岭石类矿物是粒度极细的含铝硅酸盐，是高岭土矿石中的主要矿物成分。其基本矿物组成有高岭石组矿物，化学组成为Al4[Si4O10](OH)8；埃洛石(多水高岭石)组矿物，化学组成为Al4[Si4O10](OH)8·2～4H2O；蒙脱石组矿物，化学组成为Al4[Si4O10](OH)2·nH2O，与叶蜡石一致，但由于含有钠、钙、镁等碱金属元素，而又写成(Na，Ca)(Al·Mg)[Si4O10](OH)2·nH2O；\n伊利石(水云母)组矿物及叶蜡石等，并含有石英、长石、云母、褐铁矿、赤铁矿、明矾石及锐钛矿等杂质。质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能；具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。 高岭土在造纸工业的应用十分广泛。主要有两个领域，一个是在造纸(或称抄纸)过程中使用的填料，另一个是在表面涂布过程中使用的颜料。\n[0007] 与未煅烧高岭土相比，煅烧高岭土的结合水含量减少，二氧化硅和三氧化铝含量均增大，活性点增加，结构发生变化，粒径较小且均匀。特别是锻烧超细高岭土，需求旺盛，煤系锻烧高岭土与普通高岭土相比，白度高、粒度细，具有更好的化学稳定性、电绝缘性和油吸收性，并且耐火度提高，比表面积增大，比重减少，因此，锻烧高岭土被广泛应用于陶瓷、造纸、塑料、橡胶、搪瓷、耐火材料、涂料、油漆、纺织、汽车等领域。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的在于提供一种以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，该方法反应产率高，制备得到的聚乳酸生物安全性高。\n[0009] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸的方法，其特征在于它包括如下步骤：将丙交酯和锻烧高岭土按重量比(25-1000)∶1混合[以丙交酯为单体，锻烧高岭土作为催化剂，此外，部分方案中可同时加入微量常规的丙交酯类单体开环聚合催化剂，按丙交酯和常规的丙交酯类单体开环聚合催化剂重量比(1000-5000)∶1混合]，然后在真空度为1-500Pa的真空条件或100-101325Pa的惰性气体气氛条件下进行开环聚合反应，得到聚合物；再加入丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。\n[0010] 按上述方案，所述的开环聚合反应为25-280℃恒温反应12-96h。\n[0011] 按上述方案，所述的恒温反应的温度为140-180℃。\n[0012] 按上述方案，所述的恒温反应的温度优选为140℃，所述的恒温反应的时间优选为\n48h。\n[0013] 按上述方案，所述的开环聚合反应为微波辐照反应，微波辐照功率为50-1000W；\n微波辐照时间为20-120min。\n[0014] 按上述方案，所述的锻烧高岭土为以煤矸石干法制备的超细煅烧高岭土。它是将粒度小于45um的煤研石粉料和尿素按重量比为(3-20)∶1混合后，加入球磨机或振动磨中，干法研磨得插层复合物，然后置入锻烧炉中，以5℃/分钟的升温速度升温至600℃恒温\n0.5小时，再加热至850-900℃，恒温1小时，锻烧过的粉料冷却后，再送入打散机打散，得到粒度小于2um的量大于90％，白度大于90％的“双90”超细锻烧高岭土。其他方法制备的煅烧高岭土在本发明中亦有使用。\n[0015] 按上述方案，所述的锻烧高岭土的制备为：取高岭土原料，经过水洗、过滤、烘干、球磨；按照高岭土原料：0.2-1mol/L的六偏磷酸钠溶液的固液重量比为1∶5，加入\n0.2-1mol/L六偏磷酸钠溶液，混合，80-100℃搅拌4-6h，过滤、洗涤和干燥得到酸处理样品；按照酸处理样品与重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液的重量比为1∶1，加入重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液，混合，90-100℃搅拌10-15h，处理完毕后，再经过过滤、洗涤、干燥和球磨即得锻烧高岭土。\n[0016] 按上述方案，所述的丙交酯是外消旋丙交酯、内消旋丙交酯、左旋丙交酯、右旋丙交酯中的一种或多种的混合，多种混合时为任意配比。\n[0017] 按上述方案，所述的丙酮与聚合物的重量比为(100-500)∶1。\n[0018] 按上述方案，所述的开环聚合反应中加入常规的丙交酯类单体开环聚合催化剂(与丙交酯和锻烧高岭土一起加入)，丙交酯与常规的丙交酯类单体开环聚合催化剂的重量比为(1000-5000)∶1；常规的丙交酯类单体开环聚合催化剂为锡粉、氯化亚锡或辛酸亚锡等，或含锡的其它化合物、三氧化二锑、有机酸稀土化合物等中的一种或多种的混合，多种混合时为任意配比。\n[0019] 本发明将锻烧高岭土作为催化剂用于丙交酯开环聚合制备聚乳酸，可在丙交酯开环聚合的时候承担一定的模板作用，使聚合反应朝着一定方向，从而使最终得到的聚合物具有以锻烧高岭土为“核”的三维立体纳米结构。\n[0020] 本发明的有益效果：(1)、本发明使用廉价、易得、稳定的锻烧高岭土替代人工合成的昂贵小分子催化剂如辛酸亚锡等作为丙交酯开环聚合的催化剂，反应产率高(≥90％)，制备得到的聚乳酸无金属化合物残留，生物安全性高，适宜用作药物控释载体和组织工程材料。(2)、本发明采用微波辐照使丙交酯发生开环聚合反应时，省时、节能。与常规热聚合反应相比，微波加热作为一种分子内加热方式，能大幅度减少能量损耗，而且对化学反应还存在非热效应，可以起到促进反应的作用。\n附图说明\n[0021] 图1是锻烧高岭土的扫描电镜图。\n[0022] 图2是锻烧高岭土的粒径和粒径分布图。\n[0023] 图3是实施例6得到的聚乳酸的核磁共振氢谱图。\n[0024] 图4是是实施例6得到的聚乳酸的X-射线粉末衍射图。\n具体实施方式\n[0025] 下面通过实施例对本发明作详细说明，但不应视为对本发明的限制。\n[0026] 一、锻烧高岭土(催化剂)的提纯与表征：\n[0027] 取高岭土原料10g，经过水洗、过滤、烘干、球磨；按照高岭土原料：0.2-1mol/L的六偏磷酸钠溶液的固液重量比为1∶5，加入0.2-1mol/L六偏磷酸钠溶液，混合，80-100℃搅拌4-6h，过滤、洗涤和干燥得到酸处理样品；按照酸处理样品与重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液的重量比为1∶1，加入重量百分比为1-5％的聚丙烯酸溶液，混合，90-100℃搅拌10-15h，处理完毕后，再经过过滤、洗涤、干燥和球磨即得锻烧高岭土(催化剂)。\n[0028] 采用扫描电镜观察所得锻烧高岭土的形貌，结果见图1；采用英国马尔文公司的ZS90型激光粒度仪测定锻烧高岭土粒子的尺寸及尺寸分布，结果见图2。\n[0029] 图1表明：经上述方法处理得到的锻烧高岭土管型结构规整，平均管长小于\n500nm，管径为60nm左右；图2表明：锻烧高岭土的粒径处于100nm-1000nm之间，平均粒径为339.7nm，分子量分布指数PDI为0.218，这进一步支持了扫描电镜SEM的结果。综合上述结果可知，经上述方法处理得到的锻烧高岭土结构规整、粒度分布均一。\n[0030] 二、以锻烧高岭土为催化剂催化合成聚乳酸\n[0031] 下述实施例1-6中采用上述处理得到的锻烧高岭土做催化剂；实施例7中采用市售的锻烧高岭土。\n[0032] 实施例1-7中均采用日本岛津公司LC-20AD型凝胶色谱仪，以单分散性聚苯乙烯为标样并经普适值校正，四氢呋喃作为溶剂，采用μ-Styragel填充柱，在40℃的温度下测定聚合物的重均分子量和分子量分布指数PDI。\n[0033] 实施例1：\n[0034] 在反应釜中装入15克丙交酯(选用内消旋丙交酯)，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝1000∶1，加入锻烧高岭土15毫克；将反应釜抽真空，然后用氮气置换重复操作三次，真空下关闭反应器(此时，是在惰性气体气氛条件下)，将反应釜缓慢加热，\n160℃恒温反应48小时，然后停止反应，将反应釜冷至室温，得到聚合物；加入1500克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体聚乳酸，产率92％。聚\n4 4\n合物聚乳酸的重均分子量为2.2×10-6.4×10，PDI≤1.50。\n[0035] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0036] 实施例2：\n[0037] 在反应釜中装入15克丙交酯(选用左旋丙交酯)，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝100∶1，加入锻烧高岭土150毫克；将反应釜抽真空，然后用氮气置换重复操作三次，真空下关闭反应器(此时，是在惰性气体气氛条件下)，将反应釜缓慢加热，反应温度下140℃反应72小时然后停止反应，将反应釜冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中，在40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体聚乳酸，产率\n4 4\n95％。聚乳酸的重均分子量为4.5×10-9.8×10，PDI≤1.40。\n[0038] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0039] 实施例3：\n[0040] 在反应釜中装入15克丙交酯(选用右旋丙交酯)，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝100∶1，加入锻烧高岭土150毫克；将反应釜抽真空，然后用氮气置换重复操作三次，真空下关闭反应器(此时，是在惰性气体气氛条件下)，将反应釜缓慢加热，在恒定温度下160℃反应72小时然后停止反应，将反应釜冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中，在40℃真空干燥48小时，得到淡黄色粉末状固体(聚乳酸)，\n4 4\n产率94％。聚乳酸重均分子量为1.3×10-1.9×10，PDI≤1.20。\n[0041] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0042] 实施例4：\n[0043] 在反应釜中装入15克丙交酯(内消旋丙交酯8克、左旋丙交酯7克)，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝500∶1，加入锻烧高岭土30毫克；将反应釜抽真空，然后用氮气置换重复操作三次，真空下关闭反应器(此时，是在惰性气体气氛条件下)，将反应釜缓慢加热，反应温度下200℃反应24小时，然后停止反应，将反应釜冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中，在40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固\n4 4\n体(聚乳酸)，产率92％，聚乳酸重均分子量为2.3×10-2.9×10，PDI≤1.50。\n[0044] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0045] 实施例5：\n[0046] 在玻璃管中装入15克外消旋丙交酯，按外消旋丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝100∶1，加入锻烧高岭土150毫克，在真空度为1Pa的真空条件下以50W的微波辐照功率幅照60min，待反应混合物冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体聚乳酸，产率90％，聚乳酸的重均分\n4\n子量13.5×10，PDI＝1.42。\n[0047] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0048] 实施例6：\n[0049] 在玻璃管中装入15克左消旋丙交酯，按左消旋丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝100∶1，加入锻烧高岭土150毫克，在真空度为50Pa的真空条件下经150W的微波辐照功率幅照30分钟，待反应混合物冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体，产率93％，所得聚合物的核磁\n4\n共振氢谱图见图3。由图3可知：该聚合物为聚乳酸。聚乳酸的重均分子量2.9×10，PDI＝1.39。\n[0050] 图4为得到的聚乳酸的X-射线粉末衍射图，图4说明所得到的聚乳酸为半结晶形态。\n[0051] 实施例7：\n[0052] 在玻璃管中装入15克任意比例混合的外消旋丙交酯和左消旋丙交酯，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂重量比＝100∶1，加入锻烧高岭土150毫克，在真空度为50Pa的真空条件后经150W的微波辐照功率幅照30分钟，待反应混合物冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中，在40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体聚\n4\n乳酸，产率92％，聚乳酸的重均分子量2.8×10，PDI＝1.36。\n[0053] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，无金属化合物残留，说明生物安全性高。\n[0054] 实施例8：\n[0055] 在反应釜中装入15克丙交酯(左消旋丙交酯)，按丙交酯单体∶锻烧高岭土催化剂∶辛酸亚锡重量比＝2000∶4∶1，加入锻烧高岭土30毫克，辛酸亚锡7.5毫克；将反应釜抽真空，然后用氮气置换重复操作三次，真空下关闭反应器，将反应釜缓慢加热，反应温度下200℃反应24小时，然后停止反应，将反应釜冷至室温，得到聚合物；加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入去离子水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀置于真空干燥箱中，在40℃真空干燥48小时，得到白色粉末状固体(聚乳酸)，产率\n4 4\n98％，聚乳酸重均分子量为10.6×10-13.2×10，PDI≤1.50。\n[0056] 制备得到的聚乳酸由原子吸收/发射光谱仪检测，重金属化合物残留为20μg/g，锡残留为18μg/g，大大优于YYT_0661-2008_外科植入物用聚(L-乳酸)树脂的标准规范中的国家标准(重金属化合物残留小于等于300μg/g，锡残留小于等于200μg/g)，说明生物安全性高。\n[0057] 上述实施例1-4中，丙交酯可以是内消旋丙交酯、左旋丙交酯、右旋丙交酯中的任意一种或多种的混合，多种混合时为任意配比；惰性气体气氛的压强为常压即101325Pa。\n[0058] 实施例9：\n[0059] 在反应釜中装入15克丙交酯(内消旋丙交酯8克、左旋丙交酯7克)，将丙交酯和锻烧高岭土按重量比25∶1混合，然后在真空度为1Pa的真空条件下进行开环聚合反应，开环聚合反应为25℃恒温反应12h，然后停止反应，冷至室温，得到聚合物；再加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。\n[0060] 实施例10：\n[0061] 在反应釜中装入15克丙交酯(内消旋丙交酯8克、左旋丙交酯7克)，将丙交酯和锻烧高岭土按重量比1000∶1混合，然后在真空度为500Pa的真空条件下进行开环聚合反应，开环聚合反应为280℃恒温反应96h，然后停止反应，冷至室温，得到聚合物；再加入\n2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。\n[0062] 实施例11：\n[0063] 在反应釜中装入15克丙交酯(内消旋丙交酯8克、左旋丙交酯7克)，将丙交酯和锻烧高岭土按重量比25∶1混合，然后在100Pa的惰性气体气氛条件下进行开环聚合反应，开环聚合反应为微波辐照反应，微波辐照功率为50W；微波辐照时间为20min，然后停止反应，冷至室温，得到聚合物；再加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。\n[0064] 实施例12：\n[0065] 在反应釜中装入15克丙交酯(内消旋丙交酯8克、左旋丙交酯7克)，将丙交酯和锻烧高岭土按重量比25∶1混合，然后在101325Pa的惰性气体气氛条件下进行开环聚合反应，开环聚合反应为微波辐照反应，微波辐照功率为1000W；微波辐照时间为120min，然后停止反应，冷至室温，得到聚合物；再加入2000克的丙酮以溶解反应得到的聚合物，然后加入水，使聚合物沉淀析出，再滤除水相，最后将沉淀真空干燥，得到聚乳酸。\n[0066] 本发明所列举的各具体原料，以及各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明(实现本发明的效果)，在此不一一列举实施例。