Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров наоснове молочной кислоты
Поскольку полимерная упаковка является удобной, дешевой, эстетичной,то ожидать ее полной замены на бумажную, стеклянную, тканевую или из других безвредныхматериалов бесперспективно.
В связи с этим актуальна и необходима разработка промышленныхпроцессов получения новых высокомолекулярных соединений, которые сохраняли бы всефизико-механические и эксплуатационные свойства выпускаемых в настоящее время многотоннажныхпластиков, но вместе с тем были бы способны к биоразложению в условиях окружающейсреды в течение непродолжительного промежутка времени [4 — 6].
Полимолочная кислота — полиэфир на основе молочной кислоты — соответствует этим требованиям, обладая высокими потребительскими свойствами и способностьюк биоразложению под (воздействием влаги, света и соответствующих микроорганизмов.
Еще одно достоинство полимолочной кислоты, как альтернативы традиционнымполимерам, заключается в том, что исходным сырьем для ее получения служат возобновляемыерастительные продукты, главным образом глюкоза, что создает дополнительный стимулдля развития производства зерна.
При получении пластиков на основе полимолочной кислоты с высокимифизико-механическими свойствами используется оптически чистая молочная кислота,представляющая собой L — или D-изомеры.
Ниже основное внимание будет уделено проблеме синтеза и превращения// -молочной кислоты, как наиболее широко используемой для промышленного производстваполилактида (полимолочной кислоты). Саму молочную кислоту получают путем ферментацииглюкозы с использованием в качестве микробных продуцентов различных штаммов бактерийили мицелиалъных грибов рода Rhizopus [9 — 12].
При использовании бактериальных продуцентов достигается более90 % конверсии глюкозы в молочную кислоту, при этом доля // -молочной кислоты можетсоставлять более 98 %. Достоинство бактериальных штаммов — высокая скорость синтезамолочной кислоты (средняя скорость более 5 г/л в час). Некоторые бактериальные продуцентыпозволяют проводить ферментацию при повышенной температуре (выше 50 аС),что существенно снижает требования к стерильности процесса. Недостатком бактериальныхпродуцентов считается необходимость использования в ходе ферментации относительнодорогих компонентов питательных сред.
Штаммы мицелиальных грибов Rhizopus как продуценты молочной кислоты способны обеспечить практически100 % -ное образование L*формы, при этом они более кислототолерантны.Важно отметить, что при ферментации грибов Rhizopus используются более дешевые питательные среды. Полученная послеферментации культуральная жидкость бесцветна и содержит значительно меньше трудноотделяемыхпримесей, чем жидкость, полученная при использовании бактериальных штаммов.
К достоинствам Rhizopus oryzae относитсятакже способность превращать в молочную кислоту различные сахара, в том числе пентозы.Для этих продуцентов разработаны ферментационные процессы получения молочной кислотыиз различных гидролиза-тов Rhizopus.
К числу недостатков этих грибов можно отнести образование нарядус молочной кислотой других органических кислот и спиртов (до 10 %).
В настоящее время в промышленности обычно реализуется периодическийпроцесс ферментации, когда на первом этапе выращивается биомасса микробного продукта,а на втором осуществляется синтез молочной кислоты при добавлении в ферментационнуюсреду необходимого количества глюкозы. В таких процессах полный цикл ферментациисоставляет 48 — 72 ч.
биоразлагаемый полимер полимолочная кислота
/>
Во всех известных ферментационных процессах эффективный синтезмолочной кислоты возможен только при рН = 5 + 7, что требует использования различныхнейтрализующих агентов, преимущественно основных соединений кальция. Образующиесясоли молочной кислоты в дальнейшем подкисляют и после дополнительных этапов очисткииз реакционной массы выделяется /молочная кислота высокой степени чистоты.
В процессе ферментации в качестве нейтрализующих агентов можноиспользовать и гидроксид натрия (образуются водорастворимые соли), что в дальнейшемпозволит решить вопросы выделения и очистки кислоты с использованием мембранныхтехнологий, что значительно сократит количество сточных вод и твердых отходов, однаков настоящее время такие процессы менее рентабельны.
Одним из перспективных направлений создания высокоэффективногопроцесса получения оптически активной молочной кислоты является разработка способовферментации при низких значениях рН. Для решения этой задачи требуется созданиерекомбинантных продуцентов, устойчивых в кислой среде и способных осуществлять синтезмолочной кислоты в аэробных условиях с получением дополнительной энергии при окислениикислородом.
Существующие технологии получения молочной кислоты позволяютобеспечить конкурентоспособность производства полилактида по сравнению с традиционнымиполимерами, благодаря чему в настоящее время производство молочной кислоты в миреактивно развивается.
Именно на основе молочной кислоты проводились исследования поразработке условий олигомеризации молочной кислоты, получения циклического лактидаи превращения его в полимолочную кислоту.
При разработке процесса олигомеризации 85 % -ной водной // -молочнойкислоты на первой стадии отрабатывался способ отгонки растворной воды при нагревесмеси до температуры ПО — 125 «С при нормальном давлении. При этом вода легкоотгонялась до получения 90 — 95 % -ного раствора молочной кислоты. Дальнейшая отгонкарастворной воды была затруднена, поэтому для ее удаления применяли вакуум 100 — 200 мм рт. ст. с барботированием сухого азота через раствор молочной кислоты.
Процесс удаления растворной воды в лабораторных условиях в вакуумепродолжался 3 — 5 ч. При этом в реакторе оставалась безводная молочная кислота скислотным числом 400мгКОН/г продукта. Последнее указывает на то, что при отгонкеводы в предлагаемом режиме начинался процесс олигомеризации с образованием незначительногоколичества димерных и тримерных продуктов конденсации молочной кислоты. Теоретическоезначение кислотного числа мономерной молочной кислоты равно 623 мгКОН/г продукта.
Необходимо отметить, что при отгонке воды наблюдался заметныйунос молочной кислоты, особенно на заключительной стадии, когда процесс проводилсяв вакууме. Кислотность водного погона в течение отгонки колебалась от 5 до 20 мгКОН/г.В отогнанной воде содержалось молочной кислоты в количестве до 3 % по массе общейзагрузки. В промышленных условиях эту кислоту необходимо регенерировать и возвращатьв технологический процесс.
Проведение чисто термической поликонденсации молочной кислотыпри атмосферном давлении и температуре 100 — 110 С обеспечивает получение низкомолекулярногоолигомера со средней степенью полимеризации. В связи с этим был выполнен комплексисследований по использованию различных каталитических систем поликонденсации молочнойкислоты с целью получения олигомеров с заданной молекулярной массой 800 — 1200.
В качестве катализаторов изучали различные по природе системы:оксид цинка и пара-толуол-сульфокислоту. При исследовании оксида цинка в качествекаталитической системы олигомеризации процесс проводили при поэтапном повышениитемпературы.
В обезвоженную молочную кислоту загружали 1,5% оксида цинка,набирали вакуум 50 мм рт. ст. и систему нагревали до 115 — 120 'С с постоянным барботированиемсухого азота. После двухчасового нагрева реакционной массы ее кислотное число равнялось150 мгКОН/г продукта.
С целью повышения степени поликонденсации молочной кислоты температуруреакционной массы поднимали до 150 — 170°С и продолжали нагрев еще 2,5 ч. При этомзначение кислотного числа понижалось незначительно и достигало 120 мгКОН/г продукта(см. рисунок), что соответствовало степени поликонденсации молочной кислоты 5 исредней молекулярной массе ~ 400. За время реакции олигомеризации в присутствииZnO в приемнике с водой собиралось- 20 % по массе общей загрузки молочной кислоты с кислотностью 260 мгКОН/г продукта.Последнее говорит о том, что кроме реакционной воды происходил унос молочной кислотыи ее низкомолекулярных олигомеров.
Несмотря на довольно жесткие условия олигомеризации в присутствиикатализатора ZnO, ice же не удалось получить олигомер молочной кислоты с молекулярноймассой, оптимальной для получения лактида.
Для достижения необходимой степени поликонденсации молочной кислотыв качестве катализатора олигомеризации была исследована пара-толуолсульфо-кислота,которая широко применяется для получения сложных эфиров на основе карбоновых кислоти спиртов. Реакцию олигомеризации молочной кислоты в присутствии 0,5 — 2 % пара-толуолсульфокислотыпроводили в среде азеотропирующих растворителей.
Опыты с использованием в качестве растворителя циклогексана и0,5 % катализатора проводили при 80 — 85 *С, однако выделение воды при этом не наблюдалось.По этой причине циклогексан был заменен на более высококипящий растворитель — толуоли количество катализатора увеличили до 1 — 2 %. В этих условиях удалось получитьолигомер со средней степенью поликонденсации 10 — 15, что соответствовало молекулярноймассе 720 — 1100.
Однако несмотря на получение олигомера с заданной молекулярноймассой, использование растворителя в промышленных условиях нежелательно, поэтомус целью исключения растворителя синтез олигомера отрабатывали в присутствии, 2 %катализатора при 140 — 160 'С и вакууме 50 — 75 мм рт. ст. в течение 1,5 — 2 ч. В результате получили продукт с кислотным числом 40 — 50 мгКОН/г продукта(см. рисунок), что соответствовало средней молекулярной массе 900 — 1200. Именнотакой олигомер использовали в дальнейшем для получения лактида.
Процесс лактидизации полученных олигомеров проводили в присутствиисвежеприготовленной цинковой пыли в реакторе, снабженном термометром, подводящейтрубкой для азота, насадкой Вюрца, соединенной с нисходящим холодильником с приемником.После загрузки олигомера, содержащего 2 % катализатора лактидизации, в системе набираливакуум 200 мм рт. ст. и медленно поднимали температуру реакционной массы до 170- 190 С, повышай вакуум до 90 мм рт. ст. При этом в приемнике, охлажденном льдом,конденсировался светло-желтый продукт.
В процессе отработки стадии лактидизации установлено, что оптимальнымиусловиями образования лактида с выходом 75 % является температура реакционной массы190 — 200 С и давление 90 — 120 мм рт. ст. Именно в таких условиях наблюдался постоянныйстабильный погон лактида при 125 — 130 „С.
С целью очистки полученного лактида-сырца его перекристаллизовывалииз этилацетата и получали белые кристаллы с температурой плавления 94,8 “С[14].
Полученное значение температуры плавления близко к литературнымданным для лактида, что указывает на отсутствие процесса рацемизации исходной молочнойкислоты в результате воздействия высоких температур при олигомеризации оптическиактивной кислоты и последующей лактидизации. Сохранение оптической чистоты лактидаявляется важным показателем, так как биоразлагаемые пластики, полученные на основемолочной кислоты, обладают более высокими физико-механическими свойствами по сравнениюс оптически неактивными аналогами. Строение и чистота полученного лактида исследовалисьметодом ПК-спектроскопии. Спектры снимали на спектрофотометре Specord М80 в области 4000 — 400 см1. Для записи спектровиз образцов были приготовлены таблетки, спресованные с КВг.
Установлено, что в ИК-спектре лактида, содержащего две карбоксильныегруппы в шестичленном кольце, наблюдается сложный эффект взаимодействия, вследствиечего происходит смешение карбонильных полос поглощения (по сравнению с карбоксильнойгруппой б-лактонов) с проявлением максимумов при 1776 и 1764 см'. Поглощение С-О-С-группы лактида наблюдается в области 1300 — 1050 см»' в виде нескольких полос.
После отделения лактида в процессе лактидизации олигомолочнойкислоты в реакционном кубе остается черный хрупкий пек в количестве г 20 % по массеисходного продукта, поэтому следует искать пути повышения конверсии олигомера влактид (использовать более эффективные катализаторы лактидизации, оптимизироватьаппаратурно-технологическое оформление).
С целью уменьшения количества образующегося кубового остаткабыл проверен способ дробной загрузки, а не сразу всей массы смеси олигомера молочнойкислоты с катализатором в реактор лактидизации. Несмотря на определенные сложностипри дозировке реакционной массы в рабочий реактор, выдерживаемый при 190 — 210 Си вакууме 100 — 150 мм рт. ст., наблюдалось более равномерное выделение лактидав течение всего процесса дозагрузки и, самое главное, уменьшение образования пекав кубе и, как следствие, более высокая конверсия олигомера.
Перекристаллизованный и высушенный оптически активный лактидв дальнейшем использовали в качестве исходного продукта при получении полимолочнойкислоты в присутствии октоата олова как катализатора полимеризации.
Следует отметить, что механизм полимеризации лактида в присутствииоктоата олова, несмотря на длительные исследования, не совсем ясен. При поликонденсациилактида в присутствии металлосодержащих катализаторов скорость поликонденсации зависитне только от природы основного катализатора (в рассматриваемом случае диоктоатаолова), но и от присутствующих в системе следов примесей — сокатализаторов (вода,спирты, следы исходной молочной кислоты). Следы исходной молочной кислоты такжеспособны участвовать в процессе координации с образованием шестичленного промежуточногоцикла, состоящего из лактида, металлоорганического катализатора и соответствующегогидроксилсодержащего производного [15, 16].
Исходя из сказанного, открытие лактидного кольца и его полимеризацияв полимолочную кислоту в присутствии диоктоата олова и протоносодержащего соединенияможно представить следующим образом:
/>
Однако не известно, как количество катализатора и температурно-временныепараметры процесса полимеризации влияют на величину молекулярной массы образующейсяполимолочной кислоты.
С целью определения влияния количества катализатора на ход полимеризацииисследовали системы с содержанием 0,05; 0,1; 0,3; 0,6; 1,0 и 1,5 % октоата олова(по отношению к лактиду).
На первом этапе приготовления смеси лактид-катализатор системунагревали до жидкого состояния и, тщательно перемешивая, получали однородную массу,которую загружали в ампулы. Приготовленные образцы выдерживали при температуре 120- 150 Сив процессе прогрева через определенные промежутки времени отбирали пробыи растворяли содержимое в хлороформе. Затем для отделения высокомолекулярных фракцийполимолочной кислоты от низкомолекулярных проводили высаждение метанолом и полученныйполимер сушили до постоянной массы при 65°С. С увеличением количества катализатораот 0,3 до 1,5 % наблюдалось резкое снижение образования высокомолекулярной полимолочнойкислоты. В среднем оно составляло 15 — 30 % в зависимости от концентрации катализатора,в то время как в присутствии 0,05 и 0,1 % высокомолекулярная фракция составляла70 — 75 %.
Что касается влияния временного фактора полимеризации лактидав присутствии 0,05 и 0,1 % октоата олова при 150°С, то заметного отличия в температуреплавления полученной полимолочной кислоты не наблюдалось: она составляла 152 — 158°С.Молекулярная масса полученных образцов полимолочной кислоты, определенная методомгель-проникающей хроматографии, находилась в пределах от 15000 до 36000.
Анализ и сравнение снятых ИК-спектров синтезированной полимолочнойкислоты показали, что все образцы по строению близки друг к другу. В ИК-спектрахнаблюдались характерные полосы поглощения сложноэфирной группировки около 1764 см-'- валентные колебания С=0-группы, а в области 1300 — 1050 см1 проявлялисьассиметричные и симметричные колебания С-О-С-групп. Валентные колебания алифатическихС-Н-групп отмечались в области 3000 — 2850 см1.
Выделенная полимолочная кислота представляла собой белый сыпучийпорошок, из которого после модификации и пластификации были изготовлены пленки ипрутки, обладающие высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Таким образом, исходя из выполненного объема исследований и полученныхрезультатов по процессу синтеза полимолочной кислоты из глюкозы, технологическуюсхему производства биоразлагаемого полимера на основе молочной кислоты можно представитьследующими основными стадиями:
ферментация глюкозы до молочной кислоты;
выделение и очистка молочной кислоты;
олигомеризация молочной кислоты;
образование лактида;
получение полимолочной кислоты.
Решение вопросов оптимизации технологического процесса полученияполимолочной кислоты с достижением максимальных показателей конверсии на каждойстадии позволит обеспечить высокий выход товарного продукта с минимальным количествомсточных вод и твердых отходов. Получаемый полимерный продукт должен обладать нетолько высокими потребительскими свойствами и биоразлагаемостью, но и приближатьсяпо стоимости к упаковке, выпускаемой в настоящее время на основе многотоннажныхбионеразлагаемых полимеров.
Определенность конечной цели и понимание проблемы в научном планепо созданию высокопроизводительного процесса получения биоразлагаемых пластиковтребует прежде всего решения вопросов совершенствования используемых штаммов, каталитическихсистем стадии олигомеризации, лактидизации и полимеризации с получением полимолочнойкислоты с заданной молекулярной массой. В производственном плане требуется решитьзадачи современного аппаратурно-технологического оформления процесса на всех стадиях,что в перспективе обеспечит создание высокотехнологичного конкурентоспособного производствабиоразлагаемых пластиков на основе полимолочной кислоты и позволит в значительнойстепени решить сложные экологические проблемы «полимерного мусора».Биоразлагаемые полимеры на основе полимолочной кислоты
В настоящее время производство синтетических пластмасс в миредостигло 150 млн. т в год и продолжает расти. Полимерные продукты играют большуюроль в промышленности и жизни человека. После использования полимерные промышленныеи бытовые отходы попадают в мусорные отвалы. Как быть и что делать с пластмассовыммусором становится глобальной экологической проблемой [1], от решения которой взначительной степени зависит экологическая ситуация в мире.
Для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов и сниженияантропогенной нагрузки на человека и окружающую среду активно реализуются два основныхподхода:
захоронение (хранение отходов на свалках);
утилизация.
Наиболее щадящим способом является утилизация полимерных отходов.
Повторная переработка в некоторой степени решает проблему загрязненияокружающей среды полимерными продуктами. Однако сбор и сортировка полимерных отходов,прежде всего упаковочной тары, приводит к удорожанию получаемых мосле переработкиизделий. Кроме того, качество рециклизованного полимера оказывается существеннониже, чем первичного продукта.
Сжигание и пиролиз, даже при применении методов дожигания и утилизациитепла отходящих газов, также кардинально не улучшают экологическую обстановку.
По мнению специалистов, радикальным решением проблемы «полимерногомусора» является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных присоответствующих условиях биодеградировать на безвредные компоненты [2].
Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будеттем приоритетным направлением, которое позволяет исключить значительное число проблемзагрязнения окружающей среды, возникающих при использовании бытовых товаров, а вомногих случаях и продукции технического назначения из синтетических полимеров [3].
В настоящее время мировая промышленность в основном ориентированана использование и переработку практически невозобновляемого углеводородного и каменноугольногосырья. Возможно, эти виды ресурсов будут исчерпаны уже в следующем столетии. Именнопоэтому в ряде развитых стран мира проводятся широкие научно-технические исследованияпо применению растительного возобновляемого сырья для разработки новых видов полимерныхматериалов. Эти полимеры привлекательны не только с точки зрения используемого дляих получения сырья, но и имеющихся у них преимуществ в области утилизации отходов.
Бурное развитие производства таких материалов, первоначальнопредназначавшихся исключительно для медицинских изделий, позволило разработать подходык решению глобальной проблемы утилизации твердых полимерных отходов.
К сожалению, в России пока не уделяется должного внимания разработкамтакого типа.
Анализ литературных источников в области разработки биоразлагаемыхполимеров за последние годы указывает на активное развитие направления производстваполимеров на основе гидроксикарбоновых кислот. Столь пристальное внимание к этомуклассу соединений обусловлено тем, что еще в 1925 г. было установлено, что полигидроксимасляная кислота под воздействием различных видов микроорганизмовразлагается до С02 и Н20. Полиэфиры на основе других гидроксикарбоновыхкислот (гликолевой, молочной, валериановой или капроновой) ведут себя аналогично.
Для получения соответствующих полиэфиров указанных кислот используютсяих димерные производные — гликолиды, лактиды в случае гликолевой и молочной кислот,либо у — или е-лактоны для валериановой и капроновой кислот [4].
Среди биодеградируемых материалов полимолочная кислота, синтезируемаяиз мономеров, получаемых путем микробиологической переработки растительного сырья(ферментативным брожением декстрозы сахара или мальтозы, сусла зерна или картофеля),занимает лидирующее производство (140 тыс. т в 2002 г.; 250 — в 2005 г., 400 тыс. т в 2007 г.).
/>
Важным достоинством полимолочной кислоты (полилактида) являетсято, что этот прозрачный, бесцветный термопластичный полимер может быть переработанвсеми способами, применяемыми для переработки известных термопластов. Из листовможно термоформовать подносы, тарелки, упаковку для пищевых продуктов, имплантатыдля медицины. Он опробован также в качестве полимера для получения волокон, пленок,связующего для целлюлозных нетканых материалов [5]. Несмотря на все перечисленныедостоинства полилактида, широкое внедрение его в качестве полимера бытового и техническогоназначения до последнего времени сдерживается небольшими объемами выпуска, низкойпроизводительностью технологических линий и, как следствие, высокой стоимостью продукции.В связи с этим особое внимание в настоящее время разработчики полиэфиров уделяютвопросам удешевления получаемых биоразлагаемых продуктов за счет создания высокопроизводительныхтехнологических процессов. Активную работу в совершенствовании технологии производствамолочной кислоты проводят фирмы Cargill Inc. (США) и PURAC(Испания) [3].
Молочная (2-гидроксипропи-оновая кислота), СН, — СН (ОН) — COOH) существует в L — и D-изомерных формах. Кроме того, существует ее рацемическая форма.Продукт, получаемый в процессах ферментации (брожения), содержит до 99,5 % 1-изо-мераи 0,5 % Д-изомера [6]. Молочная кислота, представляющая собой бесцветные кристаллы,гигроскопична, легко образует циклический димер — лактид (рис.1).
Лактид также существует в виде оптически активных L — и /) — форм и неактивного рацемата и может полимеризоватьсяс образованием высокомолекулярных полимеров. Однако высокомолекулярные полилактиды,полученные из оптически неактивных или оптически малоактивных лактидов, вследствиеслучайной ориентации заместителей в цепи не обнаруживают кристалличности. Они отличаютсявысокой растворимостью в различных органических растворителях/ низкой температуройплавления, хорошей термопластичностью и не используются для получения волокон. Изготовлениевысокомолекулярных волокнообразующих полилактидов возможно лишь из оптически активныхмономеров.
Поли-Х-лактид (PLA) — полимер с высокойстепенью кристалличности, достигающей 70 — 80 %, со средней плотностью 1,270 г/см1при плотности аморфных и кристаллических областей 1,248 и 1,290 г/см3соответственно [6], с температурой стеклования 48,5°С. Термоокислительная деструкцияполи-i-лактида начинается при 240 — 250 «С. Он растворимво многих органических растворителях, таких, как хлорированные алифатические и ароматическиеуглеводороды, ацетонитрил, диок-сан, тетрагидрофуран. Полилактид не растворим вводе и в водно-спиртовых смесях, не токсичен и не вызывает тканевой реакции отторжения[7J. Полилактид относится к алифатическим полиэфирам и кбиосовместимым термопластикам.
Наиболее часто используется первый метод вследствие более высокойчистоты исходного димера.
В основе процесса лежит получение дилактида, а затем его полимеризация.Первичная стадия синтеза включает получение предконденсата, который затем термическидеполимеризуется до дилактида. Свойства результирующего волокнообразующего полилактидазависят в большой степени от чистоты дилактидного мономера, что требует его тщательнойочистки. Полимеризация дилактида происходит с раскрытием цикла, и образующийся линейныйполилактид содержит примерно 5 % непрореагировавшего мономера. Такой полимер можетподвергаться гидролизу, если его использовать для дальнейшей переработки в волокнаили изделия. Поэтому PLA подвергаетсяобязательной очистке от мономера.
Значительный интерес для получения биоразлагаемых полимеров представляютсополимеры молочной кислоты, поскольку появляется возможность создания полимеровс регулируемой скоростью биодеструкции. Особенно это важно для полимеров и волоконна их основе, используемых в медицине.
Волокна, полученные из PLA, не уступаютпо прочности волокнам, полученным из других полиэфиров, в частности из полигликолида,и вследствие гидрофобной природы исходного полимера они устойчивы к гидролизу дажев кипящей воде. Продукты биодеструкции волокон из PLA (молочнаякислота) являются нормальным метаболитом и не оказывают токсического воздействияна организм. Однако скорость биоразложения (период полураспада равен 168 дням) PLA достаточно велика и не позволяет егоиспользовать в общей и специальной хирургии для ушивания мягких тканей, особеннов случае применения в качестве хирургического материала с короткими (до 1 года)сроками рассасывания. Использование PLA в медицине ограничено изготовлением костных протезов, костныхвинтов и имплантантов для костных тканей. Текстильные материалы из PLA обладают хорошими характеристиками,из них изготовляют комфортное белье и модную одежду, занавески и драпировочные материалы.Они не содержат вредных примесей, вызывающих аллергическую реакцию при контактес телом человека [8J.
Введение сомономера в PLA позволяет существенно сократить время биологической деструкцииполимера и расширить область его применения, прежде всего в медицине, производствеупаковочной тары, в качестве пластификаторов и связующих.
Наиболее перспективным сомономером, например, для изделий медицинскойтехники представляется гликолид, который может быть получен из гликолевой или монохлоруксуснойкислот.
/>
Ранее во ФГУП „ВНИИСВ“ были разработаны биодеградируемыешовные хирургические материалы на основе полигликолила, которые выпускаются в небольшихобъемах.
Полигликолид, являясь простейшим полиэфиром, в котором благодаряблизкому расположению сложноэфирных групп сильно выражены межмолекулярные взаимодействия,обладает высокой степенью кристалличности, а также чрезвычайной гидролитическойнестабильностью. Полигликолид обладает приемлемыми сроками рассасывания в живоморганизме (6 — 12 мес), однако вследствие гидролитической нестабильности довольнобыстро (до 20 сут) теряет около 60 % прочности, что накладывает определенные ограниченияна его использование в качестве хирургического материала.
Поэтому значительный интерес представляет синтез сополимеровразличного состава на базе молочной и гликолевой кислот (или гликолида и лактида),в которых сочетаются свойства этих двух полимеров и имеется возможность контролироватьскорость биодеструкции.
Полимеры могут быть получены с различными молекулярными массамии структурой макромолекул, позволяющей варьировать степень взаимодействия междумакромолекулами. На основе лактида и гликолида возможно получение целого семействасополиэфиров, свойства которых будут отличаться в пределах определенного диапазона.
В литературе отмечается высокая склонность гликолида к полимеризациипо сравнению с лактидом. Исследования относительной реакционной способности лактидаи гликолида в процессе их сополимеризации показали, что для цепи растущего гликолидавтрое более предпочтительно присоединение другой единицы гликолида, а для цепи растущеголактида в пять раз предпочтительнее присоединение гликолида. То и другое ведет кобразованию блоков гликолида, разделенных единичными лактидными остатками. Поэтомусополимеры гликолевой и молочной кислот имеют широкий диапазон составов, причемгликолид полимеризуется преимущественно при низких конверсиях, а лактид встраиваетсяв большей степени, когда гликолид уже исчерпан [10].
С увеличением содержания лактидных фрагментов в макромолекулеего сополимера с гликолидом повышается гидрофобность, но уменьшается кристалличность.Изменяя количество и время введения мономера, можно целенаправленно изменять тонкуюструктуру материала и его свойства, например время полной деструкции полимера.
Сополимеры гликолида и лактида разлагаются путем простого гидролизадо гликолевой и молочной кислот, которые перерабатываются (в случае медицинскогоприменения) через обычные метаболические пути. Скорость гидролиза зависит от такихфакторов, как размер и гидрофильность полимерного имплантанта, мономерность состава,степень кристалличности полимера, рН и температура окружающей среды. Сроки разложенияменьше для полимеров с более низкой молекулярной массой, большей гидрофильностьюи большим содержанием аморфной части, а также при более высоком содержании гликолидав сополимерах.
В процессе отработки синтеза биоразлагаемых сополимеров использовалисьлактоны, полученные на стендовой установке пиролиза. Лактоны очищались от примесеймономеров (молочной и гликолевой кислот) двух-трехкратной перекристаллизацией осушеннымэтилацетатом и от олигомерных оксикислот холодной экстракцией сухим этилацетатом.По результатам потенциометрического титрования содержание карбоксильных групп примесейв циклических димерах не превышало 2-103 моль/кг, температура плавленияполученных мономеров составляла 79°С для гликолида и 94°С для L-лактида,что соответствует разработанным техническим требованиям к их качеству и температурнымхарактеристикам [11].
Сополимеризацию i-лактида с гликолидомпроводили в ампулах из термостойкого стекла при температуре 140, 150, 160, 170°Спри следующих соотношениях гликолид: лактид соответственно: 1,68: 6,70; 2,74: 6,10;4,9: 4,9; 9,55: 2,33 моль/л. В качестве инициатора процесса использовали хлоридолова (SnCl2-2HiO), арегулятора молекулярной массы — лауриловый спирт (CHj-fCH),,-CHiOH) в виде 1 % растворов в серномэфире. После загрузки реагентов систему трижды вакуумировали и заполняли азотом,а затем помещали в термостат с температурой 100 С. По окончании расплавления реакционнойсмеси начинали процесс сополимеризации в выбранном диапазоне температур. В ходеэксперимента были проведены исследования влияния температуры процесса, состава реакционнойсреды, концентрации инициатора и регулятора молекулярной массы на кинетику процессасополимеризации и свойства получаемых полимеров.
Выход сополимера и кинетику расхода мономеров в ходе процессасинтеза исследовали методами гравиметрии и ЯМР-спектроскопии. Спектры ЯМР-образцасополилактида, полученного при соотношении концентраций 1-лактид: гликолид, равном6,1: 2,74, снимали в диметилсульфоксида при 100 „С на спектрометре “Tesla BS-497»с рабочей частотой 100 МГц. Химические сдвиги определяли по тетраметилсилану и растворителюкак внутренним стандартам. Результаты исследования микроструктуры гликолида с лакти-домпредставлены на рис.2 и в табл. I.
/>
Для интерпретации спектров полимеризующейся системы использовалилитературные и экспериментальные значения химических сдвигов сигналов мономеров.В ЯМР-спектре сополимера гликолида с L-лакти-дом присутствуютсигналы, имеющие химические сдвиги гомополимеров гликолида и L-лактида,а также два новых сигнала (синглет 4,81 млн доли и квартет 5,27 млн доли), которыеследует отнести к сигналам протонов (см. рис.1), соответствующих перекрестному актуроста ц$пи (а, в). Можно предположить, что химические сдвиги метильных протоновлактида в перекрестном акте и в последовательности лактидных звеньев отличаются,по-видимому, очень мало (т.е. с'=с):
/>
Путем интегрирования сигналов ЯМР-спектров сополимеров, выделенныхна различных стадиях сополимеризации, проанализировано изменение их микроструктурыв ходе процесса. Обнаружено, что содержание лактидных СН-групп в сополимере, относящихсяк перекрестным актам роста цепи, по сравнению с общим содержанием этих групп наранних стадиях сополимеризации выше, чем в конце процесса. Это хорошо согласуетсяс данными о кинетике расхода сомономеров в исследуемой системе.
Образующиеся при синтезе сополимеры имеют блочную структуру,причем близкий по составу к чередующемуся сополимер можно получить в случае сополимеризациисмеси с соотношением 1-лактид: гликолид, равным 6,1: 2,74, причем процесс долженбыть остановлен сразу после конверсии гликолида.
Поэтому в качестве базового соотношения 1-лактид: гликолид быловыбрано указанное соотношение. Кроме того, данные по биоабсорбции сополилактидовв воде при t = 37 *С указывают натот факт, что наименьшими сроками разложения обладают именно сополимеры лактидаи гликолида в диапазоне концентраций i-лактида 25 — 75 %по массе.
На основании результатов выполненных лабораторных исследованийбыли определены условия получения образцов сополилактидов на экспериментальной лабораторнойустановке, которая включает в себя реактор из коррозионно-стойкой стали объёмом 0,01 м снабжённый ленточной мешалкой со шнековым наконечником и фильерой, и узеллитья и гранулирования.
После загрузки реакционной смеси в реактор аппарат герметизировалии, с целью удаления кислорода и влаги воздуха, попеременно вакуумировали и азотировали.После этого включали электрообогрев и мешалку. Устанавливали число оборотов мешалки5 — 10 мин. Расплавление реакционной смеси проводили при температуре 100 «Спод азотной подушкой в течение 30 — 40 мин. По окончании расплавления температурув аппарате повышали до рабочей и начинали синтез сополимера. О ходе процесса судилипо изменению расхода энергии (AU) на перемешивание реакционнойсмеси. По достижении AU равной 0,2- 0,25 та сополимер выгружали через фильеру давлением азота до 3 кгс/см! приработающей мешалке и гранулировали.
Процесс синтеза экспериментальных образцов сополилактидов проводилипри температуре 172 ±2°С. Состав реакционной смеси, г: 670 /. — лактид (75 %); 220гликолил (25 %). В качестве инициатора реакции использовали хлорид олова SnCl) — 2HiO (масса 0,225 г), а регулятора — лауриловый спирт (9,0 г).
Таким образом, введение в состав PLA гликолидных звеньев приводит к существенному сокращению сроковбиоабсорбции в биологической среде сополимеров на базе лактонов молочной и гликолевойкислот по сравнению с гомопол и мерами.
В настоящее время исследования продолжаются в направлении разработкитехнологии и аппаратурного оформления процесса получения PLA и ее сополимеров.
В заключение следует подчеркнуть, что для успешного решения проблемысоздания в Российской Федерации производства биоразлагаемых полимеров необходимаконсолидация всех исследователей, работающих в данной области, и осуществление серьезныхинвестиций, в том числе государственных.
Исследованы варианты синтеза сополимеров из гликолида и L-лактида в диапазоне температур 140 — 170 „С и при соотношенииконцентраций (L-лактид: гликолид) равном 6,7: 1,68; 6,1:2,74; 4,9: 4,9; 2,33: 9,55 моль/л в присутствии инициатора процесса хлорида оловаSnCI2*2HiO и регулятора молекулярной массы — лаурилового спирта. Полученныерезультаты подтверждают блочную структуру сополимеров.
Отработан способ синтеза сополилактида соотношения L-лактид: гликолид = 6,1: 2,74. Получены образцы полимера со среднемассовоймолекулярной массой 27 000 — 28 000 при конверсии продукта 92 — 94 % и образцы многофиламентнойнити на их основе.
Литература
1. Фомин В.А., Гузеев В.В. // Пластические массы. 2001. № 2.
2. Попов А.В. // Тара и упаковка. 2007. №3.
3. Макаревнч А.В. и др. // Пластические массы. 1996. № 1.
4. Материалы для поликонденсации / Под ред. Дж. Стилла. М.: Мир, 1976.
5. В. linnemann,М. Sri Harwoko, Н. Gries. // Chemical Fibers Inter-national. 2003.
6. Хомяков A. K.// Химическая энциклопедия. Т.3. М.: Изд. БРЭ, 1992.
7. Энциклопедия полимеров // Ред. коллегия под руков. В.А. Кабанова.Т.2. М., 1977.
8. Перепелкин К.Е. // Химия и химическая технология волокон. 2002. №.2.
9. Kricheldorf H. R., Fecbner В. Polylactones // Biomacromolecules. 2002.V.3.
10. Барская И.Г., Людвиг Е.Б., Тарасов С.Г., Голове кий Ю. к. // Высокомолекулярныесоединения. Г9Я5.29.)