Курсовая работа: Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров на основе молочной кислоты

В процессе отработки синтеза биоразлагаемых сополимеров использовались лактоны, полученные на стендовой установке пиролиза. Лактоны очищались от примесей мономеров (молочной и гликолевой кислот) двух-трехкратной перекристаллизацией осушенным этилацетатом и от олигомерных оксикислот холодной экстракцией сухим этилацетатом. По результатам потенциометрического титрования содержание карбоксильных групп примесей в циклических димерах не превышало 2-103 моль/кг, температура плавления полученных мономеров составляла 79°С для гликолида и 94°С для L-лактида, что соответствует разработанным техническим требованиям к их качеству и температурным характеристикам [11].

Сополимеризацию i-лактида с гликолидом проводили в ампулах из термостойкого стекла при температуре 140, 150, 160, 170°С при 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 хлорид олова (SnCl2-2HiO), а регулятора молекулярной массы - лауриловый спирт (CHj-fCH),,-CHiOH) в виде 1 % растворов в серном эфире. После загрузки реагентов систему трижды вакуумировали и заполняли азотом, а затем помещали в термостат с температурой 100 С. По окончании расплавления реакционной смеси начинали процесс сополимеризации в выбранном диапазоне температур. В ходе эксперимента были проведены исследования влияния температуры процесса, состава реакционной среды, концентрации инициатора и регулятора молекулярной массы на кинетику процесса сополимеризации и свойства получаемых полимеров.

Выход сополимера и кинетику расхода мономеров в ходе процесса синтеза исследовали методами гравиметрии и ЯМР-спектроскопии. Спектры ЯМР-образца сополилактида, полученного при соотношении концентраций 1-лактид: гликолид, равном 6,1: 2,74, снимали в диметилсульфоксида при 100 "С на спектрометре "Tesla BS-497" с рабочей частотой 100 МГц. Химические сдвиги определяли по тетраметилсилану и растворителю как внутренним стандартам. Результаты исследования микроструктуры гликолида с лакти-дом представлены на рис.2 и в табл. I.

Для интерпретации спектров полимеризующейся системы использовали литературные и экспериментальные значения химических сдвигов сигналов мономеров. В ЯМР-спектре сополимера гликолида с L-лакти-дом присутствуют сигналы, имеющие химические сдвиги гомополимеров гликолида и L-лактида, а также два новых сигнала (синглет 4,81 млн доли и квартет 5,27 млн доли), которые следует отнести к сигналам протонов (см. рис.1), соответствующих перекрестному акту роста ц$пи (а, в). Можно предположить, что химические сдвиги метильных протонов лактида в перекрестном акте и в последовательности лактидных звеньев отличаются, по-видимому, очень мало (т.е. с'=с):

Путем интегрирования сигналов ЯМР-спектров сополимеров, выделенных на различных стадиях сополимеризации, проанализировано изменение их микроструктуры в ходе процесса. Обнаружено, что содержание лактидных СН-групп в сополимере, относящихся к перекрестным актам роста цепи, по сравнению с общим содержанием этих групп на ранних стадиях сополимеризации выше, чем в конце процесса. Это хорошо согласуется с 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 сополимеризации смеси с соотношением 1-лактид: гликолид, равным 6,1: 2,74, причем процесс должен быть остановлен сразу после конверсии гликолида.

Поэтому в качестве базового соотношения 1-лактид: гликолид было выбрано указанное соотношение. Кроме того, данные по биоабсорбции сополилактидов в воде при t = 37 *С указывают на тот факт, что наименьшими сроками разложения обладают именно сополимеры лактида и гликолида в диапазоне концентраций i-лактида 25 - 75 % по массе.

На основании результатов выполненных лабораторных исследований были определены условия получения образцов сополилактидов на экспериментальной лабораторной установке, которая включает в себя реактор из коррозионно-стойкой стали объёмом 0,01 м снабжённый ленточной мешалкой со шнековым наконечником и фильерой, и узел литья и гранулирования.

После загрузки реакционной смеси в реактор аппарат герметизировали и, с целью удаления кислорода и влаги воздуха, попеременно вакуумировали и азотировали. После этого включали электрообогрев и мешалку. Устанавливали число оборотов мешалки 5 - 10 мин. Расплавление реакционной смеси проводили при температуре 100 "С под азотной подушкой в течение 30 - 40 мин. По окончании расплавления температуру в аппарате повышали до рабочей и начинали синтез сополимера. О ходе процесса судили по изменению расхода энергии (AU) на перемешивание реакционной смеси. По достижении AU равной 0,2 - 0,25 та сополимер выгружали через фильеру давлением азота до 3 кгс/см! при работающей мешалке и гранулировали.

Процесс синтеза экспериментальных образцов сополилактидов проводили при температуре 172 ±2°С. Состав реакционной смеси, г: 670 /. - лактид (75 %); 220 гликолил (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 сроков биоабсорбции в биологической среде сополимеров на базе лактонов молочной и гликолевой кислот по сравнению с гомопол и мерами.

В настоящее время исследования продолжаются в направлении разработки технологии и аппаратурного оформления процесса получения PLA и ее сополимеров.

В заключение следует подчеркнуть, что для успешного решения проблемы создания в Российской Федерации производства биоразлагаемых полимеров необходима консолидация всех исследователей, работающих в данной области, и осуществление серьезных инвестиций, в том числе государственных.

Исследованы варианты синтеза сополимеров из гликолида и L-лактида в диапазоне температур 140 - 170 "С и при соотношении концентраций (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 олова SnCI2*2HiO и регулятора молекулярной массы - лаурилового спирта. Полученные результаты подтверждают блочную структуру сополимеров.

Отработан способ синтеза сополилактида соотношения L-лактид: гликолид = 6,1: 2,74. Получены образцы полимера со среднемассовой молекулярной массой 27 000 - 28 000 при конверсии продукта 92 - 94 % и образцы многофиламентной нити 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. // Высокомолекулярные соединения. Г9Я5.29.)