1251601 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種生物可分解性材料之製法，詳言之，有關 一種聚乳酸之製造方法、乳酸共聚物之製法、聚乳酸之熔融聚 合製程、及乳酸共聚物之熔融聚合製程。 【先前技術】 聚乳酸具生物可分解性，可應用於纖維領域及其他日常 用塑膠品，亦因為具生物吸收性，可做為生醫高分子材料方面 之應用，例如，加工製成纖維可做手術縫線和心導管，或製成 骨釘、骨板、牙科填充材及生物支架。 目前許多報導正集中於以熔融聚合法合成聚乳酸之製 程，例如 Cargill Dow 或 Cargill 公司所揭露（WO 2002100921 及美國專利第5,357,035號系列）之製程，其須先以乳酸（lactic acid)製得寡聚合之聚乳酸（oligomeric PLA)，再由寡聚合之PLA 蒸餾純化後製得丙交酯，再利用丙交酯聚合成PLA。 另外目前有以乳酸直接進行聚合反應而得到PLA之製程 之報導，例如·· Ajioka M.、Enomoto K.、Suzuki K.、Yamaguchj A.等人所著之 5w//. C/zem. Soc· ，西元 1995 年，第 68 期， 第 2125 至 2131 頁，Moon SI、Lee CW、Miyamoto M·、及 Kimura Υ·等 k 所著之 J. Polym. Sci· , Part A, Polym. Chem·,西元 200Q 年，第38期，第1673至1679頁，以及汪朝陽等人所著之合 成纖維西元2002年，第31卷，第2期，第11頁。此種製程之 優點為··價格低，製程也較簡單，但是其缺點是得到之PLA得 率很低，僅30%至60%，且PLA分子量也低，Mw僅6,000至 50,000。依據作者之解釋，主要原因為：聚合反應生成之水， 對生成之PLA進行水解逆反應，故須利用長時間之低壓反應製 1251601 如养聚乳酸（oligomeric 被抽出，導致聚合槽内 程以除水，但是如此也造成大量反應物， PLA)及相伴生成之丙交酯（lacti㈣等， PLA量大幅降低，而分子量上升也有限 【發明内容】 因此，本發明之目的是提供一種製造聚乳酸之方法，苴係 -種新穎的熔融聚合製法，以相對低廉的乳酸為主要原料，藉 由低壓反應製程，可獲得高產率及高分子量之聚乳酸，解決^ 述相關技術之缺失。 依據本發明之製造聚乳酸之方法之特徵，本發明之另一目 的是提供一種製造乳酸共聚物之方法。 又依據本發明之製造聚乳酸之方法之特徵，本發明之又一 目的是提供一種聚乳酸之熔融聚合製程。 仍依據本發明之製造聚乳酸之方法之特徵，本發明之再一 目的是提供一種乳酸共聚物之熔融聚合製程。 本發明之製造聚乳酸之方法，包括以乳酸為原料，在第一 催化劑之存在下，於丨20至220〇C之間之反應溫度下，進行脫 水聚合反應，得到寡聚乳酸（oligolneric p〇lylactic acid);以及 加入無水丙交酯及第二催化劑於該寡聚乳酸中，於12〇至22〇〇c 之間之反應溫度下，及〇·1至1〇〇托耳（t〇rr)之間之壓力下或常 壓下之惰性氣體流中，進行反應，更有效地獲得高分子量及高 得率之聚乳酸之步驟。 本發明之製造乳酸共聚物之方法，包括以乳酸為原料，在 第一催化劑之存在下，於120至220oC之間之溫度下，進行脫 水來合反應，得到寡聚乳酸；加入無水丙交酯及第二催化劑於 該寡聚乳酸中，於120至220〇C之間之溫度下，及至1〇〇 托耳之間之壓力下或是常壓之高溫惰性氣體流中，進行反應， 1251601 獲知聚乳酸，及在上述進行脫水聚合反應以獲得聚乳酸之步驟 之後，加入可與聚乳酸或丙交酯進行共聚合反應之單體及第三 催化劑於该聚乳酸中，於12〇至220°C之間之溫度下，進行聚 合反應，藉以獲得乳酸共聚物之步驟。 本發明之聚乳酸之熔融聚合製程包括在第一反應槽中，於 120至220°C之反應溫度下，使乳酸在第一催化劑之存在下進 行脫水聚合反應，得到包括寡聚乳酸之混合產物；將該包括寡 聚乳酸之混合產物傳送至第二反應槽；在該第二反應槽反應初 始階段’由系統外添加無水丙交酯或乳酸之酯化衍生物、第二 催化劑、及視情況而定之添加劑至該第二反應槽中，將該第二 反應槽抽氣’使得該第二反應槽壓力保持為〇·丨至1〇〇托耳或 是惰性氣體流之常壓下，及外部溫度為12〇至220°C進行反 應；將該第二反應槽抽氣所抽出之化合物傳送至一分離裝置， 其中該化合物包括水及丙交酯及寡聚合物等；使該分離裝置進 行分離’得到無水丙交酯；及在第二反應槽之後續反應時，在 溫度為120至220°C下，及壓力為〇·ι至ι〇〇托耳下或是常壓 之惰性氣體流中，添加來自分離裝置之無水丙交酯之步驟。 本發明之乳酸共聚物之熔融聚合製程包括在一第一反應 槽中，於120至220°C之反應溫度下，使乳酸在第一催化劑之 存在下進行脫水聚合反應，得到包括募聚乳酸之混合產物；將 該包括寡聚乳酸之混合產物傳送至一第二反應槽；在該第二反 應槽反應初始階段，由系統外添加無水丙交g旨、第二催化劑、 及視情況而定之添加劑至該第二反應槽中，將該第二反應槽抽 氣，使得該第二反應槽壓力保持為〇· 1至100托耳下或是常壓 之惰性氣體流中，及外部溫度為120至220QC下，進行反應； 將該第二反應槽抽氣所抽出之化合物傳送至一分離裝置，其中 該化合物包括水及丙交酯及募聚合物等；使該分離裝置進行分 1251601 離，得到無水丙交酯；及在第二反應槽之後續反應時，在溫度 為120至220°C下及壓力為0.1至100托耳下或是常壓之惰性 氣體流中，添加來自分離裝置之無水丙交酯之步驟；及將可與 聚乳酸或丙交酯進行共聚合反應之單體及第三催化劑添加至 該第二反應槽之聚乳酸中，於120至220°C之間之溫度下，進 行聚合反應，獲得乳酸共聚物之步驟。 本發明之製造聚乳酸、乳酸共聚物之方法、聚乳酸之熔融 聚合製程、及乳酸共聚物之熔融聚合製程均具有下列優點： 1.與上述之Kimura Y.及汪朝陽等人揭示之脫水縮合反應 (Dehydration Condensation)技術（其係直接以乳酸為原料）比 較，本發明也是直接以乳酸為原料之脫水縮合反應，但是本發 明之方法及製程可得到較高之分子量及較高之產物得率。 2·與上述之WO 2002100921 (Cargill Dow公司）揭示之既 有技術製程（須先以乳酸製得寡聚合之PLA，再由寡聚合之PLA 製得丙交酯，再由丙交酯聚合形成PLA)比較，本發明之製程較 簡單，價格較貴之丙交酯之使用量較少，且可將丙交酯回收再 添加使用。 3.本發明也可以使用上述Kimura Y.及WO 2002100921等 所揭示之技術所使用之相似設備。 【實施方式】 本發明之方法，係先以乳酸進行聚合反應，且以低壓狀態 進行聚合反應，低壓反應期間，分次添加丙交酯或丙交S旨/催化 劑，能得到高得率及高分子量之聚乳酸。本發明之方法，有別 於習知技術於聚合反應中抽氣蒸餾取出丙交酯，乃獨特的反而 在聚合反應中添加無水丙交酯。在本發明中，添加無水丙交酯 之作用與效果如下：使得部分丙交酯與反應中生成之微量水反 1251601 應，生成乳酸，此既消耗殘存水量，又能增加乳酸單體反應濃 度，故有利反應向所欲之聚乳酸產物方向進行，增加聚乳酸產 率。再者，在低壓反應或在高溫常壓之惰性氣流中之反應條件 下，存在之尚未反應之丙交酯又可與殘存水一起被抽帶出，更 有效地降低存在之水量，使得聚乳酸之水解逆反應減少，而大 幅提高聚合物之分子量，另外，聚乳酸分子量也可以因為丙交 酯之不斷加入而不斷地提高。而所加入之部分丙交酯在製程中 被抽出成為抽出物後，可經過進行回收/脫水/分離後，成為無 水丙乂 g曰，再添加於聚合槽反應液中，回收再利用，可以節省 所需之無水丙交酯。 下列簡示本發明之主要反應：
下列詳述本發明。本發明之製造聚乳酸之方法，係以乳酸 為主要原料’加入第一催化劑，如：苯績酸、填酸、亞磷酸、 次磷酸或其相對應之衍生物或Mhx，其中M1為Sn、Ti、或 Zr;X為1至3之整數；用量為1%至0 05% (重量比）。 首先，於120至220，較佳為120至180，及更佳為160 1251601 =180。〇：之間之反應溫度下，進行脫水聚合反應，反應時間約 :、、、j至12小呀，較佳之時間為4至6小時，得到寡聚乳酸， 斤得到之任何为子畺之券聚乳酸均能適用於本發明，但較易庐 得重量平均分子量為_至2〇，_之寡聚乳酸。 又 接著，在所獲得之寡聚乳酸中加入無水丙交酯及第二催化 J於120至220，較佳為12〇至180，及更佳為16〇至18〇〇c 之間之反應溫度及〇_1至1〇〇，較佳為2至3〇，及更佳為2至 2〇托耳之間之壓力下，進行反應，反應時間為2至8小時，較 =為3至5小時，而獲得聚乳酸。所獲得之聚乳酸之重量平均 刀子里叙可為20,000至20〇,〇〇〇，但不限於此。 上述反應中，無水丙交酯可分次添加，添加之次數並無特 ，限制用畺亦無限制，一旦添加，即能達到增進產率及分子 量之功效，在所欲獲得之聚乳酸性質及經濟上考量，使丙交酯 總使用量與乳酸之總使用量之莫耳比為咖至4/1，但並不限 於此，此莫耳比數越大，生成之聚乳酸分子量越大。同時，於 相同之丙交S旨添加總量之條件下，分次添加之次數越多，生成 之聚乳酸分子量也越大。丙交酯在聚合反應初始階段添加之量 最佳為1/30至1/20，但並無特定之限制。 另者，可使用溫度為120至220。(：之常壓惰性氣體流之反 應條件替代（U至_托耳之低壓反應條件。所使用之惰性氣 體可為例如氮氣、氬氣、或氦氣等。 另者，可以乳酸之酯化衍生物替代丙交酯，添加至聚合反應 中，該乳酸之酯化衍生物可為乳酸甲酯、乳酸乙酯、乳 酸丙酯、或乳酸丁酯，但不限於此等。 所使用之第二催化劑可為M2(OOCR)m4 M2(〇R)m，其中Μ為 Sn、Zr、Tl、P、或Si ; m為1至4之整數；及R為苯 基或-(CH2)nCH3，n為〇至9之整數。用量為1%至〇 〇5% 1251601 (重量比）。 在此步驟中，可視情況而定加入添加劑，加入添加劑可使 反應時間縮短及分子量增加，所使用之添加劑可為一般習用之 乳酸聚合添加劑如：焦磷酸類、苯磺酸或其酯類、M2(〇R)m、 及其組合所組成之族群，其中Μ2為Sn、Zr、Ti、P、或Si ; m 為1至4之整數；及R為苯基或兴CH2)nCH3，n為〇至9之整 數。其中，焦磷酸類並具有可以與水反應，消耗反應中生成之 殘餘水置及催化縮合反應之功能。添加劑之用量為所使用之單 體總重量之5/100至1/1000，較佳為1/2〇〇至1/5〇〇。 對於本發明之製造乳酸共聚物之方法，在上述本發明之製 造聚乳酸之方法進行聚合反應以製備聚乳酸之後，加入可與聚 乳酸或丙交酯進行共聚合反應之單體及第三催化劑，於12〇至 2^0,較佳為120至18〇,及更佳為16〇至18〇。〇之間之溫度及 常壓下，進行共聚合反應，反應時間為丨至6小時，較佳時間 為2至3小時，從第二反應器2下料，即可獲得乳酸共聚物。 所獲得之乳酸共聚物，可由乳酸單體使用量、丙交酯添加 畺〜共象物之單體使用量等控制組成共聚物之單體量或比率， 乂獲付所欲之共1物。共聚物中通常乳酸單體與另一共聚單體 之莫耳比A 99 : 1 1 : 99 ’但此並無特別限制，使用本發明 之方法可依所需，獲得所欲之共聚物。 本發明之製造乳酸共聚物之方法，在製造聚乳酸之步驟 上所使用之反應條件、添加之物質均可適用上述有關本發明 之製造聚乳酸之敘述。此外，在可與聚乳酸或丙交酯進行反應 之共單體方面，可舉例為（但不限於）：環烷内酯 (cycl〇alkyllactone)、碳酸亞烴酯（alkylene 咖—刪、乙交酯 (glycolide)、環氧化物（epoxides)、環烷内醯胺 (cycloalkyllactam)、烧二醇（alkylene giyc〇1)、脂肪雙元酸或相 12 1251601 對應之_ (alkatiedicarbonic acid or ester)、及其組合。此共單體 在la中之使用里可$ 1%至99% (以所有單體總重量為剛％ 計之）。 3、所添加以進行共聚合之第三催化劑可為，其中 Μ 為 Sn Zr、Ti , m 為 1 至 4 之整數；及 R 為_(CH2)nCH3，n 為〇至9之整數。 ^對於依據本發明之特徵之聚乳酸之熔融聚合製程，請參閱 第1圖，說明如下： 在一第一反應槽1中，於120至220,較佳為12〇至18〇, 更佳為160 s 180 C之反應溫度下，使乳酸在第一催化劑之 存在下進行脫水聚合反應，反應時間為2 i 8小時，較佳為3 至5小時’得到包括寡聚乳酸之混合產物。將該包括寡聚乳酸 之此a產物傳送至一第二反應槽2 ;或者，可僅以單一反應槽 取代第一與第二反應槽進行反應。 、在該第二反應槽2反應初始階段，由系統外添加無水丙交 酯或乳酸之酯化衍生物、第二催化劑、及視情況而定之添加劑 ，該第=反應槽中，添加量與種類如上述。將該第二反應槽抽 氣使得》亥第—反應槽壓力保持為〇丨至1 ，較佳為2 及更佳為2至2〇托耳及外部溫度為m至跡較佳為12〇至 及更佳為160 s 180°c ’在此情況下，使丙交醋或乳酸之 酉旨化衍生物與上述包括寡聚乳酸之產物進行反應。 第二反應槽2抽氣所抽出之化合物包括水及丙交酯及寡聚 合物’將所抽出之化合物傳送至分離脫水設備3，如此，留在 第二^槽2之水量減少’對聚乳酸產生之水解逆反應效應降 低’有助於聚合物鏈之增長。在分離脫水設備3對送到之含有 水及丙交醋之物質進行分離，以習用之方式即可達成，例如基 顧’而得到無水丙交酯，可傳送至第二反應槽2中，繼續參與 13 1251601 t乳酸之反應。或者可進一步將氣體中所含之寡聚乳酸分離 出，再循環至第一反應槽1中繼續參與反應。 在第二反應槽2之後續反應時’添加來自分離脫水設備之 無水丙父S旨’在溫度為120至220 ’較佳為120至180，及更 佳為160至180°C及壓力為0·1至1〇〇，較佳為2至％，及更 佳為2至20托耳之情況下，使該丙交酯與上述包括募聚乳酸 之產物進行反應，反應時間為2至8小時，較佳為3至5小時， 產生聚乳酸。 其中所使用之低壓反應條件亦可使用常壓之高溫惰性氣 體流代替。 其中所使用之丙交酯量、催化劑、添加劑種類、乳酸之酯 化衍生物、惰性氣體等，均可適用如上述之本發明之製造聚乳 酸之方法中所使用者。 在上述之本發明之聚乳酸之熔融聚合製程中，若將可與聚 乳酸或丙交酯進行共聚合反應之單體及第三催化劑添加至該 第二反應槽之聚乳酸中，於120至220,較佳為12〇至18〇, 及更佳為160至180°C之間之温度及常壓下，進行聚合反應， 反應時間為1至6小時，較佳時間為2至3小時，獲得乳酸共 聚物。 其中，可與聚乳酸或丙交酯進行共聚合反應之單體及催化 劑，如上述對本發明之製造乳酸共聚物之方法所敘述者。 【實施例】 實施例1 (丙交酯一次全部加入） 於2L不銹鋼反應器中加入乳酸823g (含15% Η:⑺，在氮 氣下將反應器外溫升至15〇〇c，維持在15〇QC進行除水5小時， 然後加入4.5ml之HJO2,並維持外溫在16〇〇c攪拌〇·5 於15分鐘内將系統由常壓抽至真空度1〇1〇打以下，外溫維持 14 1251601 在^160〇C。反應2小時後，將外溫升至185。〇。反應3小時後 以氮氣破真空，取樣分析，所得到之聚乳酸寡聚合物之分子量 為5,000。接著於此反應液中加入丙交酯35〇g、乙醯丙酮鍅 (znxonium acetylacet〇nate) 3 7〇g、及 2_ 乙基己酸錫（仙 2-ethylhexanoate) 3.07g，且將内溫控制在175〇c以上。反應5 小時後下料切粒。Tm (熔點）=185〇c。聚乳酸（lH nmr， CDC13) : 3·8; 2.0 (ppm)。結果如表 1 所示。 實施例2(丙交酯及P(OCH2CH3)3 一次全部加入） 於2L不銹鋼反應器中加入乳酸823g (含15% H20)，在氮 軋下將反應器外溫升至15〇。〇,維持在15〇〇c進行除水5小時， 然後加入4.5ml之HsPO2,並維持外溫在16〇γ攪拌〇·5小時。 於15分鐘内將系統由常壓抽至真空度1〇托耳以下，外溫維持 在160 C。反應2小時後，將外溫升至丨85cC。反應3小時後 以氮氣破真空，加入丙交酯15〇g後於外溫185cC反應i小時， 然後於15分鐘内將系統由常壓抽氣至真空度10托耳以下，外 溫維持185。〇反應1小時後以氮氣破真空，加入丙交酯200g、 乙醯丙3.70g、及2-乙基己酸錫3 07g，及p(〇CH2CH3)3 12g，且將内溫控制在175。〇以上。反應4小時後下料切粒。 Tm= 191°C。結果如表1所示。 實施例3(丙交酯分兩次加入） 产於2L不銹鋼反應器中加入乳酸823g (含15% Ηβ)，在氮 氣下將反應器外溫升至15〇cC，維持在15〇c>c進行除水5小時， 然後加入4.5ml之HJO2,並維持外溫在16〇cC攪拌〇·5小時。 於15分鐘内將系統由常壓抽至真空度1〇托耳以下，外溫維持 在斤160。(：。反應2小時後，將外溫升至185〇c。反應3小時後 以氮氣破真空，加入丙交酯15〇g後於外溫185。〇反應i小時， 然後於15分鐘内將系統由常壓抽氣至真空纟10托耳以下，外 15 1251601 咖維持185〇C。反應1小時後以氮氣破真空，加入丙交酯2〇〇g、 乙醯丙酮錯3.7〇m-乙基己酸錫3 07g’且將内溫控制在 175 C以上。反應4小時後下料切粒。Tm = 189〇c。結果如 1所示。 比較例（未添加丙交酯）（仿照文獻上已知技術之製程） 於2L不銹鋼反應器中加入乳酸823g (含15% h2〇)，在氮 氣下將反應器外溫升至15〇。(：，維持在150cC進行除水5小 時，然後加入4.5ml之HJO2並維持外溫16〇〇c攪拌〇·5小時。 於15分鐘内將系統由常壓抽氣至真空度1〇托耳以下，外溫維 持在160QC。反應2小時後，將外溫升至185〇c。内溫控制在 175 C以上。反應5小時後下料切粒。Tm = 174°C。結果如表 1所示。 實施例4丙交酯-共-己内酯（PLA_c〇_cpL)共聚物之合成 於2L不銹鋼反應器中加入乳酸823g (含15%出〇)，在氮 氣下將反應器外溫升至15〇°C，維持在i5〇°C進行除水5小 日守’然後加入4.5ml之HsPO2，並維持外溫i60°C，攪拌0.5小 時。於15分鐘内將系統由常壓抽氣至真空度1 〇托耳以下，外 溫維持在160QC。反應2小時後，將外溫升至185cc。反應3 小時後以氮氣破真空，加入丙交酯35〇g、乙醯丙酮錯37〇g、 及2-乙基己酸錫3.07g，且將内溫控制在175〇c以上。反應2 小時後’加入己内酯（capr〇lactone) 22〇g (乳酸/己内酯=3/1， 莫耳/莫耳）、乙醯丙酮鍅3.70g、及2-乙基己酸錫3.07g，且將 内溫控制在175CC。反應4小時後下料切粒。Tm = 147°C。結 果如表1所示。 理論值：乳酸單體單元/己内酯單體單元=3〇/1〇 (由ιΗ NMR疋里出來的聚合物的單體單元（m〇n〇meric unit)的莫耳 比）。 16 1251601 實驗值：（巾 NMR，CDC13): 3·8; 2.0 (ppm)(聚乳酸）；3.4; 2.3; 1.6 (ppm)(聚己内酯）。乳酸莫耳單體單元/己内酯莫耳單體單元 =2.3/1.0 。 表1
Mw 得率 PLA寡聚物（加入丙交S旨之前） 5,000 75% 實施例1 (丙交S旨全部一次加入） 41,000 80% 實施例2(丙交酯及P(OCH2CH3)3 一次全部加入） 51,000 89% 實施例3 (丙交酯分兩次加入） 50,000 85% 比較例（未加入丙交酯）（仿照 文獻上已知技術之製程） 20,000 25% 實施例4 共聚合物 PLA-co-CPL 之合成 48,000 90%
Mw :重量平均分子量，由凝膠渗透層析法（Gel Permeable Chromatography，GPC)儀器測試，以聚乙稀苯（Polystyrene) 為參考值。 表1顯示，在比較例中，未如本發明之方法添加丙交酯時， 聚乳酸產率只有25%及重量平均分子量只達20,000。在實施例 1至4，依據本發明之方法進行聚乳酸之製造時，能獲得80% 17 1251601 乂上之產率及重量平均分子量達4〇,〇〇〇以上之聚乳酸或乳酸 共聚物。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 内，當可作些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後 附之申請專利範圍所界定者為準。
18 1251601 【圖式簡單說明】 第1圖為依據本發明之聚乳酸之熔融聚合製程之一實例 示意圖。 【圖式符號說明】 1〜第一反應槽 2〜第二反應槽 3〜分離脫水設備 4〜丙交S旨添加供應槽 5〜寡聚乳酸或乳酸傳送管線 6〜抽氣傳送管線 7〜丙交酯回收再使用傳送管線 19