聚乳酸和乳酸-乙醇酸共聚物的溶液熱力學

唐四葉,曹欣祥,劉 豐,王 曄

(洛陽師范學院 化學化工學院/河南省功能導向多孔材料重點實驗室, 河南 洛陽 471934)

因特有的生物可降解性和生物相容性,聚乳酸(PLA)及乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)從織物、包裝材料、汽車和航空到易吸收的外科手術纖維和藥物輸送裝置等方面的應用日益增長[1-2]。不論是醫學方面的應用,還是其他行業的應用,PLA和PLGA與其他材料的相容性都很關鍵。也就是說,PLA和PLGA與其他分子之間的相互作用起著很重要的作用，而這種相互作用會影響它們的加工和性質[3]。溶度參數和相互作用參數能夠定量地表達聚合物分子與其他分子之間的相互作用，然而有關研究PLA和PLGA的溶度參數和相互作用參數的報道很少。

溶度參數由Hildebrand提出,用于定量“相似相溶”,已廣泛應用于預測相容性[4]。Hildebrand溶度參數適用于非極性的正規溶液。在極性系統中運用,因分子極性和氫鍵的存在就會產生一定的誤差。后來,Hansen將Hildebrand溶度參數(δ)分為色散分量(δd)、極性分量(δp)和氫鍵分量(δh),δ可由δ2=δd2+δp2+δh2進行計算。只有高分子聚合物和溶劑的3個溶度參數分量分別接近,溶劑才能溶解高分子聚合物[5]。目前,Hansen三維溶度參數得到廣泛認可。因此,準確地測定聚合物的三維溶度參數至關重要。

PLA和PLGA價格昂貴,實驗工作量大,在以往的文獻中,大多采用模擬計算方法[1, 6-9],實驗方法很少,使用的溶劑數量也太少[9-10],影響實驗結果的準確性。而且,以往的文獻僅僅涉及到PLA和PLGA的溶度參數的研究,沒有聚合物與溶劑間的相互作用參數和相互作用半徑的研究,也沒有溶劑體積校正系數的研究。所以,本文通過實驗方法、使用幾十種的溶劑研究PLA和PLGA的熱力學性質,準確報道PLA和PLGA的三維溶度參數、PLA和PLGA與溶劑之間的相互作用參數和相互作用半徑及其溶劑的體積修正系數。同時,研究單體含量對溶度參數的影響。

1 實 驗

1.1 材 料

PLA(貨號:81273)和PLGA(貨號:P1941,ω(LA)∶ω(GA)=75∶25),從美國Sigma-Aldrich公司購買。所有溶劑從薩恩化學技術(上海) 有限公司購買,均為分析純,使用時沒有進一步提純。

1.2 溶解實驗

將0.1克PLA和PLGA放入盛有4.9克溶劑的玻璃瓶中[5, 11-12],密封?？紤]到高分子聚合物的溶解平衡,溶液于室溫下放置3天。之后,用肉眼觀察溶解現象,室溫不溶解,可以升溫[13]。根據溶解情況,將溶劑分成良溶劑和不良溶劑。

2 結果和討論

2.1 溶解實驗結果

依據PLA在36種溶劑中的溶解結果,將溶劑進行了分類,不良溶劑列在表1中,良溶劑列在表2中。同樣,PLGA的不良溶劑列在表3中,良溶劑列在表4中。

表1 PLA不良溶劑的溶度參數 [14-15]、PLA與不良溶劑間的相互作用參數和相互作用半徑Tab.1 Solubility parameters [14-15] of bad solvents, interaction parameters as well as interaction radii between PLA and bad solvents

表2 PLA良溶劑的溶度參數[14-15]、PLA與良溶劑間的相互作用參數和相互作用半徑

Tab. 2 Solubility parameters[14-15]of good solvents, interaction parameters as well as interaction radii between PLA and good solvents

序號溶劑名稱溶度參數/MPa1/2δdδpδh相互作用參數 相互作用半徑/MPa1/214-羥基-4-甲基-2-戊酮15.708.2010.900.405.97 22,2'-二氯乙醚18.809.005.700.113.26 3間甲酚18.005.1012.900.325.80 4乳酸丁酯15.706.6010.200.405.37 5異佛爾酮16.608.207.400.133.12 6磷酸三乙酯16.8011.509.200.495.65 7環己醇17.404.1013.500.446.80 8表氯醇19.0010.203.700.215.44 91,1,2,2-四氯乙烷18.805.105.300.093.07 10溴苯20.505.504.100.366.12 11乳酸乙酯16.007.6012.500.456.56 12N,N-二甲基乙酰胺16.8011.5010.200.316.06 13乙酸丁酯15.803.706.300.355.38 14甲基-2-吡咯烷酮17.9012.307.200.275.60 15氯苯19.004.302.000.366.20 16吡啶19.008.805.900.083.27 171,1,2-三氯乙烷18.205.306.800.021.57 181,2-二溴乙烷17.806.407.000.000.56 19二氯甲烷18.206.306.100.011.37 202-己酮15.306.104.100.446.27 211,4-二氧六環19.001.807.400.225.32 22環己酮17.806.305.100.052.29 23苯甲醚17.804.106.700.082.70 241,2,4-三氯苯20.206.003.200.436.12 25苯胺19.405.1010.200.164.36 26苯甲醛19.407.405.300.123.57 27硝基苯20.008.604.100.285.52 28苯甲醇18.406.3013.700.396.45 29氯仿17.803.105.700.123.97

表3 PLGA不良溶劑的溶度參數[14-15]、PLGA與不良溶劑間的相互作用半徑和相互作用參數

Tab.3 Solubility parameters[14-15]of bad solvents, interaction radii as well as interaction parameters between PLGA and bad solvents

序號溶 劑溶度參數/MPa1/2δdδpδh相互作用半徑/MPa1/2相互作用參數1二硫化碳19.905.800.609.890.53 2正己烷14.900.000.0011.921.70

表4 PLGA良溶劑的溶度參數[14-15]、PLGA與良溶劑間的相互作用參數和相互作用半徑

Tab. 4 Solubility parameters[14-15]of good solvents, interaction parameters as well as interaction radii between PLGA and good solvents

序號溶劑名稱溶度參數/MPa1/2δdδpδh相互作用參數 相互作用半徑/MPa1/214-羥基-4-甲基-2-戊酮15.708.2010.900.163.78 22,2'-二氯乙醚18.809.005.700.264.97 3間甲酚18.005.1012.900.244.98 4乳酸丁酯15.706.6010.200.143.19 5異佛爾酮16.608.207.400.062.02 6磷酸三乙酯16.8011.509.200.334.63 7甲酸乙酯15.508.408.400.093.50 8N,N-二甲基甲酰胺17.4013.7011.300.377.29 9表氯醇19.0010.203.700.357.06 101,1,2,2-四氯乙烷18.805.105.300.255.14 11乳酸乙酯16.007.6012.500.214.47 12二甲基乙酰胺16.8011.5010.200.204.85 13甲基-2-吡咯烷酮17.9012.307.200.295.79 14仲丁醇15.805.7014.500.356.51 15吡啶19.008.805.900.195.07 161,1,2-三氯乙烷18.205.306.800.093.33 17乙酸甲酯15.507.207.600.083.35 18甲基異丁基酮15.306.104.100.395.84 191,2-二溴乙烷17.806.407.000.032.25 20二氯甲烷18.206.306.100.073.45 21乙酸乙酯15.805.307.200.103.37 222-己酮15.306.104.100.385.84 23乙酸14.508.0013.500.277.16 241,4-二氧六環19.001.807.400.336.53 25醋酸異丙酯14.904.508.200.275.02 26苯胺19.405.1010.200.235.22 27乙酸丁酯15.803.706.300.274.75 28苯甲醇18.406.3013.700.315.73 29氯仿17.803.105.700.195.05 30甲酸丙酯15.507.108.600.093.17 31苯甲醛19.407.405.300.305.74 32環己醇17.404.1013.500.315.66 33環己酮17.806.305.100.143.88 34苯甲醚17.804.106.700.153.73 35六氟異丙醇17.204.5014.700.416.53 36二甘醇單乙醚乙酸酯16.209.2014.300.366.34

2.2 PLA和PLGA的Hansen三維溶度參數及其與溶劑之間的相互作用半徑

Hansen提出了溶解球的概念,一般來說,良溶劑在球內,不良溶劑在球外。在三維空間中,溶質的溶度參數(δd，δp和δh)位于球中心。Hansen利用下面的經驗方程來預測高分子聚合物在溶劑中的溶解性能[13]:

Ri=

(1)

式中：Ri是溶質和溶劑之間的相互作用半徑(或溶解距離);δd，δp和δh下標末尾的s和p分別代表溶劑和高分子溶質。良溶劑中最大的Ri就是溶解球的半徑R。若RiR,則高分子在溶劑中不溶解,該溶劑為劣溶劑。

PLA和PLGA的三維溶度參數由我們之前提出的正交優化方法[5, 11]計算而得。按照表1和表2中溶劑的溶度參數,優化計算的PLA的三維溶度參數為δd=17.969 (MPa)1/2，δp=6.707 (MPa)1/2，δh=7.324 (MPa)1/2,總溶度參數為δ=20.531 (MPa)1/2。溶度參數的結果是很準確的,因為由此算出的良溶劑溶解距離的最大值Rmax=6.80 (MPa)1/2,此值即為溶解球的半徑R,很明顯是小于劣溶劑溶解距離的最小值Rmin=8.38 (MPa)1/2的。也就是說,所有良溶劑都在球內、所有劣溶劑都在球外,PLA的良溶劑和不良溶劑有明顯的分界。PLA所有溶劑的溶解距離都列在表1和表2中。

同樣,按照表3和表4中溶劑的溶度參數,優化計算的PLGA的三維溶度參數為δd=17.083 (MPa)1/2，δp=6.939 (MPa)1/2，δh=8.650 (MPa)1/2,總溶度參數為δ=20.367 (MPa)1/2。溶度參數的結果也是滿意的,良溶劑溶解距離的最大值為Rmax=7.29 (MPa)1/2明顯小于不良溶劑溶解距離的最小值Rmin=9.89 (MPa)1/2。所有良溶劑都在球內、所有不良溶劑都在球外,PLGA的良溶劑和劣溶劑也有明顯的分界。PLGA所有溶劑的溶解距離也都列在表3和表4中。

2.3 PLA和PLGA 與溶劑之間的相互作用參數、溶劑的體積修正系數

相互作用參數在高分子溶液理論中起著重要的作用,它是溶劑對高分子聚合物熱力學親和力的量度。相互作用參數越小,溶液越穩定,高分子聚合物越易溶解在溶劑中。良溶劑和不良溶劑可以根據相互作用參數的值來分類,相互作用參數小于0.5,溶劑為良溶劑;相互作用參數大于0.5,溶劑即為不良溶劑[16]。相互作用參數可以按照Flory-Huggins 和Hildebrand-Scatchard理論、依據溶度參數值進行計算。Hansen提出用下列方程來計算高分子與溶劑間的相互作用參數[17]:

(2)

式中：χ12為相互作用參數;Vm為溶劑的摩爾體積;δd，s，δp，s和δh，s是溶劑的溶度參數;δd，p、δpp和δh，p是高分子溶質的溶度參數;R為 通用氣體常數;T是絕對溫度,298.15 K[18-19]。Lindvig等對方程(2)進行了修正,提出用下列方程來計算相互作用參數[9, 20]:

(3)

式中：α為體積修正系數(或Lindvig系數)。

Lindvig等在研究某一聚合物時發現,當α=0.6時,偏差最小[9, 20]。根據良溶劑和劣溶劑的區分原則,發現α=0.80～0.90 適合PLA-溶劑體系,α=0.85～1.10 適合PLGA-溶劑體系。由于文章篇幅所限,只將α=0.90時的PLA和PLGA與溶劑間的相互作用參數列在了表1～4中。表1～4的結果顯示出,χ12> 0.5,PLA和PLGA不能溶解在溶劑中;而χ12< 0.5,PLA和PLGA能溶解在溶劑中。χ12=0.5是區別良溶劑和不良溶劑的臨界點。這一結果與Flory-Huggins理論判斷標準是完全一致的[16]。當α分別為0.80～0.90 和0.85～1.10之間的任何值時,依據相互作用參數值會得到同樣的溶劑分類結果?？紤]到文章的篇幅限制,沒有列出相互作用參數值。所以,χ12的值是準確和可靠的,正交優化方法獲得的PLA和PLGA溶度參數值是可信的,能夠用于計算PLA 和PLGA的χ12值。

2.4 單體含量對溶度參數的影響

PLA、聚乙醇酸(PGA)和PLGA的總溶度參數列在表5中,其中PGA的溶度參數是我們以往研究得到的數據[11],PLA和PLGA的溶度參數是本文獲得的數據?？梢钥闯?當單體中乳酸含量從75%升高到100%時,溶度參數略有增加。從表5數據還可以看出,當單體中乙醇酸含量從25%升高到100%時,溶度參數是升高的。因為PGA分子間具有較高的吸引力,使得PLA和PLGA的溶度參數低于PGA的溶度參數。以上結果與文獻也是一致的[1, 10]。

表5 單體含量對溶度參數的影響Tab.5 Effect of monomer composition on solubility parameter

3 結 論

1)分別使用36和38種溶劑對PLA和PLGA進行實驗研究,采用正交優化的方法計算了PLA和PLGA的Hansen三維溶度參數和總溶度參數。PLA的三維溶度參數和總溶度參數分別為δd=17.969 (MPa)1/2，δp=6.707 (MPa)1/2，δh=7.324 (MPa)1/2和δ=20.531(MPa)1/2。PLGA的三維溶度參數和總溶度參數分別為δd=17.083 (MPa)1/2，δp=6.939 (MPa)1/2，δh=8.65 (MPa)1/2，δ=20.367 (MPa)1/2。

2)報道了PLA和PLGA與36和38種溶劑之間的相互作用參數。由相互作用參數值對溶劑的分類與Flory-Huggins高分子溶液理論的分類結果完全一致。

3)獲得了PLA和PLGA分別在36和38種溶劑中的相互作用半徑。

4)提供了PLA和PLGA 溶劑的體積修正系數,PLA-溶劑體系和PLGA-溶劑體系的體積修正系數分別在α=0.80～0.90 和0.85～1.10內;

5)單體中乳酸和乙醇酸濃度的升高會引起高分子聚合物溶度參數的增大。PLA和PLGA 的溶度參數比PGA的溶度參數小。