2010年第5期(总第83 l!l】) 塑料助剂 7 可生物降解脂肪族一芳香族共聚酯的研究进展 冯 凯t 谢 晖 曹祥薇 王晓艳 (1湖北工业大学化学与环境工程学院,武汉,430068;2武汉职业技术学院,荆州,434000) 摘 要 介绍了脂肪一芳香族共聚酯(CPEs)的合成及其生物降解机理,综述了影响CPEs生物降解的 三大因素,分别为化学结构、形态结构、分子量及其分布。并阐述了脂肪一芳香族共聚fi ̄(CPEs)@开发与应 用。 关键词 脂肪族一芳香族共聚酯 生物降解 机理 综述 Review on Advancement of Bi0degradable Aliphatic-aromatic Copolyesters Feng Kai Xie Hui Cao Xiang-wei’Wang Xiao-yan (1.College of Chemistry and Environment,HuBei Universtry of Technology,Wuhan,430068; 2.Wuhan Polytechnic,Jingzhou city of Hubei province,Jinzhou,434000) Abstract:The synthesis and mechanism of aliphatic-aromatic copolyesters(CPEs)were introduced. Three factors which influont the biodegradation of aliphatic—aromatic copolyesters were reviewed,they are the chemical structure,the morphostructure,the molecular weight and the distribution of molecular weight. Fhe development and application of"aliphatic-aromatic copolyesters were also presented. Keywords:aliphatic——aromatic copolyesters;biodegradation;mechanism;review 可生物降解材料是指在自然界微生物(细菌、 真菌等)的作刚下发生降解的材料。可生物降解性 共聚酯是指在特定微生物作川下,或在人体或动 物的体内环境下,其化学结构发生变化.导致分子 降解及性能变化的共聚酯…。近几年米,对聚合物 友好材料『61。 l CPEs的合成 CPEs中常用的芳香族聚酯为聚对苯二甲酸 乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸T--醇酯(PBT)和聚 进行微观组织_卜的生物可控降解引起了大家浓度 的兴趣『2-5]。这类聚合物中存在酯键.因此可以降 解。像聚对苯二甲酸乙二酯这类的芳香族聚酯虽 对苯二甲酸丙二醇酯(pm3等。因为可降解性主要 通过脂肪族聚酯段来实现.所以CPEs的脂肪族聚 酯段为具有典型可降解特性的脂肪族聚酯,包括 然有优良的机械性能,但几乎不能被微生物所腐 蚀。而大多数脂肪族聚酯虽有较好的降解性能,但 机械性能很差。多年米,都有研究将两者有机地结 典型的开环聚合产物聚己内酯(PCL)、聚乳酸 (PLA)、聚乙交酯(PGA)等,以及脂肪族二元酸和二 元醇的缩聚产物[71。合成CPEs的方法有很多,其中 以熔融酯交换法、熔融缩聚法、开环共聚法和偶联 法最为常见。 1.1直接熔融酯交换与缩聚法 直接熔融酯交换与缩聚法是指在熔融状态下 合起来,生成可生物降解的脂肪/芳香族共聚酯 (CPEs)。这类共聚酯具有能与普通塑料相媲美的 优良物理性能和加工性能。同时具有市场竞争力 的价格优势,可大量推广应州于生物医川和环境 各组分通过酯交换、共缩聚反应合成共聚酯的方 收稿日期:2010—05—19 法,反应过程中各组分的长嵌段均聚酯逐步断链, 8 塑料助剂 2010年第5期(总第83期) 酯交换成为无规共聚酯。其中直接熔融缩聚法又 分两种:(1)先将二元醇、二元酸进行酯化,然后在 高度真空下进行熔融缩聚;(2)脂肪族聚酯与芳香 族聚酯的均聚物直接进行熔融状态的酯交换与共 缩聚反应。 Irganox1330进行两步反应.得到了聚对苯二甲酸 丁二醇酯/聚乙二醇(PEGT/PBT)聚醚酯,如图1所 示。在18O cc氮气氛围中加入聚乙二醇(PEG),对 苯二甲酸二甲酯(DMT),l,4一丁二醇,反应2 h 后,减压至10 Pa进行缩聚反应,并把温度提高至 240℃.最终得到PEGT/PBT基聚醚酯。 Fakirov[8l使用催化剂Ti(OC4H9)4和抗氧剂 0 0 Meo一 、= 3一oMe+Ho一(CH2).一OH+H-一 0一cHf—CH2 一oH I Ti(OCatl04 O O OO 8一o-(cH2) . o—CH2-CHz ̄ 图1 PEGT/PEG基聚醚酯合成的化学反应式 Fig.1 The chemicM reaction equations for the synthesis of poly(ether-ester)based PEGT/PBT 1.2开环共聚法 内酯共聚物,其工艺路线如图2所示。首先,加入对 开环共聚法是指大环齐聚物在引发剂或者催 化剂的作用下开环聚合形成线性大分子聚合物的 过程。具有反应速度快、可热成型、无小分子产物 苯二甲酸(DMT),乙二醇(EG)@IZn(OAC)2,将混合 物在氮气中加热到170—220℃.进行酯交换缩聚反 应。然后再加入己内酯(CL)和Sb(OAC)3,170-180 cc氮气中反应2 h,开环聚合(用低相对分子质量 PET和剩余EG的羟基做引发剂)。最后升温到260~ 270℃,并减压至真空(<13.3 Pa),使反应完全。 O O 生成、无反应热的释放、与各种填料和高聚物相容 性好等优点.是聚酯工业的研究热点。 MatgJ合成了一系列对苯二甲酸乙二酯一8一己 O O M o一 ~oM。+HO—CH:一CH厂oH (cH,)5 +HO--CH2--CH2---0 H0一cH 一CH,一o.} 3O3 -O--CH2--cH厂。。 H H 3一。一CH:一CH厂o H 3O 3 H0一cH厂cH广。{}3 -0-CH2-CH2-0 ̄7(-CI 一咕 H 图2对苯二甲酸乙二酯一8一己内酯共聚物合成的化学反应式 Fig.2 The chemical reaction equations for the synthesis of poly(PET一8一caprolacetone) 1.3偶联法 以和酸、碱、酸酐、酯、环氧物、异氰酸盐和胺等物 质反应。 偶联法是指利用扩链剂的活性基团与芳香族 聚酯及脂肪族聚酯的端羧基反应来提高相对分子 质量的方法。 扩链剂的选用要与共聚酯端基相匹配。带有 端羟基的共聚酯可与二酸酐及二异氰酸酯等扩链 吕静兰[ 01用对苯二甲酸丁二酯,己二酸丁二酯 低聚物在偶联剂甲撑二甲苯基二异氰酸(MDI)作 用下的偶联反应。合成了可生物降解的PBTA共 聚酯。 剂反应,来提高相对分子质量;端羧基共聚酯可以 用嗯唑啉、氮丙啶衍生物、双环氧化合物及二价金 2 CPEs的生物降解 降解是指大分子化合物经过化学反应生成小 属离子等为扩链剂。其中,嗯唑啉活性较强,它可 第5期 冯凯,等.可生物降解脂肪族一芳香族共聚酯的研究进展 9 分子化合物的过程。降解的本员是聚合物中各化 学键的断裂,其中既包括主链中化学键的断裂.又 包括支链中化学键的断裂,主链结构中化学键的 断裂对聚合物的降解起着决定性的作用。 2.1降解机理 一般认为,生物降解作用可分为生物物理作 用和生物化学作用两种。生物物理作用。即微生物 侵蚀聚合物后,由于细胞体积的增大,致使高分子 材料发生机械性破坏,成低聚物碎片。生物化 学作用较为复杂。微生物先豁附到高分子材料的表 面,然后在材料表面分泌酶,酶再作用于高分子,通 过水解和氧化反应等作用使高分子断裂成低分子 的碎片。最后微生物吸收或消耗低相对分子质量 (<500)的材料碎片,形成CO:和H:0。生物物理作用 和生物化学作用一般都是同时进行的。 王学军[1】】认为生物降解的机理大致有以下3种 方式:(1)生物的细胞增长使物质发生机械性破坏; (2)微生物对聚合物作用产生新的物质;(3)酶的直 接作用,即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。张昌 辉【 21研究表明,共聚酯的可降解性主要通过脂肪族 聚酯段实现。脂肪族聚酯在微生物的作用下可发生 降解。微生物首先侵蚀脂肪族聚酯的表面。然后由 微生物分泌的酶对脂肪族聚酯中的酯键发生作用 使其水解。 CPEs的生物降解存在两种机理,即酯键的水 解和醚键的氧化降解。通常水解主要发生在连接 芳香链段和脂肪链段的酯键上.酶催化水解脂肪 族聚酯的过程分为两步[13l,如图3所示。第一步。酶 起一个醇的作用,可以把该反应看做脂肪族聚酯 的醇解,产物为酰基酶和聚酯链的一部分;第二步, 酰基酶被水解,产物为聚酯的其余部分和再生的 酶.该酶可被循环利用。 O O lI —HC—O~+HOE一一C—OE+H 聚酯酶 酶醇 酰基酶酯聚酯链的一部分醇 O ~C—OE+H2O——+~C0OH+EOH 酰基酶酯 聚酯的其余部分羧酸再生的酶醇 图3酶催化水解酯的过程 Fig2 The process for hydrolysis of ester catalyzed by enzyme 氧化降解则主要发生在与醚键氧原子相连的 亚甲基碳原子上,如图4所示【】41。对于既含酯键又 含醚键的聚醚酯弹性体,两种机理通常同时存在. 但酯键的降解能力要强于醚键 阍。 √0\/\O— /OH~+o\\一 I H l・OH l H20 I H l_【H1 √0 /\0一 √OV、0~ 1 l O 0H √0\/\0~ 00・ l+【H1 √0\/\0一 。 √。~+.on OOH O・ 图4聚醚链的氧化降解机理 Fig.4 e mechanism of the oxidized degradation of poly(ether-ester)chain 2.2影响CPEs生物降解性的因素 共聚酯生物降解性能除受材料温度、酶、pH 值、微生物等外部环境影响以外[17 8l,还主要与共 聚酯的链结构、形态结构和相对分子质量及其分 布有关。 2.2.1共聚酯的化学结构 共聚酯的化学结构决定了其生物降解性。若 共聚酯的主链含有易水解的化学键,如酯键、酰胺 键、脲键、氨酯键等,则较易被生物降解。如果主链 的柔顺性很大,则其降解速率较快,如主链含有柔 顺的脂肪族聚酯,可很容易地被多种脂肪酶及微生 物降解,而芳香族聚酯则很难被生物降解。 方俊【191将聚丁二酸一1,4丁二醇酯(PBS)和含 有芳香结构单元的共聚酯进行降解研究,发现随 着邻苯二甲酸酯含量的增加,生物降解性能下降。 中国轻工业上海设计院[201也就PBS基芳香族 二元酸共聚酯的降解作了研究。他们将相对分子 质量相近的聚酯采用土埋法降解.揭示了PBS基 芳香族共聚酯中芳香族二元酸含量对生物降解性 的影响。结果表明:芳香族聚酯较脂肪族聚酯难降 解。共聚酯的化学结构直接影响着生物可降解能 力的强弱,一般情况下化学键的生物可降解能力 的强弱依次为:脂肪族酯键、肽键>氨基甲酸>脂肪 10 塑料助剂 2010年第5期(总第83期) 族醚键>亚甲基。另外,侧链基团的亲水性和空间 材料领域应用研究的先河。此后.Gordon用同样的 方法合成出了PBT(PET)与草酸、丙交酯(LA)、乙交 位阻也影响共聚酯的生物降解性,支化和交联也会 降低共聚酯的生物降解性。 对于CPEs,TokiwaI Ij的研究结果显示:芳香族 组分的含量越大,CPEs的熔点越高.其降解能力 酯fGA)、s一己内酯、己二酸等单体共聚得到的脂 肪一芳香族共聚酯,这种性能优秀的材料主要运用 于包装领域。 2O世纪90年代初,为了深入研究CPEs结构 与性能之间的关系,FakirovI ̄以PEG、1.4一丁二醇 越低,只有芳香族组分的物质的量分数低于20% 时,该类聚酯才能有良好的降解性能。 2.2.2共聚酯的形态结构 对于晶态共聚酯,生物降解性与它的结晶度和 (BDO)及DMT为起始原料,钛酸四丁酯作为催化 剂,采用酯交换法,合成了一系列具有不同软、硬 晶型有关,特别是结晶度,对降解行为有很大的影 响。莫志深 对聚【(R)一3一羟基丁酸】(P3HB)膜的酶 降解研究表明,降解速率随着结晶度的增大而急剧 下降,非晶区的降解速率约是结晶区20倍。结晶 区的降解是从片晶的边缘而非表面开始的 由于 降解首先发生在非晶区,所以,结晶度越小.降解 速度越快。对于非晶态聚合物,生物降解性与其玻 璃化温度有关,非晶态聚合物比晶态聚合物较易被 生物降解。用间苯二甲酸取代对苯二甲酸组分.能 够降低CPEs的结晶度,从而提高其降解能力。 2.2-3相对分子质量及其分布 许多由微生物参与的共聚酯降解都是由端基 开始的,高相对分子质量的共聚酯因端基数目少, 降解速率较低,对于宽分布的共聚酯,总是低相对 分子质量部分先降解。 2-3生物降解性能的评价方法 美国测试与材料协会(ASTM)1992年公布了 生物降解塑料评价试验标准:ASTM D5209~92、 ASTM D5210-92、ASTM D5247—92、ASTM D5338— 92。此外。还有国际上的ISO、德国的DIN等,归纳 起来,主要有土埋试验、环境微生物试管试验、培 养特定的微生物试验和酶解试验4种f 嘲。其中, 土埋试验是将试样埋在土壤、污泥、堆肥中或浸人 湖水、海水中,这种方法可以真实地反映材料在自 然界中的分解情况,运用最为广泛。 3 CPEs的开发及应用 20世纪80年代,Tokiwa ̄ ]以聚对苯二甲酸丁 二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PErn、聚问 苯二甲酸乙二醇酯(PEIP)7 ̄聚己内酯PCL为原料. 无水醋酸锌为催化剂,采用酯交换法合成了不同 类型的共聚酯,并在Rhizopus delemar脂酶催化条 件下研究了其降解性能,开创了CPEs在环境友好 段含量的PEGT/PBT多嵌段共聚物.并用核磁共 振(NMR)、红外(IR)、差式扫描式热法(DSC)和小 角X射线散线(SAXS)等多种手段对其结构与性 能进行了表征。与此同时,Blitterswijk对PEGT/ PBT共聚物在生物医用领域的应用进行了较为广 泛的研究。此后几年,荷兰HC和Isotis两大公司 就推出了PEGT/PBT共聚物的商业化产品 Polyactive。目前,Isotis生物技术公司以Ployactive 为基础,推 了一系列的骨、软骨、皮肤等组织工 程支架材料和药物控释载体材料。 Eastman Chemical公司采用1.4一环己烷二甲 醇(CHDM)为二元醇的第二组分.以间苯二甲酸 fIPPA)为二元酸的第二组分.利用PET技术开发了 一系列共聚酯产品如“Easter BIO”、“Embrace”、 “versa Tray”、“Thermx”等脂肪/芳香族共聚酯。其 中“Easter BIO”是一种高线性结构可完全生物分 解的共聚酯,主要应用于制造农用薄膜、垃圾袋和 食品包装容器等[271。 而在国内,张勇[28-291合成了聚对苯二甲酸丁二 酯一co一聚丁二酸丁二醇酯一b一聚乙二醇的嵌段共 聚物。其力学性能测试及降解实验表明.将脂肪族 PBS引入PEGT/PBT共聚体系,可赋予高分子链更 好的柔韧性及亲水性,加快其降解速率。 4 结语 CPEs结合了脂肪族聚酯的可生物降解性和 芳香族聚酯优异的耐高温和力学性能(其力学性 能甚至超过低密度聚乙烯)是一类新型可替代传统 塑料的可生物降解材料,可推广应用于生物医学 和环境友好的材料领域。国内在脂肪一芳香共聚酯 环境友好材料领域的研究刚刚开始.目前还未见 有商业化产品推出。因此研究可生物降解脂肪一芳 香族共聚酯是非常有意义的工作。 第5期 冯凯,等.可生物降解脂肪族一芳香族共聚酯的研究进展 参考文献 …Shimao M.Biodegradation of Plastics【J1.Current Opinion in Biotechnology,2001,12(3):242-247 Biodegradable Poly(butylene succinate)at High Ten.r perature[J].Journal of Macromolecular Science,2001, 38(9):961—971 【16】宋春雷,王字明,张文德,等.聚琥珀酸丁二酯的辐射交 联及其生物降解性【J】.功能高分子学报,2002,15(2): 152-156 f2】王连才,孙勇,冯增国.生物可降解脂肪一芳香共聚聚酯 的研究进展[J1.中国塑料,2003,17(8):1-8 [3】Najima-Kambe T,Ichihashi F,Matsuzoe R,et . 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