作者：佟毅 编著
出版社：化学工业出版社
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生物基材料聚乳酸试读：
前言
高分子材料自问世至今，其应用已经渗透到国民经济各个部门和人类生活的各个方面，与钢铁、木材、水泥并列为材料领域的四大支柱。高分子材料的使用量在某种意义上已经成为衡量一个国家工业化程度和人民生活水平的重要标志。然而，绝大多数高分子材料的合成来源于不可再生石油资源，其巨大的生产和消费导致石油资源大量消耗，塑料垃圾与日俱增，造成了不可忽视的能源危机和环境污染。因此，大力开发环境友好的生物基高分子材料，被认为是解决能源危机和环境污染等问题的有效途径，更是实现全球经济可持续发展的战略选择。
在已开发的众多生物基高分子材料中，聚乳酸（PLA）被誉为最具发展潜力的产品之一，近年来受到学术界和工业界的广泛关注。它是20世纪90年代迅速发展起来的可完全生物降解的热塑性脂肪族聚酯，是一种无毒、无刺激性，具有良好生物相容性、生物降解性，力学强度高以及易加工成型的生物降解高分子材料。与其他化学合成生物降解高分子相比，聚乳酸的最大特点是来源于可再生的植物资源，摆脱了对石油资源的依赖。合成聚乳酸的原料可以从玉米、秸秆等农作物获取，因此聚乳酸的合成是一个低能耗的过程。废弃后的聚乳酸可在堆肥条件下自行降解成二氧化碳和水，而且降解产物经植物的光合作用还可再形成淀粉等物质，再次成为聚乳酸合成的原料，从而实现洁净的碳循环。由此可见，聚乳酸满足人类可持续发展的要求，也符合当前低碳经济发展的需要。因此，聚乳酸在生物可降解高分子材料中占有举足轻重的地位，其应用范围已从最初用于生物医用领域过渡到各类包装材料等通用高分子材料领域，并朝着电器制品、汽车制品等工程塑料领域迅速扩展，展现了诱人的发展前景。
自2006年起，中粮生化就开始系统探索和研究聚乳酸的材料特性、加工工艺、下游制品及应用，并广泛与国内外企业、研发机构合作，走过了十余年的生物基材料开发及产业发展之路。承担了多个国家和省部级科研项目，获得了多项科技成果，创建了万吨级聚乳酸生产和制品开发基地，开发了一系列具有自主知识产权的聚乳酸产品并畅销于国内外市场，中粮生化已成为国内聚乳酸生物基材料的领军者。
本书在查阅大量国内外聚乳酸相关资料的基础上，结合本人多年来从事聚乳酸研究和生产的实践经验，同时围绕聚乳酸近十几年来的发展，重点介绍了聚乳酸的合成、性能优化、改性加工以及应用等研究进展情况。全书共分三篇，十四章。其中，第一篇为1～3章，综述了聚乳酸的合成、制备、结构与性能； 第二篇为4～8章，阐述了聚乳酸的改性方法及其研究进展； 第三篇为9～14章，介绍了聚乳酸制品加工与应用。
在本书撰写过程中，张会良研究员、朱锦研究员、陈鹏研究员做了大量工作，任杰教授对全文进行了校对和修正，在此一并表示衷心的感谢！
由于时间关系，加之水平有限，不足之处难免，敬请各位专家和读者批评指正！佟毅2018年6月于北京彩插第一篇 聚乳酸的合成、制备、结构与性能第1章 聚乳酸的合成及制备
聚乳酸（polylactic acid，PLA），通常是一种线形热塑性脂肪族［1］聚酯。因此，聚乳酸通常也被称作聚丙交酯。最早是由美国高分子化学家Carothers发现的，该聚酯具有优良的生物相容性和生物降［2］解吸收性，并且价廉易得，是一种以玉米、木薯等植物资源为原料，植物中的淀粉经糖化、微生物发酵得到乳酸，经提取和纯化得到［3～6］高纯度乳酸，再由乳酸聚合合成的可生物降解高分子。
聚乳酸废弃物在土壤或水中，30～120天内会在微生物、水、酸［7］或碱的作用下彻底分解成CO和HO，因而聚乳酸材料是一种完22［8］全绿色高分子材料，已被美国批准为生物降解性医用材料，被认为是最具竞争力的可再生生物塑料。预计在不可再生的石油资源枯竭期到来之前，石油及其衍生物市场价格暴涨，可再生的聚乳酸必将代替石油制品，成为人们必不可缺的材料之一。据预测，全球塑料市场将以5%的年均速度继续增长，产生大量的废弃物，导致“白色污染”，引起日益严重的环境污染问题，因此环境友好型的塑料成为塑料行业从业人员的追求。为了满足人们对塑料不断增长的需求，可降解塑料的使用成为了必然。聚乳酸不仅拥有防渗透性，同时还具有较好的光泽度、清晰度和可加工性，并提供了较低温度的可热合性，因此，可采用熔融加工技术进行加工，较多用于包装材料，如农业、建筑业用的塑料型材、薄膜，以及化工、纺织业用的无纺布、聚酯纤维等。
早在1932年DuPont公司的科学家Wallace Carothers在真空中将［9］乳酸进行聚合，合成低分子量的聚乳酸，但由于生产成本过高，直到1987年Cargill公司开始投资研究新的聚乳酸制造过程，Cargill公司随后于2001年与Dow公司合资进行商业化生产名为Nature Works的聚乳酸商品，公司1套14万吨/年生产装置开工生产。日本在聚乳酸性能改善和加工技术方面做了大量突出的工作，三井化学公司于2001年与Cargill公司合作开展业务。日本除三井化学公司以外，岛津公司、［3，10］大日本油墨分别建有500～1000t/a的工业装置。日本丰田汽车公司于2002年4月转接岛津制作所的聚乳酸生产业务，商品名“Ecoplastic”，年产量1000t。此外，德国UhdeInventa-Fischer公司和巴斯夫公司、意大利Snamprogetti公司、荷兰Hycail公司等也相继开［4］发了聚乳酸生产技术。
中国的聚乳酸工业起步较晚，20世纪80年代，上海工业微生物研究所、江苏省微生物研究所等采用发酵法制取乳酸，用来合成聚乳酸。2002年，中国科学院成都有机化学有限公司申请的新材料专项［5］表明，在聚乳酸的生产方面我国已达到2t/a的能力。2004年由中国科学院长春应用化学研究所与浙江海正生物材料有限公司合作，开发以聚乳酸为原料的制品，完成了乳酸的发酵、提取、聚合等多项关键技术的优化，并在工艺设计中达到环保和清洁生产的要求，建成了国内可降解型聚乳酸树脂生产规模最大的工业示范线，年产可达5000t，现在扩产为15000t。产品各项指标全面达到或部分超过欧美同类产品，这一技术标志着我国已成为世界上第二个聚乳酸产业化规模达万吨以上的国家，产品质量已跻身世界前列。上海同杰良生物材料有限公司采用同济大学开发的“一步法”工艺，建成千吨级中试生产线。2013年该公司在安徽马鞍山建成了年产万吨级的聚乳酸生产线，开发出注塑级、片材级、薄膜级、纤维级的聚乳酸树脂，各项指标都已经达到或者超过国内外同类厂家产品。中粮集团投资8.5亿元于2016年开始建设3万吨聚乳酸原料、3万吨聚乳酸下游制品项目；江苏允友成生物环保材料有限公司于2012年4月投资组建，总投资超过12亿元，建设了一条5万吨聚乳酸生产线，在10年内产量产能预估将达16万吨。
目前，由于聚乳酸原料具有良好的生物相容性和可生物降解性，且对人体无毒、无刺激，已经成为继聚乙醇酸之后的第二类可用于人体的可降解高分子材料，因此被广泛用于外科手术缝合线、骨折内固定材料以及药物控释载体等生物医用材料，并且在生物医用高分子领［6，11，12］域已占有相当重要的地位。同时，PLA具有高强度、高模量、高透明性、易加工成型等优点，因此，它在通用塑料领域也表现出了广阔的应用前景。迄今为止，国内外的科学工作者已经对PLA的合成、改性以及应用等方面进行了全面而深入的研究，莫志深在［13］《高分子结晶与结构》一书中做了详细的介绍。
通常，PLA是一种结晶性的脂肪族聚酯，其玻璃化转变温度在60℃左右，属于一种热塑性塑料。PLA具有类似于石油基通用塑料聚丙烯和聚苯乙烯的良好加工性能和力学性能，是石油基化工塑料的重［14～16］要替代品。由于来源于可再生的植物资源，又具有可生物降解的优点，研究PLA的合成、加工和应用具有重要意义。1.1 乳酸1.1.1 乳酸的来源
PLA的合成最早是通过乳酸（CHO）分子链间缩聚得到的，363目前生产PLA的单体乳酸主要以可再生植物资源（玉米、马铃薯、甜菜、木薯等植物根茎叶）中的淀粉、蔗糖、纤维素等为原料，经糖化、［17～20］微生物发酵得到乳酸，再经提取和纯化得到高纯度乳酸。乳酸的基本性质见表1-1。表1-1 乳酸的基本性质注：1mmHg=133.322Pa。1.1.2 乳酸的合成［27］［27～32］
乳酸可由化学途径或微生物发酵生产。1950年，第一个化学合成的商品化乳酸产品在日本出现。首先通过乙醛和氢氰化物制备乳腈，再经二级水解得到乳酸。微生物发酵是将碳水化合物转化为乳酸，其生产工艺主要包括植物类原料的糖化、发酵、提取和［33～37］纯化等步骤。
发酵法生产的乳酸具有高光学纯度的特点，保证了在食品、医药［20，21］领域的安全应用。淀粉类植物主要是玉米、马铃薯等，糖［34，38，39］［35，类材料如乳清、糖浆等，纤维素如农作物秸秆等40］，经过糖化过程生成葡萄糖等产物，再经发酵处理得到乳酸（见图1-1）。其中，葡萄糖和菌种的浓度、发酵温度、体系的pH值等工［41～46］艺参数的控制是得到高转化率乳酸的关键。制备结晶、高熔点PLA需要高光学纯度的乳酸。并不是所有的微生物发酵法都可以生产高光学纯度的乳酸，一部分微生物发酵可以生成外消旋混合物［47］。因此，必须选择适当的菌种以满足质量要求。图1-1 发酵制备乳酸部分反应［48～53］
提取和纯化工艺是获得高纯度乳酸的关键。在微生物发酵过程中也可能产生其他的代谢产物，例如酸类（乙酸、甲酸）、醇类（乙醇）、酯类、残留糖、含氮化合物等，影响到乳酸的质量。传统的乳酸提取工艺方法是向发酵液中加入碳酸钙以中和乳酸生成乳酸钙，再加入硫酸等强酸与乳酸钙反应得到乳酸；工业上一种提取乳酸的方法是通过萃取技术在发酵液中提取乳酸；近年来，电渗析方法也被用于提取乳酸，这种方法不仅避免了硫酸钙副产物生成，而且可以降低生产成本，是代替传统的提取工艺的一种理想方法；此外，制备纯度更高的乳酸产品常采用乳酸酯化的方法。乳酸的提取和纯化工艺方法及优缺点见表1-2。表1-2 乳酸的纯化方法及优缺点1.1.3 乳酸的结构
乳酸的化学结构名称是2-羟基丙酸，乳酸的结构式如图1-2所示。其中包含一个羟基和一个羧酸基团，二者可以发生分子间和分子内的综合反应，前者生成线形的二聚体乳酰乳酸（lactoyl lactic acid）；后者可能生成环状二聚体丙交酯（lactide）；通常丙交酯的制备方法是乳酸的分子内酯化或乳酸低聚物的裂解。这一系列反应均为平衡反应，反应过程见图1-3。图1-2 乳酸的结构式图1-3 乳酸缩合反应：丙交酯（lactide）、低聚物和PLA（HL）之间的转化n［54］
乳酸分子中有一个手性碳原子，具有旋光性，存在两种旋光异构体，即L-乳酸或S-乳酸（左旋乳酸）、D-乳酸或R-乳酸（右旋乳酸），分子结构如图1-4所示。微生物发酵法是生产乳酸的主要方法，所制备的乳酸为L-乳酸，特殊的菌种可制备D-乳酸。采取化学合成法得到的乳酸是L-乳酸和D-乳酸的混合物，记作DL-乳酸，又被称为外消旋乳酸。图1-4 乳酸的两种旋光异构体：L-乳酸和D-乳酸1.2 丙交酯1.2.1 丙交酯的性质
丙交酯是环状乳酸二聚体，化学结构名称为3，6-二甲基-1，4-二氧六环-2，5-二酮。由于乳酸存在L-乳酸和D-乳酸两种光学异构体，因此乳酸的环状二聚体丙交酯存在三种不同结构的光学异构体，分别是L-丙交酯（左旋丙交酯，简写为L-LA）、D-丙交酯（右旋丙交酯，简写为D-LA）和内消旋丙交酯（简写为meso-LA或M-LA），分子结构见图1-5。图1-5 丙交酯的三种异构体
除了以上三种光学异构体，L-LA与D-LA通过物理共混构成外消旋丙交酯（简写为DL-LA或rac-LA）。
丙交酯的物理性质见表1-3。表1-3 丙交酯的物理性质1.2.2 丙交酯的制备
丙交酯一般由乳酸盐或者乳酸合成得来。当采用乳酸盐为原料进行反应时，虽然反应时间较快，产物纯度高，但乳酸盐成本太高，且产物一般混有乙酸等杂质，不易提纯，产物收率很低，此法在实验室［57］研究及工业上应用都很少。而采用生物发酵得到的乳酸为原料进行反应则更为经济，产物收率较高，目前研究得较为深入。其工艺流程为先将乳酸酯化脱水生成乳酸低聚物，再在较高的温度下进行裂［58］解反应催化解聚得到丙交酯，反应式如图1-6所示。图1-6 乳酸制备丙交酯反应式
制备丙交酯常用的方法有常压法、减压法等。两种方法面临的主要问题都是如何降低反应液在解聚过程中出现的焦化、炭化现象，从而提高丙交酯收率。
常压法的设计思想是向反应体系中通入“惰性气体”，借助这些［59］惰性气体，将生成的丙交酯带出反应体系。日本的Okuyama等采用常压法制备丙交酯，即向反应体系中通入“惰性气流”N或2CO，或者降低丙交酯蒸气的分压并将生成的丙交酯连续从反应体系2中带出。反应器中氧气被惰性气体取代，避免了氧化引起的变色、焦化等副反应，一定程度上提高了丙交酯的产率和纯度，该方法技术难度低、操作成功性高，但常压法的不足之处是脱水时间长、生产效率［60］低、产物收率不高。
目前，丙交酯合成使用较多的还是减压法，其设计思想是将整个反应体系处于高真空度的状态下，可迅速地将生成的丙交酯蒸出，此外，高真空下隔绝氧气，减少氧化反应的发生，提高丙交酯收率［61］。
将乳酸加入到三口烧瓶中，氮气保护下缓慢升温至110℃，常压下脱水一定时间，脱除大部分自由水，再升温至140～160℃，加入辛酸亚锡催化剂，提高至一定真空度，反应一段时间，脱除缩聚反应中的生成水快速升温至180℃以上，再提高真空度，低聚物开始裂解［62］生成丙交酯。
在减压法的基础上，研究者发现在反应体系中加入一定量的“惰性溶剂”能很好地改善反应液易焦化、炭化的现象。如Hotsuta、李南等分别向减压系统中加入甘油、高级醇溶剂，认为这些惰性溶剂不仅可以将生成的丙交酯带出，还可改善反应溶液在反应后期的黏稠程［63，64］度，不至于局部温度过高发生副反应。2005年王华林等人［65］报道了在低聚乳酸解聚时的反应体系中加入一种高沸点、惰性稀释剂——乙二醇的研究，取得了不错的效果，使得丙交酯的收率［66］由36.8%提高到51.3%。景巍巍等也在这方面进行过研究，在解聚反应前加入一定量的甘油，可改善反应液发生焦化、炭化的现象，丙交酯粗收率由原来的70%提高到76%。还有研究者采用乳酸盐及稀［67］土金属化合物进行反应。如2008年邱奎等采用乳酸钠为催化剂，并在反应后期加入醇类稀释剂，制备得到丙交酯粗产品收率最高达［68］81.0%。朱久进等采用稀土金属化合物三氧化镧、钛酸镧复合氧化物等催化剂催化乳酸脱水继而裂解环化成丙交酯，丙交酯粗收率能达到82.5%。
近年来关于低聚乳酸分子量对丙交酯解聚的影响也引起研究者的［75］注意。石梁萍认为低聚乳酸适宜的聚合度在5～8，数均分子量［76］在400～1000最为合适。魏军等在催化剂种类和用量、时间相同的条件下，通过控制脱水时间，使乳酸脱水缩聚得到不同分子量的乳酸低聚物，并且对不同分子量的低聚物进行解聚，结果显示，当乳酸低聚物的黏均分子量（以下简称为M）在2100时，丙交酯的粗收v率最高，可达86.7%。关于低聚乳酸分子量对解聚的影响，一般都认为当分子量较小时，解聚生成的丙交酯较少，乳酸较多；当低聚乳酸分子量较大时，超过了适宜解聚的上限，解聚时生成的残渣较多，丙［77］交酯收率也不高。但在关于低聚乳酸分子量大小对丙交酯收率影响的报道中，适宜解聚的低聚乳酸M范围却不尽相同。除了上述v［78］两个报道外，Kinoshita等认为600～800最为适宜，Suong等［79］则认为低聚乳酸分子量在1000～2000较为适宜。1.2.3 丙交酯的纯化
乳酸高温裂解生成的粗丙交酯中常含有水、乳酸以及乳酸低聚物等杂质，它们不仅使丙交酯难以聚合成高分子量聚乳酸，而且还可以使丙交酯重新水解成乳酸，难以保存，因此需将丙交酯提纯，以满足［69］聚合要求。
丙交酯纯化的方法主要有三种：重结晶法、水解法和气助蒸发法。［70］其中重结晶法所用的溶剂有甲苯、乙酸乙酯、乙醇和苯等。李
［71］南等经过实验研究提出乙醇适合作为重结晶溶剂，且以丙交酯［72］的熔点作为标准考察其纯化程度。刘迎等研究了乙酸乙酯与乙醇交替溶剂重结晶丙交酯的纯化方法，以丙交酯收率和熔程作为考察［73］标准。张海坡等比较了综合法和重结晶法纯化丙交酯，但采用的综合法是将粗丙交酯熔融后倒入水中搅拌冷却至室温，而此法导致［74］L-丙交酯水解。李霞选择了对人体无害、对环境安全的溶剂乙酸乙酯和乙醇作为考察对象，用综合水解和重结晶2种方法纯化丙交酯，可同时获得相对较高的收率和光学纯度，其重结晶收率为44.6%，光学纯度为99.5%，熔点达到96.5℃，可以作为聚合单体使用。1.3 聚乳酸的合成
PLA的合成主要有两种途径：一种是由乳酸直接缩聚合成聚乳酸，常通过熔融缩聚、熔融缩聚-固相聚合或溶液缩聚完成，该法统［80］称为PC法；另一种则是通过丙交酯开环聚合得到聚乳酸，即利用乳酸单体经脱水环化先制备丙交酯单体，然后由丙交酯开环聚合获［81］得具有高聚合度的聚乳酸，该法统称为ROP法。
PLA的合成路线如图1-7所示。图1-7 PLA的合成路线1.3.1 乳酸直接缩聚法
直接缩聚法就是由乳酸直接脱水得到聚乳酸，该方法合成的聚乳酸的分子量一般为几万，分子量相对来说较低，且分子量的范围也宽。但是通过除去聚合过程的水以及控制反应温度等条件，可以得到改良，获得分子量较高的聚乳酸。方法主要包括溶液缩聚法和熔融缩聚［82］法。原理见图1-8。图1-8 乳酸直接缩聚制备聚乳酸
在适当的条件下，乳酸分子之间的羟基和羧基直接脱水缩合，去除小分子水产物，使反应向聚合的方向进行，从而制备PLA。直接缩聚法制备PLA可以分为三个主要阶段：①降低自由水含量；②低聚物缩聚；③熔融缩聚得到较高分子量PLA。
乳酸直接缩聚法制备PLA的过程是一个可逆反应，该反应在反应体系中存在着游离乳酸、自由水、PLA和丙交酯的平衡。随着反应的进行，体系的黏度不断增加，后期聚合过程中从黏稠熔体中除去水变得越来越困难，即使在真空条件下也很难进一步去除水。更高的温度（>200℃）虽然有助于去除小分子水，但是也有利于丙交酯的形成。同时，体系中伴随着一系列副反应，如酯交换反应可能形成不同尺寸［83］的环状产物。分子量较低的PLA容易水解、力学性能极差、没有使用价值。
通过缩聚反应制备高分子量聚合物，必须采用高光学纯度的聚合级乳酸，并且抑制副反应，尽量除去水和其他副产物。研究者尝试多种方法提高直接缩聚法获得的PLA的分子量，包括：①采用与溶剂形成共沸混合物的方法带走小分子水，从而制备高分子量PLA，摩尔质［84］量可达300000g/mol；②在反应后期采用熔融聚合的方法，降低［85，86］体系的黏度、去除小分子水，提高分子量；③采用扩链剂［87～将乳酸缩聚法制备的PLA分子偶联起来，从而提高PLA的分子量89］。
1.3.1.1 溶液缩聚法
溶液缩聚法一般是利用溶剂共沸法除水回流进行高分子量的聚乳酸的制备。体系中水分除得越彻底，得到的聚乳酸的分子量就越高。因此该法对溶剂的要求较高，一方面不能参与反应，另一方面要能够溶解聚合物并与水共沸。溶液缩聚法体系的反应温度一直处于共沸点，因此能够避免因升温和局部温度的变化引起的聚合物的分解。但是该方法的不足之处就是有机溶剂的使用和回收会使得操作和设备更加复杂，而且使用高沸点或有异味的有机溶剂时，会增加聚合物纯化的难度。
溶液缩聚法是指在一定温度和真空度下，在体系中加入一种有机溶剂与乳酸单体和反应得到的水进行共沸回流，在回流过程中，水分会随着回流时间的增加而逐渐被带出，从而推动反应向正方向进行，［90］以获得高聚合度的聚乳酸。在反应过程中，溶剂的作用分为三点：第一，有效降低反应体系的黏度，吸收反应放出的热量，降低反应剧烈程度；第二，可以溶解乳酸单体，使正在增长的聚乳酸溶解或溶胀，促进聚乳酸链的增长；第三，可以与体系中产生的水分子形成［91］共沸物，在回流的同时将水分子逐渐除去。日本研究者［92］Ajioka采用二苯醚作溶剂，锡粉催化，经分子筛共沸回流反应［93］40h，可使聚乳酸的分子量达到300000。秦志忠等通过分阶段地升温减压除水，制得了分子量为20万的聚乳酸，与Ajioka等的方法相比较有一定的差距，但是也具有非常大的实用价值。同济大学任杰［94］等发明了一种用于溶液缩聚的反应装置，该装置可以实现溶剂的反复回流使用，既可用于溶剂密度小于水的反应，也可用于溶剂密［95］度大于水的反应，大大降低了反应成本。复旦大学钟伟等使用苯甲醚作为溶剂，通过真空缩聚和溶液回流带水的方法制取PLA，在常压下反应温度为180℃时共沸回流36h，得到数均分子量可达19000［96］的合成聚乳酸；陈春明以离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑盐和氯化亚锡的复盐为催化剂，采用直接溶液缩聚法制备的聚乳酸，其黏4均分子量为3.5×10。三井化工开发了共沸缩聚制备高分子聚乳酸的
［97～100］工艺，该工艺采用锡化合物和质子酸作为催化剂，并采用高沸点溶剂，在较低温度（130℃）和高真空度下共沸除去水分子，然后通过溶解沉淀的方法将PLA从溶剂中分离出来，得到了重均分子量为30万的聚乳酸。
1.3.1.2 熔融缩聚法
熔融缩聚法是一种发生在聚合物熔点温度以上，且没有任何介质［101］参与的本体聚合方法。熔融缩聚就是将体系直接加热进行缩聚反应，反应过程中体系要一直处于熔融的状态，生成的水等副产物要通过真空抽出或者通过惰性气体携带排除。该方法得到的聚合物分子量一般小于溶液法。但是通过对预聚物进行处理，增加反应时间、降低反应温度，或者使用更优的催化剂等进行进一步的缩聚可以提高聚乳酸聚合物的分子量，因此再缩聚的催化剂的选择和反应条件的控制是熔融缩聚法的研究重点，主要有反应挤出聚合、熔融-固相聚合、扩链反应等方法。
东华大学余木火等发明了一种熔融缩聚制备高分子量聚乳酸的方［102］法，通过以乳酸、脂肪族二元酸为起始原料，制得两端为羧基的乳酸预聚物，然后再加入一定比例的环氧树脂，于一定温度、压力条件下制得高分子量的聚乳酸，通过优化条件可以得到黏均分子量为［103］13万～22万的高聚物。杨青芳采用阶段控温的熔融聚合法，大幅度提高了聚乳酸的产率和分子量，合成出数均分子量为1.9万的PLA，产率高达77%。
在催化剂的选用方面，常用的酯化反应催化剂有中强酸（HSO、24HPO）、过渡金属及其氧化物或盐（Sn、Zn、SnO、ZnO、SnCl、3422SnCl）、金属有机物（辛酸亚锡、三乙基铝）。4（1）反应挤出聚合 利用反应器与双螺杆挤出机组合进行熔融缩聚得到高分子量的聚乳酸，该方法的反应时间短、成本低，具有一定的研究前景。如日本Steel Works公司通过将4.4万分子量的聚乳酸缩聚物置于具有回流装置的双螺杆挤出机中，并补充因真空抽滤损失的乳酸，进行低分子量缩聚物的进一步缩聚，使得最终的聚乳酸分子量达到了15万。（2）熔融-固相聚合 该方法是将缩聚的预聚物处于高于其玻璃化转变温度、低于熔融温度的条件下进行进一步的聚合。进一步聚合的机理是无定形区的低分子与大分子的端基进行反应生成高分子聚合物，最终的聚乳酸的分子量和结晶度都得到了进一步的提高，但是该方法的反应时间较长。
该法首先将反应物乳酸在减压条件下脱水缩聚得到聚乳酸低聚物，然后将该低聚物在低于T且高于T的温度下进行缩聚得到高分mg［104］子量的聚乳酸。在低聚物中，由于大分子链部分被“冻结”形成结晶区，同时官能团末端基、小分子单体及催化剂会被排斥在无定形区，因此促使低聚物获得足够的能量，有利于分子之间发生有效碰撞，使反应得以继续，并且通过高真空或惰性气体将反应体系中的水［105］分子带走，也能使反应平衡向正方向移动，而加长的分子链在晶区边缘集结结晶，又使聚合物结晶度增加，限制副反应的发生，促进残留单体的转化，从而提高聚乳酸的纯度和质量。［106］
赵文军以乳酸丁酯单体为原料，以复配的SnCl和TSA为2催化剂，首先在160℃下熔融聚合10h合成低聚物，继续在140℃下固相缩聚40h以进一步提高分子量。合成的聚乳酸经红外光谱和XRD测定，为聚外消旋乳酸（PDLLA），黏均分子量可达22000。Moon等［107］利用改良后的熔融-固相缩聚方法，以二水氯化锡和邻甲苯磺酸二元体系为催化剂，合成了聚合物分子量高达50万的PLLA，克服了缩聚温度高于PLLA的T时产率下降的问题。m（3）扩链反应 在获得高聚合度聚乳酸的方法中，扩链剂扮演着重要角色。扩链剂是指在短时间内能够提高低聚物聚合的某些化合物，通常是一种双官能团化合物，且极易与两种低聚物链末端官能团［108］发生反应。其原理是：聚乳酸低聚物中含端—OH和端—COOH，采用对这两种基团反应活性均较高的扩链剂与其作用，使聚［109］乳酸低聚物分子量成倍增长，得到具有较高分子量的聚乳酸。扩链聚合法具有反应速率快、时间短的优点，但反应活性较高的偶合剂或扩链剂一般都具有较差的热稳定性。具有端—OH和端—COOH的二异氰酸酯、二环氧化物、双唑啉、二酸酐和双乙烯酮缩醛是应［110］用较多的几种扩链剂。Hiltunen等采用L-乳酸为原料、1，5-二羟基萘作为扩链剂，于220℃条件下进行聚合，最终获得了最高重均分子量高达7.2万的高分子量聚乳酸。1.3.2 丙交酯开环聚合法
L-丙交酯开环聚合可以制备高分子量PLA，并可以调控PLA的分子量、分子链结构形态和物理化学性质。目前工业化PLA树脂合成均采用该方法。该方法可以通过熔融聚合、本体聚合、溶液聚合和悬浮聚合等技术实现。其中，熔融聚合技术被认为是最简单且具有可重复［111］性的方法。丙交酯开环聚合制备PLA先由乳酸制备丙交酯，再通过熔融聚合技术由丙交酯开环聚合得到PLA。
采用不同结构的丙交酯开环聚合，可以得到不同分子结构的PLA。丙交酯开环聚合制备PLA通常采用辛酸亚锡为催化剂，脂肪醇为引发［112～117］剂。采用这种方法也可以制备不同比例的L-丙交酯、D-丙交酯共聚物。该方法的反应过程见图1-9。辛酸亚锡是最常用的催化剂，能够很好地控制反应速率和分子量。丙交酯开环聚合制备PLA的反应机理依赖于聚合条件、催化剂类型、引发剂浓度和溶剂等因素。图1-9 丙交酯开环聚合制备PLA（R：H、烷基等）
开环聚合方法能够通过控制反应时间、温度和选择不同的催化剂对聚乳酸的合成分子量进行控制，但是该方法聚乳酸提纯的过程比较复杂，成本较高。根据使用的催化剂的不同以及反应机理的不同，可分为离子开环聚合、配位开环聚合和有机开环聚合等。
1.3.2.1 离子开环聚合法
离子开环聚合又可分为阳离子聚合和阴离子聚合。阳离子聚合中+阳离子催化剂主要指的是质子酸型。质子酸型的聚合机理是H与乳酸单体中的氧原子作用形成氧离子，促使烷氧键断裂，单体开环，产生酰基正离子，进而进行链的增长。阴离子聚合中阴离子催化剂主要指的是碱金属烷氧化合物，其催化聚合的反应机理是烷氧基阴离子与乳酸单体中的羰基发生亲核反应，促使烷氧键断裂，产生增长活性中心，进行链增长的聚合反应。阳离子聚合中链的增长是在手性碳上，常常会伴随着外消旋的反应，温度高于50℃发生消旋化，而导致无定形聚乳酸的生成，因此该方法很少用于聚乳酸的制备。同样地，在阴离子聚合中由于阴离子碱性比较强，会促使乳酸手性碳发生去质子化，而导致产物的消旋化甚至是反应终止，限制了聚乳酸分子量的增加，同样限制了该方法的应用。（1）阳离子聚合 阳离子开环聚合的引发机理如图1-10所示。用于聚合的阳离子引发剂有：质子酸（HCl、RSOH等）、路易斯酸3［AlCl、MnCl、SnCl、Sn（oct）等］、烷基化试剂3242（CFSOCH等）等多种酸性化合物。333图1-10 阳离子聚合机理
研究表明，改变［LA］/［R］的比例，并不能使PLA的聚合度有较大改善，因此可以确定阳离子聚合在这种条件下并不属于活性聚合［118］的范畴。因此，为了提高阳离子聚合的催化活性，Bourissou等用酸和质子试剂作为催化剂，使LA发生阳离子聚合。实验表明，利用三氟甲基磺酸作催化剂，异丙醇作引发剂，可以在室温条件下合成分子量大于20000的PLA。（2）阴离子聚合 图1-11为ROK催化聚合机理。其引发途径可能有两种：第一种是LA的去质子化；第二种则是亲核进攻而开环。因此，通过链端基分析可以很容易地从是否含有引发剂成分来区分两［119］种途径。图1-11 阴离子聚合机理
通常烷氧碱金属盐常被作为阴离子聚合的催化剂。Kricheldorf等［120］用叔丁氧钾和叔丁氧锂作为催化剂，催化LA聚合，在相同条件下，这两种催化剂和增长链均会发生外消旋反应，同时LA的转化率不会超过80%。然而，利用原位生成的一级钾、二级钾和烷氧锂作为催化剂，却能使LA的转化率高于80%，甚至更高。根据H NMR的链端基分析可以发现，烷氧引发剂已经并入了PLA链中，其引发途径是［121］亲核进攻途径。［122］
Sipos和Zsuga对叔丁氧锂和叔丁氧钾在LA开环聚合中的催化活性进行了研究，同时还研究了冠醚对聚合反应的影响。由于紧密连接的离子对转化成了分散的离子对，因此冠醚试剂可以提高聚合反应的反应速率。然而实验表明，将18-冠醚-6加入叔丁氧钾中之后，聚合反应速率却减小了；同时，将12-冠醚-6加入叔丁氧锂中后，也出现了和18-冠醚-6相同的结果，只是程度较小。
1.3.2.2 配位开环聚合法
LA的配位开环聚合常用的引发剂为羧酸锡盐类、异丙醇铝、烷氧铝或双金属烷氧化合物等。烷氧铝是一类环酯开环聚合的有效催化剂，如Al（Oi-Pr）被广泛用来研究LA聚合机理。然而其催化活性却3不高，在125～180℃条件下，LA的本体聚合需反应几天才能获得较低分子量的PLA。由于Al（Oi-Pr）催化反应过程中需要一段时间引3［123］3+发，同时Al在人体内不能新陈代谢，在人体内积聚极易引起早老性痴呆症，因此作为生物可降解聚酯合成的催化剂，Al（Oi-Pr）应用得并不是很多。3
PLA的工业生产中应用最为广泛的催化剂则是羧酸锡盐类化合物，尤其是辛酸亚锡，其自身活性远大于Al（Oi-Pr），在醇类试剂3的存在下，不但能够较快地催化LA进行聚合，还能更好地控制反应程度。因此，在工业生产中，备受人们青睐，而辛酸亚锡的催化聚合机理研究却颇有争议，一般认为有两种可能性，一种是阳离子或活化单体机理；另一种是配位插入机理。
1.3.2.3 有机开环聚合法
为了更好地满足生物医药聚乳酸材料的应用，研究不含金属的绿色安全的有机催化剂是非常必要的。查阅文献可以发现这类催化剂主要包括胺类、硫脲类等有机催化剂。这类催化剂合成的聚乳酸中不会有金属的残留，能够更好地用于医药材料，但是对于这方面的研究还处于探索期，对机理的研究还不够深入，需要研究者做进一步的研究。参考文献
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