王領民，姚新武，喬 凱，廖 莎，張 霖，王崇輝

（中國石化 撫順石油化工研究院 生物化工部，遼寧 撫順 113001）

聚乳酸是一類熱塑性聚酯材料，因具有良好的生物相容性及生物可降解性，目前已被視為一種重要的生物可降解材料，且已應用于生物組織工程、食品包裝、服裝、漁業(yè)、林業(yè)和農(nóng)業(yè)等領域［1］。

聚乳酸的合成路線主要有兩條：一條是以乳酸直接聚合，該路線工藝簡單，但得到的聚乳酸相對分子質(zhì)量小且聚合物強度低，難以制備成高性能的聚乳酸材料；另一條是先以乳酸聚合得到環(huán)狀二聚體丙交酯，再由丙交酯開環(huán)聚合或配位聚合進一步得到聚乳酸，該路線得到的聚乳酸相對分子質(zhì)量可達到數(shù)十萬至數(shù)百萬的水平，能滿足人們對聚合材料各項性能指標的要求，目前該路線已被廣泛采用。

合成高相對分子質(zhì)量的聚乳酸對丙交酯單體的純度要求較高，通常要求丙交酯的光學純度大于99.7%，化學純度大于99.0%，水的質(zhì)量分數(shù)小于0.15%［2］。為此，國內(nèi)外科研人員對乳酸合成丙交酯工藝進行了大量的研究，以期開發(fā)出一種低成本、低污染、高收率、高純度的丙交酯合成工藝。

本文介紹了聚乳酸的市場概況，重點綜述了反應溫度、壓力、催化劑等因素對丙交酯合成工藝的影響，分析了國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)存在的問題和發(fā)展方向。

1 乳酸及丙交酯

乳酸作為合成丙交酯的原料，其分子中存在一個手性碳原子，有左旋乳酸（L-乳酸）、右旋乳酸（D-乳酸）兩種光學異構(gòu)體，此外還有由兩種光學異構(gòu)體等量混合得到的外消旋乳酸（D，L-乳酸）。

由于乳酸分子內(nèi)含有—OH及—COOH官能團，因此乳酸分子之間可發(fā)生酯化反應，由兩分子乳酸所生成的環(huán)狀二聚體即為丙交酯。由于丙交酯分子中存在兩個手性碳原子，它具有4種光學異構(gòu)體［3］，分別為左旋丙交酯（L-丙交酯）、右旋丙交酯（D-丙交酯）、外消旋丙交酯（D，L-丙交酯）及內(nèi)消旋丙交酯（meso-丙交酯）。L-丙交酯和D-丙交酯（熔點均為95 ℃［4］）分別是由兩分子L-乳酸或兩分子D-乳酸聚合而成；D，L-丙交酯（熔點約在118～128 ℃之間［5］）是由等量的L-丙交酯和D-丙交酯混合聚合而成；meso-丙交酯（熔點約在43～53 ℃之間［6］）是由一分子L-乳酸和一分子D-乳酸聚合而成。上述4種丙交酯均可單獨或相互共聚形成聚乳酸，但meso-丙交酯具有易水解、難結(jié)晶、難提純的特點，且合成的聚乳酸機械強度低，通常較少用于合成聚乳酸。

2 聚乳酸市場概況

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，聚乳酸產(chǎn)品的性能已接近傳統(tǒng)合成樹脂，醫(yī)用、包裝和纖維已成為聚乳酸的三大熱門應用領域，其中包裝市場在聚乳酸總消費量中占有重要地位。隨著石油價格的不斷上漲，聚乳酸產(chǎn)品的經(jīng)濟競爭力將進一步提高，聚乳酸消費市場還將以15%的速率逐年增長［7］。

目前世界范圍內(nèi)聚乳酸產(chǎn)能約為250～300 kt/a，主要生產(chǎn)廠家有美國Nature Works公司、日本Mitsuichem公司、德國Uhde Inventa-Fischer公司、荷蘭Hycail公司等。預計2015年全球聚乳酸新增產(chǎn)能可達260 kt/a，至2020年全球聚乳酸產(chǎn)能將攀升至720 kt/a左右，其中亞洲的產(chǎn)能預計將超過350 kt/a。

2012年中國聚乳酸產(chǎn)能已達80 kt/a左右，其中浙江海正集團的產(chǎn)能約為30 kt/a，另有20 kt/a聚乳酸項目在建；江蘇南通九鼎集團產(chǎn)能約為10 kt/a；河南飄安集團產(chǎn)能約為10 kt/a；云南富集生物材料有限公司產(chǎn)能約為10 kt/a；秦皇島驪驊淀粉股份有限公司產(chǎn)能約為4 kt/a；江蘇常熟長江化纖有限公司產(chǎn)能約為4 kt/a等。此外，中糧能源生化（榆樹）10 kt/a聚乳酸項目已開工建設，預計2014年下半年竣工；哈爾濱威力達藥業(yè)公司與瑞士EMS集團伊文達-菲瑟公司合作擬建10 kt/a聚乳酸項目；吉林糧食集團擬建50 kt/a聚乳酸生產(chǎn)線等。

3 丙交酯合成工藝的影響因素

經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，目前以乳酸為原料經(jīng)兩步法合成丙交酯的工藝已被人們廣泛采用，其路線如下：第一步，脫除原料乳酸中的游離水使其濃度達到工藝要求，再在一定壓力、溫度及催化劑存在下使乳酸進行酯化縮聚反應，得到乳酸低聚物；第二步，在催化劑作用下，改變壓力和溫度使乳酸低聚物先解聚再聚合，得到丙交酯。此外，兩步法得到的粗丙交酯還需進行提純精制，以得到符合聚乳酸合成原料純度要求的精丙交酯。

在兩步法反應過程中，反應溫度、壓力、催化劑種類均直接影響丙交酯的產(chǎn)品質(zhì)量及收率。同時，開發(fā)適合工業(yè)化應用的高收率提純精制工藝也是目前人們的研究重點。

3.1 乳酸縮聚形成乳酸低聚物

3.1.1 溫度

乳酸縮聚反應為可逆反應，水的存在會抑制反應平衡朝正向移動，在反應前盡可能地降低原料乳酸中的游離水含量，在反應中及時脫除生成的水，都是有效降低反應抑制作用的手段，因此設置適宜的反應溫度是丙交酯合成工藝的重要因素。

當縮聚溫度較低時，反應體系的脫水速率較慢，得到的乳酸低聚物相對分子質(zhì)量較低，不適宜后續(xù)的乳酸低聚物的解聚反應；縮聚溫度升高時，隨反應體系脫水速率的加快，乳酸低聚物的相對分子質(zhì)量增大，但過高相對分子質(zhì)量的乳酸低聚物同樣不適宜解聚合成丙交酯。李南等［8］以D，L-乳酸為原料，在二丁基氧化錫的催化作用下考察脫水溫度對粗D，L-丙交酯收率的影響。實驗結(jié)果表明，當脫水溫度為140 ℃左右時，D，L-丙交酯的收率最大，同時反應體系中蒸出的D，L-乳酸量及殘留物量較為理想。通常，乳酸縮聚的溫度控制在120～150 ℃范圍內(nèi)。

3.1.2 壓力

水的沸點與壓力成正比，因此縮聚壓力的降低不僅有助于原料中的游離水和生成水的蒸出，而且也有助于節(jié)省加熱反應體系所消耗的熱能。但值得注意的是，高真空度對反應設備的氣密性及精密度要求很高，一味地提高真空度會造成整體能耗的增大，因此根據(jù)反應實際情況尋找適宜的能耗平衡點將有利于工業(yè)化?？s聚和解聚兩個階段所要求的壓力不同，通常情況下將縮聚壓力控制在0.1～0.6 kPa。婁玲等［9］將80%（w）的L-乳酸水溶液在120℃下脫水后與催化劑混合，反應體系壓力保持在0.40～0.65 kPa，得到的粗丙交酯理論收率為80%。

3.1.3 催化劑

在縮聚過程中，目前使用較多的脫水催化劑是ZnO，其價格低廉、來源廣且對人體無毒無害。文獻［10］報道，以ZnO和ZSM-5型分子篩為催化劑，當L-乳酸用量1 600 mL、ZnO用量24 g、ZSM-5型分子篩用量5 g時，粗L-丙交酯收率為88.9%，經(jīng)甲苯重結(jié)晶后精L-丙交酯的收率為48.4%，在提高L-丙交酯收率的同時還縮短了蒸餾L-丙交酯的時間，節(jié)約了制備L-丙交酯的成本。

3.1.4 相對分子質(zhì)量

乳酸低聚物的聚合程度對丙交酯的收率影響很大。乳酸低聚物的相對分子質(zhì)量越小，生成的丙交酯越少，而副反應生成的乳酸卻越多；乳酸低聚物的相對分子質(zhì)量越大，生成丙交酯時產(chǎn)生的殘渣越多。文獻［11］報道，適宜合成丙交酯的乳酸低聚物相對分子質(zhì)量為400～2 000，更適宜的相對分子質(zhì)量為1 000～2 000。

3.2 乳酸低聚物解聚生成丙交酯

3.2.1 溫度

乳酸低聚物的解聚是可逆反應。若解聚過程溫度過低，乳酸低聚物不易解聚生成丙交酯；若溫度過高會導致乳酸低聚物出現(xiàn)分解、氧化等現(xiàn)象，另外生成的丙交酯也會因焦化、碳化變色并出現(xiàn)消旋的現(xiàn)象。一般將解聚溫度控制在220～250 ℃。何佩華等［12］發(fā)現(xiàn)，升溫和減壓必須緩慢地同步進行，以避免L-乳酸因蒸出而出現(xiàn)損失，根據(jù)反應過程的特點優(yōu)化后的解聚溫度需低于230 ℃，得到的粗L-丙交酯收率為80%。

3.2.2 壓力

為促進解聚向正反應方向進行，同時避免丙交酯分解變色，在反應中應及時將生成的丙交酯從反應體系內(nèi)分離出來，目前采用較多的有減壓法和常壓法。

減壓法反應體系的壓力應低于該反應溫度下丙交酯的蒸氣壓。減壓法降低了反應體系中氧氣的含量，可有效避免因氧化而引起的丙交酯變色，但減壓法通常需要高真空設備且真空度不易控制，且工藝過程中能耗較大。程超等［13］以L-乳酸為原料，以ZnO和辛酸亞錫為催化劑，在0.095 MPa真空度下的反應效果最優(yōu)，所得粗丙交酯收率為86%。

20世紀80年代末，人們開發(fā)出了常壓法制備丙交酯工藝，該工藝通過通入CO2或N2等不參與反應的保護氣來維持反應體系的壓力。保護氣的通入有助于反應體系的均質(zhì)，還能增大反應界面并提高反應效率，另外還能降低反應體系中氧氣含量并將生成的丙交酯快速地帶出反應體系，從而避免了丙交酯出現(xiàn)焦化、碳化等現(xiàn)象。但常壓法中流出的氣體同樣會帶走部分原料，從而導致收率有所下降。文獻［14］報道，以L-乳酸為原料，常壓下向反應體系中通入N2作為保護氣，粗丙交酯的收率可達89%，較減壓法有明顯提高。

3.2.3 催化劑

乳酸低聚物的解聚是分子內(nèi)酯交換反應，金屬元素具有的空軌道可與乳酸低聚物的羰基氧原子形成配位鍵，進而催化解聚反應。目前，人們已開發(fā)出多種丙交酯合成催化劑，主要種類有：金屬化合物催化劑，主要元素如鋅、錫、鋁、鈦等；稀土催化劑，主要元素如釔、鑭等；質(zhì)子酸型催化劑，如硫酸、對甲苯磺酸、固體超強酸等；以及由上述幾種催化劑組合成的復配催化劑。農(nóng)蘭平等［15］合成了n（Zn2+）∶n（Zr4+）=2∶1的S/ZnOZrO2/La2+催化劑，在適宜條件下當催化劑用量為1.0%（w）時，得到的粗D，L-丙交酯收率達82.7%。黃小強等［16］合成了n（Ti4+）∶n（Zn2+）∶n（La3+）=30∶30∶1的S/TiO2-ZnO-La2O3固體超強酸催化劑（TZL-460），當催化劑用量為D，L-乳酸質(zhì)量的1.05%時，粗D，L-丙交酯收率為71.8%，經(jīng)無水乙醇3次重結(jié)晶純化后精D，L-丙交酯收率為38.5%。

催化劑的種類及活性直接影響丙交酯的純度，有研究表明錫和鋅類催化劑的催化效果較為理想，其中又以Sn（Oct）2類催化劑最為人們所關(guān)注，因其催化活性高且對人體無毒無害［17］。通?？刂拼呋瘎┑挠昧浚╳）在0.05%～10%范圍內(nèi)。張楠楠等［18］以乳酸為原料，研究了3種不同催化體系（Zn，Cu（CH3COO）2，Sn（Oct）2）下丙交酯的合成及其表征，實驗結(jié)果表明，采用Sn（Oct）2催化體系時，粗L-丙交酯的收率較Zn或Cu（CH3COO）2為催化體系時的高。

3.3 丙交酯提純精制

雖然目前兩步法工藝的粗丙交酯收率可達90%，但粗丙交酯中仍含有水、乳酸、乳酸低聚物等雜質(zhì)，因此必須對粗丙交酯進行提純精制，才能將其用于合成聚乳酸。丙交酯的提純精制方法大致有如下幾類。

3.3.1 溶劑重結(jié)晶法

溶劑重結(jié)晶法在實驗室使用得較多，所使用的溶劑主要有醇類、醚類、酯類、酮類、苯類、鹵代烷及四氫呋喃等。由于單一溶劑單次重結(jié)晶收率普遍不高，因此開發(fā)出了復合溶劑多次重結(jié)晶法對丙交酯進行重結(jié)晶。崔國振等［19］研究發(fā)現(xiàn)，用乙酸乙酯重結(jié)晶3次能有效避免羥基在產(chǎn)物中的殘存，但重結(jié)晶收率較低；而乙醇重結(jié)晶1次得到的丙交酯純度還不能滿足要求。因此先用乙醇重結(jié)晶2次，以獲得較高的重結(jié)晶收率，然后再用乙酸乙酯重結(jié)晶1次，有效去除了丙交酯中的殘留羥基，并使精L-丙交酯收率達到35.4%。雖然溶劑重結(jié)晶法易于操作，但有機溶劑具有的易揮發(fā)、易燃、易爆和高污染等特性，限制了溶劑重結(jié)晶法在工業(yè)化生產(chǎn)中的應用。

3.3.2 蒸餾法

蒸餾法的優(yōu)點在于無需使用其他種類的溶劑，從而保證提純精制過程不會引入新的雜質(zhì)，且設備易于大型化及連續(xù)化生產(chǎn)。文獻［20］報道了一種連續(xù)化精餾提純丙交酯的方法，采用三塔工藝，第一精餾塔真空操作在塔頂脫除低沸點組分，第二精餾塔真空操作在塔頂脫除全部的meso-丙交酯，第三精餾塔真空操作在塔頂?shù)玫礁呒兌鹊谋货ギa(chǎn)品，純度99%以上的丙交酯收率高于90%。該工藝具有較強的工業(yè)應用潛力。

3.3.3 熔融結(jié)晶法

熔融結(jié)晶法利用各物質(zhì)間凝固點的差異，使混合物分步結(jié)晶以達到分離提純的目的，主要步驟有：物料預熱、冷卻結(jié)晶、排放母液、升溫發(fā)汗、熔化再結(jié)晶。熔融結(jié)晶法的優(yōu)點在于不需額外加入溶劑，通常也不需要高溫及高真空條件，可避免出現(xiàn)蒸餾法下的碳化、結(jié)焦及聚合等現(xiàn)象，能耗也僅是蒸餾法的10%～30%［21］。但熔融結(jié)晶法對溫度控制有一定的精度要求，且間歇式的操作特點使該法通常適用于中小規(guī)模的工業(yè)裝置。

3.3.4 耦聯(lián)法

在實驗過程中，人們發(fā)現(xiàn)每一種提純精制工藝都存在優(yōu)勢和劣勢，而且只使用單一方法往往難以滿足對丙交酯純度或收率的要求，因此耦聯(lián)法嘗試將兩種或更多種提純精制工藝進行組合，以期達到優(yōu)勢互補的目的。文獻［22］報道，采用高真空精餾和非溶劑結(jié)晶耦合的工藝，先將丙交酯置于精餾塔中精餾收集餾分，再將收集物進行非溶劑結(jié)晶，收集到了純度為99.5%以上的丙交酯，而剩余低純度的丙交酯則可以繼續(xù)精餾，理論上實現(xiàn)了丙交酯收率的最大化。

4 存在問題及研究方向

目前大多數(shù)企業(yè)都采用丙交酯開環(huán)聚合生產(chǎn)聚乳酸，但國內(nèi)聚乳酸生產(chǎn)廠家的丙交酯合成技術(shù)及設備相比于世界上最大的L-丙交酯生產(chǎn)商荷蘭PURAC公司還存在較大差距，導致各廠家的聚乳酸產(chǎn)品成本偏高、性能偏低、應用范圍窄。

由于聚乳酸的成本及工業(yè)化規(guī)模很大程度上取決于市場的發(fā)展和丙交酯合成技術(shù)的發(fā)展，因此國內(nèi)丙交酯合成技術(shù)應以產(chǎn)品純度及收率為參照指標，在以下3個方面著力開展研究工作。

4.1 催化劑

尋找具有高效手性選擇性的催化劑，通過改善催化劑特性提高原料乳酸或/和產(chǎn)物丙交酯的光學選擇性，進一步提高丙交酯的光學純度；或研制可在更加溫和的條件下進行反應的催化劑，通過避免丙交酯因高溫出現(xiàn)的分解、氧化、焦化等副反應來降低丙交酯的損失。

4.2 提純精制工藝

國內(nèi)外報道的丙交酯提純精制方法雖然有多種，但精丙交酯收率大多仍集中在40%～50%之間。由此可見，丙交酯提純精制環(huán)節(jié)的收率還有很大的提升空間。未來在進一步研究提高精丙交酯收率的同時，還應考慮工業(yè)化對節(jié)能低耗、環(huán)保低污染的要求。

4.3 連續(xù)化生產(chǎn)

目前國內(nèi)丙交酯合成研究大多仍處在實驗室的單元操作階段，反應類型也基本為間歇式，還未能實現(xiàn)真正意義上的反應連續(xù)化進行和工藝物料連續(xù)流動。這種傳統(tǒng)的間歇式生產(chǎn)方式存在諸多問題，如在反應過程中反應物黏度不斷增大，會出現(xiàn)物料傳熱緩慢、體系受熱不均、局部溫度過高等現(xiàn)象，而高溫下較長的停留時間也會引發(fā)副反應，導致物料碳化、丙交酯消旋、收率降低，且反應殘渣難于處理。

相對于間歇式，連續(xù)化生產(chǎn)具有產(chǎn)量大、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、操作成本低和操作方便等特點，研究丙交酯連續(xù)化生產(chǎn)可最大限度地降低降解所造成的損失，也是促進聚乳酸產(chǎn)業(yè)化、降低生產(chǎn)成本的有效措施。但要開發(fā)符合工業(yè)生產(chǎn)要求的連續(xù)化操作工藝，還需從設備角度來解決連續(xù)反應體系對高真空度的要求，嘗試使用在線監(jiān)測等手段對反應動力學進行研究，通過對體系“三傳一反”的改進，來解決連續(xù)反應體系中催化劑如何有效分散、如何避免低聚物堵塞管路、丙交酯如何出料及殘渣如何回收等問題。

上述問題的解決將有利于丙交酯合成技術(shù)的突破。隨著丙交酯合成工藝的改進、精制工藝的發(fā)展、大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)丙交酯項目的實現(xiàn)，必將進一步推動我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］Middleton C J，Tipton A J.Synthetic Biodegradable Polymers as Orthopedic Devices［J］.Biomaterials，2000，12（21）：2335-2346.

［2］徐溢，柳勝春.合成丙交酯中微量水分分析［J］.化學研究與應用，1995，7（4）：434-436.

［3］Sodergard A，Stolt M.Properities of Lactic Acid Based Polymers and Their Correlation with Composition［J］.Prog Polym Sci，2002，27（6）：1123-1163.

［4］van Hummel G J，Harkema S，Kohn F E，et al.Structure of 3，6-Dimethyl-1，4-Dioxane-2，5-Dione ［D-，D-(L-，L-)Lactide］［J］.Acta Crystallogr，Sect B，1982，38（5）：1679-1681.

［5］Boehringer Ingelheim GmbH.Meso-Lactide：US，5214159［P］.1993-05-25.

［6］Gulf Oil Corporation.Copolymers of D，L-Lactide and Epsilon Caprolactone：US，4045418［P］.1977-08-30.

［7］沈富強.聚乳酸市場概況及技術(shù)發(fā)展［J］.聚酯工業(yè)，2013，26（4）：8-10.

［8］李南，姜文芳，趙京波，等.D，L-丙交酯的合成與純化［J］.石油化工，2003，32（12）：1073-1077.

［9］婁玲，尹靜波，高戰(zhàn)團，等.L-丙交酯和聚L-乳酸的制備與性能［J］.高分子材料科學與工程，2003，19（2）：72-75.

［10］南開大學，寧波博碩倍醫(yī)療器械有限公司.分子篩催化裂解法合成L-丙交酯的工藝方法：中國，101747314 A［P］.2010-06-23.

［11］Shimadzu Corporation.Method for Producing Lactide and Apparatus Used Therefor：US，5801255［P］.1998-09-01.

［12］何佩華，吳若峰，鄭華.L-丙交酯制備技術(shù)的改進［J］.化學與黏合，2006，28（1）：60-63.

［13］程超，賈曉鳳，羅建成.氧化鋅-辛酸亞錫催化制備丙交酯的工藝研究［J］.河南科學，2010，28（9）：1097-1099.

［14］E I Du Pont de Nemours and Company.Process for the Synthesis of Lactide or Glycolide from Lactic Acid or Glycolide Acid Oligomers：US，5374743［P］.1994-12-20.

［15］農(nóng)蘭平，李素青，賈慧芳，等.S/ZnO-ZrO2/La2+催化合成D，L-丙交酯［J］.石油化工，2011，40（6）：661-666.

［16］黃小強，劉文明，趙凌沖，等.S/TiO2-ZnO-La2O3固體超強酸催化合成D，L-丙交酯［J］.石油化工，2007，36（6）：553-558.

［17］陳際達，胡承波，張永紅.淺談丙交酯的研究進展［J］.組織工程與重建外科雜志，2006，2（4）：185-188.

［18］張楠楠，楊青芳，祖恩峰，等.不同催化體系下L-丙交酯的合成及表征研究［J］.中國膠粘劑，2006，15（10）：1-4.

［19］崔國振，賀繼東，董晶晶，等.L-丙交酯的合成及其純化條件優(yōu)化研究［J］.化學與生物工程，2009，26（12）：41-44.

［20］常州大學.丙交酯連續(xù)高真空精餾提純方法：中國，101857585 A［P］.2010-10-13.

［21］丁海兵，汪英枝.丙交酯的提純技術(shù)［J］.聚酯工業(yè)，2010，23（2）：1-3.

［22］武漢三江航天固德生物科技有限公司.一種丙交酯的耦合純化方法：中國，102816143 A［P］.2012-12-12.