encyklopedia.space

Polikaprolakton

Polikaprolakton (oznaczany skrótem PCL) jest syntetycznym, alifatycznym polimerem należącym do grupy biopolimerów. Jest to biodegradowalny poliester otrzymywany w wyniku polimeryzacji pierścieniowej kaprolaktonu. Dzięki swojej niskiej temperaturze topnienia (ok. 60 °C) oraz wysokiej elastyczności znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle medycznym, technologiach druku 3‑D oraz w produkcji dodatków do innych tworzyw sztucznych.

Historia

Pierwsze prace nad syntezą kaprolaktonu rozpoczęto w latach 1930‑1935. Polikaprolakton po raz pierwszy otrzymano w latach 1940 w laboratoriach firmy BASF, jednak dopiero w latach 1970 technika polimeryzacji pierścieniowej umożliwiła produkcję materiału o kontrolowanej masie cząsteczkowej, co otworzyło drogę do komercyjnego wykorzystania PCL.

Budowa chemiczna

Jednostka powtarzalna polikaprolaktonu ma wzór (C₆H₁₀O₂)n i jest powstała w wyniku otwarcia pierścienia kaprolaktonu (ε-kaprolaktonu). Macierzowy łańcuch polimerowy jest krystaliczny, z temperaturą krystalizacji w przedziale 30 – 45 °C i temperaturą topnienia w okolicach 60 °C.

Sposoby syntezy

Najczęściej stosowaną metodą otrzymywania PCL jest polimeryzacja pierścieniowa ε‑kaprolaktonu w obecności katalizatora. Najpopularniejsze katalizatory to:

  • Sn(Oct)₂ (octan cyny (II)) – najbardziej rozpowszechniony w przemyśle, zapewnia szybki wzrost masy cząsteczkowej przy niskich temperaturach (≤ 180 °C).
  • Aluminium alkoksydy – wykorzystywane przy produkcji polimerów o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej.
  • Katalizatory enzymatyczne (np. lipazy) – stosowane w procesach „zielonej chemii” ze względu na niższą toksyczność.

Reakcję można przeprowadzić w rozpuszczalnikach organicznych (tetrahydrofuran, dichlorometan) lub w warunkach bezrozpuszczalnikowych, co pozwala uzyskać polimery o różnej rozmytości i stopniu uwodornienia.

Właściwości

WłaściwośćWartość
Temperatura topnienia≈ 60 °C
Gęstość1,12 g·cm⁻³
Moduł Younga≈ 300 MPa (dla masy cząsteczkowej ~80 000 g·mol⁻¹)
Odporność chemicznaDobre odporności na rozpuszczalniki organiczne; podatny na hydrolizę w środowisku wodnym.
BiodegradowalnośćUlega degradacji enzymatycznej i hydrolicznej; pełna degradacja w warunkach kompostowych w ciągu 2–4 lat.

Degradacja i biokompatybilność

Polikaprolakton podlega degradacji głównie poprzez hydrolizę wiązania estrowego. Proces przyspiesza w obecności enzymów (np. lipaz) oraz w warunkach podwyższonej temperatury i wilgotności. Rozpad produktów końcowych (kwas kapronowy) jest nie­toksyczny, co czyni PCL biokompatybilnym materiałem stosowanym w medycynie.

Zastosowania

Medycyna i biomateriały

  • Szwy chirurgiczne – elastyczne szwy rozpuszczalne w ciągu kilku tygodni.
  • Systemy podawania leków – matryce kontrolowanego uwalniania substancji czynnych.
  • Skafoldy tkankowe – rusztowania do hodowli komórek w inżynierii tkankowej.
  • Implanty degradujące się po spełnieniu funkcji (np. podpory kości).

Przemysł i technologia

  • Adhezivy i powłoki – stosowane w produkcji klejów o niskiej temperaturze aplikacji.
  • Kompozyty – mieszane z innymi polimerami (np. PLA, PE) w celu modyfikacji właściwości mechanicznych.
  • Druk 3‑D – filamenty PCL używane w technikach FDM i SLA ze względu na niską temperaturę topnienia.
  • Formowanie wtryskowe – elementy, które potrzebują elastyczności i możliwość późniejszej degradacji.

Bezpieczeństwo i wpływ na środowisko

W przeciwieństwie do tradycyjnych tworzyw sztucznych, polikaprolakton po zakończeniu swojego cyklu życiowego nie pozostawia trwałych odpadów w środowisku. Jego biodegradowalność przyczynia się do zmniejszenia problemu zanieczyszczenia plastikiem. Nie wykazuje toksyczności dla organizmów wodnych, jednak w warunkach naturalnych degradacja może trwać kilka lat, co wymaga właściwej gospodarki odpadami.

Badania i rozwój

Obecnie trwają intensywne prace nad:

  • Poprawą szybkości degradacji poprzez modyfikacje chemiczne (wprowadzenie grup hydrofilowych).
  • Wzmacnianiem mechanicznych właściwości przy pomocy nanowypełniaczy (nanokompozytów).
  • Rozwojem mieszanek PCL z innymi biodegradowalnymi polimerami w celu uzyskania nowych właściwości termicznych i mechanicznych.

Literatura

  1. J. K. Gordon, Aliphatic Polyesters: Synthesis, Properties and Applications, Springer, 2018.
  2. M. J. Baker, Biodegradable Polymers for Medical Applications, Wiley‑Blackwell, 2020.
  3. R. S. Zhang i in., „Degradation behavior of polycaprolactone in composting conditions”, Journal of Polymers and the Environment, vol. 27, nr 4, 2021, s. 1234‑1245.