高分子材料化学-第三章.ppt

n涉及到药用高分子辅料的加工处理，性能在药物制剂 制备过程中的应用，特别是高分子辅料的溶解、溶胀 、凝腔化、转变和粘弹性、力学强度和渗透性等性质 几乎关系到药荆学研究的每一环节。 n本章从实践观点出发，有重点地对药物制剂过程中相 关内容做简要的介绍，使学生有初步概念。 第三章 高分子材料的物理化学性质 高分子溶液是研究单个高分子链结构的最佳方法 应用 粘合剂涂料溶液纺丝 增塑 共混 hh溶胀与溶解溶胀与溶解 hh聚合物溶解过程的热力学聚合物溶解过程的热力学 hh溶剂的选择溶剂的选择 hh凝胶凝胶 3.1 高分子溶液的理化性质 n高分子的溶解是一个缓慢过程，可分为两个阶段： 溶胀 溶解 n溶胀的定义 溶剂分子扩散进入高分子内部，使其体积增大的 现象。 n溶胀的原因 高分子化合物特有的现象，原因在于溶剂分子与 高分子尺寸相差悬殊，分子运动速度相差很大，溶剂 小分子扩散速度较快，高分子向溶剂中的扩散速度很 慢。 n溶解的步骤 首先是溶剂小分子渗透进入高分子内部，撑开分 子链，增加其体积，形成溶胀的聚合物。 3.1.1 3.1.1 溶胀与溶解溶胀与溶解 若聚合物与溶剂分子之间的作用力大于聚合物分 子间的作用力，溶剂量充足时，溶胀的聚合物则可继 续进入溶解阶段，此时，随着溶剂分子不断渗入，溶 胀的聚合物逐渐分散成真溶液。 高分子在良溶剂中溶解时被充分溶剂化而处于伸 展状态。在不良溶剂中，由于高分子溶剂化不充分， 分子链相当卷曲，处于紧密状态。 n聚合物由于本身的结构、分子量、体系的粘度等影响 因素，其溶解过程要比小分子复杂的多。 n(一)非晶态聚合物的溶胀和溶解 聚合物溶解过程分两步进行：首先溶胀，然后溶解 。 由于分子间堆砌比较松散，分子间相互作用力较弱 ，溶剂分子比较容易渗人聚合物内部使之发生溶胀或 溶解(相对于结晶态聚合物而言)。 聚合物溶解过程的另一个特点：溶解度与相对摩尔 质量有关。通常相对摩尔质量大的，溶解度小；相对 摩尔质量小的，溶解度大。提高温度一般可以增加其 溶解度；降低温度则减小其溶解度。 n(二) 结晶聚合物的溶解 晶态聚合物，由于聚合物分子间排列规整，堆砌 紧密，分子间相互作用力较强，溶剂分子较难渗入晶 相。因此晶态聚合物的溶解要比非晶态聚合物困难， 晶态聚合物的溶解一般要先经过晶相的熔融，然后方 可溶解。 n结晶聚合物可分为两类： 1、极性结晶聚合物，在适宜的强极性溶剂中往往在室 温下即可溶解。 原因在于极性结晶聚合物的非晶相部分与强极性 溶剂接触，产生放热效应，破坏晶格，使之溶解。 如：聚酰胺(PA)可溶于甲酸、冰醋酸、浓硫酸、苯酚 、甲酚； 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)可溶于苯酚/四氯乙 烷、间甲酚。 2、非极性结晶聚合物，溶解往往需要将体系加热到熔 点附近。破坏晶格后，再与溶剂作用而溶解。 高密度聚乙烯PE(熔点是135)：溶解在四氢萘中 ，温度为120左右；间同立构聚丙烯PP(熔点是 134)：溶解在十氢萘中，130。 n一般来说，分子量相同的同种化学类型聚合物，支化 的比线型的更易溶解。 n(三)交联聚合物的溶胀 交联聚合物由于三维交联网的存在而不会发生溶 解，只能发生溶胀。 交联度越大，溶解度越小。 交联度可以用交联点密度表示。交联聚合物中交 联链的结构单元数Nc占总结构单元数N的分数，通常用 q表示。Q=Nc/N。 药用高分子材料大多呈粒状、粉末状，如果将其 直接置于良溶剂中，易于聚结成团，与溶剂接触的团 块表面的聚合物首先溶解，使其表面粘度增加，不利 于溶剂继续扩散进人颗粒内部。 溶解之初，应采取适宜的方法，使颗粒高度分散 ，防止粘聚成团，然后再加入良溶剂进行溶胀和溶解 ，这样可以较快的制备高分子溶液。 例如聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠在热水中易溶， 配制其水溶液时，则应先用冷水润湿、分散，然后加 热使之溶解。而羟丙甲纤维素在冷水中比在热水中更 易溶解，则应先用8090的热水急速搅拌分散由 于其在热水中不溶，颗粒表面不粘，则有利于充分分 散，然后用冷水(5左右)使其溶胀，溶解。 制备药用高分子溶液的方法制备药用高分子溶液的方法 高分子的溶解过程 高分子的溶解过程是溶质分子和溶剂分子相互混 合的过程，恒温恒压条件下，该过程能自发进行的必 要条件是吉布斯自由能变化(Gm)小于零。 聚合物溶解过程的自由能变化： GmHmTSm 0 (3-1) 聚合物溶解的必要条件：Gm0， Gm 的正负取决于Hm 的正负和大小。 极性聚合物极性溶剂体系 由于高分子与溶剂分子的强烈相互作用，溶解时 是放热的(Hm0，所以，要使聚合物溶解，也即使必须满足 |Hm| Ma 由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻 璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glass temperature)，以Tg表示。 当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变 不可逆，这种力学状称为粘流态。 形变 温度 I II III 玻璃态 高弹态 玻璃化转变区 Tg 粘流态 粘弹态转变区 Tf 交联聚合物 MaMbMb Ma 高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其 间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。 交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移， 不出现粘流态。 形变 温度 I II III 玻璃态 高弹态 玻璃化转变区 Tg 粘流态 粘弹态转变区 Tf 交联聚合物 MaMbMb Ma 玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态 。 当聚合物发生玻璃化转变时，其物理性能急剧变化。 Tg是聚合物作为塑料使用的最高温度，橡胶使用的最低 温度。 1、玻璃化温度 3.3.1.3 3.3.1.3 高分子的热转变高分子的热转变 （i）聚合物的结构：Tg是链段运动刚被冻结的温度，而链 段运动是通过主链单键的内旋转来实现，因此Tg与高分子链的 柔顺性相关，柔顺性好，Tg低，柔顺性差，Tg高。 Tg的影响因素 如：-C-C-，-C-N-，-C-O-，-Si-O-等，柔顺性较好，一般Tg不 高： 主链中引入共轭双键、芳环或芳杂环，可提高分子链的 刚性，Tg升高，如： 侧基的极性越强，数目越多，Tg越高，如： 刚性侧基体积越大，链柔顺性越差，Tg越高，如： 柔性侧链越长，分子链柔顺性越好，Tg越低，如： 如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，Tg下降，如 ： (ii)分子量： 当分子量较低时，MW，Tg；当分子量足够大 时，分子量与Tg无关。 (iii)化学交联： 交联度，分子链运动受约束的程度，分子 链柔顺性，Tg。 2、粘流温度 当温度高于非晶态聚合物的Tf 、晶态聚合物的Tm时，聚 合物变为可流动的粘流态或称熔融态。热塑性聚合物的加工 成型大多是利用其熔体的流动性能。 聚合物熔体的流动性可用多种指标来表征，其中最常用的 是熔融指数(melt index，MI) ：指在一定的温度下和规定负荷 下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物 的熔体的质量，用MI表示，单位为g/10min。 对于同种聚合物而言，熔融指数越大，聚合物熔体的流动 性越好。但由于不同聚合物的测定时的标准条件不同，因此不 具可比性。 材料-具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物 理性状的物质。 高分子材料是以聚合物为基本组分，大多情况下 同时还含有各种添加剂的材料。如加入填料、增塑剂 、稳定剂等，以期获得具有实用价值和经济价值的材 料或改善其成型加工的性能。 聚合物作为材料可因用途不同，有不同的性能要 求，如力学性能、电学性能、光学性能，但对大多数 高分子材料，力学性能是其最重要的性能。材料的力 学性能是指外加作用力与形变及破坏的关系。如材料 的弹性模量、拉伸强度、压缩强度、冲击强度、屈服 强度等。聚合物的结构特性决定了高分子材料的力学 性能。 3.3.23.3.2药物剂型加工中高分子材料的主要力学性能药物剂型加工中高分子材料的主要力学性能 固体剂型加工有关的聚合物的几种主要力学性质简介。 应变(strain) -材料在受外力作用而又不产生惯性 移动时，物体相应外力所产生的形变。 应力(stress) 材料宏观变形时，其内部产生与 外力相抗衡的力 。 各向同性材料有三种类型： 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩。 3.3.2.1 3.3.2.1 弹性模量弹性模量 A0 l0 l D l A F F 简单拉伸简单拉伸 -杨氏模量 简单剪切 A0 F F 简单剪切 -剪切模量 均匀压缩 A0 均匀压缩 -体积模量 根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非 晶态聚合物的应力-应变曲线大致分为六类： (1)硬而脆(2)硬而强 (1) (2) (3)强而韧 (4)软而韧(5)软而弱(6)弱而脆 e (3) (4) (5) (6) 弹性模量(modulus of elasticity, E)或杨氏模量 (Youngs modulus)是指在弹性形变范围内单位 应变所需应力的大小。理想的弹性固体，应力与应变 （服从虎克定律）的比例常数，简称模量。 弹性模量= 弹性模量是单位应变所需应力的大小，是材料刚 度的表征。模量越大，愈不易变形。 机械强度：是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指 在一定条件下材料所能承受的最大应力。 硬度定义施加的负载除以当穿入停止时压头下 面积的比值，其单位为Pa (常用MPa). 硬度(hardness)衡量材料表面抵抗机械压力的 一种指标。硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量 有关。 硬度试验方法 加荷方式有动载法和静载法两种，前者用弹性回跳 法和冲击力把钢球压入试样，后者则以一定形状的硬 材料为压头，平稳地逐渐加荷将压头压入试样，统称 压入法，因压头的形状不同和计算方法差异又有布氏 、洛氏和邵氏等名称。 3.3.2.2 3.3.2.2 硬度和强度硬度和强度 式中d为试样表面凹痕的直径。注意如此测量的硬度 并非材料常数，与试验条件有关 布氏硬度试验是以平稳的载荷将直径D一定的硬钢球压 入试样表面，保持一定时间使试样充分变形，测量压 入深度h，计算试样表面凹痕的表面积，以单位面积上 承受的载荷（公斤/毫米2）为材料的布氏硬度。 布氏硬度试验布氏硬度试验 厚度d 宽度b P 试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张 强度t： t = P / b d 1、抗张强度 衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度 。 强度试验强度试验 P d b l0/2l0/2 抗弯强度测定试验示意图 2、抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。设试验过程中最大的负 荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2 3、冲击强度（i） 冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲击负荷 时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种 指标。 （1）聚合物自身的结构：主链中引入芳杂环，可增加链的刚 性，分子链易于取向，强度增加；适度交联，有利于强度的提 高。 （2）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，增加强 度，但结晶度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降低，使材 料变脆。 （3）分子量：在一定范围内分子量增加，强度增加。 聚合物强度的影响因素聚合物强度的影响因素 （4）应力集中：若材料中存在某些缺陷，受力时，缺陷附近 局部范围内的应力会急剧增加，称为应力集中。应力集中首先 使其附近的高分子链断裂和相对位移，然后应力再向其它部位 传递。 （6）增塑：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对弹性 、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。 （7）外界因素：温度、外力作用速度和作用时间对强度都有 影响。 （5）惰性填料：有时为了降低成本，在聚合物中加入一些只 起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳酸钙。惰性 填料往往使聚合物材料的强度降低。 活性粒子增强 Carbon black reinforcement 橡胶+碳黑 增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理 交联，活性粒子起物理交联点的作用。 惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO3，PP+滑石 粉 纤维增强 Glass steel boat glassy fiber+polyester 增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷 例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维 增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力 有关 理想的粘流体（如水）受到外力作用后，形变随时 间线性发展。 理想的弹性体（如弹簧）受到外力后，瞬时达到平 衡形变，形变与时间无关。 粘弹性(viscoelasticity)聚合物的形变是时间 的函数，但不构成正比线性关系，而是介于理想弹性 体和理想粘性体之间,聚合物的这种性能称为粘弹性. 聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物 的力学松弛行为，在玻璃化转变温度以上(通常Tg Tg+30)，非晶态线型聚合物的粘弹性表现得最为明 显，高分子材料的重要性质。 3.3.2.3 3.3.2.3 粘弹性粘弹性 高分子材料常被称为粘弹性材料，粘弹性在应力 应变曲线上，相当于弹性极限到(或超过)屈服点的曲 线。 聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。 最基本的力学松弛现象有：蠕变、应力松弛、内耗。 屈服应变 弹性 线性 B（屈服点 ） C断裂点 塑性 蠕变(creep)在一定温度，一定应力（拉力，压 力，扭力等）作用下，材料的形变随时间的延长而增 加的现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。 蠕变过程包括下面三种形变： 普弹形变、高弹形变、粘性流动 一切聚合物在形变时都有蠕变现象，蠕变和应力 松弛一样，都是因为分子间的粘性阻力使形变和应力 ，必须有一段时间才能建立平衡，因此，蠕变是松弛 现象的另一表现形式。 线型聚合物，形变可无限发展且不能完全回复，保 留一定的永久形变。 交联聚合物，形变可达到一个平衡值。 3.3.2.3.l 3.3.2.3.l 蠕变蠕变 e1 e2+e3 e1 e2 e3 t2t1 t e e1普弹形变；e2高弹形变； e3粘性流动。 应力松弛定义： 在温度、应变恒定条件下，对于一个线性粘弹体来 说,内应力随时间延长而逐渐减小的现象称为应力松弛 (stress relaxation)。 如用塑料绳绑捆东西，时间久了会变松。这是由 于当聚合物被拉长时，高分子构象处于不平衡状态， 它会通过链段沿外力方向的运动来减少或消除内部应 力，以逐渐过度到平衡态构象。 3.3.2.3.2 3.3.2.3.2 应力松弛应力松弛 影响蠕变和应力松弛的因素有： 结构（内因）：一切增加分子间作用力的因素都有利 于减少蠕变和应力松弛，如增加相对分子质量，交联，结 晶，取向，引入刚性基团等。 温度或外力（外因）：温度太低（或外力太小），蠕 变和应力松弛慢且小，短时间内观察不到；温度太高（或 外力太大），形变发展很快，形变以黏流为主，也观察不 到。只有在玻璃化转变区才最明显。 高聚物的松弛过程 应力松弛（relaxation of stress） 蠕变（creep） 是在保持高聚物材料形变一定的情 况下，应力随时间的增加而逐渐减 小的现象。 是在一定的应力作用下，形变随时 间的增加而增大的现象。 当应力的变化和形变的变化相一致时，没有滞后现 象，每次形变所作的功等于恢复原状时获得的功，没 有功的消耗。 内耗(internal loss) 形变的变化落后于应力的变化，发生滞后损耗现象 (hysteresis loss)，每一循环变化中消耗功。 聚合物的内耗大小与聚合物本身的结构有关，同时 还受温度的影响。 3.3.2.3.3 3.3.2.3.3 内耗内耗 以应力应变关系作图时， 所得的曲线在施加几次交变 应力后就封闭成环，称为滞 后环或滞后圈，此圈越大， 力学损耗越大 回缩曲线 拉伸曲线 内耗的测定方法 (1) Torsional Pemdulum 扭摆法 (2) Rheovibron and Autovibron DMA- Dynamic mechanical analysis 动态机械分析 hh渗透性及透气性渗透性及透气性 hh胶粘性胶粘性 3.3.3 3.3.3 高分子材料的其他性能高分子材料的其他性能 渗透性(permeability) 高分子材料通过扩散和吸收过程，使气体或液体 透过一个表面传递到另一表面渗出、从浓度高的一侧 扩散到浓度低的一侧的现象。 透气性(gas permeability) 气体分子渗透通过聚合物膜的现象。 多孔性-材料有极小连通孔的性质。 渗透性及透气性均属高分子材料重要的物理性能 ，在作为包装材料或药物传递装置的组件的应用上有 一定的意义。 3.3.3.1 3.3.3.1 渗透性及透气性渗透性及透气性 液体或气体分子渗透过聚合物的过程： 溶解在聚合物内 向低浓度方向扩散 从聚合物的另一侧逸出 聚合物的渗透性和透气性与液体及气体在其内的溶 解性有关。 当溶解性不大时，透过量遵循Fick第一定律。简 式中J为溶质流量，mol(cm2s)；C为溶质浓度 molcm3；x为垂直于有效扩散面积的位移，cm；D为 溶质扩散系数，cm2s (在通常情况下，D被看作常量 ，但实际上扩散系数是可人为控制的参数，改变聚合 物的结构，D值可改变。另外，药物浓度、温度、溶剂 性质、药物的化学性质都能影响D值)；负号表示扩散 方向，即药物分子扩散朝浓度降低的方向进行。 渗透性及