药用高分子材料学+黑龙江大学ppt课件

1 药用高分子材料学 polymersinpharmaceuticals 郑俊民主编 张华主讲 黑龙江大学制药工程专业 2 高分子化合物 简称高分子 是分子量很高的一类化合物 常用高分子的分子量高达104 106药用高分子材料 主要指在药物制剂中应用的高分子材料 药品包装用高分子材料亦可归于此列 绪论 3 绪论 药用辅料 在药物制剂中经过合理的安全评价的不包括生理有效成分或前体的组分 广义上指将药理活性物质制备成药剂的各种添加剂 若为高分子则称为药用高分子辅料 4 药用高分子材料作为药用辅料和药物时 主要用于提高药剂的稳定性 增强药剂在贮藏或应用时的安全和有效 提高药物的生物利用度和药效 改善药物的成型加工性能 改变给药途经以开发新药 实现智能给药 绪论 5 绪论 一 课程的目的和任务1 高分子材料的一般知识 命名 分类 化学结构 高分子的合成反应及化学反应 化学特性和力学性能等 2 药用高分子材料的来源 生产 化学结构 物理化学性质和应用 6 绪论 二 药用高分子材料在药剂学中的应用1 药用高分子材料的分类 1 按用途分类制剂中应用的高分子材料包装用的高分子材料高分子药物 7 绪论 二 药用高分子材料在药剂学中的应用1 药用高分子材料的分类 2 按来源分类天然高分子 蛋白质类 多糖类 天然树胶半合成高分子 纤维素衍生物合成高分子 8 绪论 2 高分子材料作为药物载体的先决条件 1 适宜的载药能力 2 载药后有适宜的释药能力 3 无毒 无抗原性 并具有良好的生物相容性 4 具备适宜的分子量和物理化学性质 9 绪论 3 在药物制剂中的应用 1 作为片剂和一般固体制剂的辅料粘合剂 稀释剂 崩解剂 润滑剂 包衣材料等 2 作为缓 控释材料用作扩散控释材料溶解 溶蚀或可生物降解的材料及能形成水凝胶的材料高分子渗透膜离子交换树脂 淀粉 预胶化淀粉 聚维酮 甲基纤维素 西黄耆胶 琼脂 海藻酸 卡波沫 CMCNa 微晶纤维素等 微晶纤维素 粉状纤维素 糊精 淀粉等 微晶纤维素 交联聚维酮 羧甲基淀粉钠 1 肠溶包衣材料 醋酸纤维素酞酸酯 甲基丙烯酸共聚物等 2 水溶性包衣材料 海藻酸钠 明胶 水溶性纤维素衍生物等 膜控 骨架控释 纤维素衍生物 聚乙烯 乙烯 醋酸乙烯共聚物 交联羧甲基纤维素钠 微晶纤维素 聚乙二醇 聚乳酸 波拉克林交换树脂 二乙烯苯 甲基丙烯酸钾共聚物 10 3 用于液体或半固体制剂作为增稠剂 助悬剂 胶凝剂 乳化剂 分散剂等 4 用作生物粘附性材料 5 用作新型给药装置的组件 6 用作药品包装材料 绪论 11 三 我国药用高分子材料的发展概况1 近10余年来开发的制剂中应用的高分子材料羧甲基淀粉钠 可压性淀粉 微晶纤维素 低取代羟丙基纤维素 羟丙甲纤维素 丙烯酸树脂类 合成的聚合物 泊洛沙姆 卡波沫 聚维酮 聚乳酸等等 2 近10余年来开发的包装用高分子材料高压聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚碳酸酯 聚酯等 绪论 12 绪论 四 重点开发工作1 开发性能优良的 国外已收载入法定文件中的药用聚合物 2 利用天然资源及化学修饰方法 寻找新的药用高分子材料 3 扩大辅料的规格和型号 4 开发新的化学实体 5 再加工辅料产品的研究和生产 6 完善药用高分子辅料的质量标准 ICH 人用药品注册技术规范国际协调会 13 绪论 五 有关药用高分子材料的法规1 中华人民共和国药品管理法2 药品包装用材料 容器管理办法 暂行 14 第一章 概论 第一节 高分子材料的基本概念 一 高分子链的构成 一 高分子的定义 高分子化合物 大分子化合物 高分子 大分子 高聚物 聚合物 聚合物分子 这些术语一般可以通用 Macromolecules Polymer 高分子也叫高分子化合物 是指分子量很高并由多个重复单元以共价键连接的一类化合物 并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来 15 第一章 概论 一 高分子链的构成 二 重复单元 聚氯乙烯 实际上 16 重复单元数 也称为链节数 用n表示 聚合度 Degreeofpolymerization 聚合度单个聚合物分子所含单体单元的数目是衡量高分子大小的一个指标 实际上是各同系分子重复单元数的平均值 第一章 概论 17 第一章 概论 聚合物的分子量M是重复单元分子量M0与聚合度的乘积 M n M0M0为单体的相对分子质量 高分子化合物的相对分子质量为聚合度的整数倍 18 第一章 概论 由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物 聚合物也可由两种或两种以上的单体共同聚合而成 例如由氯乙烯和醋酸乙烯酯共同聚合时 产物为 其中n和m为分子链中两种单体单元的数量 但并不表示n个氯乙烯单元后面接m个醋酸乙烯酯单元 两种单体单元通常是无规分布的 19 第一章 概论 由两种或两种以上单体聚合而成的聚合物称为共聚物 根据各种单体单元在分子链中的排列状况 可将共聚物分为无规共聚物 交替共聚物 嵌段共聚物 接枝共聚物等 通过普通的聚合方法 只能得到无规共聚物和交替共聚物 嵌段共聚物和接枝共聚物必须通过特殊方法制备 共聚是高分子化合物改性的重要方法之一 20 第一章 概论 二 高分子的命名 一 习惯命名习惯命名法是一种约定俗成的方法 目前最为通用 其方法为先对结构单元命名 然后在结构单元名称前加上 聚 字 如碳链聚合物 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 杂链聚合物 聚对苯二甲酸乙二酯 聚己二酰己二胺 天然聚合物大多有其专门的名称或其名称与来源有关 这些名称一般不能反映物质的结构 21 第一章 概论 由天然聚合物改性或衍生而来 则在其名称前冠以衍生的基团名 羧甲基纤维素 羧甲基淀粉等 从参与共聚的两种单体名称中间加连接线组成基本名称 然后在其后面加上 共聚物 三字 如由氯乙烯和醋酸乙烯酯共聚而成的聚合物 称为 氯乙烯 醋酸乙烯酯共聚物 由乙烯和丙烯共聚而成的聚合物 称为 乙烯 丙烯共聚物 等 22 第一章 概论 二 高分子的命名 二 商品名称聚氧乙烯 聚氧丙稀共聚物 普流罗尼聚二甲基硅氧烷 硅油一些外观类似天然树脂的缩聚物商品名称的后缀是 树脂 前面取其原料的简名 23 第一章 概论 三 系统命名系统命名法是由国际纯粹与应用化学联合会 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry IUPAC 提出的规范方法 其步骤为 1 先确定重复单元 2 排定重复单元中次级单元的次序 原则为 3 给重复单元命名 4 在重复单元名称前冠以 聚 字 24 第一章 概论 系统命名法较严谨 但往往名称很长 使用不太方便 IUPAC不反对在一般场合使用习惯命名法和其他能反映聚合物特征的命名法 但在学术性较强的论文中鼓励使用系统命名法 IUPAC不提倡采用商品名和俗称 25 第一章 概论 三 高分子的分类 一 习惯分类法分类依据类型举例按聚合物来源天然聚合物 合成聚合物纤维素 聚乙二醇按聚合基本反应加聚树脂 缩聚树脂丙烯酸树脂 酚醛树脂按大分子形状线型聚合物 体型聚合物聚乙烯醇 固化硅橡胶按聚合物热性质热塑性树脂 热固性树脂聚苯乙烯 脲醛树脂按性能和用途塑料 橡胶 纤维聚乙烯 硅橡胶 尼龙 26 性质和用途 塑料 纤维 橡胶 涂料 粘胶剂 功能高分子 以聚合物为基础 加入 或不加 各种助剂和填料 经加工形成的塑性材料或刚性材料 具有可逆形变的高弹性材料 纤细而柔软的丝状物 长度至少为直径的100倍 涂布于物体表面能成坚韧的薄膜 起装饰和保护作用的聚合物材料 能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料 具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料 第一章 概论 27 主链元素 链原子 组成 碳链高分子 主链 链原子 完全由C原子组成 杂链高分子 链原子除C外 还含O N S等杂原子 元素有机高分子 链原子由Si B Al O N S P等杂原子组成 无机高分子 主链和侧基均无碳原子 二 科学分类法 第一章 概论 28 第一章 概论 碳链高分子分子链全部由碳原子以共价键相连接而组成 多由加聚反应制得 如 聚苯乙烯 PS 聚氯乙烯 PVC 聚丙烯 PP 聚丙烯腈 PAN 聚乙烯 聚丙烯 可塑性好 容易成型加工 一般为通用塑料来源丰富 价廉 产量大 用途广 29 第一章 概论 杂链高分子分子主链上除碳原子以外 还含有氧 氮 硫等二种或二种以上的原子并以共价键相连接而成 由缩聚反应和开环聚合反应制得 例如 聚酯 聚醚 聚酰胺 聚砜 尼龙 66 耐热性好 强度较高 多为工程塑料带有极性 易水解和酸解 聚碳酸酯 30 第一章 概论 元素有机高分子主链不含碳原子 而由硅 磷 锗 铝 钛 砷 锑等元素以共价键结合而成 侧基含有有机基团 如 有机硅橡胶 聚二甲基硅氧烷 优点具有无机物的热稳定性和有机物的弹塑性 31 聚二硫化硅 耐热性好 强度低 Si S S Si S S Si S S 无机高分子主链不含碳原子 而由硅 磷 锗 铝 钛 砷 锑等元素以共价键结合而成 侧基也不含有机基团 如 聚二硫化硅 第一章 概论 32 第一章 概论 常见高分子材料的结构和名称 33 一 高分子的结构特点 第二节高分子链结构 一级结构 结构单元的化学组成结构单元的构型分子链的构造共聚物的序列结构 二级结构 高分子链的形态 构象 高分子的大小 分子量及分布 高分子链的结构 聚集态结构 晶态结构非晶态结构取向态结构液晶态结构织态结构 高聚物的结构 三级结构 近程结构 远程结构 34 二级结构 高分子的二级和三级结构示意图 三级结构 35 一 单元的键接顺序排列 首 尾连接 首 首连接 尾 尾连接 1 均聚物结构单元的键接顺序如单体CH2 CHX聚合时 所得单体单元结构如下 首 尾 单体单元连接方式可有如下三种 二 高分子链的近程结构 36 2 共聚物的序列结构以 两种单体的二元共聚物为例 有无规共聚物 交替共聚物 嵌段共聚物和接枝共聚物四类 一 单元的键接顺序排列 37 二 支链 交联和端基 1 支链线型高分子 高分子链是细而长 没有支链的线型长链 支化高分子是指高分子主链上带有长短不一的支化链 2 交联高分子主链之间通过化学键或支化链相联结 形成一个三维网状结构的高分子 又称交联结构 交联和支化存在着本质的区别 交联的高分子是不溶不熔的 只有当交联程度不太大时才能在溶剂中溶胀 羊毛 硫化橡胶 热固性塑料如酚醛 环氧 不饱和聚酯等都是交联结构的网状高分子 3 互穿互穿聚合网络 在交联聚合物中溶胀进第二种单体 使之再聚合交联 38 线形高聚物可以在适当溶剂中溶解 加热可以熔融 易于加工成型 支化高分子能溶解在某些溶剂中链的支化破坏了分子的规整性 使其密度 结晶度 熔点 硬度等都比线型高聚物低 长支链的存在对聚合物的物理机械性能影响不大 但对其溶液的性质和熔体的流动性影响较大 交联高分子在任何溶剂中都不能溶解 受热时也不熔融 在交联度不太大时能在溶剂中发生一定的溶胀 热固性塑料具有良好的强度 耐热性和耐溶剂性 硫化橡胶为轻度交联高分子 具有可逆的高弹性能 二 支链 交联和端基 39 端基含量很少 却对聚合物的性能 尤其是热稳定性有直接影响 对聚合物性能的影响 封端处理 利用适当的化学反应 消除端基的活性 封闭端基可提高其耐热性能 聚甲醛 羟端基聚碳酸酯 羟端基 酰氯端基 4 端基端基是指高分子链终端的化学基团 通常与分子链有不同的组成 二 支链 交联和端基 40 构型 Configuration 分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列 这种排列是稳定的 要改变构型必须经过化学键的断裂和重组 高分子的构型 旋光异构 几何异构 链接异构 全同立构间同立构无规立构 反式构型顺式构型 头 头结构头 尾结构尾 尾结构 三 高分子链的构型 41 1 旋光异构 空间立构 饱和碳氢化合物分子中的碳 以4个共价键与4个原子或基团相连 形成一个正四面体 当4个基团都不相同时 该碳原子称作不对称碳原子 以C 表示 这种有机物能构成互为镜影的两种异构体 表现出不同的旋光性 称为旋光异构体 d型 l型 三 高分子链的构型 42 全同立构 或等规立构 当取代基全部处于主链平面的一侧或者说高分子全部由一种旋光异构单元键接而成 间同立构 或间规立构 取代基相间的分布于主链平面的二侧或者说两种旋光异构单元交替键接 无规立构 当取代基在平面两侧作不规则分布或者说两种旋光异构体单元完全无规键接时 三 高分子链的构型 43 2 几何异构 顺反异构 在1 4加聚的双烯类聚合物中 主链含有双键 由于主链双键的碳原子上的取代基不能绕双键旋转 当组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时 即可形成顺式 反式两种构型 它们称作几何异构体 双键上基团在双键一侧的为顺式 在双键两侧的为反式 三 高分子链的构型 44 三 高分子链的远程结构 一 高分子链的内旋转与构象高分子的主链通常不是伸直的 它可以卷曲起来 在空间采取各种形态 这种不规则地蜷曲的高分子链的构象称为无规线团 高分子在运动时C C单键可以绕键轴旋转 称为内旋转 高分子的构象 conformation 可定义为由于单键的内旋转而产生的分子在空间的不同形态 分子主链中单键 键 的内旋转是导致高分子链呈卷曲构象的原因 45 柔顺性 是高分子链能够改变其构象的性质 柔顺性是高分子材料的性能不同于小分子物质的主要原因 高分子链类似一根绳子 为不规则地蜷曲的无规线团 单键的内旋转是导致高分子链呈蜷曲构象的原因 单键的内旋转是高分子链能够改变构象的原因 单键的内旋转也是高分子链的柔顺性的原因 分子结构影响单键的内旋转位垒 那么高分子结构也影响高分子链的柔顺性 内旋转愈容易 则链的柔顺性愈好 二 高分子链的柔性 46 第三节高分子聚集态结构 三次结构 聚集态结构指高分子链间的几何排列 聚集态结构包括 晶态结构非晶态结构取向结构织态结构 结构的产生强烈依赖于加工成型条件 47 一 分子间作用力范德华力静电力诱导力色散力 非极性高聚物中的分子间作用力主要是色散力 氢键 第三节高分子聚集态结构 三次结构 48 一 分子间作用力范德华力和氢键又称为次价力 化学键能称主价力 次价力虽小 但由于其加和性 大大超过主价力 次价力对高分子材料的耐热性 溶解性 机械强度影响大 分子间作用力的大小一般用内聚能或内聚能密度表示 内聚能是汽化或溶解所需要的总能量 第三节高分子聚集态结构 三次结构 49 二 聚合物的结晶态 一 结晶聚合物的主要特征1 结晶结构的基本单元是链段 仅有少数聚合物是以整个分子链排入晶格 2 聚合物只能部分结晶 结晶部分与非结晶部分共存 3 结晶聚合物的熔点不是单一温度 而是从预熔到全熔的一个温度范围 即熔程 熔点是指完全熔化时的温度 第三节高分子聚集态结构 三次结构 50 结晶度 试样中结晶部分的重量百分数或体积百分数 重量百分数 体积百分数w 重量v 体积c crystalline 结晶 a amorphous 无定形 二 聚合物的结晶过程 51 1 凡能结晶的聚合物从熔体冷却到熔点与玻璃化温度之间的某一温度都能产生结晶 2 结晶分为成核阶段和生长阶段 3 成核阶段 高分子链规则排列生成热力学稳定的晶核 4 成核方式有均相成核和异相成核 5 均相成核 处于无定形状态的高分子链由于过冷或过饱和形成晶核的过程 6 异相成核 高分子链吸附在外来固体物质表面或吸附在熔体未破坏晶种表面形成晶核的过程 7 生长阶段 高分子链进一步在晶核表面凝集使晶核长大 二 聚合物的结晶过程 52 三 影响结晶过程的因素 1 链对称性化学结构越简单 链取代基越小 链的对称性越高 结晶能力越高2 链规整性规整性越高 结晶越容易 无规立构聚丙烯 聚苯乙烯不能结晶 全同立构和间同立构的上述两种聚合物就容易结晶 均聚物比共聚物结晶能力高 53 3 分子间相互作用分子间氢键使结晶能力上升 有氢键使分子间力增大 也使分子变得刚硬 4 支化越多 结晶下降 因为支化的分子链不规整 难以结晶 交联越多 结晶也下降 因为交联的分子链不规整 难以结晶 三 影响结晶过程的因素 54 5 杂质1 能阻碍结晶2 能加速结晶 这一类起到晶核的作用称为成核剂 成核剂可以大大加速结晶速度 成核剂多 球晶长不大 结晶速度大 结晶度大 成核剂少 结晶速度小 结晶度小 三 影响结晶过程的因素 55 1 同一种单体 用不同的聚合方法或不同的成型条件 可以获得结晶或不结晶的高分子材料 2 结晶度增加时 硬度 冲击强度 拉伸强度 伸长率 蠕变 应力松弛等力学性能会发生变化3 结晶度增大 密度增大 密度不同 因而对光的折光率也不相同 四 结晶对聚合物性能的影响 56 两相结构模型 聚合物具有晶区和非晶区两相并存的特殊结构 并且每一个高分子链可以贯穿好几个晶区和非晶区 在非晶区中分子链仍保持卷曲和相互缠结状态 无规线团模型 非晶态中的高分子链 无论是处于玻璃态 高弹态 还是熔融态 都象无扰状态下高分子溶液中的分子链一样呈无规线团的构象 高分子链之间可以相互贯穿 彼此缠结 而线团内的空间则被相邻的分子所占有 不存在局部有序的结构 整个非晶态固体呈均相结构 五 高分子聚集态结构模型 57 三 聚合物的取向态 一 聚合物的取向模型1取向线性高分子充分伸展时 长度与宽度相差极大 几百 几千 几万倍 这种结构上时悬殊的不对称性使它们在某些情况下很容易沿某个特定方向占优势平行排列 这种现象就称为取向 2取向态和结晶态相同 都与高分子有序性相关相异 取向态是一维或二维有序 结晶态是三维有序 58 3 单轴取向材料仅沿一个方向拉伸 长度增大 厚度和宽度减小 高分子链或链段倾向沿拉伸方向排列 在取向方向上 原子间以化学键相连 59 4 双轴取向材料沿两个相互垂直的方向 X Y 拉伸 面积增大 厚度减小 高分子链或链段倾向于与拉伸平面 X Y平面 平行排列 在X Y平面上分子排列无序 是各向同性的 即在X Y平面上各个方向都有原子与原子间的化学键存在 y 60 5 整链取向整个分子链沿受力方向排列 其局部链段不一定取向 又称大尺寸取向 6 链段取向链段取向而大分子链排列处于无规状态 又称小尺寸取向 61 二 聚合物取向后的性能变化 在取向方向上的机械强度增大 单轴取向只提高拉伸方向强度 而垂直方向的强度不变或者下降 双轴取向对两个方向强度均有改善 取向是一种分子链有序化的过程 有利于聚合物结晶 62 四 高分子的织态结构 一 织态结构的形成1 织态结构 在聚合物内掺杂有添加剂或其它杂质 或者将性质不同的两种聚合物混合起来称为多组分复合材料即所谓的织态结构 更高层次的一类结构 2 将两种或两种以上的高分子材料加以物理混合使之成为混合物的过程称为共混 得到的混合物称为共混聚合物3 绝大多数高分子之间的混合物不能达到分子水平的混合 也就是说不是均相混合物 而是非均相混合物 俗称 两相结构 63 典型的织态结构模型组分A增加 组分B减少 64 1 共混聚合物性能取决于各组分的性质 配比和混合状态 2 两组分的内聚能相差大 混容性很差 不能相互均匀分散 共混后性能不好 3 内聚能相近 相容性好的聚合物共混后性能改善不大 4 性能不同 仍有一定混容性的聚合物共混 能得到较优良的性质 二 共混聚合物的性能 65 第二章高分子化学 66 聚合反应 由低分子单体合成高分子化合物的化学反应 早期 根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应 加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚合反应 其聚合产物称加聚物 缩聚反应是指聚合产物的分子组成比单体分子少若干原子 即在聚合反应过程中伴随有水等小分子副产物生成 其聚合产物称缩聚物 第一节聚合反应 67 根据聚合机理的不同 分为链锁聚合和逐步聚合 链锁聚合反应是指在聚合反应由链引发 链增长和链终止几步基元反应组成 特征 瞬间形成分子量很高的聚合物 分子量随反应时间变化不大 反应需要活性中心 进行连锁聚合反应的单体主要是烯类 二烯类化合物根据活性中心不同 连锁聚合反应又分为 第一节聚合反应 自由基聚合 活性中心为自由基阳离子聚合 活性中心为阳离子阴离子聚合 活性中心为阴离子配位离子聚合 活性中心为配位离子 68 第一节聚合反应 逐步聚合反应 反应早期 单体很快消失 转变成二聚体 三聚体 四聚体等中间产物 以后反应在这些低聚体之间进行 分子量随反应时间逐步增加 聚合体系由单体和分子量递增的中间产物所组成大部分的缩聚反应 反应中有低分子副产物生成 都属于逐步聚合 单体通常是含有官能团的化合物 69 一 自由基聚合反应 自由基聚合 是单体经外因作用形成单体自由基活性中心 再与单体连锁聚合形成聚合物的化学反应 特点 反应开始时必须首先产生自由基活性中心 70 一 自由基的产生与活性1 引发剂 在一定条件下能打开碳碳双键进行连锁聚合的化合物 1 热解型引发剂 受热在弱键处均裂生成初级自由基 I 偶氮类偶氮二异丁腈 AIBN II 过氧化物类 过氧化二苯甲酰 BPO 2 氧化还原型引发剂 在过氧化物类引发剂中加入少量还原剂 亚铁盐或亚硫酸盐 硫醇等 一 自由基聚合反应 71 2 引发活性与引发效率半衰期t1 2越小 引发剂活性越高 分解速率常数越大 引发聚合的部分引发剂引发效率 100 引发剂分解总量 3 引发剂的选择 1 根据聚合实施方法来选择 2 根据聚合温度和引发剂的半衰期来选择 72 二 自由基聚合机理 有兴趣的同学课下自学 73 三 自由基聚合反应的特征 1 可概括为慢引发 快增长 速终止 2 聚合体系中只有单体和聚合物组成 3 单体转化率随聚合时间的延长而逐渐增大 4 小量 0 01 0 1 阻聚剂足以使自由基聚合终止 74 四 自由基聚合产物的分子量 单体浓度 分子量 引发剂浓度 分子量 温度 分子量 75 共聚合 由两种或两种以上单体共同参加的聚合反应 所形成的聚合物含两种或多种单体单元 称做共聚物 特点 聚合物组成与单体配料组成不同 聚合先后期生成的产物组成不同 意义 增加品种 扩大应用范围 扩大合成聚合物的原料范围 二 自由基共聚合 76 一 离子型聚合 链增长活性中心为离子的聚合反应 阳离子 阴离子 配位离子型聚合 1 阴离子型聚合适用的引发剂和单体 单体 单体必须含有能使链增长活性中心稳定化的吸电子基团 主要包括带吸电子取代基的乙烯基单体 一些羰基化合物 异氰酸酯类和一些杂环化合物 如 三 离子型聚合及开环聚合 77 引发剂 具有亲核能力的亲核试剂 多为碱性物质 催化能力的大小取决于各催化剂的碱性强弱 碱性越强其催化能力越大 同时还取决于与单体的匹配情况 78 2 阴离子聚合反应机理 有兴趣的同学课下自学 79 3 阴离子型聚合反应的分子量及分子量分布聚合产物的分子量与单体浓度成正比 与引发剂浓度成反比 分子量分布非常窄 4 影响阴离子型聚合反应的因素溶剂和反离子性质 温度 随反离子的离子半径增加 离子对间距离增大 库仑静电吸引力减小 单体容易插入 反应速率随反离子半径增加而增大 温度的影响比较复杂 一般升高温度使聚合速率降低 聚合度下降 80 四 缩聚反应 定义 由含有两个或两个以上官能度的单体分子间逐步缩合聚合形成聚合物 同时析出低分子副产物的化学反应 分类 A 线型缩聚反应 B 体型缩聚反应 81 1 逐步聚合反应的特点 1 逐步性 缩聚反应没有特定的活性中心 反应开始 单体迅速消失 转化率较高 反应体系中存在着分子量递增的一系列中间产物 延长聚合时间主要目的在于提高产物聚合度 对单体转化率几乎无影响 官能团等活性 官能团的反应活性只与官能团的种类有关 而与所连接的分子链的长短无关 2 成环性 3 可逆性 一 线型缩聚反应 82 2 线型缩聚反应分子量的控制 i 控制反应程度ii 调节起始单体的官能团配比不等于1iii 加入单官能团的封端剂 分子量调节剂 iii 不断除去生成的小分子 则可提高聚合度 iv 提高反应温度 有利于高聚物的形成 v 减小压力有利于小分子的除去 从而提高反应程度 得到高分子量的聚合物 83 二 体型缩聚反应 但当两种单体的官能度等于3或以上时 或其中的一种官能度等于3或以上时 即单体的平均官能度f 2时 聚合产物为非线型产物 即体型或支链型聚合物 特点 反应进行到某一程度时 会出现凝胶化 对应于凝胶化出现时的反应程度就称为凝胶点Pc 根据体型聚合的特点 把聚合过程分为三个阶段 甲 A 阶段 起始至PPc 不能软化 也不能溶解 84 一 本体聚合 只有单体本身在引发剂或热 光 辐射的作用下进行的聚合 本体聚合 二 溶液聚合 把单体和引发剂溶在适当溶剂中进行聚合 优点是体系粘度低 传热 混合容易 温度易于控制 缺点是聚合度较低 产物常含少量溶剂 使用和回收溶剂需增加设备投资和生产成本 三 悬浮聚合 单体以小液滴状悬浮在水中的聚合 散热容易 产物易洗涤 分离 纯度较高 缺点是产物容易粘壁 影响聚合釜传热和生产周期 五 聚合方法 85 四 乳液聚合 单体在水介质中由乳化剂分散成乳液状进行的聚合 其特点是速度快 产物分子量大 体系粘度低 易于散热 缺点是乳化剂等不易除净 影响产物性能 五 界面缩聚 将两种单体分别溶于两种不互溶的溶剂中 再将这两种溶液倒在一起 在两液相的界面上进行缩聚反应 聚合产物不溶于溶剂 在界面析出 六 辐射聚合 以电磁辐射引发和增长的聚合反应 86 第二节聚合物的化学反应 分类 基团反应 聚合度不变的反应 交联反应 聚合度变大的反应 降解反应 聚合度变小的反应 87 一 聚合物的化学反应的特征 1 反应的不均匀性 具有局部反应的特点 2 产物不纯 副反应多 3 在基团转化率不高的情况下 聚合物的性质可能发生较大的变化 88 二 影响大分子链上官能团反应能力的因素 1 扩散因素对官能团反应能力的影响非均相反应时 反应只发生在无定形区的分子链上的官能团 而即使在无定形区 在玻璃态时也难以进行大分子反应 这就是所谓的晶态和玻璃态造成的化学惰性 均相反应时 由于反应过程中结构和组成的变化 反应体系的物理性质也相应地变化 如 粘度 沉淀 凝胶的出现等 因而阻碍或促进了分子链上官能团的反应能力 使其不再等活性 聚合物链的构象对官能团的反应能力也有显著的影响 89 2 分子链上邻近基团对官能团反应能力的影响 邻近基团的影响可分为静电 排斥或吸引 作用 空间阻碍作用 邻近基团越大 对反应基团的屏蔽越大 化学试剂越难以与反应基团接触 90 三 聚合物的基团反应 制备改性聚合物的常用方法 主要有酯化 醚化 卤化 磺化 硝化 酰胺化以及大分子链的环化反应 含不饱和键的加氢反应等 91 四 聚合物的交联反应 明胶微囊的固化交联 92 五 聚合物的降解反应 聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械力 热 高能辐射 超声波 化学试剂或微生物等的作用下 分裂成较小聚合度产物的反应过程 应用 控制药物的释放速度 环保 防老化 93 一 热降解 指聚合物在单纯热的作用下发生的降解反应 可有三种类型 无规断链反应 在这类降解反应中 高分子链从其分子组成的弱键发生断裂 分子链断裂成数条聚合度减小的分子链 分子量下降迅速 但产物是仍具有一定分子量的低聚物 难以挥发 因此重量损失较慢 如聚乙烯的热降解 94 b 解聚反应 在这类降解反应中 高分子链的断裂总是发生在末端单体单元 导致单体单元逐个脱落生成单体 是聚合反应的逆反应 解聚反应是自由基链式反应 发生解聚反应时 由于是单体单元逐个脱落 因此聚合物的分子量变化很慢 但由于生成的单体易挥发导致重量损失较快 95 c 侧基脱除热降解 聚合物热降解时主要以侧基脱除为主 并不发生主链断裂 典型的如聚氯乙烯的脱HCl 聚醋酸乙烯酯的脱酸反应 96 二 其他降解反应 1 光降解 聚合物受光照 当吸收的光能大于键能时 便会发生断键反应使聚合物降解 2 机械降解 通过机械力使聚合物主链断裂 分子量降低 机械降解通常发生在橡胶塑料和某些聚合物的加工成型中 3 化学降解 聚合物曝露在空气中易发生氧化作用在分子链上形成过氧基团或含氧基团 而引起分子链断裂及交联 使聚合物变硬 变色 变脆等 可在较低温条件下发生 97 三 生物降解反应 聚合物在生物环境中 水 酶 微生物等作用下 大分子的完整性受到破坏 产生碎片或其他降解产物的现象 1 降解形式 水解和酶解2 应用 医药 医用外科缝线 药物缓释体系 和农业 地膜 包装 3 种类 天然 蛋白质 壳多糖 纤维素等 和合成 聚酯 聚酰胺 聚原酸酯 聚酸酐等 98 4 降解机理 化学降解 主链上不稳定键断裂 侧基水解 交联链断裂 物理降解 表面降解 本体降解 99 5 影响聚合物降解速率的因素 化学键的类型水解速率 聚酸酐 聚原酸酯 聚酯 聚酰胺 结晶度和分子量结晶度高 降解速率慢 分子量大时 价键数多 要全部水需要较长时间 亲水性和疏水性亲脂性聚合物 水解速度低 增加聚合物的亲水性组分含量 降解速度增加 100 pH值不同聚合物 水解所需的pH值不同 聚合物降解后生成的物质酸碱性如何 对聚合物以后的降解会产生影响 酶降解催化活性高 选择性好 专一性 共聚物组成 残留单体和其他小分子物质的存在 其他因素 101 六 聚合物的老化与防老化 一 聚合物的老化 是指聚合物在加工 贮存及使用过程中 其物理化学性能及力学性能发生不可逆坏变的现象 热 光 电 高能辐射和机械应力等物理因素以及氧化 酸碱 水等化学作用 以及生物霉菌等都可导致聚合物的老化 102 二 防老化 1 采用合理的聚合工艺路线和纯度合格的单体及辅助原料 或针对性的采用共聚 共混 交联等方法提高聚合物的耐老化性能 2 采用适宜的加工成型工艺 包括添加各种改善加工性能的助剂和热 氧稳定剂等 防止加工过程中的老化 防止或尽可能减少产生新的老化诱发因素 103 第三章高分子材料的物理化学性质 104 第一节高分子溶液的理化性质 一 溶解与溶胀 由于聚合物分子量大 具有多分散性 可有线形 支化和交联等多种分子形态 聚集态又可表现为晶态 非晶态等 因此聚合物的溶解现象比小分子化合物复杂的多 具有许多与小分子化合物溶解不同的特性 105 1 聚合物的溶解是一个缓慢过程 包括两个阶段 1 溶胀 由于聚合物链与溶剂分子大小相差悬殊 溶剂分子向聚合物渗透快 而聚合物分子向溶剂扩散慢 结果溶剂分子向聚合物分子链间的空隙渗入 使之体积胀大 但整个分子链还不能做扩散运动 2 溶解 随着溶剂分子的不断渗入 聚合物分子链间的空隙增大 加之渗入的溶剂分子还能使高分子链溶剂化 从而削弱了高分子链间的相互作用 使链段得以运动 直至脱离其他链段的作用 转入溶解 当所有的高分子都进入溶液后 溶解过程方告完成 106 有些溶胀的聚合物在升温条件下 可以促进分子链的运动使之易分离而发生溶解 升温可促进溶解 增加溶解度 对于一些交联聚合物 由于交联的束缚 链与链之间形成化学键 即使升高温度也不能使分子链挣脱化学键的束缚 因此不能溶解 但交联点之间的链段可发生弯曲和伸展 因此可发生溶胀 2 聚合物的溶解度与分子量有关 一般分子量越大 溶解度越小 反之 溶解度越大 分子量相同时 支化的比线型的更易溶解 107 3 非极性晶态聚合物比非晶态聚合物难溶解 由于非极性晶态聚合物中分子链之间排列紧密 相互作用强 溶剂分子难以渗入 因此在室温条件下只能微弱溶胀 只有升温到其熔点附近 使其晶态结构熔化为非晶态 才能溶解 如线形聚乙烯 但极性较强的晶态聚合物由于可与极性溶剂之间形成氢键 而氢键的生成热可破坏晶格 使溶解得以进行 晶态聚合物的结晶度越高 溶解越困难 溶解度越小 108 恒温恒压下 G H T S 0 极性高聚物在极性溶剂中 溶解是放热的 HM 0 使 GM 0 溶解过程自发进行 非极性高分子溶解时一般是吸热 HM 0 升高温度T或减小 HM才有可能使体系自发进行 二 聚合物溶解过程的热力学 混合热 混合熵 109 根据经典的Hildebrand溶度公式 混合热为 HM V1 2 1 2 2 1 2 只适用于非极性溶质和溶剂的相互混合 溶质和溶剂的溶度参数愈接近 差值不超过 1 5 则 HM愈小 愈能满足自发的条件 溶度参数值等于内聚能密度的平方根 溶度参数的测定 粘度法或溶胀度法 溶液总体积 溶度 体积分数 110 1 溶度参数相近原则 对于非晶态的非极性聚合物 选择溶度参数相近的溶剂即可 若 1 2 1 7 2 0时 高分子不溶于溶剂中 有时也可选用混合溶剂 混 1 1 2 2 三 溶剂的选择 对于非晶态的极性高聚物 既要符合溶度参数相近原则 又要符合 极性相近 的原则 2 极性相似相溶原则 111 3 溶剂化原则 极性高分子溶解在极性溶剂中的过程 是极性溶剂分子 含亲电基团或亲核基团 和高分子的 亲核或亲电 极性基团相互吸引产生溶剂化作用 使高分子溶解 溶剂化作用是放热的 因而对于有这些基团的聚合物 要选择相反基团的溶剂 比如尼龙6是亲核的 要选择甲酸 间甲酚等带亲电基团的溶剂 相反聚氯乙烯是亲电的 要选择环己酮等带亲核基团的溶剂 结晶性极性高聚物 如果能与溶剂生成氢键 即使温度很低也能溶解 如尼龙在室温下能溶于甲酸 冰醋酸 浓硫酸和酚类 112 四 凝胶 海参有一个特性 如果有谁用手去碰一下它柔软的身体 它就会一下变得象木头一样坚硬 但如果将它在手中紧捏一会 它就会慢慢地溶变成滑溜溜的液体从你手中逃走 113 其实 隐型眼镜就是由凝胶制作而成的 114 简单地说 凝胶是由液体与高分子网络所组成的 由于液体与高分子网络的亲和性 液体被高分子网络封闭在里面 失去了流动性 因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状 115 一 凝胶的结构和性质 物理凝胶 化学凝胶 由范德华力交联形成 加热可以拆散范德华力交联 使冻胶溶解 是高分子链之间以化学键形成的交联结构的溶胀体 加热不能溶解也不能熔融 1 凝胶的结构和类型 影响胶凝作用的因素 浓度 温度 电解质 116 2 凝胶的性质 1 触变性 物理凝胶受外力作用 网状结构被破坏而变成流体 外部作用停止后 又恢复成半固体凝胶结构 这种凝胶与溶胶相互转化的过程 称为触变性 2 溶胀性 指凝胶吸收流体后自身体积明显增大的现象 是弹性凝胶的重要特性 溶剂与高分子链的亲和性越好 凝胶就越能膨胀 交联点的数量越少 膨胀程度越大 有的凝胶能在良性溶剂中膨胀几百倍甚至几千倍 117 3 脱水收缩性 溶胀的凝胶在低蒸气压下保存 流体缓慢地自动从凝胶中分离出来的现象 4 透过性 凝胶与流体性质相似 可以作为扩散介质 118 二 功能水凝胶 1 功能水凝胶的结构及分类 结构中通常中 OH CONH CONH2 COOH和 SO3H等亲水基团 119 分类 天然水凝胶 合成水凝胶 电中性水凝胶 离子型水凝胶 阳离子型 阴离子型 两亲离子型 传统水凝胶 智能水凝胶 120 2 水凝胶的溶胀行为及其影响因素 1 水凝胶在水中可显著溶胀离子基团 解离 相同电荷解离基团 静电斥力 高分子链进一步伸展 水分子进入 溶胀 2 某些水凝胶的溶胀性随外界溶胀条件的变化而发生变化 121 3 水凝胶的应用胰岛素缓释装置 这种装置实际上是将半透膜加工成一个小袋子 通过外科手术将此小袋植入体内 在袋内装入一种特殊的对pH和温度双重敏感的水凝胶 在此凝胶中预先溶入胰岛素和对葡萄糖敏感的葡萄糖氧化酶等成分 在体内温度下 凝胶呈固态 当血糖浓度足够高时 葡萄糖酶催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸 使凝胶酸度增大 凝胶溶胀 胰岛素释放速度加快 使血糖水平降低 当血糖水平恢复正常后 酸度降低 凝胶收缩 胰岛素释出速度减缓 122 GelSciences GelMed公司正在开发一种商品名为SmartHydrogel的产品 这种凝胶产品不仅对温度敏感 对剪切力也很敏感 而且可粘附在生物组织上 该产品将主要用于药物输运和皮肤保养 以此种凝胶为基质 该公司开发出了一种性能特异的眼药 与传统眼药相比 这种眼药滴眼时为液体 但在眼温下为粘性流体 眼睛眨动的剪切力作用使其又变为液体 液态有利于药物释放 粘流态有利于药物保存 用这种材料制成的眼药持效时间可达几个小时 使给药次数大大减少 123 PVP水凝胶是第一个用做病变玻璃体替代物的合成高聚物 作为一种优异的病变玻璃体替代物 PVP水凝胶具有良好的生物相容性和生物物理光学特性 其网状支架对眼球内的新陈代谢成分具有良好的通透性 另外 PVP水凝胶具有粘弹性 表现出良好的内填充作用 可以封闭裂孔 展平视网膜 Goldberg曾研制出PVP水凝胶作为人工玻璃体材料 获得美国专利 124 第二节高分子的分子量及分子量分布 一 概述 一 高分子分子量的特点 1 分子量大 2 具有多分散性 125 假定在某一高分子试样中含有若干种相对分子质量不相等的分子 该试样的总质量为w 总摩尔数为n 种类数用i表示 第I种分子的相对分子质量为Mi 摩尔数为ni 重量为wi 在整个试样中的重量分数为Wi 摩尔分数为Ni 则这些量之间存在下列关系 126 1 数均分子量 2 重均分子量 127 3 粘均分子量 这里的a是分子量常数 可由 KMa公式求出 128 二 分子量分布表示方法 1 多分散系数 HI HI越大 分子量分布越宽 单分散系聚合物HI 1 一般聚合物的HI在1 5 2 0之间 129 2 分子量分布曲线 a 微分重量分布曲线 b 积分重量分布曲线 130 三 分子量及其分布对聚合物性能的影响 聚合物有许多重要特性的一个根本原因是相对分子质量大 因而随相对分子质量增大聚合物的许多性能发生了变化 变化趋势如下 1 一般而言 抗张强度 抗冲击强度 硬度 粘合强度随聚合物分子量增加而增加 但大到某一程度后上述各性能的提高速度减慢 最后趋于某一极值 称临界相对分子质量 2 黏度增加 熔融指数下降 可加工性下降 溶解速率下降 3 药用高分子材料中很多品种的规格都是根据分子量的不同进行分类的 131 一 分子量测定方法1 端基分析 适用于化学结构已知 且链端带有可用化学方法作定量分析的基团的高聚物 二 分子量及其分布的测定方法 2 粘度法 根据Mark Houwink方程 kMa 优点 仪器设备简单 操作便利 测定和数据处理周期短 又有相当好的实验精确度 3 光散射法 利用溶液的光散射性质测定溶质的分子量 分子大小及形状的一种方法 132 133 二 分子量分布测定 1凝胶色谱法按分子体积的大小进行分离的一种色谱法 2相平衡分级法溶解分级 沉淀分级等 134 第三节聚合物的力学状态及高分子材料的力学性质 135 一 温度与力学状态 一 高分子分子运动的特点 1 运动单元的多重性 聚合物的分子运动可分小尺寸单元运动 即侧基 支链 链节 链段等的运动 和大尺寸单元运动 即整个分子运动 136 3 聚合物的分子运动与温度有关 温度升高作用有两种作用 增加能量 使聚合物体积膨胀 扩大运动空间 2 聚合物分子的运动是一个松弛过程 在一定的外力和温度条件下 聚合物从一种平衡状态通过分子热运动达到相应的新的平衡状态需要克服运动时运动单元所受到的大的内摩擦力 这个克服内摩擦力的过程称为松弛过程 松弛过程是一个缓慢过程 137 若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力 观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系 便得到该聚合物试样的温度 形变曲线 二 高分子的物理状态 138 在区域I 温度低 聚合物在外力作用下的形变小 具有虎克弹性行为 形变在瞬间完成 当外力除去后 形变又立即恢复 表现为质硬而脆 这种力学状态与无机玻璃相似 称为玻璃态 分子链和链段都不能运动 139 随着温度的升高 形变逐渐增大 当温度升高到某一程度时 形变发生突变 进入区域II 这时即使在较小的外力作用下 也能迅速产生很大的形变 并且当外力除去后 形变又可逐渐恢复 这种受力能产生很大的形变 除去外力后能恢复原状的性能称高弹性 相应的力学状态称高弹态 高弹态 分子链不能运动 但链段可以运动 140 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 Ma Mb Mb 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 glasstemperature 以Tg表示 141 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 Ma Mb Mb Ma 分子链可以运动 142 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 Ma Mb Mb Ma 玻璃态 高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态 143 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 三 高分子的热转变 Tg的影响因素 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 144 2 粘流温度 当温度高于非晶态聚合物的Tf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 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 145 一 弹性模量 材料在外力作用下 其几何形状和尺寸所发生的变化称应变或形变 材料在外力作用下发生形变的同时 在其内部还会产生对抗外力的附加内力 以使材料保持原状 当外力消除后 内力就会使材料回复原状并自行逐步消除 当外力与内力达到平衡时 内力与外力大小相等 方向相反 单位面积上的内力定义为应力 二 药用剂型加工中高分子材料的主要力学性能 146 A0 l0 l Dl A F F 材料受力方式主要有以下三种基本类型 简单拉伸 147 简单剪切 A0 F F 148 均匀压缩 A0 149 是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小 是材料刚性的一种表征 弹性模量 150 硬度 是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标 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 1 抗张强度衡量材料抵抗拉伸破坏的能力 也称拉伸强度 二 硬度和强度 151 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 152 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 153 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 冲击头 以一定速度对试样实施冲击 154 三 粘弹性 理想弹性体 如弹簧 在外力作用下平衡形变瞬间达到 与时间无关 理想粘性流体 如水 在外力作用下形变随时间线性发展 聚合物的形变与时间有关 但不成线性关系 两