高分子材料的物理化学性质

1、第三章第三章 高分子材料的物理化学性质高分子材料的物理化学性质 （一）弹性模量（一）弹性模量 应变应变：材料在受外力作用而不产生惯性：材料在受外力作用而不产生惯性 移动时，物体相应外力所产生的形变为应变。移动时，物体相应外力所产生的形变为应变。 应力应力：材料宏观变形时，其内部产生与：材料宏观变形时，其内部产生与 外力相抗衡的力，称为应力。外力相抗衡的力，称为应力。 四、高分子材料的力学性能四、高分子材料的力学性能 A0 l0 l D D l A F F 材料受力方式主要有以下三种基本类型：材料受力方式主要有以下三种基本类型： 简单拉伸简单拉伸 简单剪切简单剪切 A0 F F 形状改变而体积不

2、变形状改变而体积不变 均匀压缩均匀压缩 A0 体积改变而形状不变体积改变而形状不变 是指在弹性形变范围内是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的单位应变所需应力的 大小大小。是材料刚性的一种表征。分别对应于以上。是材料刚性的一种表征。分别对应于以上 三种材料受力和形变的基本类型的模量如下：三种材料受力和形变的基本类型的模量如下： 拉伸模量拉伸模量（杨氏模量）（杨氏模量）E E：E E = = / / 剪切模量剪切模量（刚性模量）（刚性模量）G G：G G = = s s / / 体积模量体积模量（本体模量）（本体模量）B B：B B = = p p / / V V 弹性模量弹性模量 硬度硬度：是

3、衡量材料表面承受外界压力能力的一种：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种 指标。指标。 硬度的大小与材料的硬度的大小与材料的拉伸强度拉伸强度和和弹性模量弹性模量 有关。有关。 强度强度：是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在：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。一定条件下材料所能承受的最大应力。 （二）硬度和强度 厚度厚度d 宽度宽度b P 试样断裂前所受的最大负荷试样断裂前所受的最大负荷P P与试样横截面积与试样横截面积 之比为抗张强度之比为抗张强度 t t： t t = = P P / / b b d d 1、拉伸拉伸强度强度 衡量材料抵抗衡量材料抵抗拉伸

4、拉伸破坏的能力，也称破坏的能力，也称拉伸拉伸 强度强度。 P d b l0/2l0/2 抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图 2、抗弯强度、抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。设试验过程中也称挠曲强度或弯曲强度。设试验过程中 最大的负荷为最大的负荷为P，则抗弯强度，则抗弯强度 f为：为： f = 1.5Pl0 / bd2 3、冲击强度、冲击强度（ i） 冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲定义为试样受冲 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。材料韧性的一种指标。 冲击头，以一定速冲击头，以一定速 度对试样实

5、施冲击度对试样实施冲击 P b l0/2l0/2 d （1 1）聚合物自身的结构）聚合物自身的结构：主链中引入芳杂环，可增加链的：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。的提高。 （2 2）结晶和取向）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，增加：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，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。使材料变脆。 （3 3）分子量）分子量：在一定范围内分子量增加，强度增加。：在一定范围内分子

6、量增加，强度增加。 （4 4）应力集中）应力集中：若材料中存在某些缺陷，受力时，缺陷附：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。它部位传递。 4 4、聚合物强度的影响因素、聚合物强度的影响因素 （5 5）惰性填料）惰性填料：有时为了降低成本，在聚合物中加入一：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些只起稀释作用的惰性填料，如在聚合

7、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。酸钙。惰性填料往往使聚合物材料的强度降低。 （6 6）增塑）增塑：增塑剂的加入可使材料强度降低，只适于对：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。弹性、韧性的要求远甚于强度的软塑料制品。 （7 7）外界因素）外界因素：温度、外力作用速度和作用时间对强度：温度、外力作用速度和作用时间对强度 都有影响。都有影响。 高聚物高聚物力学性质随时间而变化的现象力学性质随时间而变化的现象称为力学松弛或粘称为力学松弛或粘 弹现象弹现象 粘弹性分类粘弹性分类 静静态粘弹性态粘弹性 动动态粘弹性态粘弹性 蠕变、应力松

8、弛蠕变、应力松弛 滞后、内耗滞后、内耗 （三）粘弹性（三）粘弹性 1 2+ 3 1 2 3 t2t1 t 应用：应用：蠕变影响了材料的尺寸稳定性。蠕变影响了材料的尺寸稳定性。 例如，精密的机械零件必须采用蠕变小的工程塑料制造；例如，精密的机械零件必须采用蠕变小的工程塑料制造； 相反聚四氟乙烯的蠕变性很大，利用这一特点可以用作很相反聚四氟乙烯的蠕变性很大，利用这一特点可以用作很 好的密封材料（即用于密封水管接口等的好的密封材料（即用于密封水管接口等的“生料带生料带”） 1、蠕变、蠕变 在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间 而逐渐增大的力学松

9、弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。 去外力去外力 2、应力松弛、应力松弛 所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物 内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。 例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后 越来越松。也就是说，越来越松。也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来实现同样的形变量，所需的力越来 越少。越少。 应力松弛同样也有重要的实际意义应力松弛同样也有重要的实际意义。 成型过程中总离不开应

10、力，在固化成制品的过程中应力成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力 来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残 存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛， 从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。 消除的办法消除的办法是退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）是退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽） 以加速应力松弛过程。以加速应力松弛过程。 3.3.滞后现象滞后现象 当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应当外力不是静力，而是

11、交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应 力和应变的关系就会呈现出滞后现象。力和应变的关系就会呈现出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随所谓滞后现象，是指应变随 时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。 例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而 受到的是一个交变力（图受到的是一个交变力（图7-587-58）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是 一会儿大一会儿小的变化。形变总是落后于应力的变化，这种滞后现象的一会儿大一会儿小的变

12、化。形变总是落后于应力的变化，这种滞后现象的 发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的 运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差。相位差越大，。相位差越大， 说明链段运动越困难。说明链段运动越困难。 4.内耗内耗 l轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度， 为什么达到烫手的程度？为什么达到烫手的程度？ l高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受

13、到 外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应 力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这 样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的 自摩擦上，并转化成热量放出。自摩擦上，并转化成热量放出。 l这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称 为为内耗内耗。 l相关应用相关应用 l对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗 才好才好 l对于作为防震材料

14、，要求在常温附近有较大的力对于作为防震材料，要求在常温附近有较大的力 学损耗（吸收振动能并转化为热能）学损耗（吸收振动能并转化为热能） l对于隔音材料和吸音材料，要求在音频范围内有对于隔音材料和吸音材料，要求在音频范围内有 较大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否则发较大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否则发 热过多，材料易于热态化）热过多，材料易于热态化） 五、高分子材料的其他性能 （一）渗透性及透气性（一）渗透性及透气性 高分子材料通过扩散和吸收过程，使气体或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、从浓度液体透过一个表面传递到另一表面渗出、从浓度 高的一侧

15、扩散到浓度低的一侧，这种现象称为渗高的一侧扩散到浓度低的一侧，这种现象称为渗 透性。透性。 影响渗透性的主要因素：温度、极性、分子影响渗透性的主要因素：温度、极性、分子 大小、链的柔性等。大小、链的柔性等。 高聚物的透气性能应用高聚物的透气性能应用 高聚物透气性能的应用高聚物透气性能的应用 透气性能越大越好透气性能越大越好包装薄膜包装薄膜 透气性能越小越好透气性能越小越好 轮胎轮胎 气球气球 真空包装真空包装 气垫船气垫船 橡皮水坝橡皮水坝橡皮水坝 选择性渗透选择性渗透 海水淡化海水淡化 污水处理污水处理 富氧气体富氧气体 物料分离物料分离 （二）胶粘性（二）胶粘性 胶粘性：粘合行为及被粘合行

16、为胶粘性：粘合行为及被粘合行为 粘合过程：粘合过程： 第一阶段：液体胶黏剂分子借助于布朗运动向被粘物表面第一阶段：液体胶黏剂分子借助于布朗运动向被粘物表面 扩散，使两者的急性基团或链节相互靠近；扩散，使两者的急性基团或链节相互靠近； 第二阶段是吸附力的产生，当胶黏剂与被粘物两处分子间第二阶段是吸附力的产生，当胶黏剂与被粘物两处分子间 距离达到距离达到0.5-1nm0.5-1nm，分子便产生相互吸引作用，并使分子间的，分子便产生相互吸引作用，并使分子间的 距离进一步缩短到能够处于最大稳定状态的距离。距离进一步缩短到能够处于最大稳定状态的距离。 影响粘合强度的因素：影响粘合强度的因素： 1.分子量

17、：中等分子量分子量：中等分子量 2.表面粗糙度：粗糙表面提高粘合强度表面粗糙度：粗糙表面提高粘合强度 3.表面处理方法：清洁处理表面处理方法：清洁处理 4.温度和压力：升高温度和提高压力增强粘合温度和压力：升高温度和提高压力增强粘合 第四节第四节 药物通过聚合物的扩散药物通过聚合物的扩散 一、药物通过聚合物的传质过程一、药物通过聚合物的传质过程 贮库式贮库式骨架式骨架式 药物的扩散过程：药物的扩散过程： 药物溶出并进入周围的聚合物或药物溶出并进入周围的聚合物或 孔隙；孔隙； 药物分子扩散通过聚合物屏障；药物分子扩散通过聚合物屏障； 药物由聚合物解吸附；药物由聚合物解吸附； 药物扩散进入体液或介

18、质。药物扩散进入体液或介质。 系统内部的物质在系统内部的物质在 浓度梯度浓度梯度 化学位梯度化学位梯度 应力梯度应力梯度 的推动力下，由于质点的热运动而的推动力下，由于质点的热运动而 导致定向迁移，从宏观上表现为物导致定向迁移，从宏观上表现为物 质的定向输送，此过程叫质的定向输送，此过程叫扩散扩散。 扩散的定义：扩散的定义： 1、 流体中的扩散：流体中的扩散： 特点：特点：具有很大速率具有很大速率和和完全各向同性完全各向同性 2、固体中的扩散固体中的扩散 特点：特点：具有低扩散速率具有低扩散速率和和各向异性各向异性 特点： 间隙原子扩散势场示意图间隙原子扩散势场示意图 G 一、一、 Fick第

19、一定律第一定律 稳定扩散稳定扩散： 扩散质点浓度不随时间变化扩散质点浓度不随时间变化 推动力推动力： 浓度梯度浓度梯度 x J x C 、00 x J t C 、 描述描述： 在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度浓度 不随时间变化不随时间变化，在，在x方向各处方向各处扩散流量相等扩散流量相等。 定律含义定律含义： 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面 积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。 x C D J J 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数

20、(质点数质点数/s.cm2) D 扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量 (m2/s 或或 cm2/s) C 质点数质点数/cm3 “” 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散 )(矢矢量量浓浓度度梯梯度度 x C 表达式： x C D J 此式表明：此式表明： (1) 扩散速率取决于扩散速率取决于 外界条件外界条件 C/ x 扩散体系的性质扩散体系的性质 D D是一个很重要的参数是一个很重要的参数: 扩散系数不是常数，药物扩散系数不是常数，药物 分子的大小、极性、药物在聚合物中的溶解度和聚合分子的大小、极

21、性、药物在聚合物中的溶解度和聚合 物的结构、温度等因素对扩散系数有很大的影响。物的结构、温度等因素对扩散系数有很大的影响。 一、缓控释制剂概述一、缓控释制剂概述 l缓释制剂缓释制剂 l指用药后能在较长时间内持续缓慢释放药指用药后能在较长时间内持续缓慢释放药 物以达到延长药效目的的制剂。物以达到延长药效目的的制剂。 l系指口服药物在规定释放介质中，系指口服药物在规定释放介质中，按要求按要求 缓慢地非恒速释放缓慢地非恒速释放，其与相应的普通制剂，其与相应的普通制剂 比较，每比较，每24h24h用药次数应从用药次数应从3 34 4次减少至次减少至 1 12 2次的制剂。（中国药典）次的制剂。（中国药

22、典） l控释制剂控释制剂 l药物从制剂中按一定规律药物从制剂中按一定规律缓慢、恒速缓慢、恒速释放，释放， 使机体内药物浓度保持相对恒定，体内释使机体内药物浓度保持相对恒定，体内释 药不受药不受pHpH影响。体外释放符合零级方程。影响。体外释放符合零级方程。 l系指口服药物在规定释放介质中，系指口服药物在规定释放介质中，按要求按要求 缓慢地恒速或接近恒速释放缓慢地恒速或接近恒速释放，其与相应的，其与相应的 普通制剂比较，每普通制剂比较，每24h24h用药次数应从用药次数应从3 34 4次次 减少至减少至1 12 2次的制剂。（中国药典次的制剂。（中国药典） 血血 药药 浓浓 度度 l图图1 缓控

23、释制剂与普通制剂比较缓控释制剂与普通制剂比较 时间时间 零级控释制剂 缓释制剂 普通制剂 缓释、控释制剂特点缓释、控释制剂特点 1 1对半衰期短的或需要频繁给药的药物，对半衰期短的或需要频繁给药的药物， 可以减少服药次数。可以减少服药次数。 2 2使血药浓度平稳，避免峰谷现象，有利使血药浓度平稳，避免峰谷现象，有利 于降低药物的毒副作用。于降低药物的毒副作用。 3 3可减少用药的总剂量。可减少用药的总剂量。 如如 硝苯地平：每日口服硝苯地平：每日口服3 3次，每次剂量次，每次剂量 10mg10mg，市售缓释制剂产品有，市售缓释制剂产品有2020、3030、4040、 60mg60mg等品种。等

24、品种。 通常不适宜制成缓、控释制剂的药物 半衰期很短（半衰期很短（24小时）小时） 的药物不适合制成缓释、控释制剂。一般半衰期的药物不适合制成缓释、控释制剂。一般半衰期 为为46小时较适合。小时较适合。 一次剂量很大药物（普通制剂剂量一次剂量很大药物（普通制剂剂量1g）不适合。）不适合。 溶解度太小，吸收无规则或吸收差或吸收受药物溶解度太小，吸收无规则或吸收差或吸收受药物 和机体生理条件影响的药物；具有特定吸收部位和机体生理条件影响的药物；具有特定吸收部位 的药物，如维生素的药物，如维生素B2。 。 有些药物在治疗过程中，需要使血药浓度出现峰有些药物在治疗过程中，需要使血药浓度出现峰 谷现象。

25、如青霉素等抗生素，药物，制成缓控释谷现象。如青霉素等抗生素，药物，制成缓控释 剂型，则容易产生耐药性。剂型，则容易产生耐药性。 二、缓、控释制剂释药原理 （一）（一）亲水性凝胶骨架片亲水性凝胶骨架片 扩散原理扩散原理 缓释片口服后，在胃肠道内由于高分子聚合物遇消缓释片口服后，在胃肠道内由于高分子聚合物遇消 化液逐渐吸水膨胀，药物随亲水凝胶逐渐溶解缓化液逐渐吸水膨胀，药物随亲水凝胶逐渐溶解缓 慢扩散到表面而溶于体液中。慢扩散到表面而溶于体液中。 v常用的亲水凝胶材料：常用的亲水凝胶材料： 羟丙甲纤维素、卡波普、羟丙基纤维素、海藻羟丙甲纤维素、卡波普、羟丙基纤维素、海藻 酸钠、瓜耳豆胶及脱乙壳多糖等。酸钠、瓜耳豆胶及脱乙壳多糖等。 不溶性 溶蚀性 水凝胶 骨架片 骨架片 骨架片 图图2 三种不同骨架片的释药过程示意图三种不同骨架片的释药过程示意图 L CADK dt dMD （二）水不溶性膜材包衣的制剂（二）水不溶性膜材包衣的制剂 如乙基纤维素等包制的微