药用高分子材料学概论长春中医药大学

1、药用高分子材料学概论,全国高等中医院校规划教材,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,一、课程的目的和任务 药用高分子材料学（Polymers in pharmaceuticals）是适用药物制剂发展需要而设置的课程。 目的：使学生了解高分子材料学最基本的理论和药剂学中常用高分子材料的结构、理化性质、性能及用途。 任务： 主要介绍三方面的知识： （1）高分子材料命名、分类、化学结构；合成反应及 化学反应、物理力学性能。 （2）高分子材料的来源、生产、化学结构、理化性质 及应用。 （3）介绍高分子材料用做药用辅料的知识。,一课程的目的和任务,Compa

2、ny Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,二高分子材料在药剂学中的应用,二、高分子材料在药剂学中的应用 药用高分子材料在药剂学中主要是做为药用辅料（Pharmaceutical excipients）. 药用辅料:在药物制剂过程中经过合理的安全评价的组分（不包括生理有效成分或前体）。 药用辅料的作用： （1）有利于成品的加工。 （2）有利于药物制剂的稳定性、生物利用度。 （3）有利于从外观上鉴别药物制剂。 （4）增强药物制剂在贮藏、应用时的安全、有效。,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,(一) 作为片剂和一般固体制剂的辅料： 1、粘合剂：起的主要作用实际上都是使药

3、物粉末结合起来。淀粉、聚维酮、糊精、卡波沫等。 2、稀释剂：稀释剂(或称为填充剂，Fil1ers)的主要作用是用来填充片剂的重量或体积，从而便于压片。微晶纤维素、糊精、淀粉等。 3、崩解剂：是使片剂在胃肠液中迅速裂碎成细小颗粒的物质。海藻酸钠、明胶等。 4、润滑剂：是降低药片与孔壁之间摩擦力的物质。聚乙二醇等。 5、包衣材料：肠溶衣材料、水溶性包衣材料（海藻酸钠、桃胶、 醋酸纤维素酞酸）。,二高分子材料在药剂学中的应用,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,(二) 作为缓释、控释制剂的辅料： 高分子材料在现代药剂学中最重要的用途之一是作为药物传递系统的组件、膜材、骨架。控释

4、、缓释给药的传递机理包括：扩散、溶解渗透、离子交换、高分子枝接等。都要使用高分子材料作为组件、膜材和骨架。,二高分子材料在药剂学中的应用,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,1、用于扩散控释的材料：纤维素衍生物、壳 多糖、尼龙、硅橡胶等。 2、溶解、溶蚀或生物降解材料及能形成水凝胶 的材料：交联羧甲基纤维素纳、甲壳素、明 胶、聚乙二醇等。 3、具有渗透作用的高分子渗透膜：聚乙烯醇、 聚氨酯、乙基纤维素、醋酸纤维素等。 4、离子交换树脂：主要用于离子药物的控制释 放；药用离子交换树脂（polacarilin）如： 二乙烯苯/甲基丙烯酸钾共聚物等。,二高分子材料在药剂学中的应

5、用,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,（三）作为液体制剂或半固体制剂的辅料： 主要作为共熔剂、助悬剂、胶凝剂、乳化剂、分散剂、增溶剂使用 。 包括：纤维素酯、卡波沫、泊洛沙姆、聚维酮等。 （四）作为生物粘着性材料： 粘着于口腔、胃粘膜处。 包括：纤维素醚类、海藻酸、卡波沫等。 （五）作为新型给药装置的组件： 包括：硅橡胶（可作为导尿管或导药管）、聚酰氨、对苯二甲酸树脂等。 （六）作为药物产品的包装材料： 包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。,二高分子材料在药剂学中的应用,Company Logo,绪 论,启古 纳今 厚德 精术,三药用高分子材料的发展概况和展望,三、我国药

6、用高分子材料的发展状况 近10余年，中国已有相当的药用高分子材料被开发应用。 主要类型有： （1） 纤维素及其衍生物（可做为稀释剂、粘合剂等） （2） 丙烯酸树脂（肠溶剂、胃崩型、胃溶型、 渗透型） （3） 合成聚合物（聚维酮、聚乳酸、聚乙烯醇、乳酸/羟基乙 酸共聚物） （4）高分子药品包装材料（塑料、眼药水瓶、软膏管、薄膜 袋、聚氯乙烯和铝箔附合材料泡罩等） 这些药用高分子材料，有些已获批准生产并形成大吨位的生产能力，但与国外相比还有一定差距。,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,一、高分子链的构成 (一)高分子的定义 高分子化合物(macromolecul

7、es)简称高分子，是指分子量很高的一类化合物，其分子链是由许多简单结构单元以一定方式重复连接而成。,如何理解 高分子?,概念掌握要点: 1分子量 2结构单元 3重复单元的连接,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,高分子概念掌握要点: 1.分子量 大多数高分子的分子量在104-106之间，构成的原子数多达103-105个。 2.链与结构单元 聚氯乙烯是由许多氯乙烯结构单元重复连接而成。,3重复单元的连接 高分子化合物是以共价键连接若干个重复单元所形成的以长链结构为基础的大分子量化合物。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第

8、一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,由于高分子的巨大分子量和它们特殊结构，高分子具备着低分子化合物所没有的一系列独特的物理-力学性能，主要表现在： 1高分子具有很大的分子间作用力，通常只能以粘稠的液态或者固态存在，不能汽化；,2.在固态时，其力学性质是弹性与粘性的综合，在一定条件下可以发生相当大的可逆力学形变。,3.在溶剂中，表现出溶胀特性，形成介于固态与液态的中间态，如果在溶剂中溶解，其溶液具有很高的粘度，在适当条件下可以加工成纤维和薄膜材料，表现出高度的各向异性等。,启古 纳今 厚德 精术,

9、Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,正因为高分子的这些独特的物理-力学性能， 使它们能够直接作为材料使用，或者经过某些 加工手段以及加入某些添加剂便之成为优良的 材料，赋予其高机械强度、高弹性和可塑性等 宝贵使用性能，我们通常把来源于高分子化合 物的大量实用性材料，如橡胶、塑料、纤维等， 称为高分子材料。 不同高分子材料表现出高分子特性的最低分子量各不相同，这与高分子的化学组成、几何结构、分子形态等多种结构因素有关。例如聚氯乙烯呈现高分子特性的最低分子量约为5l03，而聚异丁烯和聚碳酸酯则分别为ll03和1105。,启古 纳今 厚德 精术,Company Lo

10、go,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,习惯上，高分子化合物又称聚合物(polymer)。但比较确切地说，聚合物是高聚物(high moleCular polymer)和低聚物(oligomer)二者的总称。,高聚物 如果一个大分子的重复单元很多，减几个单元不影响其物理性质，则称此种聚合物为高聚物。,低聚物 如果组成该大分子的单元数较少，增减几个单元对其物理性质有显著影响或分子中仅有少数几个重复单元，其性质无显著的高分子特性，类同于一般低分子化合物，则称其为低聚物。,对于大多数高分子化合物而言，它们实际上是不同大小分子量的同系混合物，以高聚物为主体，含有少量低聚物，在总体上表现出高分

11、子的物理-力学特征。在本书中，除特别指明外，仍按传统习惯，称高分子为聚合物。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,(二)重复单元,重复单元是高分子链的基本组成单位。,重复单元连接成的线型大分子，类似一条长链，因此有时重复单元称为链节(Link)。,对聚苯乙烯而言，它们的重复单元分别是各自的结构单元。为方便起见，可以用重复单元表示高分子的结构式。如，聚苯乙烯的结构式可改写成：,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,聚氯乙烯、聚苯乙烯结构示意,上式中的中括号表示重复连接，意指整个分子由

12、许多这样的重复单元依次相连成一列组成。n是该大分子重复单元的个数，称为聚合度(degree of polymerization，DP)，它是一个平均值，即该聚合物中所含各同系分子重复单元数的平均值，根据测定或计算的方法不同，得到的平均值的大小和含义有所不同。聚合物的分子量M是重复单元分子量M0与聚合度n的乘积：M=nM0,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,显然： 1、按聚合度计算得到的分子量是聚合物的平均分 子量。 2、上式也可用来计算平均聚合度，例如常用的聚 氯乙烯的分子量为5104-5105，其重复单元 的分子量为62.5，据此可

13、算出其平均聚合度为 800-2400。也就是说，一个聚氯乙烯分子约由 800-2400个氯乙烯结构单元组成。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,1、 习 惯 命 名 法,天然高分子,一般有与其来源、化学性能与作用、主要用途相关的专用名称。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。,二、高 分 子 的 命 名,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,表明产物类型：“聚”+ 两单体生成的产物名称,（2）由两种单体通过缩聚反应合成的高分子：表明或不

14、表明产物类型,对苯二甲酸和乙二醇的缩聚产物：聚对苯二甲酸乙二酯,不表明产物类型：两单体名称或简称加后缀“树脂”，如,苯酚和甲醛的缩聚产物叫“酚醛树脂”,（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物： 两单体名称或简称之间 +“-”+“共聚物”,乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物：乙烯-乙酸乙烯酯共聚物,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,（4） “聚”+高分子主链结构中的特征功能团： 指的是一类的高分子，而非单种高分子，如： 聚酯：,聚酰胺：,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,由一种单体聚合得到的高分子，可以

15、在单体名称前冠以”聚”字，如聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯等，它们分别是乙烯、丙烯、乳酸、甲基丙烯酸甲酯的聚合物。,由2种单体缩合聚合得到的高分子，可以在2种单体形成的链节结构名称前冠以“聚”字，如聚对苯二甲酸乙二(醇)酯是单体对苯二甲酸和乙二醇的缩聚物，聚己二酰己二胺是单体己二酸和己二胺的缩聚物。它们分别可以归入聚酯、聚酚胺这种以链节结构特征命名的一类聚合物中。类似的代表一类聚合物的名称尚有聚醚、聚砜、聚氨酯、聚碳酸酯等，每一类都包括一些具体品种。,由2种或以上单体共聚得到的高分子则习惯在单体名称后加上后缀“共聚物”，如乙烯/醋酸乙烯共聚物，乙交酯/丙交酯共聚物，聚氧乙烯/聚氧丙烯

16、共聚物等。,注意区分以下三种聚合物,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,(二)商品名称 许多高分子材料都有它们各自的商品名称，这些商品名称大都比较简单而被普遍采用。在药用高分子材料中，有一些材料也有它们的商品名，如聚氧乙烯/聚氧丙烯共聚物的商品名为普流罗尼(PluroniC)，聚二甲基硅氧烷亦称硅油等。 我国习惯以“纶”字作为合成纤维商品名称的后缀字，如尼龙称为锦纶；涤纶即是聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等。另外，一些外观类似于天然树脂的缩聚物商品名称的后缀字是“树脂”，前面取其原料简名；许多经共聚合生产的合成橡胶，商品名直接称为橡胶，在“橡

17、胶”前面加上共聚单体简名或有代表性的字。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,（1）树脂类（未加工成型的原料都称为树脂） （2）橡胶类 如丁苯橡胶丁二烯、苯乙烯聚合物 乙丙橡胶乙烯、丙稀共聚物 硅橡胶硅氧烷 （3）纤维 氯纶 PVC 聚氯乙烯 丙纶 PP 聚丙烯 腈纶 PANC 聚丙烯腈,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,(三)系统命名 习惯命名和商品名称应用普遍，但不够科学化。例如惯用名聚乙烯醇，容易使人误解其单体是乙烯醇，而事实上乙烯醇单体并不存在，聚乙烯醇是聚醋酸乙烯酯的

18、醇解产物。至于商品名称就更容易引起混乱，同一种聚合物，在不同国家，甚至不同生产厂家之间亦称谓不一。 国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)提出了以化学结构为基础的系统命名法，其规则如下： 1确定重复单元结构； 2排好重复单元中次级单元(subunit)的次序； 3根据化学结构命名重复单元； 4在重复单元名称前加一个“聚”字即为聚合物名称。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,1. 确定重复单元结构：,2. 排好重复单元中次级单元(subunit)的次序，在 这个聚合物里次级单元为氯元素。,3. 根据化学结构命名重复单元：1-氯代乙烯,4. 在重复单元名称前加“聚”字即：聚(1-

19、氯代乙烯),第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,聚1-(甲氧基羰基)-1-甲基乙烯,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,三、高分子的分类,启古 纳今 厚德 精术,1.按来源,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,塑料是指在一定条件下(如压力和温度)具有流动性和可塑性的高分子材料。这些材料易加工成型，如可吹塑成薄膜、拉制成管材、模压成板材等。在恢复平常条件时 (即去除压力和降低温度)仍能保持加工获得的形状。

20、根据高分子材料的热性质，塑料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两种：,热固性塑料是受热后形成体型结构、不能溶解和熔融的高分子材料。虽然热固性塑料通常能用加热和加压成型，但不能反复加工。最常用的应该是炒锅锅把手和高低压电器。,热塑性塑料是在被加热时变软并能流动的聚合物材料。当冷却时热塑性塑料变硬并保持高温时所赋予的形状，在适当加入稳定剂时，它们能够重复多次加热和冷却的循环加工。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等均属此类材料。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,纤维是具有一定强度的线状或丝状高分子材料的总称，它们的直径仅为长度的千分之一或更低，受力产

21、生的形变只有百分之几到百分之二十，其机械强度可以在较宽的温度范围内保持不变。纤维分为天然纤维和化学纤维两种：,化学纤维分为改性纤维素纤维和合成纤维。 1改性纤维素纤维亦来源于天然纤维，例如，经碱和二硫化碳处理后的天然纤维在酸液中纺成的丝就是俗称人造丝的改性纤维。 2合成纤维则是指完全经由聚合反应得到的纺丝材料，如尼龙、晴纶、丙纶等。,天然纤维 有棉、麻、丝等。这些天然纤维经过一定的化学处理，如水解、取代、酯化，可制得各种药用纤维素衍生物，如甲基纤维素、乙基纤维素、醋酸纤维素等。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,橡胶是在室温下具有高弹

22、性的高分子材料。在外力作用下，橡胶具有产生很大可逆形变的特性。当外力超过一定限度时，材料可能发生破坏。硅橡胶、聚丁二烯(顺丁橡胶)、聚异戊二烯 (异戊橡胶)等都是常见的橡胶品种。,应该指出,塑料、橡胶、纤维3种材料之间并无严格的界限。换言之，它们的性能和用途可因使用条,件和使用目的不同而迎异。聚氯乙烯、聚丙烯主要用作塑料但也可用作纤维，甚至可以制成橡胶制品，而一些橡胶在较低温度下亦可作为塑料使用。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,第一节高分子材料的基木概念,3.按高分子的形状,（3）体型,（2）支化型（接枝）,（1）线型,Company

23、 Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,4 科学分类法 A 有机高分子：主链结构由碳原子或由碳、氧、氮、硫、磷 等在有机化合物中常见的原子组成。 主链纯为碳原子构成的高分子称为均链(有机)高分子或碳链(有机)高分子； 这类高聚物不易水解，易加工，易燃烧，易老化，耐热性差。 主链中含有碳原子及氧、氮、硫、磷等原子的高分子称为杂链(有机) 高分子；一些高分子主链中虽然不含碳原子以外的元素，但若有芳环结构，亦属杂链高分子。 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的，因主链带极性，易水解，醇解或酸解。优点：耐热性好，强度高。缺点：易水解。类聚合物主要用作工程塑料。,启古 纳今 厚德 精术

24、,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,B 元素有机高分子 该类大分子主链结构中不含碳原子，含硅、硼、铝、钛等原 子和氧原子构成。侧基含乙基、乙烯基、芳环、杂环等 C 无机高分子 该类大分子由除碳以外的其他元素原子组成，即在主链和 侧链结构中均无碳原子，一般呈规则交联的面型结构或体型结构。石英、玻璃、弹性硫等材料均可列人此类。目前虽然已经研制成少数线型的无机高分子，但仍很少应用。 这类高聚物的特点是具有无机物的热稳定性，有机物的弹性和塑性。但强度较低。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第一节高分子材料的基木概念,第一章 概 论,启古 纳今 厚德

25、 精术,例1.碳链高分子,例2.杂链高分子,例3.元素有机高分子,聚乙烯,聚乙二醇,聚二甲基硅氧烷,5 按聚合基本反应 加聚树脂；缩聚树脂 丙烯酸树脂；酚醛树脂 6 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,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,结构单元的化学组成、连接顺序、立体构型，以及支化、交联等,高分子链的形态（构象）以及高分子的大小（分子量）,链结构,聚集态结构 三级结构,晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态等。,一级结构 近程结构,二级结构 远程结构,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,高分子的

26、结构,聚集态结构,是指单位体积内许多大分子链之间排列、堆砌方式，即分子间结构。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,特别强调 1近程结构是构成宏观聚合物最原始的 基础，或者说，近程结构是反映高分子各种特 性的最主要结构层次，它直接影响高分子的熔点、密度、溶解性、粘度、粘附性等许多性能。正因为这些性能与高分子链的重复单元化学组成及构型的密切联系，各种聚合物才得以显示出它们特征的千差万别。 2远程结构，或者说大分子的构象与高分子链的柔性和刚性有直接关系。线型大分子可以处于伸展拉直、卷曲的无规线团或周期性的曲折等多种状态，就是在不同外界条件下大分子链

27、产生不同构象的结果。 3聚集态结构及更高次结构是在聚合物加工成型过程中形成的。即便具有相同链结构的同一聚合物，由于加工成型工艺或条件不同，就可能产生不同的聚集态结构，如结晶程度、晶粒大小和形态的差异等。这些结构直接影响材料的力学性能、机械强度、开裂性能和透明性。,为什么高分子物质的性质是千差万别的？,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,二、高分子链的近程结构,如何理解 近程结构?,1近程结构是指分子链中较小范围的结构状态。 2近程结构包括高分子结构单元的化学组成和 键接方式、空间排列以及支化和交联等；近程结 构是高分子最基础的微观结构 3近程结

28、构又称一次结构或化学结构。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,(一)高分子链结构单元的键接顺序 键接顺序是指高分子链各结构单元相互连接的方式。,在2种单体进行缩聚的过程中，结构单元的键接方式一般都不会有多种形式,如:聚酰胺结构单元的键接顺序只能是胺基与羧基的结合： CH3COOH+NH3CH3CONH2+H2O,但在加成聚合过程中，即便只有一种单体存在，键接顺序也有所不同。在2种或2种以上单体参加的共聚合过程中，得到的共聚物可能具有多种键接方式。不同键接方式的聚合物具有不同的性能。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分

29、子链结构,第一章 概 论,1均聚物结构单元的键接顺序 在合成高分子时，由一种单体成分反应生成的聚合物称为均聚物。 在加成聚合反应中，如果参加反应的是结构完全对称的单体 (如乙烯、四氟乙烯等)，则只有一种键接方式；如果参加反应的是具有不对称取代结构的单体(如氯乙烯)，形成高分子链时就可能有3种不同的键接顺序：,头:带取代基的碳原子； 尾:不带取代基的碳原子。,头-头键接 头-尾键接 尾-尾键接,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,2共聚物的序列结构 两种或多种不同的单体或聚合物反应得到的高分子称为共聚物。含A、B两种单体的共聚物分子链的结构单元有

30、四种典型的排列方式： 无规共聚物 -A-B-B-A-B-A-A-A-B-A-A-B-A- 交替共聚物 -A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A- 嵌段共聚物 -A-A-A-A-B-B-B-B-B-A-A-A-A- 接枝共聚物 -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A B B B B,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,(二)支链、交联和端基 高分子的化学结构除键接顺序和序列结构外，还包括支链、交联和端基等“杂结构”。 1支链 线型高分子：在高分子的链节结构中，如果每个重 复单元仅与另外两个单元相连接，形成的分 子犹如

31、一根线性长链，这类高分子称为线型 高分子。 支化高分子：当分子内重复单元并不都是线形排列 时，在分子链上带有一些长短不一的分枝， 这类高分子称为支化高分子，而这些分枝称 为支链。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,支链的存在使支化高分子在性能上与线型高分子有很大差异：,1.高压聚乙烯是具有较多支链的高分子，低压聚乙烯是支链很少的线型高分子。,2.高压聚乙烯的结晶性和密度都较低，韧性、抗拉强度和耐溶剂等都不如低压聚乙烯。,支链又分短支链和长支链，它们对高分子性能的影响也有差异：,1长支链影响溶液和熔体的流动性，对聚合物的结晶性能影响不显著。,2

32、短支链影响高分子结晶度，一般对高分子溶液和熔体的流动性影响不显著。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,2交联 线型高分子或支化高分子上若干点彼此通过支链或化学键相键接，可形成一个三维网状结构的大分子，即体型高分子或网状高分子。这种由线型或支化高分子转变成网状高分子的过程称做交联。交联聚维酮、交联聚丙烯酸及交联羧甲基纤维素，具有不溶解和不熔融的特点。这与线型高分子和支化高分子有很大差别，也就是说，一旦发生交联，材料的形状就不易改变。 体型聚合物虽然不能溶解，但按其交联程度不同在一些溶剂中能发生不同程度的溶胀，即溶剂分子进人网状结构内导致体积胀大

33、。,高度交联的材料刚硬、不易变形、难以软化；,低度交联的材料溶胀度较大,柔韧性好,加热易软化。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,3互穿 互穿(interpenetration)是一种不同于支化、交 联、共聚的反应形成的互穿聚合物网络interpenetration network。简称IPN)。最普通的制法是在一种交联聚合物 网络中溶胀进第二种单体，其中混有交联剂相引发剂，使 之聚合和交联，也有的制法是把两个线型聚合物的胶乳混 合后进行凝胶和交联，这样得到互穿弹性网络(IEN)。 4 端基 端基是指高分子链终端的化学基团，虽然端基 在高分子

34、链中所占比例很少，但端基可以直接影响高分子 链性能，尤其是热稳定性。链断裂可以从端基开始，所以 有些高分子需要封端，以提高其耐热性能。例如聚甲醛的 端基(-OH)被酯化后可以得到热稳定的聚甲醛。在聚合反 应中加入可与端基反应的单官能团化合物，可以起到封端 及控制分子量双重作用。有时为了制备嵌段共聚物，需要 在高分子链上引入具有某种反应性能的端基。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,(三)高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，除非化学键断裂，构型才会改变。化学组成相同的高分子可因链的构型不同而形成旋光异构

35、体和几何异构体。 1旋光异构,与低分子量有机化合物相类似，当分子中存在一个不对称碳原子时，就产生了互为镜像的旋光异构体。,在取代的烯类单体形成的聚合 物中，如果单体双键的一个碳原子带有2个不同取代基时，则聚合物就发生旋光异构现象。,如下式所示的乙烯基聚合物含有多个不对称或手性碳原子，以C*表示。任意一个C*具有4个不同取代基：X和Y及两个链节数不完全相同的主链段。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,C,H,2,Y,X,C,n,C,H,2,Y,X,C,n,两者互为旋光异构体,有不对称碳原子，所以有旋光异构,如果X和Y两个取代基相同,就不存在旋光

36、异构现象。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,高分子链的旋光异构单元,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,若每一个链节中有一个不对称碳原子，每个链节就有2个旋光异构单元存在，它们组成的高分子链就有 三种立构排列方式。,启古 纳今 厚德 精术,（1） 全同立构高分子：主链上的C*的立体构型全部为D型或L 型, 即DDDDDDDDDD或LLLLLLLLLLL；,Company Logo,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,（2） 间同立构高分子：主链上的C*的立体构型各不相同, 即D型与L型相

37、间连接，LDLDLDLDLDLD；,立构规整性高分子（tactic polymer): C*的立体构型有规则连接，简称等规高分子。,Company Logo,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,（3） 无规立构高分子：主链上的C*的立体构型紊乱无规则连接。,立体构型表征: 等规度（tacticity）全同立构与间同立构之和所占百分比 立体构型的测定方法: X射线、核磁共振（NMR）、红外光谱（IR）等方法,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,分子的立体构型不同，导致材料性能差异 1有规立构高分子大部分能结晶，而无规立构高分子一般则不能； 2

38、分子排列规整和易于结晶的性能提高了聚合物的硬度、密度和软化温度，降低了在溶剂中的溶解度,PS： 等规PS：规整度高，能结晶， ，不易溶解 无规PS：软化点80，溶于苯 PP： 等规PP： ，坚韧可纺丝，也可作工程塑料 无规PP：性软，无实际用途,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,应予指出:虽然有些高分子链含有许多不对称碳原子，空间构型有多种，但由于分子链中的内消旋或外消旋作用，这类聚合物多数并没有旋光性。主链中那些不对称碳原子并不是真正的非对称中心，只有处于分子链末端的不对称碳原子才是真正非对称中心，因其所占比例太少，因而不可能使大分子整体产生有意义的光学活性。,启

39、古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,2.几何异构 几何异构是由于双键不能内旋转而引起的异构现象。例如前述双烯类单体丁二烯聚合有1，4-顺式加成和1，4-反式加成两种几何异构体。如果在双烯类单体结构上还包含有不对称碳原子，例如1，4取代的丁二烯衍生物，在聚合得到的每一链节上既具双键又具2个不对称碳原子，则聚合物同时有几何异构和旋光异构现象。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,三、高分子链的远程结构 远程结构是指整个分子链范围内的结构状态，又称二次结构。形成二次结构的单元是由若干重复单元组成的链段。

40、 远程结构通常包括高分子链的长短(即分子量大小及其分布)和分子链的构象。 构象与构型不同，构象改变不引起化学键断裂，它是由单键内旋转造成的。由于内旋的结果，使具有同一构型的分子中的原子相互的空间位置发生变化，产生了各种内旋异构体，称为分子的构象。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,从有机中知，CC，CO，CN等单键是 键，其电子云的分布是轴形对称的。因此由键相连的两个原子可以相对旋转（内旋转）。单键内旋转的结果是使分子内与这两个原子相连的基团在空间的位置发生变化.,例如乙烷：如果CC发生内旋转，则分子内与C相连的H的相

41、对位置就要发生变化（如下图） 这种由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象,(一)高分子链的内旋转与构象,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,高分子主链中的单键可 以绕键轴旋转，这种现 象称为单键内旋转。,通过分子 热运动，各种构象之间转换 速度极快，在室温时各种构象存 在的时间仅有10-11-10-12 秒数量级。,由于内旋的结果，使具有同一构型的分子中的原子相互的空间位置发生变化，产生了各种内旋异构体，称为分子的构象。,在没有外力作用且温度一定时，各种内旋异构体的相对含量达到平衡，而呈现出伸展链无规线团、折叠链、螺旋链等构象。,启古 纳今 厚德 精术,C

42、ompany Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,(二)高分子链的柔性 高分子主链虽然很长，但通常并不是伸直的，它可以蜷曲起来，使分子采取多种形态，这些形态可以随条件和环境的变化而变化。为什么分子链有卷曲的倾向呢？ 大多数高分子主链中存在许多的单键（PE，PP，PS）的主链是100%的单键，PB聚异戊二烯主链上也有75%是单键）。 单键是由电子组成，因此高分子在运动时C-C单键可以绕轴旋转（自转）称为内旋转。结果，高分子链在没有外力作用下总是自发地采取卷曲状态。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,以把C1-C

43、2键为Z轴，(1)键的自转(内旋转)将带动(2)键的公转，由于有C-C和C-C之间键角的限制，所以(2)键旋转的轨迹是个圆锥面，所以C3可以出现在这个圆锥面的任何位置上。同理(2)键的自转，带动(3)键的公转(3)键的轨迹也是圆锥面，C4可以出现在圆锥面的任何位置上；,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,可以想象,实际上高分子链处于这两种极端情况之间,这种由于内旋转而使高分子链表现不同程度卷曲的特性称为柔性。,如果高 分子链能完全自由 旋转，分子的构象数就 最大，是完全 柔性链,相反，高 分子链取伸直 状态，构象只有一 种，这时链极 端刚性,启古 纳今 厚德 精术,C

44、ompany Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,（三）链段的概念 把高分子链想象为一根摆动着的绳子，它是有许多可动的段落连接而成。链段之间可看成是自由连接的，它们有相对的运动独立性，不受键角限制。,高分子链上划分出的可以任意取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段。 高分子链上单键数目越多，内旋转越自由，则高分子链的形态（构象）越多，链段数也越多，链段长度越小，链的柔顺性越好。,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内旋转造成的。 极端情况： 当高分子链上

45、每个键都能完全自由旋转（自由联接链），“链段”长度就是键长理想的柔性链（不存在）。 当高分子链上所有键都不能内旋转理想的刚性分子（不存在），“链段”长度为链长。,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,结构因素对链柔性以及链柔性 对一些材料性能的影响,分子链的柔性与其分子结构密切相关，如主链结构、取代基、交联等；分子间作用力、温度等也是影响柔性的重要因素。大分子链的柔性对材料的许多物理-力学性能如耐热性、高弹性、强度等具有很大意义。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,结构因素对链柔性以及链柔性对一些材料性能的影响,（1）

46、主链中含有C-O、C-N和Si-O键，其内旋转均比C-C键容易，故聚醚、聚氨酯分子链均为柔性链。Si-O-Si的键角和键长均大于C-C键，所以聚二甲基硅氧烷 (硅橡胶)分子链柔性很大，在低温下仍具有良好的弹性。 （2）主链中含有双键的高分子，虽然双键本身不发生旋转，但却增大了非键合原子间距，使相邻单键的内旋转变得容易，导致聚丁二烯、聚异戊二烯在室温下有良好的弹性。 （3）主链中的共扼双键、苯环、杂环使柔性减少。例如，聚乙炔、聚苯分子链均为刚性链，能够耐受较高温度。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,结构因素对链柔性以及链柔性对一些材料性能的影

47、响,侧基 极性越强，数量越多，相互作用就越大，链的柔性也越差。如聚乙烯、氯代聚乙烯和聚氯乙烯,柔性依次减弱。非极性侧基,体积越大,空间位阻就越大,链的刚性增大。如聚苯乙烯的柔性比聚丙烯、聚乙烯差。 如侧基对称，使链间距离增大，相互作用力减少，柔性增大。如聚异丁烯柔性优于聚丙烯。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,侧基对称性,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,1.主链结构,2.侧基,3.交联,4.温度、外力,交联度较低时，两交联点之间距离远大于链段长，分子仍保持一定柔性，交联程度较高时，成为体

48、型分子则失去柔性。一些在分子内或分子间能够形成强氢键的高分子也趋向于转变成刚性链。例如纤维素分子链就是因为氢键作用成为刚性链。,启古 纳今 厚德 精术,结构因素对链柔性以及链柔性对一些材料性能的影响,Company Logo,第二节高分子链结构,第一章 概 论,结构因素对链柔性以及链柔性对一些材料性能的影响,1）温度越高，分子链内旋转越自由，链的柔性越大。 例如顺丁橡胶 ： 常温：橡胶柔软 低温（70120）：橡胶硬而脆。 2）外力：外力作用时间长，柔性容易显示；外力作用时间短，柔性显示不出来，分子表现僵硬,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,一、 分子的聚集态结构： 平衡态时分

49、子与分子之间的几何排列,物质内部的质点(分子、原子、离子)在空间的排列情况可分为： 近程有序围绕某一质点的最近邻质点的配置有一定的秩序;邻近质点的数目（配位数）一定；邻近质点的距离一定；邻近质点在空间排列的方式一定） 远程有序质点在一定方向上，每隔一定的距离周期性重复出现的规律。,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,二、高分子的聚集态结构指的是高聚物材料本身内部高分子链之间的几何排列。 除了没有气态，几乎小分子所有的物态它都存在，只不过要复杂得多。（晶态，液态，玻璃态，液晶态等

50、。） 高聚物的聚集态结构很长一段时间内搞不清楚，很长而柔的链分子如何形成规整的晶体结构是很难想象的，所以起初人们认为高聚物是缠结的乱线团构成的系统，象毛线一样，无规整结构可言。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,X射线衍射研究了许多高聚物的微观结构以后发现：许多高聚物虽然宏观上外形不规整，但它确实包含有一定数量的，良好有序的微小晶粒，每个晶粒内部的结构和普通晶体一样，具有三维远程有序，由此证明了它们的确是真正的晶体结构。所以晶体结构是高分子聚集态结构要研究的第一个主要内容.,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论

51、,启古 纳今 厚德 精术,由于高聚物结构的不均匀性，同一高聚物材料内有晶区，也有非晶区。我们要研究的第二个内容是非晶态结构。 由于高分子有突出的几何不对称性，取向问题就显得很重要，第三个内容是取向结构。 取向和非取向结构的相互排列问题，如果再加上添加剂，就有高聚物与添加剂的相互排列问题这就是第四个研究内容织态结构问题。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,高分子聚集态结构直接影响材料性能的因素，经验证明：即使有同样链结构的同一种高聚物，由于加工成型条件不同，制品性能也有很大差别。 例如：缓慢冷却的PET（涤纶片）是脆性的；迅速冷却，双轴拉伸

52、的PET（涤纶薄膜）是韧性好的材料。,所以高聚物的聚集态结构至少要研究四个方面的问题： 晶态结构（crystalline structure） 非晶态结构（non-crystalline structure） 取向结构（oriented structure） 织态结构（texture structure）,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和织态结构等。这些结构的产生强烈地依赖于加工成型条件，也是高分子间相互作用的结果。,启古 纳今 厚德 精术,我们在研究影响材料性能的各种因素时，不能忽视 的是：尽管一种材料的基本性质

53、取决于它的分子结构，但其本体性质则是由分子的排列状态所控制的。 如果把物质的成分看作是砖的话，那么决定一座房子的最终性能和特征的是用怎样的方式把砖垒起来。 所以，研究高分子聚集态结构特征、形成条件及其对制品性能的影响是控制产品质量和设计材料的重要基础。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,三、分子间作用力 高分子间相互作用力是非键合原子间、基团之间和分子之间的内聚力，包括范德华力和氢键。,一个物体的质点究竟采取哪种排列方式，从热力学的观点而言，主要看哪种排列状态最稳定。吉布氏自由能最小最稳定，吉布氏自由能的热力学函数关系为：,U（内能） H

54、（焓）,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,范德华力 静电力：极性分子都有永久偶极，极性分子之间的引力称为静电力。如：PVC、 PVA 、PMMA等分子间作用力主要是静电力 诱导力：极性分子的永久偶极与它在其它分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力 色散力：分子瞬间偶极之间的相互作用力。它存在一切极性和非极性分子中，是范氏力中最普遍的一种。在一般非极性高分子中 ，它甚至占分子间作用总能量的80100%。PE、PP、PS等非极性高聚物中的分子间作用力主要是色散力。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚

55、德 精术,氢键具有方向性和饱和性。形成氢键时，分子间通过氢原子同时与2个电负性很大而半径较小的原子 (如F、O、N等)结合。,例如,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,虽然次价力小，但在高分子链中，由于其加和性，次价力大大超过主链的主价力。它对高分子材料的耐热性、溶解性、机械强度等都有很大影响。一些材料受力破坏，往往不是分子链之间相互滑脱，而是分子链化学键断裂。,次价力：物理力,指范德华力和氢键。范德华力和氢键的能量低于化学键，一般在 41，86kJ/mol以下。,主价力：化学键能。 C-C键能为347.5OkJ/ mol C-H为414.93kJ/ mol， O

56、-H为的464.73 kJ/mol， C-O为364.25kJ/mol。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,分子间作用力的大小一般常用内聚能或内聚能密度(cohesive energy density)表示。,内聚能：是将液态或固态中的分子转移到远离其邻近分子(汽化或溶解)所需要的总能量。,内聚能密度：即单位体积的内聚能。由于高分子的次价力很大，不能汽化，只能测定其在不同溶剂中的溶液粘度或交联后的平衡溶胀来间接估算内聚能密度。,启古 纳今 厚德 精术,内聚能密度就是单位体积的内聚能(J/cm3) 。 由于聚合物不能汽化，所以不能采用直接方

57、法来测定，而用间接方法。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,内聚能密度在334.94J/cm3以下的聚合物，分子间作用力较弱，分子链较柔韧，可作橡胶使用； 内聚能密度在418.68J/cm3以上的聚合物，分子间作用力相当强，其制品有较高强度，常作纤维应用； 内聚能密度介于二者之间的聚合物，具有中等强度的分子间作用力，既有一定的强度，又易于加工，是应用比较广泛的通用塑料。,聚合物内聚能 测定方法,最大溶胀比法,最大特性粘数法,聚合物在不同溶剂中的 溶解能力来间接估计,根据,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启

58、古 纳今 厚德 精术,三、 聚合物晶态结构Crystalline structure,高分子链具有必要的规整结构,适宜的温度，外力等条件,高分子结晶， 形成晶体,玻璃体结晶,溶液 结晶,熔体 结晶,方 法,结晶高分子是部分结晶的或半结晶的多晶体，既有结晶部分又有非晶部分。,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,聚合物结晶态特点： 1. 聚合物晶体的质点是结构单元链节。 2聚合物只能部分结晶，或者说聚合物结晶往往是不完全的。 3在多数结晶聚合物中，结晶部分和非晶部分共存，并且结晶的比例受结晶条件影响，在一定范围内变化。 4随着晶相和非晶相之间平衡的改变，聚合物的熔点也

59、相应改变。结晶聚合物的熔点不是单一温度值，而是从预熔到全熔的一个温度范围，即熔程。常说的聚合物的熔点是指完全熔化时的温度。熔程与熔点的大小除与聚合物近程结构有关外，结晶温度有很大的影响。,启古 纳今 厚德 精术,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,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 ccrystalline（结晶） aamorphous（无定形）,Company Logo,第三节高分子聚集态结构,第一章 概 论,启古 纳今 厚德 精术,(a)40年代Bryant的缨状胶束模型,其认为结晶高聚物中，晶 区与非晶区互相穿插，同 时存在，在晶区中分子链 互相平行排列形成规整的 结构，通常情况是无规取 向的；非晶区