【精品课件】药用高分子材料学

1、2021/9/131药用高分子材料学 主讲:刘文教授 2008年3月-7月厚德 明志 笃学 力行全国高等中医院校规划教材2021/9/132第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 一、溶胀与溶解 高分子的溶解是一个缓慢过程，其过程可分为两个阶段：一是溶胀：二是溶解。 溶胀是指溶剂分子扩散进人高分子内部，使其体积增大的现象。它是高分子化合物特有的现象，其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。 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

2、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。 因此，高分子溶解时首先是溶剂小分子渗透进人高分子内部，撑开分子链，增加其体积，形成溶胀的聚合物。2021/9/133第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 高分子在良溶剂中的溶解图像如下图所示。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。左图:高分子在良性溶剂中的溶解图象a：溶胀；b：溶解2021/9/134第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 聚

3、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： 1对于非晶态聚合物，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入聚合物内部便之发生溶胀或溶解(相对于结晶态聚合物而言)。 2对于晶态聚合物，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。 特别是对于：非极性晶态聚合物，通常先将其加热至熔点，破坏晶格后，再与溶剂作用而溶解，例如高密度聚乙烯的熔点为135，在四氢奈溶剂中，加热到l20才能溶解。 而对于极性结晶聚合物，

4、在常温下选择适当的强极性溶剂，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，例如聚酰胺在室温下，可溶于苯酚等强极性溶剂中。 2021/9/135第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 由于聚合物结晶是不完全的，结构中存在非晶态部分，所以溶胀仍为结晶聚合物溶解的中间阶段，但在晶格末破坏前聚合物只能溶胀而不能溶解。 交联聚合物由于三维交联网的存在而不会发生溶解。其溶胀程度部分取决于聚合物的交联度，交联度增大，溶胀度变小。 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。 在药物制剂中，经

5、常遇到制备高分子溶液的问题。由于高分子的溶解过程缓慢，其溶液的制备过程较长，这时可以采取下述方法加速其溶解。2021/9/136第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行一般市售的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入颗粒内 部。因此：在溶解之初，应采取适宜的方法，便颗粒高度 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

6、、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80-90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。2021/9/137第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 二、聚合物溶解过程的热力学 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。 GmHmTSm 0 因为溶解过程是分子排列趋于混乱的过程，即SmO，因此Gm的正负取决于Hm的正负和大小。 1极性高分子溶于极性溶剂中时，溶解是

7、放热的，即Hm0，所以溶解自发进行。 2非极性高分子溶解过程一般是吸热的，即HmO，故只有在?时才能满足式3-1的溶解条件，也就是说升高温度T或减小Hm才有可能使体系自发进行。2021/9/138第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 若不存在氢链，其溶解过程一般是吸热的，即Hm0，所以，要使聚合物溶解，也即使必须满足|Hm|TSm|。非极性聚合物混合热Hm的计算：Hildebrand溶度公式 Hm V1,2(1-2) 12 式中V1,2为溶液的总体积（ml)；为(solubility parameter) (MPa) 1/2，为体积分数；下标1和2

8、分别表示溶剂和溶质 。此式只适用于非极性的溶质和溶剂的相互混合。2021/9/139第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 由上式可知道，混合热Hm是由于溶质和溶剂的溶度参数不等而引起的，Hm总是正值，如果溶质和溶剂的溶度参数愈接近，则Hm愈小，也愈能满足自发的条件，一般1和2的差值不宜超过1.5。 内聚能密度就是单位体积的内聚能，E/V是内聚能密度,混合热是由于两种物质内聚能密度不等引起的。内聚能密度的平方根称为溶度参数= (E/V)1/2。则：2021/9/1310第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行

9、 式中 E为内聚能(J)；V为体积(cm3)如何测定溶度参数 溶度参数 = 1/2 =2021/9/1311第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行例 完全非晶的PE的密度a=0.85gcm3，如果其内聚能为2.05千卡摩尔重复单元，试计算它的内聚能密度?解：摩尔体积2021/9/1312第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行三、溶剂的选择 如何选择溶解高分子材料合适的溶剂是药物制剂中常遇到的问题，如制备薄膜包衣液或制备控释膜，如何来选择溶剂、应用何种不同性质的化合物来调节膜上孔隙的大小，药物、溶剂和高分子的

10、相容性如何等，这就需要运用判断高分子溶解度及相容性的一般规律。这些规律对聚合物的溶剂选择具有一定的指导意义。2021/9/1313第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行1.溶度参数相近原则 根据式3-2，对于一般的非极性非晶态聚合物及弱极 性物质，选择溶度参数与聚合物相近的溶剂，聚合 物能很好的溶解。 由此可以通过调节混合溶剂的溶度参数，使混合溶 剂的溶度参数与聚合物相近，达到良好的溶解性能。2.极性相似相溶原则 对于非晶态极性聚合物不仅要求溶剂的溶度参数与聚 合物相近，而且还要求溶剂的极性 要与聚合物接近才能使之溶解，如聚乙烯醇是极性 的，它可溶于

11、水和乙醇中，而不溶于苯中。3.溶剂化原则2021/9/1314第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 3.溶剂化原则 有时，溶度参数相近的聚合物-溶剂体系，不一定都能很好互溶，例如聚氯乙烯=19.8(MPa)1/2和二氯甲烷=19.8(MPa)1/2，的溶度参数相等，但却不能互溶，前者只能溶于环己酮=16.8(MPa)1/2中，可用“溶剂化原则”来解释这些现象。 溶剂化作用是溶剂与溶质相接触时，分子间产生相互作用力，此作用力大于溶质分子内聚力，从而使溶质分子分离，并溶于溶剂中。 高分子按功能团可分为弱亲电子性高分子、给电子性高分子、强亲电子性高分子及

12、氢键高分子 (表3-3)，同样溶剂按其极性不同也可分成弱亲电子性溶剂、给电子性溶剂、强亲电子性溶剂或强氢键溶剂三类(表34)。在溶剂与高分子的溶度参数相近时，凡属亲电子性溶剂能和给电子性高分子进行 溶剂化而易于溶解：同理，给电子溶剂能和亲电子性高分子溶剂化而利于溶解：溶剂与高分子基团之间形成氢键，也有利于溶解。2021/9/1315第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 四、凝胶(一)凝胶的结构和性质1.凝胶的结构和类型 凝胶(gel)是指溶胀的三 维网状结构高分子，即聚合物 分子间相互连结，形成空间网 状结构，而在网状结构的孔隙 中又填充了液体介质

13、，这样一 种分散体系称为凝胶。 根据高分子交联键性质的不同，凝胶可分为两类：一类是化学凝胶：一类是物理凝胶。凝胶的超显微结构示意 S:剂化层；a:凝胶结合点2021/9/1316第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行(1)化学凝胶：是指大分子通过共价键连接形成网状结构的 凝胶，一般通过单体聚合或化学交联制得。这类化学键交 联的凝胶不能熔融，也不能溶解，结构非常稳定，因此也 称为不可逆凝胶，如聚苯乙烯凝胶。(2)物理凝胶：是指大分子间通过非共价键(通常为氢键或范德华力)相互连结，形成网状结构。这类凝胶由于聚合物分子间的物理交联使其具有可逆性，即只要温度

14、等外界条件改变，物理链就会破坏，凝胶可重新形成链状分子溶解在溶剂中成为溶液，因此物理凝胶又称可逆凝胶，如明胶溶液冷却所形成的凝胶、聚乙烯醇水溶液冷却至一定温度所形成冻胶和干凝胶两类。冻胶指液体含量很多的凝胶，含液量常在如%以上，冻胶多数由柔性大分子构成，具有一定的柔顺性，网络中充满的溶剂不能自由流动，所以表现出弹性的半固体状态，通常指的凝胶均即冻胶。液体含量少的凝胶称为干凝胶，其中大部分是固体成分。干凝胶在吸收适宜液体膨胀后即可转变为冻胶。2021/9/1317第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 高分子溶液转变为凝胶的过程称为胶凝作用。影响胶凝的

15、因素主要有浓度、温度和电解质。1每种高分子溶液都有一形成凝胶的最小浓度，小于这个浓度则不能形成凝胶，大于这个浓度可加速胶凝。2对温度来说，温度低有利于胶凝，分子形状愈不对称，可胶凝的浓度越小，但也有加热后胶凝，低温变成溶液的例子，如泊洛沙姆的胶凝。3电解质对胶凝的影响比较复杂，有促进作用，也有阻止作用，其中阴离子起主要作用，盐的浓度较大时SO42-和Cl-般加速胶凝，而I-和SCN-则阻滞胶凝作用。2021/9/1318第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 2021/9/1319第三章 高分子材料的物

16、理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 物理凝胶受外力作用(如振摇、搅拌或其他机械力)，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 。其原因是这些凝胶的网状结构不稳定，振摇时容易破坏，静置后又重新形成。凝胶具有一定的屈服值(yield vdue)，具有弹性和粘性，对于某一具体凝胶、致流值、弹性或粘性等性质往往不是同时都显著的表现出来。2021/9/1320第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀

17、性 脱水收缩性 透过性 溶胀性是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀分为两个阶段： 第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快伴有放热效应和体积收缩现象 (指凝胶体积的增加 比吸收的液体体积小)。 第二阶段是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加，可达干燥物重量的几倍甚至几十倍。溶胀性的大小可用溶胀度来衡量，溶胀度为一定温度下，单位重量或体积的凝胶所能吸收液体的极限量。 2021/9/1321第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 影响溶胀

18、度的主要因素有液体的性质、温度、电解质及pH。液体的性质不同，溶胀度有很大差异：温度升高可加速溶胀速度 (一般符合一级过程)，减小有限溶胀阶段的最大膨胀度 (此过程为放热过程)，但有时温度升高可使有限溶胀转化为无限溶胀：电解质对溶胀度的影响主要是阴离子部分，其影响作用与影响胶凝作用的顺序相反：pH对溶胀度的影响比较复杂，要视具体聚合物而论，如蛋白质类高分子凝胶，介质的pH在等电点附近时溶胀度最小。 2021/9/1322第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 溶胀的凝胶在低蒸气压下保存，液体缓慢地自动从

19、凝胶中分离出来的现象，称为脱水收缩。脱水收缩是凝胶内结构形成以后，链段间的相互作用继续进行的结果，链段继续运动相互靠近，使网状结构更为紧密，把一部分液体从网孔中挤出，凝胶中溶剂损失显著改变了凝胶的性质，它的表面将形成干燥、紧密的外膜，继续干燥，则形成千凝胶，如明胶片、阿拉伯胶粒等。从孔隙特性来认识，均质凝胶具有相对微小的孔隙，无溶剂时，体积变小，但能保持最初的几何形状：永久性多孔凝胶，具有较大的孔隙，无溶剂时，网状结构不塌陷，仍具有较大的孔隙。 2021/9/1323第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质凝胶脱水收缩性现象a-脱水收缩前

20、的凝胶；b-脱水收缩使凝胶分成两部分2021/9/1324第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 凝胶与液体性质相似，可以作为扩散介质。在低浓度凝胶中，水分子或离子是可以自由通过的，其扩散速度与在溶液中几乎相同，凝胶浓度增大和交联度增大时，物质的扩散速度都将变小，因交联度增大使凝胶骨架空隙变小，小分子物质透过凝胶骨架时要通过这些迂回曲折的孔道，孔隙越小，扩散系数降低越明显。对于大分子，这种扩散速度降低则更加明显。物质在凝胶中的透过性还与其所含溶剂的性质和含量有关。总之，处于高溶胀状态的凝胶有较大的平均孔

21、径，有利于分子透过，含水的孔道有利于可溶于水的物质透过。此外，当凝胶网络上大分子带电时，对离子的扩散与透过则具有选择性。2021/9/1325第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行2.凝胶的性质触变性 溶胀性 脱水收缩性 透过性 由于凝胶骨架空隙的分子筛作用，使得大分子物质很难透过，凝胶骨架的记过性与分子大小关系的原理正是凝胶电泳与凝胶色谱的原理，凝胶电泳与凝胶色谱是两种重要的物质分离、纯化的实验技术。除此之外，目前在药物缓释、控带制剂中，利用凝胶的性质来控制药物的释放也已取得很大成果。特别是一些亲水凝胶，由于其特殊的透过性能和良好的生物相容性已在医

22、药领域得到广泛应用。2021/9/1326第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 (二)功能水凝胶1.功能水凝胶的结构及分类 水凝胶(hydrogels)是一种在水中显著溶胀、保持大量水分的亲水性凝胶为三维网络结构，多数水凝胶网络中可容纳高分子本身重量的数倍至数百倍的水。水凝胶这种强烈的吸水能力是由于其结构中通常含有-OH-、-CONH-、-CONH2、-COOH-和-SO3H-等亲水基团。 水凝胶从来源分类 可分为天然水凝胶和合成水凝胶。 从性质来分类 可分为电中性水凝胶和离子型水凝胶，离子型水凝胶又可分为阴离子型、阳离子型和两性电解质。目前研究应

23、用较多的是离子型水凝胶。2021/9/1327第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 根据水凝胶对外界刺激的应答情况不同，水凝胶又可分为两类：（）传统的凝胶 这类水凝胶对环境的变化，如pH或温度变化不敏感。（）环境敏感水凝胶 这类凝胶对温度或pH等环境因素的变化所给予的刺激有非常明确或显著的应答。环境刺激的类型和聚合物响应的方式有多种，如化学或生物学变化 (促进阻碍反应或识别过程)和发生电化学反应等，有相分离(沉淀)、形状变化 叫缩或溶胀)、渗透性增加或减少、变硬或变软、透明或不透明、产生信号。根据环境变化的类型不同，环境敏感水凝胶又分为如下几种类型

24、：温敏水凝胶、pH敏水凝胶 、盐敏水凝胶、光敏水凝胶 、电场响应水凝胶、形状记亿水凝胶 。2021/9/1328第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 目前研究最多的是温敏型和pH敏水凝胶。 温敏是指在水或水溶液中这种凝胶的溶胀与收缩强烈地依赖于温度，凝胶体积在某一温区有突变，该温度称为低临界溶液温度 (lower critical solution temperature，LCST)。 pH敏感水凝胶是指聚合物的溶胀与收缩随着环境的pH、离子强度的变化而发生变化。2021/9/1329第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德

25、 明志 笃学 力行 2.水凝胶的溶胀行为及其影响因素 离子型水凝胶由于其结构中功能基团的解离作用，便其具有特殊的溶胀性质：（）水凝胶在水中可显著溶胀。 离子型水凝胶因其结构中离子型基团(-COOH-、-SO3H、NH2)的解离作用增加了聚合物的亲水性，导致其有较目的吸水性。同时解离程度的增加，使网络中高分子链上存在大量具有相同电荷E解离基团，它们之间的静电斥力导致高分子链进一步的伸展并与水分子充分接触。能够影响水凝胶功能基团的解离程度、离子水合作用因素 (如pH、离子弓度、温度及离子的性质、溶胀介质的组成等环境因素)及聚合物本身的性质 (如交联度、亲水/亲油平衡值、规整度等)，都能影响水凝胶的

26、溶胀性。2021/9/1330第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行（）有些水凝胶的溶胀性随外界溶胀条件的变化(如介质pH、温度、离子强度、电场、光和化学物质等)发生极大的甚至不连续的改变。 如在某一确定环境范围内，水凝胶发生溶胀与收缩的突变。目前研究最多的是pH敏水凝胶和温敏水凝胶，图34所示是阴离子型和阳离子型pH敏感水凝胶平衡溶胀度与pH的关系。 阴离子水凝胶平衡溶胀度随pH增大而增大：阳离子型则随pH增大而降低，在pK，附近，平衡溶胀度发生突变，突变pH范围(pH)取决于聚合物的结构以及聚合物与溶剂的相互作用。2021/9/1331第三章 高

27、分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行 图3-5为聚N一异丙基丙烯酰胺，温敏水凝胶的体积分数随温度变化的情况，从图中可见，聚合物体积分数随温度升高而增加。当到达PNIPA的低临界溶液温度 LCST)，即37记时，凝胶会突然收缩，体积分数突然增大数倍，聚N-烷基系列凝胶这种低温溶胀、高温收缩的性质是由于N原子上的孤对电子与水分子形成了氢键，低温下这种氢键较稳定，形成了以交联网为骨架的水凝胶，高温时氢键断裂致使体积突然收缩。2021/9/1332第三章 高分子材料的物理化学性质第一节 高分子溶液的理化性质厚德 明志 笃学 力行水凝胶的应用2021/9/1333第三

28、章 高分子材料的物理化学性质第二节 高分子的分子量及分子量分布 厚德 明志 笃学 力行 一、高分子分子量的特点分子量大 (1)分子量范围在104-106之间 (2)高分子平均分子量有以下几种常用表达方法： 数均分子量；重均分子量；粘均分子量 (3)高分子的分子量测定方法： 端基测定法；粘度法；光散射法具有分散性 (1)聚合物是分子量大小不同的高分子同系物组成 (2)分子量分布表示方法： 多分散性指数：它是表示聚合物分子量分布情况最简单的方 法，HI值愈大，表明分子量分布得愈宽，愈分散：HI值愈小， 表明分子量分布愈窄，分子量愈集中。单分散系聚合物HI=1。 一般聚合物的HI值常在1.5-2.0

29、之间，有时也可高达20-50。 分子量分布曲线：表征聚合物分子量多分散性最常用的方法是分 子量分布曲线，它包括累积重量分布曲线和微分重量分布曲线。 (3)高分子分子量分布测定法： 凝胶色谱法；相平衡分析法2021/9/1334第三章 高分子材料的物理化学性质第二节 高分子的分子量及分子量分布 厚德 明志 笃学 力行二分子量及其分布对聚合物性能的影响1分子量及其分布对聚合物物理性质的影响 （1）物态：液体、固态？ （2）力学性质：强度、弹性、韧性、硬度 （3）粘度 （4）分子量对高分子材料的加工性能 一般而言，聚合物的力学性能，如：抗张强度、抗击强度、弹性模量、硬度以及粘合强度，随聚合物分子量的

30、增加而增加，当分子量大到某一程度时，上述各种性能提高速度减慢，最后趋于某一极限值，而某些性能，如粘度、弯曲强度等，随分子量的增加而不断增加。2021/9/1335第三章 高分子材料的物理化学性质第二节 高分子的分子量及分子量分布 厚德 明志 笃学 力行 2分子量及其分布对聚合物物理机械性能的影响 材料的抗张强度、抗冲击强度、耐疲劳性以及加工过程中的流动性和成模性，都与分子量分布有密切关系，一聚苯乙烯为例，当数均分子量相同时，HI大的样品力学强度较高，因为蛤蟆有高分子量的级分多些，而强度主要决定于高分子量级分。基于同样的原因，当当数均分子量相同时，HI小（即分子量分布窄），强度大，这是由于低分子

31、量级分较小的缘故。2021/9/1336第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 2021/9/1337第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 1运动单元的多重性：可以是侧基、支 链、链节、整段分子。2高分子的热运动是一个松弛过程，它具 有时间的依赖性：在一定的外界条件 下，高分子从一种平衡态，通过分子热 运动，达到与外界条件相适应的新的平 衡态，由于高

32、分子运动单元一般较大， 这个过程通常是缓慢的，高分子热运动 有松弛时间较长，在一般时间尺度下可 以看到明显的松弛特。3高分子热运动与温度有关。温度有两中 作用：一是活化运动单元，二是温度升 高使体积膨胀，加大了分子间的空间， 有利于远东单元自由迅速的运动，温度 升高，使松弛时间边短，温度降低，松 弛时间延长，二者之间有定量关系。2021/9/1338第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 1晶态聚合物的物理状态分为玻璃态、高弹态、粘流态： 在温度较低时，分子热运动

33、的能量小，整个分子链和链段都不能运动，处于“冻结”状态，这是表现为玻璃态，处于玻璃态的聚合物形变小，弹性模量大，质硬。 当温度升高，热运动能量增加，达到某一温度后，虽然整个高分子链不能移动，但链段已能自由运动，而使分子的形态可以发生变化，表现为高弹态，这时聚合物在较小的应力下即可发生很大的形变，而且形变是可逆的。 当温度继续升高，值至整个分子链发生运动时，即开始塑性流动。2021/9/1339第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 2完全结晶高聚物，因分子链排列规

34、整、紧密，妨碍了链的运动，因此完全结晶高聚合物无高弹态。但是常见的结晶聚合物均是部分结晶，仍有非晶相部分。其力学状态的表现与结晶度及分子量有密切的关系。2021/9/1340第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 1玻璃化转变与玻璃化温度 聚合物从玻璃态到高弹态之间的转变(即玻璃态-高弹态)称为玻璃化转变对应的转变温度称为玻璃化转变温度，以Tg表示。它与软化温度相接近，由于高分子聚合物分子量的多分散性，玻璃化温度通常不是一个急剧的转折点，而存在一个温度范围。玻璃化

35、转变温度与高分子材料的使用性能有密切关系，它是聚合物使用时耐热性的重要指标。如塑料应处于玻璃态，Tg是非晶态塑料使用的上限温度：而对于橡胶，应处于高弹态，Tg则是它使用的下限温度。2021/9/1341第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 玻璃化温度是大分子链段开始运动的温度，链段的运动受分子内旋转和分子间作用力的影响，因此凡能影响分子内旋转和分子间力的因素都会对R有影响。大分子链柔性降低、分子间作用力增大等结构因素可使巩增高，如分子量增大、分子量分布窄、主链刚

36、硬 (含有芳环，杂环或稠环)、侧链基团刚硬域值阻大、链结构对称性和规整性大、含极性基团及增大链间作用力、氢链、交联和结晶度增大，都会使Tg增高：大分子链柔性增大、分子间作用力减少都会使R降低，如分子量分布宽、主链柔顺 (线型、含醚键)、链节的不对称性、无规立构、无序共聚、无定形、加大增塑剂降低分子间作用力都会使Tg下降。2021/9/1342第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 2.粘流温度：聚合物由高弹态转变为粘流态时的温度称为粘流温度，以tf表示。这种处于流

37、体状态的聚合物称为熔体。熔体中大分子处于紊乱状态，链段之间互相缠结，流动时产生内摩擦而进行粘性流动，大多数聚合物就是利用其粘流态下的流动行为进行加工成型的。因此掌握聚合物的粘流温度和粘性流动规律对聚合物的加工、成型是极其重要的。2021/9/1343第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行一、温度与力学状态高分子分子运动的特点 高分子的物理状态 高分子的热转变 聚合物熔体流动性可以用剪切粘度和熔融指数MI)来表征。在一定温度下，熔融状态的聚合物在一定负荷下，单位时间内经特定毛细管孔挤出的重量 用定温下10min而内熔体从毛细管孔挤出重量

38、(g)来表示称熔融指数。熔融指数越大，流动性越大，粘度就越小。它是聚合物流动性的一种量度。 分子量较高的聚合物，有较大的流动阻力，粘度较大，熔融指数较低，比分子量较低的聚合度容易缠结。反之，分子量低的聚合物流动的阻力较小，粘度较小，熔融指数较大，故还可根据熔融指数衡量同一类型聚合物的分子量大小。2021/9/1344第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 二、药物剂型加工中高分子材料的主要力学性能 材料是指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

39、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。2021/9/1345第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 (一)弹性模量 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为应变(strain)。材料宏观变

40、形时，其内部产生与外力相抗衡的力，称为应力(stress)。材料受力方式不同，对于理想的弹性固体，应力与应变成正比，即服从虎克定律，其比例常数称为弹性模量(modulus of elasticity，E)。或杨氏模量(Young,s modulus)，简称模量 弹性模量=应力/应变 如聚乙烯的E值为2109，含20%的明胶胶冻的E值为2106。 可见：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。2021/9/1346第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 (二)硬度和强度硬度(hardness) 是衡量材

41、料表面抵抗机械压力的一种指标。药剂用材料的硬度常用压痕测定仪压头施加的负载除以当穿入停止时压头下面积的比值表示，其单位为Pa(常用Mpa)，药剂学薄膜包衣中常用贝氏硬度(Brinell hardess)或迈氏硬度(Meryer hardness)来量化。 硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关，有时可用其作为弹性模量和拉伸强度的一种近似估计。2021/9/1347第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 (二)硬度和强度 在药剂学加工过程中常见的强度有： 1拉伸强度(tensile strength)：也称拉张强度，是在规定的温度、湿

42、度和加载速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样被拉断为止。试样断裂前所承受的最大载荷p与试样截面积之比称为拉伸强度。 2弯曲强度(bending strength)：在规定的条件下对试样施加静弯曲力矩，取直到试样折断为止的最大载荷p。 3冲击强度(impact strength)：它是衡量材料韧性的一种强度指标，即试样受冲击载荷而破裂时单位面积所吸收的能T。2021/9/1348第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行影响聚合物实际强度的因素1聚合物的化学结构：如氢键、极性基团、交联、结晶、取 向都可提高强度；2聚合物的分子量：在

43、一定范围内分子量增加，强度增加；3应力集中：如高分子制品的微小裂缝、切口、空穴等能引起 应力集中，使制品中的局部破裂扩大，进而断裂；4温度：温度改变，强度也变化；5外力作用速度：处于R以上的线型聚合物，快速受力对此慢 速受力时强度要大；6外力作用时间：外力作用时间越长，断裂所需的应力越小；7增塑剂：增塑剂减小了高分子链间的作用力,因而强度降低；8填料：影响复杂，在薄膜包衣时，加大适量滑石粉作为填料， 能提高强度；9机械加工等外界因素。2021/9/1349第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 (三)粘弹性 粘弹性(viscoelas

44、ticity)是高分子材料的另一重要性质，是指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。 理想的粘流体受到外力作用后，形变随时间线性发展：理想的弹性体受到外力后，瞬时达到平衡形变，形变与时间无关：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。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。2021/9/1350第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行

45、粘弹性的主要表现有：蠕变、应力松弛、内耗等蠕变 在一定温度，一定应力作用下，材料的形变随时间的延长而增加的 现象称为蠕变。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。对于线 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：对交联聚合物，形变可达到一个平衡值。 蠕变是一种复杂的分子运动行为。聚合物的结构、环境温度及作用 力大小等部影响蠕变过程，其中分子链的柔性影响最大。应力松弛 在温度、应变恒定条件下，材料的内应力随时间延长而逐渐减小的 现象称为应力松弛(stress

46、relaxation)。内耗当应力的变化和形变的变化一致时，没有滞后现象，每次形变所做的功等于恢复原状时获得的功，没有功的消耗。如果形变的变化落后于应力的变化，发生滞后损耗现象，则每次循环变化中要消耗功，称为内耗。聚合物的内耗大小与聚合物本身的结构有关，同时还手温度的影响。2021/9/1351第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行 三、高分子材料的其他性能(一)渗透性及透气性 1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，这种现象称为渗透性(permeability)。

47、气体分子渗透通过聚合物膜称为透气性(gas permeability)。 渗透性不应与多孔性混淆，多孔性是指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，在聚合物的应用上有一定的意义，特别是在高分子材料作为包装材料或药物传递装置的组件时，它有助于材料的正确使用。2021/9/1352第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行2液体或气体分子在聚合物中的溶解性 液体或气体分子渗透过聚合物的过程首先是它们溶解在聚合物内，然后向低浓度方向扩散，最后从聚合物的另一侧逸出，因此，聚合物的渗透性和透气性与液体及气体在其内的溶解性

48、有关。 当溶解性不大时，透过量遵循Fick第一定律。2021/9/1353第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料的力学性质厚德 明志 笃学 力行3聚合物的渗透性及透气性受聚合物的结构和物理状态影响较大其主要因素有：温度：温度升高，高分子链运动激烈，增大分子透 过的孔道，因此渗透性好；极性：透过物质与聚合物极性越相近，越易相容， 越易透过；分子大小：分子直径大的透过性小；链的柔性：链的柔性增大，渗透性提高。结晶度越 大，渗透性越小。交联使链段运动受 阻，透气性降低。增塑剂提高分子链2021/9/1354第三章 高分子材料的物理化学性质第三节、聚合物力学状态及高分子材料

49、的力学性质厚德 明志 笃学 力行（二）胶粘性影响胶粘性的主要因素有： 1分子量 2被粘物表面的粗糙程度 3被粘物表面的处理方法 4温度和压力2021/9/1355第三章 高分子材料的物理化学性质第四节 药物通过聚合物的扩散厚德 明志 笃学 力行一、药物通过聚合物的传质过程 在药物制剂中，药物通过聚合物的扩散装置有两类：贮库装置，另一类是骨架装置。药物一般是溶解或分散在装置中，药物由装置的扩散过程有以下几个步骤： 药物溶出并进入周围的聚合物或空隙； 由于存在浓度剃度，药物分子扩散通过聚合物屏障； 药物由聚合物解吸附； 药物扩散何如体液或介质2021/9/1356第三章 高分子材料的物理化学性质第

50、四节 药物通过聚合物的扩散厚德 明志 笃学 力行(一)Fick扩散 药物分子通过聚合物的扩散，可用Fick第一定律来描述： J=-D*dc/dx 注意:扩散系数、渗透系数的单位式中：J为溶质流量，mol/(cm2s)； C为溶质浓度，mol/cm3，为垂直于有效扩散面积的位 移，cm； D为溶质扩散系数，cm2/s(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。2021/9/1357第三章 高分子材料的物理化学性质第四节 药物通过聚

51、合物的扩散厚德 明志 笃学 力行 Fick第一定律给出稳态扩散的药物流量，在非稳态流动时，可用Fick第二定律来描述。1.药物通过聚合物薄膜的扩散 在药剂学的实际应用中，药物通过薄膜的扩散常见的有胶囊壁扩散、聚合物包衣层扩散，药物与聚合物之间的亲和力、聚合物的结晶度对药物的扩散性影响甚为显著。固体聚合物的晶区是大多数药物分子不可穿透的屏障，扩散分子必须绕过它，晶区分子所占的百分比越大，分子的运动越慢。在无孔固体聚合物中扩散，自然是更为困难的过程，需要移动聚合物链才能使药物分子通过。 2021/9/1358第三章 高分子材料的物理化学性质第四节 药物通过聚合物的扩散厚德 明志 笃学 力行注意:扩

52、散 系数、渗透系数的单位 对于无孔隙的固体聚合物薄膜来说，由于聚合物两侧的浓度差很大，在很长的释放时间内，其差值几乎是常数，如果不和D为常数，将式3-15在膜厚度为h的范围内积分，可得下式： J=DK/h*C式中：C为薄膜两侧的溶质浓度差，mg/cm3； K为溶质分配系数； DK/h为溶质渗透系数(P)，cm/s (常用它来评价药物通过聚合物的渗透性能)。 K=溶质在聚合物薄膜中的浓度/溶质在溶出介质中的浓度 由上式可知，D、K值越大，则p值越大，故选择聚合物时，应注意药物与聚合物在热力学上的相容性，否则药物是很难通过聚合物薄膜扩散的。上式的意义很明显，药物通过聚合物薄膜的释放，应呈零级，因为C、D、K和h皆为常数。2021/9/1359第三章 高分子材料的物理化学性质第四节 药物通过聚合物的扩散厚德 明志 笃学 力行2.药物通过聚合物骨架(matrix)的扩散M=2CsDCot1/2说明药物由聚合物骨架释放量与t1/2呈线性关系。2021/9/1360第三章 高分子材料的物理化学性质第四节 药物通过聚合物的扩散厚德 明志 笃学 力行 (二)非Fick扩散 由上面的叙述，我们知道，聚合物的结构特性可能影响药物通过聚合物的扩散系数，但不会改变扩散机理(Fick扩散)。聚合物的松弛特性，对溶质通过聚合物的扩散机制可产