高分子材料的物理化学性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章 高分子材料物理化学性质尤其是溶解、溶胀、凝胶化、相变、溶解、溶胀、凝胶化、相变、黏弹性、力学强度和通透性黏弹性、力学强度和通透性等包括到药品制剂辅料处理及制剂中药品释放。第1页第一节高分子溶液理化性质一高聚物溶解过程特点(相对复杂)1高聚物溶解迟缓且分两个阶段溶胀：溶剂分子渗透高聚物内部，使高聚物体积膨胀现象溶解：高分子以分子状态均匀分散在溶剂中，形成完全溶解分子分散均相体系第2页2交联高聚物，只能溶胀，不会溶解。交联度大溶胀度小，交联度小溶胀度大。3.溶解度与分子量相关，分子量大溶解度小，分子量小溶解度大。4非晶态高聚物分子堆砌比较涣散，分子间相互作用较弱，所以溶剂分子比较轻易渗透高聚物内部使之溶胀和溶解。第3页5.晶态高聚物因为分子排列规整，堆砌紧密，分子间相互作用力很强，以致溶剂分子渗透高聚物内部非常困难，所以晶态高聚物溶解比非晶态高聚物要困难得多。6.高分子溶液实际制备工艺必须依据高分子与溶剂特征而定(P59)第4页二高聚物溶解过程热力学解释 溶解过程是溶质分子和溶剂分子相互混合过程，在恒温恒压下，这种过程能自发进行必要条件是Gibbs自由能改变GM0。即：GM=HM-TSM 0(注：T是溶解时温度，SM是混合熵且大于0)第5页1）极性高聚物在极性溶剂中，溶解时放热(HM 0)，使体系自由能降低(GM 0，故 只 有 在 HM TSM时才能满足上式溶解条件，也就是说升高温度T或减小HM才有可能使体系自发进行。第6页依据经典Hildebrand溶度公式，混合热为：HM V1，2(1-2)212注:式中V1，2为溶液总体积(mL)；为溶度参数，为体积分数，下标1和2分别表示溶剂和溶质。只适合用于非极性溶质和溶剂相互混合只适合用于非极性溶质和溶剂相互混合溶质和溶剂溶度参数愈靠近（普通1和2差值不宜超出1.5），则HM愈小，愈能满足自发条件。第7页溶度参数数值等于内聚能密度平方根，内聚能密度就是单位体积内聚能，它是反应分子间作用力大小一个参数。聚合物溶度参数可用粘度法或用溶胀度法测定。第8页三溶剂选择 除了应考虑其用途、安全性、工艺、成本等原因外，还应遵照以下标准：1溶度参数相近标准 对于非晶态非极性高聚物，选择溶度参数相近溶剂，聚合物能很好地溶解 普通而言：若|12|室温，可做塑料使用，Tg表征塑料耐热性，即塑料使用上限温度(结晶聚合物，Tm为使用上限温度)Tg室温，可做橡胶使用，Tg表征橡胶耐寒性，即橡胶使用下限温度第19页影响玻璃化温度原因影响玻璃化温度原因：(1)化学结构影响主链结构主链由饱和单键组成或含有孤立双键高聚物，普通Tg都不太高。当主链中引入苯基、联苯基、萘基等芳杂环以后，分子链刚性增大，所以有利于玻璃化温度提升。共轭二烯烃聚合物中，分子链较为刚性反式异构体含有较高玻璃化温度。第20页取代基团空间位阻和侧链柔性在(CH2CHX)n中，伴随取代基X体积增大，分子链内旋转位阻增加，Tg将升高。在(CH2CXY)n中，若不对称取代时，Tg将提升。若对称双取代，链柔顺性回升，因而Tg下降。旁侧基团极性，对分子链内旋转和分子间相互作用都会产生很大影响，侧基极性越强，Tg越高。柔性侧基使Tg下降。第21页(2)分子间作用力影响侧基极性越大，分子间作用力越大，Tg越高聚合物间若存在极性基团，则使链段运动困难，Tg升高分子间氢键可使Tg显著升高第22页(3)其它结构原因影响 交联：伴随交联点密度增加，Tg升高。相对分子量：分子量增加使Tg增加。当分子量超出一定程度以后，Tg随分子量增加不显著。共聚：无规共聚物Tg介于两种共聚组分单体均聚物Tg之间。交替共聚只有一个Tg。增塑剂或稀释剂：玻璃化温度较高聚合物，加入增塑剂可使Tg显著下降。第23页2粘流温度Tf即：高弹态与粘流态之间转变温度称为粘流温度。Tf意义：高分子链开始流动温度；材料加工成型下限温度。熔融指数：在一定温度下，熔融状态高聚物在一定负荷下，十分钟内从要求直径和长度标准毛细管中流出重量(克数)。熔融指数愈大，则流动性愈好。第24页影响粘流温度原因影响粘流温度原因*(1)高分子链柔性高分子链柔性好，运动单元链段就短，流动活化能就低。链段长，流动活化能就高，只有在高温下才能实现粘性流动。(2)高分子极性极性聚合物粘流温度较非极性聚合物高。(3)分子量分子量愈大，粘流温度愈高。(4)外力大小和外力作用时间外力愈大，在较低温度下即能发生粘性流动。延长外力作用时间降低粘流温度。第25页二药品剂型加工中高分子材料主要力学性能材材料料：含有满足指定工作条件下使用要求形态和物理性状物质材料力学性能：材料力学性能：外加作用力与形变及破坏关系如：弹性模量、拉伸强度、冲击强度等第26页(一)弹性模量应变：当材料受到外力作用，而所处条件使它不能产生惯性移动时，它几何形状和尺寸将发生改变，这种改变就称为应变。第27页应力：材料发生宏观变形时，其内部分子间以及分子内各原子间相对位置和距离就要发生改变，产生了原子间及分子之间附加内力，抵抗着外力，并力图恢复到改变前状态，到达平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。第28页形变有三种基本类型：受力方式受力方式 简单拉伸简单拉伸简单剪切简单剪切均匀压缩均匀压缩应力应力拉伸应力剪切应力围压力应变应变拉伸应变剪切应变均匀压缩应变弹性模量弹性模量 杨氏模量剪切模量体积模量第29页弹性模量：弹性模量=应力/应变，是材料发生单位应变时应力，它表征材料抵抗变形能力大小，模量愈大，愈不轻易变形，表示材料刚度愈大。对于理想弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，百分比常数称为弹性模量。聚合物弹性模量大小取于其链段运动难易程度，所以受温度影响显著第30页(二)硬度和强度1硬度：是衡量材料表面抵抗机械压力能力一个指标。硬度大小与材料拉伸强度和弹性模量相关。2.强度:材料抵抗外力破坏能力,是指在一定条件下材料所承受最大应力。常见强度有：拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等。第31页拉伸强度：在要求试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸栽荷，直到试样被拉断为止，断裂前试样承受载荷P与试样宽度b和厚度d乘积比值冲击强度：试样受冲击载荷而破裂时单位面积所吸收能量，它是衡量材料韧性一个强度指标。第32页弯曲强度：是在要求试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，取试验过程中最大载荷P，并按下式计算弯曲强度f=1.5Pl0/(bd2)第33页改变材料实际强度主要路径提升材料强度原因：1.聚合物化学结构：1）增加极性、形成氢键；2）主链中引入芳杂环；3）适当交联。2.结晶和取向3.共聚和共混4.材料复合5.适度增加分子量降低材料强度原因：应力集中物；惰性填料；增塑剂；老化等第34页(三)黏弹性高分子材料形变性质是与时间相关，这种关系介于理想弹性体和理想黏性体之间，即形变可逆，但有时间依赖性。黏弹性是高分子材料另一个主要特征，实质是力力学松弛学松弛现象。高聚物力学性质随时间改变统称为力学松弛，主要表现有：蠕变、应力松弛、内耗第35页1蠕变：在一定温度和较小恒定外力(拉力、压力或扭力等)作用下，材料形变随时间增加而逐步增大现象。反应材料尺寸稳定性优劣。(Tg到Tg+30度之间，易观察到蠕变。蠕变与柔性相关，柔性增加，蠕变增大，抗蠕变能力减弱。)2应力松弛：在恒定温度和形变恒定不变情况下，高聚物内部应力随时间增加而逐步衰减现象。第36页3内耗：是力学能量损耗，是机械能转化为热现象。高聚物受力时，高分子链及侧链基团按受力方向重排，运动时内摩擦作用使材料发烧，即部分机械能转化为热能而损失。内摩擦阻力愈大，即内耗愈大。内耗大小与高聚物本身结构相关。第37页三、药品经过聚合物扩散三、药品经过聚合物扩散药品经过聚合物扩散简明来说有两类模型：贮库装置；骨架装置。药品普通是溶解或分散在装置中，且经由装置扩散过程有以下几个步骤：药品溶出并进入周围聚合物或孔隙因为浓度递度驱动药品经过聚合物屏障药品由聚合物解吸附药品扩散进入体液或介质第38页药品释放过程是分子扩散，极少因为对流所产生普通而言：药品在聚合物中转运机制确定溶质扩散类型，而溶质分子大小和聚合物结构制约着溶质扩散系数，从而控制了溶质释放速度第39页Fick扩散药品经过聚合物稳态扩散可用Fick第一定律描述：D为溶质扩散系数，可看作常量，但改变药品浓度、温度、溶剂性质、药品化学性质、聚合物结构，以及人为控制都可改变D值在非稳态扩散时，普通用Fick第二定律描述第40页药品经过聚合物薄膜扩散药品制剂中惯用聚合物薄膜有：胶囊、包衣。其与药品亲和力、材料内部结晶度对药品扩散性影响非常显著，普通而言：聚合物中晶区是大多数药品分子不可穿透屏障药品在无孔聚合物中扩散时，必须移动高分子链，且相对较难，若二者在热力学上相容，则常呈零级释放第41页药品经过聚合物骨架扩散聚合物骨架分：疏水性、亲水性两类依据质量平衡原理，并作对应数学处理得：药品在疏水聚合物骨架中释放量与t1/2呈线性关系。对于多孔型骨架而言，孔隙率越大，释放越快；波折因子越大，则分子扩散路径越长，释放量越小。亲水骨架中因为水进入，骨架膨化，药品则由饱和溶液经过凝胶层扩散，惯用非Fick扩散机制解释。第42页非Fick扩散载药玻璃态聚合物与水溶液接触时，其药品释放速率与时间关系决定于水扩散速率及大分子链松弛速率正因为松驰与扩散双重作用，造成药品在这类聚合物中转运行为非常复杂，普遍认为是非非Fick扩散扩散第43页扩散系数因为药品浓度差关系，药品分子热运动将朝着缩小浓度梯度，趋向于平衡方向进行，在这么过程中，药品分子质量转移，即为扩散扩散扩散是常见现象，它描述分子或颗粒直线运动按照Stoken-Einsterin方程，扩散系数D0为：D0=k*()-1第44页实际上D0不是常数，受等影响物质(粒子)在凝胶中扩散行为：1.当凝胶网络稀疏时，当凝胶网络稀疏时，主要由扩散粒子与溶剂相互作用控制，与在溶液中扩散行为相同2.当网络较密集时，当网络较密集时，则粒子扩散还受高分子网络尺寸影响第45页药品经过多孔聚合物时，药品经过多孔聚合物时，速率主要影响原因有：多孔网络波折度、孔隙大小与健分布、药品在孔隙上吸附等药品经过无孔聚合物时，药品经过无孔聚合物时，大分子链之间距离是影响经过速率主要原因，任何造成扩散屏障增加形变，都会引发有效扩散面积对应减小以及大分子流动性下降第46页四药用高分子凝胶（一）凝胶结构和类型是指溶胀三维网状结构分子，而网状结构孔隙中又填充了液体介质。化学凝胶；物理凝胶(交联键性质)冻胶；干凝胶(含液量多少)第47页冻胶：含量常在90%以上，多数由柔性大分子组成网络中充满溶剂不能流动，呈弹性半固体状态，如明胶、琼脂冻胶等干凝胶：大部分是固体成份，吸收适宜液体溶胀后即可转变为冻胶第48页药用凝胶大部分是水凝胶：即一个在水中能显著溶胀、保持大量水分亲水性凝胶，多数水凝胶网络中可容纳分子本身重量数倍至百倍水，其中水有两种存在状态两种存在状态：靠近网络水与网络有很强作用力-结合水离网络较远水-自由水第49页影响水凝胶形成主要原因浓度浓度:分子愈不对称，可胶凝浓度越小分子愈不对称，可胶凝浓度越小温度温度:温度低，有利于胶凝温度低，有利于胶凝电解质：电解质：体系中阴离子起主要作用，盐浓体系中阴离子起主要作用，盐浓度较大时，度较大时，SO42-、Cl-普通加速胶凝；而普通加速胶凝；而I-、SCN-则阻滞胶凝则阻滞胶凝第50页环境敏感型水凝胶凝胶对于环境原因改变所给予刺激有非常明确或显著应答刺激：温度、pH、电场、压力等应答：相分离、形状改变、渗透性大小、透明度等第51页（二）水凝胶性质不一样结构、不一样化合物水凝胶含有不一样理化性质，如触变性、溶胀性、触变性、溶胀性、环境敏感性、黏附性环境敏感性、黏附性等1.溶胀性：凝胶吸收液体后本身体积显著增大现象(常分两个阶段)。第52页亲水性聚合物与水亲和力造成其溶胀，起初进入聚合物内溶剂化学势与它周围介质中化学势不一样，造成水(溶剂)因为“参透压”作用而向聚合物内部迁移，直到平衡为止，即化学势相等。对于低相对分子质量亲水性聚合物而言，最终平衡态是溶液对于高相对分子质量或交联型亲水性聚合物而言，溶胀最终平衡态可能是水溶胀凝胶第53页1溶胀性溶胀比(Q):交联高聚物在溶胀平衡时体积与溶胀前体积之比。溶胀比与温度、压力、高聚物交联度及溶质、溶剂性质相关。2脱水收缩性溶胀凝胶在低蒸气压下保留，液体迟缓地自动从凝胶中分离出来现象称为脱水收缩。第54页表征水凝胶溶胀结构主要参数1.溶胀态聚合物体积分数2.平均相对分子质量3.网络筛孔大小孔径大小受：交联度、组成单体、环境原因孔径大小显著影响：水凝胶机械强度、降解性，释放小分子扩散系数第55页环境敏感性温(热)敏水凝胶温敏是指在水或水溶液中这种凝胶溶胀与收缩强烈地依赖于温度。表现为凝胶体积在某一温区有突变这类凝胶结构中存在亲水和疏水基团，随环境温度改变，聚合物链亲水亲油平衡值改变，引发聚合物链段运动，甚至相变常见温敏水凝胶有：PEO-b-PPO；PNIMA以及对应共聚物第56页pH敏感性pH敏水凝胶pH敏感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩伴随环境pH值改变而发生显著改变常见pH敏感水凝胶有：PAA；PMA以及对应共聚物第57页黏附性黏附性生物黏附：在药制学中普通是用来描述聚合物与软组织(如皮肤、中腔、胃肠道膜等)之间黏附作用第58页黏膜黏附材料特点黏膜黏附材料特点1.大多是亲水性高分子，其相对分子质量都大于10万，有利于形成互穿网络各分子链缠绕2.其结构中含有能与黏蛋白形成氢键基团，如羧基或羟基等3.这类高分子含有高度柔性普通认为，剂型和黏膜黏结点有三个区域：黏膜黏附剂层区；黏膜区；界面区黏膜黏附剂层区；黏膜区；界面区第59页生物黏附机制1.聚合物润湿与溶胀2.生物黏附性聚合物链与聚合物线团和黏膜黏蛋白互穿作用3.在线团链之间很微弱化学结合第60页生物黏附性聚合物与黏膜黏蛋白互穿作用条件生物黏附性聚合物与黏膜黏蛋白互穿作用条件1.聚合物中含足够量氢键化学基团2.阴离子表面电荷3.相对分子质量较大4.分子链要有高度柔性5.它表面张力不妨碍它在黏膜表面铺展生物黏附形成理论(见P88P90略)第61页3药品经水凝胶透过性在低浓度凝胶中，水分子或离子是能够自由经过，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，物质扩散速度都将变小，因交联度增大使凝胶骨架空隙变小，水分子物质透过凝胶骨架时要经过这些迂回波折孔道，孔隙越小，扩散系数降低越显著第62页影响分子在凝胶中经过能力原因 凝胶中所含溶剂数量和性质 当溶剂是水或凝胶中为含水孔道则有利于可溶于水物质透过。当凝胶网络上大分子带电时，对离子扩散与透过则含有选择性。第63页渗透性液体分子或气体分子可从聚合物膜一侧扩散到其浓度较低另一侧，这种现象称为渗透或渗析。另外，若在低浓度聚合物膜一侧施加足够高压力(超出渗透压)则可使液体或气体分子向高浓度一侧扩散。这种现象称为反向渗透。第64页4触变性特指物理凝胶，当其受外力作用(如振摇、搅拌或其它机械力)，网状结构被破坏而变成液体，外部作用停顿后，又成半固体凝胶结构，这种凝胶与溶胶相互转化过程，称为触变性。第65页水凝胶制备当前惯用于制备水凝胶药用高分子材料有：壳聚糖、海藻酸钠、胶原、纤维蛋白、明胶、透明质酸、葡萄糖等水凝胶应用蛋白质和多肽类药品传递制备生物已得到靶向制剂第66页