高分子材料化学-第三章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,涉及到药用高分子辅料的加工处理，性能在药物制剂制备过程中的应用，特别是高分子辅料的溶解、溶胀、凝腔化、转变和粘弹性、力学强度和渗透性等性质几乎关系到药荆学研究的每一环节。,本章从实践观点出发，有重点地对药物制剂过程中相关内容做简要的介绍，使学生有初步概念。,第三章 高分子材料的物理化学性质,1,.,高分子溶液是研究单个高分子链结构的最佳方法,应用,粘合剂,涂料,溶液纺丝,增塑,共混,2,.,溶胀与溶解,聚合物溶解过程的热力学,溶剂的选择,凝胶,3.1,高分子溶液的理化性质,3,.,高分子的溶解是一个缓慢过程，可分为两个阶段：,溶胀 溶解,溶胀的定义,溶剂分子扩散进入高分子内部，使其体积增大的现象。,溶胀的,原因,高分子化合物特有的现象，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。,溶解的步骤,首先是溶剂小分子渗透进入高分子内部，撑开分子链，增加其体积，形成溶胀的聚合物。,3.1.1,溶胀与溶解,4,.,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。,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。,聚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。,5,.,6,.,(,一,),非晶态聚合物的溶胀和溶解,聚合物溶解过程分两步进行：首先溶胀，然后溶解。,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人聚合物内部使之发生溶胀或溶解,(,相对于结晶态聚合物而言,),。,聚合物溶解过程的另一个特点：溶解度与相对摩尔质量有关。通常相对摩尔质量大的，溶解度小；相对摩尔质量小的，溶解度大。提高温度一般可以增加其溶解度；降低温度则减小其溶解度。,7,.,(,二,),结晶聚合物的溶解,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。,结晶聚合物可分为两类：,1,、极性结晶聚合物，在适宜的强极性溶剂中往往在室温下即可溶解。,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。,如：聚酰胺,(PA),可溶于甲酸、冰醋酸、浓硫酸、苯酚、甲酚；,8,.,聚对苯二甲酸乙二醇酯,(PET),可溶于苯酚,/,四氯乙烷、间甲酚。,2,、非极性结晶聚合物，溶解往往需要将体系加热到熔点附近。破坏晶格后，再与溶剂作用而溶解。,高密度聚乙烯,PE(,熔点是,135),：溶解在四氢萘中，温度为,120,左右；间同立构聚丙烯,PP(,熔点是,134),：溶解在十氢萘中，,130,。,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。,9,.,(,三,),交联聚合物的溶胀,交联聚合物由于三维交联网的存在而不会发生溶解，只能发生溶胀。,交联度越大，溶解度越小。,交联度可以用交联点密度表示。交联聚合物中交联链的结构单元数,Nc,占总结构单元数,N,的分数，通常用,q,表示。,Q=Nc,/N,。,10,.,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人颗粒内部。,溶解之初，应采取适宜的方法，使颗粒高度分散，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、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。,制备药用高分子溶液的方法,11,.,高分子的溶解过程,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,(G,m,),小于零。,聚合物溶解过程的自由能变化：,G,m,H,m,TS,m,0 (3-1),聚合物溶解的必要条件：,G,m,0,，,G,m,的正负取决于,H,m,的正负和大小。,极性聚合物极性溶剂体系,由于高分子与溶剂分子的强烈相互作用，溶解时是放热的,(H,m,0),，此时体系的混合自由能为负，即,G,m,0,，所以，要使聚合物溶解，也即使必须满足,|H,m,|TS,m,|,。,13,.,非极性聚合物混合热,H,m,的计算：,经典,Hildebrand,溶度公式,H,m,V,1,2,(,1,-,2,),1,2,(3-2),式中,V,1,2,为溶液的总体积（,ml),；,为,(solubility parameter)(MPa),1/2,，,为体积分数；下标,1,和,2,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。混合热,H,m,是由于溶质和溶剂的溶度参数不等而引起的，,H,m,总是正值，如果溶质和溶剂的溶度参数愈接近，则,H,m,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,。,14,.,内聚能密度和溶度参数,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,。,溶度参数,=,1/2,=,15,.,例,完全非晶的,PE,的密度,a,=085g,cm,3,，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,16,.,溶胀度法是在一定温度下，将交联度相同的高分子分别放在一系列溶度参数不同的溶剂中使其溶胀，测定平衡溶胀度，聚合物在溶剂中溶胀度不同，只有当溶剂的溶度参数与聚合物溶度参数相等时，溶胀最好，溶胀度最大。因此，可把溶胀度最大的溶剂所对应的溶度参数作为该聚合物的溶度参数。,(a),溶胀法：,17,.,粘度法是将聚合物溶解在各种溶度参数与聚合物相近的溶剂中，分别在同一浓度、同一温度下测定这些聚合物溶液的特性粘度，因聚合物在良溶剂中舒展最好时特性粘度最大，故把特性粘度最大时所用的溶剂的,值看作该聚合物的溶度参数。,(b),粘度法,18,.,19,.,20,.,溶度参数相近原则,极性相似相溶原则,溶剂化原则,3.1.3,溶剂的选择,21,.,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。,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,。,例如：天然橡胶,=17.0 ,溶于甲苯,=18.2,和,CCI,4,=17.6 ,，而不溶乙醇,=26.0 ,，一般而言，聚合物与溶剂两者的溶度,3.1.3.1,溶度参数相近原则,22,.,参数相差值在,1.5,以内时常常可以溶解。所以可以用溶度参数,作为选择溶剂的参考数据。,在溶解聚合物时，有时使用混合溶剂，效果更好。对于混合溶剂的溶度参数,混,可由下式计算：,(3-4,）,式中 和 分别为两种纯溶剂的体积分数；,和 分别为两种纯溶剂的溶度参数。,由此可以通过上式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。,1,2,1,2,23,.,混合，使该聚合物溶解。,例已知某聚合物的,，溶剂,1,的,，溶剂,2,的,解问将上述溶剂如何以最适合的比,24,.,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，它可溶于水和乙醇中，而不溶于苯中。,3.1.3.2,极性相似相溶原则,25,.,溶度参数相近的聚合物一溶剂体系，不一定都能很好互溶,。,例如聚氯乙烯,=19.8 ,和二氯甲烷,=19.8 ,的溶度参数相等，但却不能互溶，前者只能溶于环己酮,=16.8 ,中，可用,“,溶剂化原则,”,来解释这些现象。,溶剂化作用,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。,3.1.3.3,溶剂化原则,26,.,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氢键高分子,27,.,溶剂按其极性不同,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。,28,.,溶剂与高分子的溶度参数相近时：,亲电子性溶剂能和给电子性高分子,“,溶剂化,”,易溶解；,给电子溶剂能和亲电子性高分子,“,溶剂化,”,利于溶解；,溶剂与高分子基团之间形成氢键,，利于溶解。,其它,选择溶剂的原则,使用目的、安全性、工艺要求、成本等多方面进行综合选择。,例如成膜和薄膜包衣的溶剂，应选择挥发性溶剂，否则难以成为连续膜，而作增塑剂用的溶剂，则要求挥发性小，以便长期保留在聚合物中。,29,.,例 根据溶剂选择的几个原则，试判断下列聚合物,-,溶剂体系在常温下哪些可以溶解,?,哪些容易溶解,?,哪些难溶或不溶,?,并简述理由,(,括号内的数字为其溶度参数,),。,（,3,）不溶。因为亲电聚合物对亲电溶剂。,(1),有机玻璃,(18.8)-,苯,(18.8),(2),聚四氟乙烯,(12.6)-,正癸烷,(13.1),解：（,1,）不溶。因为有机玻璃是极性的，而苯是非极性溶剂。,(3),聚氯乙烯,(19.4)-,氯仿,(19.2),（,2,）不溶。因为非极性结晶聚合物很难溶，除非加热到接近聚四氟乙烯 的熔点,327,，而此时溶剂早已气化了。,30,.,凝胶的结构和性质,功能水凝胶,3.1.4,凝胶,31,.,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。,32,.,高分子凝胶的三维网络结构示意图,高分子凝胶的交联网络点，可以是化学的、由共价键组成，也可以是物理交联，如结晶等,。,33,.,1,凝胶的结构和类型,凝胶,(gel),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，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：,化学凝胶,-,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。,3.1.4.1,凝胶的结构和性质,34,.,物理凝胶,-,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问的物理交联使其具有可逆性，即只要温度等外界条件改变，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的凝胶。,根据凝胶中含液量的多少分为,:,冻胶,-,液体含量很多的凝胶，含液量常在,90,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,(,图,3-2),，通常指的凝胶均即冻胶,。,35,.,干凝胶,-,液体含量少的凝胶,其中大部分是固体成分,.,如市售的明胶粉末,(,含水量约,15,),。干凝胶在吸收适宜液体膨胀后即可转变为冻胶。,胶凝作用,(gelation,)-,高分子溶液转变为凝胶的过程。,影响胶凝的因素主要有,浓度、温度和电解质,。,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。,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。,36,.,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，,SO,4,2-,和,CI,-,一般加速胶凝，而,I,-,和,SCN,-,则阻滞胶凝作用。,37,.,2,凝胶的性质,(1),触变性,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,(thixotropy,),。,原因,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 value),，具有弹性和粘性，对于某一具体凝胶、致流值、弹性或粘性等性质不是同时都显著的表现出来。,38,.,(2),溶胀性,溶胀性,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。,39,.,溶胀性的大小可用,溶胀度,(swelling capacity),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。,或,式中,Q,为溶胀度；,m1,，,m,2,分别为膨胀前后凝胶的质量；,V,0,，,V,为溶胀前后的体积。,影响溶胀度的主要因素有,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,40,.,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,等电点：两性离子所带电荷因溶液的,pH,值不同而改,变，当两性离子正负电荷数值相等时，溶液的,pH,值即其等电点。,41,.,(3),脱水收缩性,脱水收缩溶胀的凝胶在低蒸气压下保存，液体缓慢地自动从凝胶中分离出来的现象。,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，则形成干凝胶，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,(,图,3,3),；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。,42,.43,.,(4),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凹曲折的孔道，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与其所含溶剂的性质和含量有关。,处于高溶胀状态的凝胶有较大的平均,孔,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。,44,.,当凝胶网络大分子带电时，对离子的扩散与透过则具有选择性。,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。,凝胶骨架的透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。,目前在药物缓释、控释制剂中，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药领域得到广泛应用。,45,.,1,功能水凝胶的结构及分类,水凝胶,(hydrogels,),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-,、,-CONH,2,、,-COOH,和,-SO,3,H,等亲水基团。,水凝胶从来源分类：,天然水凝胶,合成水凝胶,3.1.4.2,功能水凝胶,46,.,从性质来分类：,电中性水凝胶,离子型水凝胶,：阴离子型、阳离子型和两性电解质。目前研究应用较多的是离子型水凝胶。,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：,传统的水凝胶：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。,47,.,环境刺激,的类型和,聚合物响应,的方式：,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,(,收缩或溶胀,),、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：,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、形状记忆水凝胶。,48,.,温敏型和,pH,敏水凝胶。,温敏,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,(LCST),。,pH,敏感水凝胶,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。,49,.,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，使其具有特殊的溶胀性质：,水凝胶在水中可显著溶胀。,离子型水凝胶困其结构中,离子型基团,(,如,-COOH,和,-SO,3,H,或,-NH,2,),的解离作用增加了聚合物的亲水性，导致其有较强的吸水性。,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的解离基团，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。,50,.,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,、离子强度、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,),，都能影响水凝胶的溶胀性。,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。,图,3-4,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。,51,.,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,pKa,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,。,52,.,温敏型水凝胶,53,.,图,3-5,为聚,N-,异丙基丙烯酰胺,(PNIPA),温敏水凝胶的体积分数,v(v,=,Q,为溶胀度，,v,为凝胶中高分子体积与液体体积之比,),随温度变化的情况,:,图解,:,聚合物体积分数,v,随温度升高而增加。,当到达,PNlPA,的低临界溶液温度,(LCST),，即,37,凝胶会突然收缩，体积分数,v,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。,54,.,温敏的原因,一般温敏水凝胶的结构中聚合物链上都存在亲水和疏水基团的平衡，其温敏的原因是由于聚合物链的亲水亲油平衡值。,温敏水凝胶的影响因素,A:,调节聚合物骨架中的亲水或疏水组分时，,LCST,可以上升或下降。,B受烷基侧链的大小、构型和柔性的影响。,C:,温敏性水凝胶的,LCST,溶胀和收缩的转变程度和转变速度以及水分子的渗透速率还可以通过共聚、改变交联密度、溶胀介质、离子强度和组成等来调节。,55,.,具有温度及,pH,双重敏感性水凝胶,合成方法,将,pH,敏单体和温敏单体通过,接枝,和,嵌段共聚,合成的共聚物水凝胶；,用互穿网络技术合成的互穿网络水凝胶。,共聚物水凝胶,通过这样两种单体接枝或嵌段共聚得到共聚物中各聚合物链都独立地具有,各自不同的刺激,-,响应的敏感性。,56,.,互穿网络水凝胶,聚丙烯酸为,pH,敏水凝胶，聚,(N-,异丙基丙烯酰胺,),为温敏水凝胶，而聚,(,丙烯酸,)/,聚N-,异丙烯酰胺,),互穿聚合物网络水凝胶则具有温度及,pH,双重敏感性，这种水凝胶在弱碱性条件下的溶胀率远大于酸性条件下的溶胀率，在酸性条件下，随温度的上升，凝胶的溶胀率也逐渐增大，而在弱碱性条件下，温度低于聚,(N-,异丙基丙烯酰胺,),的,LCST,时，溶胀率随温度升高而增大，当温度达到,LCST,时，凝胶溶胀率突然急剧下降，并随温度的逐渐上升而下降。,57,.,3,水凝胶的应用,水凝胶由于具有良好的物理化学性质和生物相容性，使其在药剂学领域有许多应用，如一些缓释制剂的载体、水性软膏基质以及新型制剂。,与疏水聚合物相比，水凝胶与被固定在其中的药物或生物活性分子的相互作用极其微小，可使被固定的物质长时间的保持活性。利用这一特点，水凝胶在药物控制释放等领域有着广泛的应用。特别是环境敏感水凝胶作为智能聚合物为设计和制备自调式给药系统和生物工程方面的多种新应用提供了可行性,。,58,.,隐型眼镜就是由凝胶制作而成的,59,.,智能高分子凝胶的应用,-,智能药物释放系统,葡萄糖响应高分子配合物形成的胰岛素释放微囊,聚乙二醇,感知葡萄糖浓度,交换键合释放药物,患者的血糖浓度维持正常水平,释放机理,刺激响应脉冲释放,网孔的可控性,60,.,概述,分子量及其分布的测定方法,3.2,高分子的分子量及分子量分布,61,.,高分子分子量特点,分子量大聚合物的分子量高达,10,4,10,6,具有多分散性聚合物实际上是分子量大小不同的高分子同系物所组成的混合物。,多分散性,(heterodispersity,),聚合物的分子量的不均一性。实验方法测定的分子量只是统计平均值。,多分散性大小的因素影响,主要决定于,聚合过程,，试样,处理,、,存放,条件等因素影响。,3.2.1.1,高分子分子量特点,62,.,即使平均分子量相同的聚合物，其分子量分布也有可能不同，所以单用平均分子量不能充分地表征聚合物的分子量，还需要知道其分布情况。,对同一试样采取不同的测定方法得到的平均分子量各不相同，其原因是各种方法符合不同的统计数学模型。,按照不同统计方法，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,63,.,1.,数均分子量,假设某种聚合物中，分子量为,M,1,M,2,Mi,。的分子数分别为,n,1,、,n,2,n,i,个。按分子数目统计得到平均分子量为：,式中,N,i,为分子量为,M,i,的组分的数量分数。,凡是采用依数性为实验原理的方法所测得平均分子量均为数均分子量，如冰点下降法、沸点升高法、渗透压法和端基分析法等。,64,.,2,重均分子量,(),按重量分布的统计平均分子量，为重均分子量。,式中,W,i,为分子量为级分的重量分数。,用光散射法、超离心沉降法测得的分子量是重均分子量，范围在,10,4,10,7,之间适用。,重均分子量大于数均分子量，因为一个分子量较高的分子，其重量分数大于分子量较低者。,65,.,3,粘均分子量,(),用溶液粘度法测得的分子量称为粘均分子量，定义为：,式,3-8,中的,是分子量常数，其值与高分子和溶剂的性质有关，一般在,0.5,1,之间，在一定分子量范围内,为常数，其值可由,Mark-Houwink,方程求得。,66,.,假定,PMMA,样品由相对分子质量,100000,和,400000,两个单分散级分以,1,：,2,的重量比组成,，求它的,和 ，,(,假定,a,0.5),并比较它们的大小,解：,67,.,68,.,同一多分散性聚合物试样，各种分子量存在如下关系：,。其中低分子量的聚合物对 的影响较大，而对 的影响较小。相反,则主要取决于高分子量级分。,单分散性聚合物各种平均分子量相同即,（只有极少数象,DNA,等生物高分子才是单分散的）,=,=,69,.,高分子聚合物的分子量是不均一的，这种分子量的不均一性称为多分散性。常用表示方法如下所示。,1,多分散性指数,(HI),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,之间，有时也可高达,20,50,。,3.2.1.2,分子量分布表示方法,70,.,合成高聚物中,HI,的典型区间,高聚物,HI,阴离子聚合,“,活性,”,聚合物,1.011.05,加成聚合物（双基终止）,1.5,加成聚合物（歧化终止）或缩聚物,2.0,高转化率烯类聚合物,25,自动加速生成的聚合物,510,配位聚合物,830,支化聚合物,2050,71,.,2,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，如图,3-6,所示,.,测定时，首先利用适当分子量分级方法将试样分成若干级后，测定各级分的重量分数,W,i,和各级分聚合度,n,i,(,或分子量,),计算,C,和 值,(C=),，以,C,为纵,坐标，,n,i,为横坐标作图，得到累积重量分布曲线,(,图,3-6,中,I),，以 为纵坐标，,n,i,为横坐标作图，得到微,分重量分布曲线,(,图,3_6,中,),，计算过程见表,3,5,。,72,.,一般情况下，聚合物的分子量微分分布曲线只有一个峰，根据峰的位置、峰顶的形状可以判断平均分子量的大小，比较不同聚合物分子量的分布情况，峰形愈锐，分子量分布越窄，峰形越钝，表明分子量分布越宽。,73,.,聚合物的分子量是衡量高分子材料的基本参数之一，聚合物许多物理性质与其分子量的大小及其分布有着密切的关系。,聚合物分子量的影响因素,物态,(,液体或固体,),、力学性质,(,强度、弹性、韧性、硬度等,),和粘度等与分子量有极大的关系，特别是分子量对高分子材料的加工性能也有重要的影响。,分子量相当低或特别高的级分对性能影响更为明显。,聚合物的力学性能，,抗张强度、抗冲击强度、弹性模量、硬度、粘合强度,，随聚合物分子量的增加而增加，当分子量大到某一程度时，上述各种性能的提高速度减慢，最后趋于某一极限值。,粘度、弯曲强度，随分子量增加而提高,。,3.1.2.3,分子量及其分布对聚合物性能的影响,74,.,聚合物,分子量分布,的影响因素,分子量分布对材料的物理机械性能也有很大的影响，如材料的抗张强度、抗冲击强度、耐疲劳性以及加工过程中的流动性和成膜性，都与分子量分布有密切的关系。,以聚苯乙烯为例，当 相同时，,HI,大的样品力学强度较高，因为含有高分子量的级分多些，而强度主要决定于高分子量级分。基于同样原因，当 相同时，,HI,小,(,即分子量分布窄,),，强度大，这是由于低分子量级分较小的缘故。,对于高分子材料，并不是说分子量愈高，分子量分布愈窄，作为药物制剂的辅料或材料就越好。在实际应用中，应兼顾高分子材料使用性能和加工方法对分子量及其分布加以控制。,75,.,分子量测定方法,分子量分布的测定方法,3.2.2,分子量及其分布的测定方法,76,.,1,端基测定法,端基测定法适用于聚合物分子中分子链末端有数目明确，可以用化学法定量测定的端基，其适用分子量范围,3,10,4,。,一定重量的试样中分子链的数目可以通过端基的数目计算得到从而计算得到聚合物的分子量。,如泊洛沙姆是由环氧丙烷和环氧乙烷共聚而得到的线型聚醚，其两端以氧乙烯醇封端，大分子两端都含有羟基。,3.2.2.1,分子量测定方法,77,.,它的测定方法是：在一定重量的试样中加入定量的酞酸,(,邻苯二甲酸,),使成酞酸半酯，再用简单的标准碱液滴定。测定时设每一分子中所含端基数为,z,，如以一定体积,(ml),标准碱液滴定泊洛沙姆,(z=2),达到滴定终点时，该聚醚的数均分子量应为：,式中,V,为试样消耗,NaOH,标准液的体积,(ml),；,W,为试样质量,(g),；,N,为试样中端基的摩尔数。,(3,9),78,.,例：用醇酸缩聚法制得的聚酯，每个分子中有一个可分析的羧基，现滴定,1.5,克的聚酯用去,0.1N,的,NaOH,溶液,0.75,毫升，试求聚酯的数均相对分子质量。,解：聚酯的摩尔数为,79,.,2,粘度法,实验证明，高分子的特性粘度取决于测定温度、溶剂的性质和高分子的分子量、形状及分子间作用力等，当聚合物、溶剂和温度确定后，特性粘数,值仅与试样的分子量,(M),有关，称为,Mark,Houwink,方程。,或 （,3-10,）,式中,P,为聚合度，,和 为在一定的分子量范围内与分子量无关的常数。,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。,80,.,3,光散射法,光散射法是测定重均分子量的主要方法，它是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。,光散射法可测定的分子量范围为,10,4,10,7,。分子量较低时，由于灰尘和杂质的干扰，测定的可靠性较差。利用光散射的一次测定可以同时得到重均分子量和均方半径等，这些在研究高分子溶液性质上具有重要意义。近年，利用激光光源的动态光散射仪，可测定高分子在溶液中的扩散系数和流体力学半径等。,此外还有渗透压法,(2,10,4,10,6,),、气相渗透法,(3,10,4,),、冰点降低法,(10,4,),和沸点升高法,(10,4,),等，所得结果均为 。,81,.,1,凝胶色谱法,凝胶色谱法,(gel chromatography),，是按溶质分子大小,(,即体积不同,),进行分离的一种色谱法，实际上是液相色谱法的一种特殊形式。,在其色谱柱内填充有一定孔隙率和一定粒度要求的交联型聚苯乙烯凝胶颗粒,(,或表面多孔粒子,),，这种凝胶颗粒构成了适当的孔径分布，它的分布与试样中溶质分子大小分布的情况相适应，随着溶剂的淋洗，由于凝胶的排阻效应进行不等同分子大小的分离。,凝胶色谱法的特点是快速、简便、数据可靠、重现性好，能够同时测定分子量及分子量分布。但它不是测定分子量的绝对方法，需要在其他方法的配合下进行测定。,3.2.2.2,分子量分布测定法,82,.,2,相平衡分级法,测定分子量分布一般利用一定的分级方法把多分散性聚合物试样按分子量的大小分成若干个级分，然后再借助其他方法测定各级分的含量及分子量，得到分子量分布情况。这类分级的方法主要有溶解分级法、沉淀分级法等。,83,.,测定方法,适用分子量范围,平均分子量类型,端基分析,M,a,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（,glass temperature,),，,以,T,g,表示。,91,.,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,T,g,粘流态,粘弹态转变区,T,f,交联聚合物,M,a,M,b,M,b,M,a,92,.,高弹态开始向粘流态转变的温度称为,粘流温度,，以,T,f,表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，,T,f,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,T,g,粘流态,粘弹态转变区,T,f,交联聚合物,M,a,M,b,M,b,M,a,玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。,93,.,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,3.3.1.3,高分子的热转变,94,.,（,i,）聚合物的结构：,T,g,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,T,g,与高分子链的柔顺性相关，柔顺性好，,T,g,低，柔顺性差，,T,g,高。,T,g,的影响因素,如：,-C-C-,，,-C-N-,，,-C-O-,，,-Si-O-,等，柔顺性较好，一般,T,g,不高：,95,.,主链中引入共轭双键、芳环或芳杂环，,可提高分子链的刚性，,T,g,升高，如：,96,.,侧基的极性越强，数目越多，,T,g,越高，如：,刚性侧基体积越大，链柔顺性越差，,T,g,越高，如：,97,.,柔性侧链越长，分子链柔顺性越好，,T,g,越低，如：,98,.,如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，,T,g,下降，如：,99,.,(ii),分子量：当分子量较低时，,MW,，,T,g,；当分子量足够大时，分子量与,T,g,无关。,(iii),化学交联：交联度,，分子链运动受约束的程度,，分子链柔顺性,，,T,g,。,2,、粘流温度,当温度高于非晶态聚合物的,T,f,、晶态聚合物的,T,m,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。,100,.,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,(melt index,，,MI),：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。,101,.,材料,-,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。,3.3.2,药物剂型加工中高分子材料的主要力学性能,102,.,固体剂型加工有关的聚合物的几种主要力学性质简介。,应变,(strain),-,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。,应力,(stress),材料宏观变形时，其内部产生与外力相抗衡的力。,各向同性材料有三种类型：,简单拉伸,简单剪切,均匀压缩。,3.3.2.1,弹性模量,103,.,A,0,l,0,l,D,l,A,F,F,简单拉伸,简单拉伸,-,杨氏模量,104,.,简单剪切,A,0,F,F,简单剪切,-,剪切模量105,.,均匀压缩,A,0,均匀压缩,-,体积模量,106,.,根据材料的力学性能及其应力,-,应变曲线特征，可将非晶态聚合物的应力,-,应变曲线大致分为六类：,(1),硬而脆,(2),硬而强,(1),(2),(3),强而韧,(4),软而韧,(5),软而弱,(6),弱而脆,e,s,(3),(4),(5),(6),107,.,弹性模量,(modulus of elasticity,E),或杨氏模量,(Young,s modulus),是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。理想的弹性固体，应力与应变（服从虎克定律）的比例常数，简称模量。,弹性模量,=,弹性模量是单位应变所需应力的大小，是