第三章 高分子材料的物理化学性质 优秀课件.ppt

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1、第三章第三章 高分子材料的物高分子材料的物理化学性质理化学性质 第1页，本讲稿共43页（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移动：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。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，其内部产生与外力相：材料宏观变形时，其内部产生与外力相抗衡的力，称为应力。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第2页，本讲稿共43页A0l0lD D lAFF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：简单拉伸简单拉伸第3页，本讲稿共43页简单剪切简单

2、剪切A0FF 形状改变而体积不变形状改变而体积不变第4页，本讲稿共43页均匀压缩均匀压缩A0体积改变而形状不变体积改变而形状不变第5页，本讲稿共43页 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大单位应变所需应力的大小小。是材料刚性的一种表征。分别对应于以上三种。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：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

3、第6页，本讲稿共43页硬度硬度：是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，是指在一定条：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。件下材料所能承受的最大应力。（二）硬度和强度第7页，本讲稿共43页厚度厚度d宽度宽度bP 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与试样横截面积之比为与试样横截面积之比为抗张强度抗张强度 t t：t t =P P/b b d d1、拉伸拉伸强度强度 衡量材料

4、抵抗衡量材料抵抗拉伸拉伸破坏的能力，也称破坏的能力，也称拉伸强度拉伸强度。第8页，本讲稿共43页Pdbl0/2l0/2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、抗弯强度强度 也称挠曲强度或弯曲强度。设试验过程中最大也称挠曲强度或弯曲强度。设试验过程中最大的负荷为的负荷为P，则抗弯强度，则抗弯强度 f为：为：f =1.5Pl0/bd2 第9页，本讲稿共43页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,定义为试样受冲击定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性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。的一种指标。冲击头，以一定速

5、度冲击头，以一定速度对试样实施冲击对试样实施冲击Pbl0/2l0/2d第10页，本讲稿共43页（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，可增加链的刚性，：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，有利于强度的提高。分子链易于取向，强度增加；适度交联，有利于强度的提高。（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，增加强度，但结晶：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，使材料变脆。度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降低，使材料变脆。（3 3）分子量）分子量：在一定范围内分子量增加，

6、强度增加。：在一定范围内分子量增加，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，缺陷附近局：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。应力集中首先使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，然后应力再向其它部位传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。递。4 4、聚合物、聚合物强度的影响因素度的影响因素第11页，本讲稿共43页（5 5）惰性填料）惰性填料：有：有时为了降低成本，在聚合物中加入一些只了降低成本，在聚合物中加入一些只起稀起稀释作用的惰性填料，如在聚合物中加入

7、粉状碳酸作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉状碳酸钙。惰性。惰性填料往往使聚合物材料的填料往往使聚合物材料的强度降低。度降低。（6 6）增塑）增塑：增塑：增塑剂的加入可使材料的加入可使材料强度降低，只适于度降低，只适于对弹性、性、韧性性的要求的要求远甚于甚于强度的度的软塑料制品。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：温度、外力作用速度和作用时间对强度都度都有影响。有影响。第12页，本讲稿共43页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弹称为力学松弛或粘弹现象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

8、力松弛蠕变、应力松弛滞后、内耗滞后、内耗（三）粘弹性（三）粘弹性第13页，本讲稿共43页 1 2+3 1 2 3t2t1t 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好的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，材料的形变随时间而逐渐增大在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间

9、而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。去外力去外力第14页，本讲稿共43页 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，聚合物内部所谓应力松弛，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。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，用过一段时间后越来越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，松。也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。实现同样的形变量，所需的力越来越少。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

10、型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不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。这种残存的内应及完全松弛，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，从而引起制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。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）以是退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）以加速应力松弛过程。加速应力松弛过程。第15页，本讲稿共43页3.滞后滞后现象象 当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时

11、，应力和应变当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应力和应变的关系就会呈现出滞后现象。的关系就会呈现出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随时间的变化一直跟不上所谓滞后现象，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。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

12、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。第16页，本讲稿共43页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，为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？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，上一次受到外高聚物受到交变力作用

13、时会产生滞后现象，上一次受到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。这样不断施加了，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自摩擦上，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。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，称为这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为内内耗耗。第17页，本讲稿共43页l相关应用相关应用l对于作于作轮胎的橡胶，胎的橡胶，则希望它有最小的力学希望它有最小的力学损耗才好耗才

14、好l对于作于作为防震材料，要求在常温附近有防震材料，要求在常温附近有较大的力学大的力学损耗（吸耗（吸收振收振动能并能并转化化为热能）能）l对于隔音材料和吸音材料，要求在音于隔音材料和吸音材料，要求在音频范范围内有内有较大的力学大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否耗（当然也不能内耗太大，否则发热过多，材料易于多，材料易于热态化）化）第18页，本讲稿共43页五、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，使气体或液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

15、度低的一侧，这种现象称为渗透性。一侧扩散到浓度低的一侧，这种现象称为渗透性。影响渗透性的主要因素：温度、极性、分子大小、影响渗透性的主要因素：温度、极性、分子大小、链的柔性等。链的柔性等。第19页，本讲稿共43页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第20页，本讲稿共43页（二）胶粘性（二）胶粘性胶粘性：粘合行为及被粘合行为

16、胶粘性：粘合行为及被粘合行为粘合过程：粘合过程：第一第一阶段：液体胶黏段：液体胶黏剂分子借助于布朗运分子借助于布朗运动向被粘物表面向被粘物表面扩散，使散，使两者的急性基两者的急性基团或或链节相互靠近；相互靠近；第二第二阶段是吸附力的段是吸附力的产生，当胶黏生，当胶黏剂与被粘物两与被粘物两处分子分子间距离距离达到达到0.5-1nm，分子便，分子便产生相互吸引作用，并使分子生相互吸引作用，并使分子间的距离的距离进一步一步缩短到能短到能够处于最大于最大稳定状定状态的距离。的距离。第21页，本讲稿共43页影响粘合强度的因素：影响粘合强度的因素：1.分子量：中等分子量分子量：中等分子量2.表面粗糙度：粗

17、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22页，本讲稿共43页第四第四节 药物通物通过聚合物的聚合物的扩散散一、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第23页，本讲稿共43页药物的物的扩散散过程：程：药物溶出并物溶出并进入周入周围的聚合物或孔隙；的聚合物或孔隙；药物分子物分子扩散通散通过聚合物屏障；聚合物屏障；药物由聚合物解吸附；物由聚合物解吸附；药物物扩散散进入体液或介入体液或介质。第24页，本讲稿共43页系统内部的

18、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导的推动力下，由于质点的热运动而导致定向迁移，从宏观上表现为物质的致定向迁移，从宏观上表现为物质的定向输送，此过程叫定向输送，此过程叫扩散扩散。扩散的定义：扩散的定义：第25页，本讲稿共43页 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第26页，本讲稿共43页一、一、Fick第一定律第一定律 稳定

19、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不随时浓度不随时间变化间变化，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积上扩散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。的物质数量和浓度梯度成正比。第27页，本讲稿共43页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(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，

20、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表达式：第28页，本讲稿共43页此式表明：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(2)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，药物分子扩散系数不是常数，药物分子的大小、极性、药物在聚合物中的溶解度和聚合物的结构、的大小、极性、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。温度等因素对扩散系数有很大的影响。第

21、29页，本讲稿共43页一、一、缓控控释制制剂概述概述l缓释制制剂l指用指用药后能在后能在较长时间内持内持续缓慢慢释放放药物物以达到延以达到延长药效目的的制效目的的制剂。l系指口服系指口服药物在物在规定定释放介放介质中，中，按要求按要求缓慢地非恒速慢地非恒速释放放，其与相，其与相应的普通制的普通制剂比比较，每每24h用用药次数次数应从从3 34 4次减少至次减少至1 12 2次的次的制制剂。（中国。（中国药典）典）第30页，本讲稿共43页l控控释制制剂l药物从制物从制剂中按一定中按一定规律律缓慢、恒速慢、恒速释放，放，使机体内使机体内药物物浓度保持相度保持相对恒定，体内恒定，体内释药不受不受pH

22、影响。体外影响。体外释放符合零放符合零级方程。方程。l系指口服系指口服药物在物在规定定释放介放介质中，中，按要求按要求缓慢地恒速或接近恒速慢地恒速或接近恒速释放放，其与相，其与相应的普通的普通制制剂比比较，每，每24h用用药次数次数应从从3 34 4次减少次减少至至1 12 2次的制次的制剂。（中国。（中国药典典）第31页，本讲稿共43页血血药药浓浓度度l图图1 缓控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 第32页，本讲稿共43页缓释、控、控释制制剂特点特点1 1对半半衰衰期期短短的的或或需需要要频繁繁给药的的药物物，可可以减少服以减少服药次数。次

23、数。2 2使使血血药浓度度平平稳，避避免免峰峰谷谷现象象，有有利利于于降低降低药物的毒副作用。物的毒副作用。3 3可减少用可减少用药的的总剂量。量。如如 硝硝苯苯地地平平：每每日日口口服服3 3次次，每每次次剂量量10mg，市市售售缓释制制剂产品品有有20、30、40、60mg等品种。等品种。第33页，本讲稿共43页通常不适宜制成缓、控释制剂的药物半衰期很短（半衰期很短（24小时）的药物小时）的药物不适合制成缓释、控释制剂。一般半衰期为不适合制成缓释、控释制剂。一般半衰期为46小时较适小时较适合。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

24、，吸收无规则或吸收差或吸收受药物和机体溶解度太小，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；具有特定吸收部位的药物，如维生理条件影响的药物；具有特定吸收部位的药物，如维生素生素B2。有些药物在治疗过程中，需要使血药浓度出现峰谷现象。有些药物在治疗过程中，需要使血药浓度出现峰谷现象。如青霉素等抗生素，药物，制成缓控释剂型，则容易产如青霉素等抗生素，药物，制成缓控释剂型，则容易产生耐药性。生耐药性。第34页，本讲稿共43页二、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化液逐渐缓释片口服后，在胃肠道内

25、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慢扩散到表面而溶吸水膨胀，药物随亲水凝胶逐渐溶解缓慢扩散到表面而溶于体液中。于体液中。l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。第35页，本讲稿共43页不溶性 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 第36页，本讲稿共43页（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囊或小丸如乙基纤维素等包制

26、的微囊或小丸符合符合Ficks第一定律第一定律dM/dt为释放度，为释放度，A为面积，为面积，D为扩散系数，为扩散系数，K为药物在膜与囊心之间的分配系数，为药物在膜与囊心之间的分配系数，L为包为包衣层厚度，衣层厚度，C为膜内外药物的浓度差。为膜内外药物的浓度差。第37页，本讲稿共43页不溶性膜基质图图图图3 3 水不溶性包衣膜水不溶性包衣膜水不溶性包衣膜水不溶性包衣膜第38页，本讲稿共43页2包衣膜中含有部分水溶性聚合物包衣膜中含有部分水溶性聚合物 释药原理释药原理释药原理释药原理：与胃肠液接触时，膜上致孔剂遇水与胃肠液接触时，膜上致孔剂遇水部分溶解或脱落，在包衣膜上形成微孔或弯曲小部分溶解或

27、脱落，在包衣膜上形成微孔或弯曲小道。胃肠道中的液体通过微孔渗入膜内，溶解片道。胃肠道中的液体通过微孔渗入膜内，溶解片芯内的药物到一定程度，此时片芯内药物溶液便芯内的药物到一定程度，此时片芯内药物溶液便产生一定渗透压，阻止水分继续渗入，由于膜内产生一定渗透压，阻止水分继续渗入，由于膜内外浓度差的存在，药物分子通过微孔向膜外扩散释放。外浓度差的存在，药物分子通过微孔向膜外扩散释放。获得零级或接近零级速率的药物释放。获得零级或接近零级速率的药物释放。获得零级或接近零级速率的药物释放。获得零级或接近零级速率的药物释放。第39页，本讲稿共43页图图4 4 部分水溶性包衣膜部分水溶性包衣膜部分水溶性包衣膜

28、部分水溶性包衣膜第40页，本讲稿共43页（三）水不溶性骨架片（三）水不溶性骨架片l释放机理：通过骨架中许多弯弯曲曲的孔道释放机理：通过骨架中许多弯弯曲曲的孔道扩散进行的。扩散进行的。l影响释放的主要因素：药物的溶解度、骨架影响释放的主要因素：药物的溶解度、骨架的孔隙率、孔径和孔的弯曲程度。的孔隙率、孔径和孔的弯曲程度。l适于水溶性或较易溶于水的药物制备的骨架适于水溶性或较易溶于水的药物制备的骨架片。如含聚氯乙烯、乙基纤维素等水不溶性片。如含聚氯乙烯、乙基纤维素等水不溶性聚合物。聚合物。第41页，本讲稿共43页Q=DSP（2A-SP）t/1/2 Q：单位面积t的释放量，D：扩散系数，P：骨架中的孔隙率，S：药物在释放介质中的溶解度，：骨架中弯曲因素，A为单位体积骨架中药物含量。假设：药物释放时保持伪稳态；AS，即存在过量的溶质；理想的漏槽状态；药物颗粒比骨架小得多；D恒定。Q=kHt1/2 第42页，本讲稿共43页骨架材料骨架材料可溶性可溶性包衣膜包衣膜图图5 5 水不溶性骨架片水不溶性骨架片第43页，本讲稿共43页