1、第三章第三章 高分子材料的物理化學性質高分子材料的物理化學性質（一）彈性模量（一）彈性模量應變應變：材料在受外力作用而不產生慣性：材料在受外力作用而不產生慣性移動時，物體相應外力所產生的形變為應變。移動時，物體相應外力所產生的形變為應變。 應力應力：材料宏觀變形時，其內部產生與：材料宏觀變形時，其內部產生與外力相抗衡的力，稱為應力。外力相抗衡的力，稱為應力。四、高分子材料的力學性能四、高分子材料的力學性能a0l0ld d laff材料受力方式主要有以下三種基本類型：材料受力方式主要有以下三種基本類型：簡單拉伸簡單拉伸簡單剪切簡單剪切a0ff 形狀改變而體積不變形狀改變而體積不變均勻壓縮均勻壓縮

2、a0體積改變而形狀不變體積改變而形狀不變 是指在彈性形變范圍內是指在彈性形變范圍內單位應變所需應力的單位應變所需應力的大小大小。是材料剛性的一種表征。分別對應于以上。是材料剛性的一種表征。分別對應于以上三種材料受力和形變的基本類型的模量如下：三種材料受力和形變的基本類型的模量如下： 拉伸模量拉伸模量（楊氏模量）（楊氏模量）e e：e e = = / / 剪切模量剪切模量（剛性模量）（剛性模量）g g：g g = = s s / / 體積模量體積模量（本體模量）（本體模量）b b：b b = = p p / / v v彈性模量彈性模量硬度硬度：是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種：是衡量材料表面

3、承受外界壓力能力的一種 指標。指標。硬度的大小與材料的硬度的大小與材料的拉伸強度拉伸強度和和彈性模量彈性模量有關。有關。強度強度：是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在：是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應力。一定條件下材料所能承受的最大應力。（二）硬度和強度厚度厚度d寬度寬度bp 試樣斷裂前所受的最大負荷試樣斷裂前所受的最大負荷p p與試樣橫截面積與試樣橫截面積之比為抗張強度之比為抗張強度 t t： t t = = p p / / b b d d1、拉伸拉伸強度強度 衡量材料抵抗衡量材料抵抗拉伸拉伸破壞的能力，也稱破壞的能力，也稱拉伸拉伸強度強度。pdbl0/2l

4、0/2抗彎強度測定試驗示意圖抗彎強度測定試驗示意圖2、抗彎、抗彎強度強度 也稱撓曲強度或彎曲強度。設試驗過程中也稱撓曲強度或彎曲強度。設試驗過程中最大的負荷為最大的負荷為p，則抗彎強度，則抗彎強度 f為：為： f = 1.5pl0 / bd2 3、沖擊強度、沖擊強度（ i） 沖擊強度也稱抗沖強度沖擊強度也稱抗沖強度, 定義為試樣受沖定義為試樣受沖擊負荷時單位截面積所吸收的能量。是衡量擊負荷時單位截面積所吸收的能量。是衡量材料韌性的一種指標。材料韌性的一種指標。沖擊頭，以一定速沖擊頭，以一定速度對試樣實施沖擊度對試樣實施沖擊pbl0/2l0/2d（1 1）聚合物自身的結構）聚合物自身的結構：主鏈

5、中引入芳雜環，可增加鏈的：主鏈中引入芳雜環，可增加鏈的剛性，分子鏈易于取向，強度增加；適度交聯，有利于強度剛性，分子鏈易于取向，強度增加；適度交聯，有利于強度的提高。的提高。（2 2）結晶和取向）結晶和取向：結晶和取向可使分子鏈規整排列，增加：結晶和取向可使分子鏈規整排列，增加強度，但結晶度過高，可導致抗沖強度和斷裂伸長率降低，強度，但結晶度過高，可導致抗沖強度和斷裂伸長率降低，使材料變脆。使材料變脆。 （3 3）分子量）分子量：在一定范圍內分子量增加，強度增加。：在一定范圍內分子量增加，強度增加。（4 4）應力集中）應力集中：若材料中存在某些缺陷，受力時，缺陷附：若材料中存在某些缺陷，受力時

6、，缺陷附近局部范圍內的應力會急劇增加，稱為應力集中。應力集中近局部范圍內的應力會急劇增加，稱為應力集中。應力集中首先使其附近的高分子鏈斷裂和相對位移，然后應力再向其首先使其附近的高分子鏈斷裂和相對位移，然后應力再向其它部位傳遞。它部位傳遞。4 4、聚合物強度的影響因素、聚合物強度的影響因素（5 5）惰性填料）惰性填料：有時為了降低成本，在聚合物中加入一：有時為了降低成本，在聚合物中加入一些只起稀釋作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉狀碳些只起稀釋作用的惰性填料，如在聚合物中加入粉狀碳酸鈣。惰性填料往往使聚合物材料的強度降低。酸鈣。惰性填料往往使聚合物材料的強度降低。（6 6）增塑）增塑：增塑劑的

7、加入可使材料強度降低，只適于對：增塑劑的加入可使材料強度降低，只適于對彈性、韌性的要求遠甚于強度的軟塑料制品。彈性、韌性的要求遠甚于強度的軟塑料制品。（7 7）外界因素）外界因素：溫度、外力作用速度和作用時間對強度：溫度、外力作用速度和作用時間對強度都有影響。都有影響。高聚物高聚物力學性質隨時間而變化的現象力學性質隨時間而變化的現象稱為力學松弛或粘稱為力學松弛或粘彈現象彈現象粘彈性分類粘彈性分類靜靜態粘彈性態粘彈性動動態粘彈性態粘彈性蠕變、應力松弛蠕變、應力松弛滯后、內耗滯后、內耗（三）粘彈性（三）粘彈性 1 2+ 3 1 2 3t2t1t 應用：應用：蠕變影響了材料的尺寸穩定性。蠕變影響了材

8、料的尺寸穩定性。例如，精密的機械零件必須采用蠕變小的工程塑料制造；例如，精密的機械零件必須采用蠕變小的工程塑料制造；相反聚四氟乙烯的蠕變性很大，利用這一特點可以用作很相反聚四氟乙烯的蠕變性很大，利用這一特點可以用作很好的密封材料（即用于密封水管接口等的好的密封材料（即用于密封水管接口等的“生料帶生料帶”）1、蠕變、蠕變 在恒溫下施加較小的恒定外力時，材料的形變隨時間在恒溫下施加較小的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學松弛現象。如掛東西的塑料繩慢慢變長。而逐漸增大的力學松弛現象。如掛東西的塑料繩慢慢變長。去外力去外力 2、應力松弛、應力松弛 所謂應力松弛，就是在固定的溫度和形變下，聚合

9、物所謂應力松弛，就是在固定的溫度和形變下，聚合物內部的應力隨時間增加而逐漸衰減的現象。內部的應力隨時間增加而逐漸衰減的現象。例如橡膠松緊帶開始使用時感覺比較緊，用過一段時間后例如橡膠松緊帶開始使用時感覺比較緊，用過一段時間后越來越松。也就是說，越來越松。也就是說，實現同樣的形變量，所需的力越來實現同樣的形變量，所需的力越來越少。越少。應力松弛同樣也有重要的實際意義應力松弛同樣也有重要的實際意義。成型過程中總離不開應力，在固化成制品的過程中應力成型過程中總離不開應力，在固化成制品的過程中應力來不及完全松弛，或多或少會被凍結在制品內。這種殘來不及完全松弛，或多或少會被凍結在制品內。這種殘存的內應力

10、在制品的存放和使用過程中會慢慢發生松弛，存的內應力在制品的存放和使用過程中會慢慢發生松弛，從而引起制品翹曲、變形甚至應力開裂。從而引起制品翹曲、變形甚至應力開裂。消除的辦法消除的辦法是退火或溶脹（如纖維熱定形時吹入水蒸汽）是退火或溶脹（如纖維熱定形時吹入水蒸汽）以加速應力松弛過程。以加速應力松弛過程。3.3.滯后現象滯后現象 當外力不是靜力，而是交變力（即應力大小呈周期性變化）時，應當外力不是靜力，而是交變力（即應力大小呈周期性變化）時，應力和應變的關系就會呈現出滯后現象。力和應變的關系就會呈現出滯后現象。所謂滯后現象，是指應變隨所謂滯后現象，是指應變隨時間的變化一直跟不上應力隨時間的變化的現

11、象。時間的變化一直跟不上應力隨時間的變化的現象。例如，自行車行駛時橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一會兒離地，因而例如，自行車行駛時橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一會兒離地，因而受到的是一個交變力（圖受到的是一個交變力（圖7-587-58）。在這個交變力作用下，輪胎的形變也是）。在這個交變力作用下，輪胎的形變也是一會兒大一會兒小的變化。形變總是落后于應力的變化，這種滯后現象的一會兒大一會兒小的變化。形變總是落后于應力的變化，這種滯后現象的發生是由于鏈段在運動時要受到內摩擦力的作用。當外力變化時，鏈段的發生是由于鏈段在運動時要受到內摩擦力的作用。當外力變化時，鏈段的運動跟不上外力的變化，所以落后于

12、應力，有一個相位差運動跟不上外力的變化，所以落后于應力，有一個相位差。相位差越大，。相位差越大，說明鏈段運動越困難。說明鏈段運動越困難。4.內耗內耗l輪胎在高速行使相當長時間后，立即檢查內層溫度，輪胎在高速行使相當長時間后，立即檢查內層溫度，為什么達到燙手的程度？為什么達到燙手的程度？l高聚物受到交變力作用時會產生滯后現象，上一次受到高聚物受到交變力作用時會產生滯后現象，上一次受到外力后發生形變在外力去除后還來不及恢復，下一次應外力后發生形變在外力去除后還來不及恢復，下一次應力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不斷循環，那些未釋放的

13、彈性儲能都被消耗在體系的樣不斷循環，那些未釋放的彈性儲能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉化成熱量放出。自摩擦上，并轉化成熱量放出。l這種由于力學滯后而使機械功轉換成熱的現象，稱這種由于力學滯后而使機械功轉換成熱的現象，稱為為內耗內耗。l相關應用相關應用l對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學損耗對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學損耗才好才好l對于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力對于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學損耗（吸收振動能并轉化為熱能）學損耗（吸收振動能并轉化為熱能）l對于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內有對于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內有較大的力學損耗（當然

14、也不能內耗太大，否則發較大的力學損耗（當然也不能內耗太大，否則發熱過多，材料易于熱態化）熱過多，材料易于熱態化）五、高分子材料的其他性能（一）滲透性及透氣性（一）滲透性及透氣性高分子材料通過擴散和吸收過程，使氣體或高分子材料通過擴散和吸收過程，使氣體或液體透過一個表面傳遞到另一表面滲出、從濃度液體透過一個表面傳遞到另一表面滲出、從濃度高的一側擴散到濃度低的一側，這種現象稱為滲高的一側擴散到濃度低的一側，這種現象稱為滲透性。透性。 影響滲透性的主要因素：溫度、極性、分子影響滲透性的主要因素：溫度、極性、分子大小、鏈的柔性等。大小、鏈的柔性等。高聚物的透氣性能應用高聚物的透氣性能應用高聚物透氣性能

15、的應用高聚物透氣性能的應用透氣性能越大越好透氣性能越大越好包裝薄膜包裝薄膜透氣性能越小越好透氣性能越小越好輪胎輪胎氣球氣球真空包裝真空包裝氣墊船氣墊船橡皮水壩橡皮水壩橡皮水壩選擇性滲透選擇性滲透海水淡化海水淡化污水處理污水處理富氧氣體富氧氣體物料分離物料分離（二）膠粘性（二）膠粘性膠粘性：粘合行為及被粘合行為膠粘性：粘合行為及被粘合行為粘合過程：粘合過程： 第一階段：液體膠黏劑分子借助于布朗運動向被粘物表面第一階段：液體膠黏劑分子借助于布朗運動向被粘物表面擴散，使兩者的急性基團或鏈節相互靠近；擴散，使兩者的急性基團或鏈節相互靠近； 第二階段是吸附力的產生，當膠黏劑與被粘物兩處分子間第二階段是吸

16、附力的產生，當膠黏劑與被粘物兩處分子間距離達到距離達到0.5-1nm0.5-1nm，分子便產生相互吸引作用，并使分子間的，分子便產生相互吸引作用，并使分子間的距離進一步縮短到能夠處于最大穩定狀態的距離。距離進一步縮短到能夠處于最大穩定狀態的距離。影響粘合強度的因素：影響粘合強度的因素：1.分子量：中等分子量分子量：中等分子量2.表面粗糙度：粗糙表面提高粘合強度表面粗糙度：粗糙表面提高粘合強度3.表面處理方法：清潔處理表面處理方法：清潔處理4.溫度和壓力：升高溫度和提高壓力增強粘合溫度和壓力：升高溫度和提高壓力增強粘合第四節第四節 藥物通過聚合物的擴散藥物通過聚合物的擴散一、藥物通過聚合物的傳質

17、過程一、藥物通過聚合物的傳質過程貯庫式貯庫式骨架式骨架式藥物的擴散過程：藥物的擴散過程：藥物溶出并進入周圍的聚合物或藥物溶出并進入周圍的聚合物或孔隙；孔隙； 藥物分子擴散通過聚合物屏障；藥物分子擴散通過聚合物屏障；藥物由聚合物解吸附；藥物由聚合物解吸附；藥物擴散進入體液或介質。藥物擴散進入體液或介質。系統內部的物質在系統內部的物質在濃度梯度濃度梯度化學位梯度化學位梯度應力梯度應力梯度的推動力下，由于質點的熱運動而的推動力下，由于質點的熱運動而導致定向遷移，從宏觀上表現為物導致定向遷移，從宏觀上表現為物質的定向輸送，此過程叫質的定向輸送，此過程叫擴散擴散。擴散的定義：擴散的定義： 1、 流體中的

18、擴散：流體中的擴散： 特點：特點：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、固體中的擴散固體中的擴散 特點：特點：具有低擴散速率具有低擴散速率和和各向異性各向異性特點：間隙原子擴散勢場示意圖間隙原子擴散勢場示意圖g一、一、 fick第一定律第一定律 穩定擴散穩定擴散： 擴散質點濃度不隨時間變化擴散質點濃度不隨時間變化 推動力推動力： 濃度梯度濃度梯度xjxc 、00 xjtc、描述描述： 在擴散過程中，體系內部各處擴散質點的在擴散過程中，體系內部各處擴散質點的濃度濃度不隨時間變化不隨時間變化，在，在x方向各處方向各處擴散流量相等擴散流量相等。定律含義定律含義： 單位時間內通過垂

19、直于擴散方向的單位面單位時間內通過垂直于擴散方向的單位面積上擴散的物質數量和濃度梯度成正比。積上擴散的物質數量和濃度梯度成正比。xcd jj 擴散通量，單位時間通過單位截面的質點數擴散通量，單位時間通過單位截面的質點數(質點數質點數/s.cm2)d 擴散系數，單位濃度梯度的擴散通量擴散系數，單位濃度梯度的擴散通量 (m2/s 或或 cm2/s)c 質點數質點數/cm3“” 表示粒子從高濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散表示粒子從高濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散)(矢矢量量濃濃度度梯梯度度xc 表達式：xcd j此式表明：此式表明：(1) 擴散速率取決于擴散速率取決于 外界條件外界條

20、件 c/ x 擴散體系的性質擴散體系的性質 d(2)d是一個很重要的參數是一個很重要的參數: 擴散系數不是常數，藥物擴散系數不是常數，藥物分子的大小、極性、藥物在聚合物中的溶解度和聚合分子的大小、極性、藥物在聚合物中的溶解度和聚合物的結構、溫度等因素對擴散系數有很大的影響。物的結構、溫度等因素對擴散系數有很大的影響。 一、緩控釋制劑概述一、緩控釋制劑概述l緩釋制劑緩釋制劑l指用藥后能在較長時間內持續緩慢釋放藥指用藥后能在較長時間內持續緩慢釋放藥物以達到延長藥效目的的制劑。物以達到延長藥效目的的制劑。l系指口服藥物在規定釋放介質中，系指口服藥物在規定釋放介質中，按要求按要求緩慢地非恒速釋放緩慢地

21、非恒速釋放，其與相應的普通制劑，其與相應的普通制劑比較，每比較，每24h24h用藥次數應從用藥次數應從3 34 4次減少至次減少至1 12 2次的制劑。（中國藥典）次的制劑。（中國藥典）l控釋制劑控釋制劑l藥物從制劑中按一定規律藥物從制劑中按一定規律緩慢、恒速緩慢、恒速釋放，釋放，使機體內藥物濃度保持相對恒定，體內釋使機體內藥物濃度保持相對恒定，體內釋藥不受藥不受phph影響。體外釋放符合零級方程。影響。體外釋放符合零級方程。l系指口服藥物在規定釋放介質中，系指口服藥物在規定釋放介質中，按要求按要求緩慢地恒速或接近恒速釋放緩慢地恒速或接近恒速釋放，其與相應的，其與相應的普通制劑比較，每普通制劑

22、比較，每24h24h用藥次數應從用藥次數應從3 34 4次次減少至減少至1 12 2次的制劑。（中國藥典次的制劑。（中國藥典）血血藥藥濃濃度度l圖圖1 緩控釋制劑與普通制劑比較緩控釋制劑與普通制劑比較時間時間零級控釋制劑 緩釋制劑 普通制劑 緩釋、控釋制劑特點緩釋、控釋制劑特點1 1對半衰期短的或需要頻繁給藥的藥物，對半衰期短的或需要頻繁給藥的藥物，可以減少服藥次數。可以減少服藥次數。2 2使血藥濃度平穩，避免峰谷現象，有利使血藥濃度平穩，避免峰谷現象，有利于降低藥物的毒副作用。于降低藥物的毒副作用。3 3可減少用藥的總劑量。可減少用藥的總劑量。如如 硝苯地平：每日口服硝苯地平：每日口服3 3

23、次，每次劑量次，每次劑量10mg10mg，市售緩釋制劑產品有，市售緩釋制劑產品有2020、3030、4040、60mg60mg等品種。等品種。通常不適宜制成緩、控釋制劑的藥物半衰期很短（半衰期很短（24小時）小時）的藥物不適合制成緩釋、控釋制劑。一般半衰期的藥物不適合制成緩釋、控釋制劑。一般半衰期為為46小時較適合。小時較適合。一次劑量很大藥物（普通制劑劑量一次劑量很大藥物（普通制劑劑量1g）不適合。）不適合。溶解度太小，吸收無規則或吸收差或吸收受藥物溶解度太小，吸收無規則或吸收差或吸收受藥物和機體生理條件影響的藥物；具有特定吸收部位和機體生理條件影響的藥物；具有特定吸收部位的藥物，如維生素的

24、藥物，如維生素b2。有些藥物在治療過程中，需要使血藥濃度出現峰有些藥物在治療過程中，需要使血藥濃度出現峰谷現象。如青霉素等抗生素，藥物，制成緩控釋谷現象。如青霉素等抗生素，藥物，制成緩控釋劑型，則容易產生耐藥性。劑型，則容易產生耐藥性。二、緩、控釋制劑釋藥原理（一）（一）親水性凝膠骨架片親水性凝膠骨架片 擴散原理擴散原理 緩釋片口服后，在胃腸道內由于高分子聚合物遇消緩釋片口服后，在胃腸道內由于高分子聚合物遇消化液逐漸吸水膨脹，藥物隨親水凝膠逐漸溶解緩化液逐漸吸水膨脹，藥物隨親水凝膠逐漸溶解緩慢擴散到表面而溶于體液中。慢擴散到表面而溶于體液中。v常用的親水凝膠材料：常用的親水凝膠材料： 羥丙甲纖維素、卡波普、羥丙基纖維素、海藻羥丙甲纖維素、卡波普、羥丙基纖維素、海藻酸鈉、瓜耳豆膠及脫乙殼多糖等。酸鈉、瓜耳豆膠及脫乙殼多糖等。不溶性 溶蝕性 水凝膠骨架片 骨架片 骨架片 圖圖2 三種不同骨架片的釋藥過程示意圖三種不同骨架片的釋藥過程示意圖 lcadkdtdmd（二）水不溶性膜材包衣的制劑（二）水不溶性膜材包衣的制劑 如乙基纖維素等包制