高分子材料学

药用高分子材料学

高分子:（macromolecules）: 分子量大，104—106

药物制剂：药物、辅料、工艺、设备

辅料：将药理活性物质制成药物制剂的各种添加剂。

药用辅料：小分子、高分子

?药用高分子辅料

药用辅料的作用：

⑴成型；

⑵加强药物制剂的稳定性，提高生物利用度，病人顺应性；

⑶有助于外观鉴别药物制剂；

⑷增强药物制剂在贮藏或应用时的安全和有效

绪论

要点：

?1、本课程的目的与任务。

?2、高分子材料在药剂中的应用

?3、药用高分子的发展

一、目的与任务

目的：

1、基本理论，辅料物理化性质及用途。

2、指导应用。

任务：

1、一般知识：命名、分类、化学结构、化学反应、物理、化学性能。

2、药用高分子材料的来源、生产、化学结构、性能、应用。

二、应用

（一）、要求：

?1、无毒、无抗原性，具有良好的生物相容性；

?2、机械强度（强度、弹性、持久性）；

?3、降解性；

?4、载药能力；

?5、释药能力；

?6、灭菌性。

（二）、应用

方面:传统制剂、缓、控释制剂、包装材料。

1、固体制剂辅料

作用：粘合剂、崩解剂、吸收剂、包衣材料、骨架

种类：MC EC HPC HPMC CMC PVA Eudragit RS100 CAP

2、液体或半固体制剂辅料

作用：共溶剂、脂性溶剂、助悬剂、胶凝剂、乳化剂、分散剂、增溶剂

种类：纤维素的酯及醚、carbomer、poloxamer、PEG、PVP

3、新型给药装置的组件

种类：EVA、聚酰胺、硅橡胶、聚氨酯

4、控释制剂中作药物载体（生物降解）

种类：聚酯（聚乳酸、聚己内酯）、聚乙醇酸、聚酰胺、聚酸酐、乙烯醋酸乙烯共聚物

作用：植入、微球、控释片、肠线

5、生物粘着性材料

作用：口腔、胃肠粘膜

种类：纤维素的醚（HPC、MC、CMC-Na）、海藻酸钠、聚丙烯酸酯、聚异丁烯共聚物

6、药物产品的包装材料

PE、PP、PVC、PET等

三、药用高分子材料的发展

⑴现代制剂发展的需求;

⑵国外发展：规格、品种；

⑶国内发展：近10年来发展起来。

四、重点开发工作展望

1、开发性能优良，国外已收载的药用聚合物；

2、现有品种不同规格；

3、寻找新的药用高分子材料（天然或化学修饰）；

4、开发新的化学实体；

5、再加工辅料产品的研究和生产；

6、完善药用高分子辅料的质量标准。

五、有关药用高分子材料的法规

新辅料的分类：

一类：新创制或国外只有文献报道、已有化合物首次用作辅料。

二类：国外已批准的药用辅料、已有的食品添加剂首次作为辅料。

第一章概论

要点：高分子一般知识、命名、分类、结构知识。

第一节：基本概念

第二节：高分子链结构

第三节：高分子聚集态结构

第一节基本概念

一、高分子链的构成

1.有关高分子的基本概念

高分子化合物（macromolecules）（简称高分子）：是一类分子量很高的化合物，高达104—106（1万– 100万）；其分子链是由许多简单的结构单元以一定方式重复连接而成，因此高分子又称聚合物（polymer）。

例：聚氯乙烯（PVC）

～～～CH2 - CH - CH2 - CH – CH2– CH …… CH2– CH～～～

｜｜

Cl Cl Cl Cl

结构简式：

[ CH2-CH ]n

?

Cl

?

?

聚苯乙烯（PSt）

～～～CH2 - CH - CH2 - CH – CH2– CH …… CH2– CH～～～

?｜｜｜｜

结构简式：[ CH2-CH ]n

高分子化合物：是以共价键连接若干个重复单元所形成的长链结构为基础的大分子量化合物，许多相同，简单的结构单元通过共价键重复连接而成。

聚合物：高聚物、低聚物、齐聚物的混合物

结构和分子量决定高分子具有特殊的物理–力学性能。

重复单元：高分子链的基本组成单位（链节）。

聚合度（Degree of Polymerization DP）: 表示聚合物中所含各同系分子重复单元数的平均值，它是衡量高分子大小的一个指标。M=n×M0

单体（monomer）：能够形成结构单元的小分子组成的化合物，是合成聚合物的原料。

单体单元：重复单元与单体原料相比，除了电子结构有所改变外，原子种类和各种原子的个数相同。

如：PVC的结构单元、重复单元、单体单元是相同的。[ CH2-CH ]n

Cl

?

聚酰胺结构单元与重复单元不同

聚酰胺-[ 2)6NH·CO ] n

重复单元

均聚物：由一种单体聚合而成的聚合物称均聚物。

共聚物：由两种或两种以上不同的单体或聚合物共聚而成的聚合物，则称为共聚物。

分为：无规、交替、嵌段、接枝共聚物。

二、高分子的分类和命名

（一）、分类：

1.习惯分类法

塑料：在一定条件下具有流动性，可塑性的高分子。

橡胶：室温下具有高弹性的高分子材料、可逆形变。

纤维：具有一定强度的线状或丝状高分子材料。

2．科学分类法：

根据主链结构分为三大类。

(1)有机高分子：

碳链：C （主链）（均链有机高分子）。

杂链：C、O、S、N、P等杂原子，聚醚、聚酯、聚酰胺、芳环。

⑵元素有机高分子：主链中无C、由Si、B、Al、O、N、S、P，但侧基有C，

如：聚二甲基硅氧烷。

?⑶无机高分子（主链、碳链均无碳原子）：石英、玻璃。

（二）、命名

1、习惯命名法：

天然聚合物：

专有名称：纤维素、淀粉、木质素、蛋白质。

与来源有关：甲壳素、阿拉伯胶。

CMC-Na。

合成聚合物：以合成原料或者以链节来源的单体为基础，进行命名，一定程度上反应高分子化学结构的特征。

“聚单体名”：一种单体加聚而成，如聚氯乙烯、聚苯乙烯。

“聚链节名”：二种单体聚合成的产物

如聚酯、聚酰胺、聚醚。

尼龙：聚己二酰己二胺

共聚体：“单体名”共聚物，如乙烯-醋酸乙烯共聚物。

2、商品名：

纶：⑴尼龙：聚酰胺

⑵涤纶：聚对苯二甲酸乙二醇酯.

⑶腈纶：聚丙烯腈

⑷丙纶：聚丙烯

橡胶：⑴丁（二烯）苯（乙烯）橡胶

⑵丁（二烯）（丙烯）腈橡胶

⑶乙（烯）丙（烯）橡胶

树脂：丙烯酸树脂：甲基丙烯酸与丙烯酸酯的共聚物。

3、系统命名：

IUPAC（国际纯化学和应用化学联合会）线型有机聚合物提出结构系统命名法。

命名程序：⑴确定重复单元结构；

⑵确定次级单元次序；

⑶确定命名重复单元（根据化学结构）；

⑷确定聚“重复单元名称”。

如：［CH – CH2］n

Cl

聚（1-氯代乙烯）

第二节高分子链结构

一、高分子的结构特点（最后总结）

二、高分子结构的内容

1、链结构：指单个大分子链中原子或基团的几何排列，即分子内结构、单个分子的结构和形态。

近程结构（一次结构）：单个大分子链的结构单元的化学结构和立体化学结构。

远程结构（二次结构）：单个大分子空间形态和构象，包括：空间形态、链柔

顺性及构象（分子）。

2、聚集态结构（三次结构）：是指单位体积内许多大分子链之间的几何排列、堆砌方式，即分子间结构，指高分子材料整体的内部结构。

包括：晶态结构、非晶态结构、取向结构、液晶态结构、织态结构，。

3、结构与性能关系：

近程：基础（反映高分子各种特性的最主要结构层次）m.p，dentisity，solubility，viscocity，adhesivety。

远程：构象→柔性和刚性。

聚集态结构：加工过程中形成，直接影响材料力学性能、机械强度、开裂性能和透明性。

三、近程结构

研究对象：链段。

包括：结构单元的组成、键接方式、空间排列、支化、交联等。

1、结构单元的化学组成

化学组成←→Polymer化学和物理性能。

⑴主链含C：Pst、PE、PP、PMMA—不易水解，耐热性差。

⑵杂链高分子如：聚酯，耐热性强，主链带有极性，较易水解、醇解或酸解。

⑶元素有机化合物：具有无机物的热稳定性及有机物的弹性和塑性。

2、键接结构：是指结构单元在高分子键中的连接方式。

缩聚、开环聚合：如聚酰胺，键接方式一定。

加聚：不同键接，得到不同聚合物。

⑴均聚物结构单元的键接方式

A、结构完全对称单体：只有一种键接。

如：~CH2-CH2-CH2-CH2 ~

B、结构不对称取代单体（PVC）。

单烯：有三种不同的键接顺序：

头―头：~CH2—CH—CH—CH2~

Cl Cl

尾―尾:～CH—CH2—CH2—CH～

Cl Cl

头―尾:～ＣH—CH2—CH—CH2～

Cl Cl

规律：烯类单体加成—大多数头—尾。

双烯：丁二烯：CH 2=CH —CH=CH 2

1,2加成：

CH 2CH

CH 2CH CH CH

CH 2CH 2

1,4 顺式：

CH 2HC

CH CH 2CH 2CH CH CH 2

1,4反式： C H 2H C

H H 2C H 2H C C H H 2

异戊二烯 CH 2=C —CH=CH 2

CH 3

有1,4，1,2，3,4加成3种顺序

键接顺序对高分子材料性能有显著影响。

例：1,2加成→支链高分子； 1,4加成→线性

两种材料的弹性不同

⑵共聚物序列结构

定义：两种单体以上或聚合物反应得到的高分子称为共聚物。 无规共聚：—A —B —B —B —A —A —B —A —A —A —

交替共聚：—A —B —A —B —A —B —

嵌断共聚：—A —A —A —B —B —B —B —A —A —A —

接枝共聚：—A —A —A —A —A —A —

B B

B B

结果：顺序→材料性能→显著影响

75%丁二烯和25%苯乙烯无规共聚→丁苯橡胶

block.copolymer Ps-PB-Ps→热塑性弹性体

20%的丁二烯和80%苯乙烯接枝共聚耐冲击苯乙烯塑料

3、支链、交联和端基

⑴支链

线型Polymer链→蜷曲→成团→分子间无化学键合

线型分子：链结构中，每个重复单元仅与另外两个单元相连，形成一根线型长链，称线型分子。

支化高分子：分子链上带有长短不一的分支。

线型与支化高分子区别：化学性质相同，物理性质不同（机械）

举例：高压聚乙烯（LDPE）：支化→规整性↓→结晶度↓。

低压聚乙烯（HDPE）：线型→规整性↑→结晶性↑，密度↑，m.p↑，硬度↑。

⑵交联

网状高分子：线型高分子或支化高分子上的若干点彼此通过支链或化学键相键接，形成一个三维网状结构的大分，即体型高分子或网状高分子，

交联：由线型或支化高分子转变成网状高分子的过程称交联。

例：橡胶的硫化、环氧树脂的固化。交联聚维酮

性质：具有不溶解、不融熔的性质。

交联度与性能：

大：刚性增大；

低：溶胀度较大、柔韧、热易软化

⑶端基

端基：终端化学基团；对热稳定性影响较大，因链的断裂可以从端基开始→封端。聚甲醛（聚醚）H [ OCH2 ] H 酯化→热↑

封端、调节分子量：加端基反应的单官能团化合物

⑷互穿（interpenetration）:互穿聚合物网络（IPN）

（三）、高分子链的构型

构型：分子中最近邻原子相对位置的表征，

分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列，这种排列是稳定的，改变构型需化学键的断裂和重组。

构型：旋光异构

几何异构

小分子：异构体

大分子：异构单元

立体构型与材料性能

1、旋光异构

①小分子：饱和C-H，不对称C→互为镜像的旋光异构体→表现出不同的旋光性称旋光异构体。

②大分子：[ CH2—CHR ] 型，两种旋光异构（有一个不对称C原子），每一个节就有两种旋光异构体。

高分子有三种立构排列方式：

全同立构（isotactic）：由一种旋光异构单元链接而成的高分子。

间同立构（syndiotactic）：两种旋光异构单元交替键接。

无规立构（atactic）：两种旋光异构单元无规键接。

2、几何异构

双键不能内旋转而引起的异构现象：顺式与反式。

如：聚丁二烯

同时具有几何异构和旋光异构。

立构规整度或等规度：结构单元空间排列的规整程度（包括旋光、几何异构）。

分子链中结构单元的空间排列是规整的，称为有规立构高分子，其规整程度称为立构规整度或等规度。

有规立构高分子→结晶↑→硬度、密度↑，软化温度↑，溶解度↓。

五、高分子链的远程结构（二次结构）：

单个大分子在空间的构象和形态.

包括：分子大小、构象（链的柔顺性）

形成单元：若干重复单元组成的链段。

构象与构型的不同之处：

构象：单链内旋转产生的分子在空间的不同形态。

构型：化学键固定。

（一）、高分子链的内旋转与构象

内旋转：单键绕键轴旋转的一种现象。由于内旋转使具有同一构型的分子原子相互空间的位置发生变化，产生各种内旋异构体称为分子的构象。

构象：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象。

分子热运动,使各种构象之间的转换速度极快

在没有外力和温度一定时,各种内旋异构体的相对含量平衡,使高分子主链出现伸展链、无规线团、折叠链、螺旋链等构象。

统计性计算：分子链呈伸直构象的几率极小，而呈蜷曲构象几率较大→无规线团。内旋转越自由—蜷曲越大。

构象数受结构影响

分子结构—内旋转的不完全性—构象数。

（二）、高分子链的柔顺性

柔性：由于内旋转而使高分子链表现不同程度卷曲的特性称为柔性。

这是高聚物不同于低分子物质性质的主要原因。

高分子链柔顺性的影响因素：

结构→内旋转自由度→构象数→柔性

1、主链结构：

链的类型：键长、键角

类型：Si-O >C-O>C-S>C-N>-C-C=C-C>C-C=C-C>-C-O>-C-C->-C-C

‖‖

O O

2、侧基（取代基）：性质、体积、数量、位置

①非极性取代基（空间位阻）体积、对称性

体积大—空间位阻↑→内旋转↓→刚性↑

例如：柔性Pst< PP < PE

②极性极团：（相互作用）

极性越大→相互作用↑→内旋转↓→刚性↑、柔性↓。

③数量：极性、聚氯乙烯、聚氯丁二烯。

共轭双键：刚性增大

[CH= CH—CH= CH]n

孤立双键：柔性增加

[ CH2—CH= CH—CH2 ]n

第三节高分子聚集态结构（三次结构）

聚集态结构（三次结构）：分子链间的几何排列和堆砌结构方式包括：晶态结构、非晶态结构、取向结构、液晶态结构、织态结构。

分子间相互作用结果，依赖于加工成型条件。

链结构——高聚物的基本性质（间接）。

聚集态结构——本体性质——高聚物材料的应用性质（直接）

结构特征——形成条件

通过加工成型获得预期结构和性能材料。

一、分子间作用力

1、作用力：

范德华力：定向力：（极—极）

诱导力：（极—非）

—非）

氢键

特点：分子间力大于分子内力

无气态、耐热性、机械强度、溶解性

1、度量法：内聚能或内聚能密度表示

内聚能：是将液态或固态中的分子转移到远离邻近分子（气化或溶解）所需的总能量。

内聚能密度ε=?E/V

高分子内聚能的测定：粘度法、溶胀法

二、聚合物的结晶态结构：

高分子间的空间排列规整有次序则称为晶态，否则为非晶态。

（一）、高分子晶态结构特征：

1、结晶单元为链段。

2、部份结晶（结晶不完全）（晶态与非晶态共存）受结晶条件影响而变化。

3、熔点不是单一值，熔点（指完全溶化时的的温度）。

（二）、结晶过程：聚合物从熔体冷却到熔点与玻璃化温度之间的某一温度，都能产生结晶。

过程：成核阶段：均相

异相

生长阶段

1、成核过程与T关系

结晶速度与温度变化图：

2、次结晶过程：

高分子三态：玻璃| 高弹态| 粘流态

结晶度Xc=晶相含量/试样总重量X100%

（三）、结晶过程的影响因素

1、链结构：①链对称性↑，结构简单，取代基越小，链节对称性越高就越结晶，

结晶力↑。②规整性↑，结晶力↑。③分子间作用力↑，有利于结晶，但结晶稳定性↑，柔性较差，不易结晶。

2、温度：温度影响结晶速度和程度。

3、应力和杂质

（四）、结晶对聚合物性能的影响

结晶后链运动受限制，高弹性、断裂伸长、抗冲击强度降低。

1、密度↑，结晶度↑，m,p↑,density↑，耐溶剂性能↑（分子排列紧密）。

2、强度：硬度↑，抗张强度↑弹性↓，断裂伸张（分子间不易运动）、抗冲击强度↓。

3、断裂伸长下降，韧性变差。

4、溶解性、透气性变小，耐溶剂性提高。

三、聚合物的取向态结构

取向：聚合物在外力作用下，分子链或链段沿外力方向平等排列，形成的结构

取向后为各向异性，未取向的是各向同性。

（一）、类型

单轴取向：（包装带）

双轴取向：平行材料表面。

取向与结晶的区别：周期性（晶态），分子链的原子相互间均有同期性和规则的排丰。

取向：单方向有序化；结晶：三维有序化。

（二）、取向对材料性能的影响

1、取向方向，机械强度提高：

单轴取向：纤维

双轴取向：薄膜

2、结晶度提高，取向是分子链有序化的过程。

四、高分子的织态结构

高分子化合物与其它成份（添加剂、其它杂质-聚合物）混合之后的堆砌排列，形成复合材料，改善复合材料性能。

（一）、共混：将两种或二种以上的高分子材料加以物理混合，使之形成的混合物的过程称为共混。

高分子合金：共混嵌断，接枝。

表面均匀，结构不均。

（二）、共混聚合物的性能

取决于性质（各组分）、配比、混合状态。

内聚能相近，性质又互为补充，是比较理想的混合物。

混合方法：干粉、溶液、乳液、熔融。

总结高分子结构特点：

1、多组成：多个简单结构重复单元共价键连接而成，分子量大且具多分散性，结构复杂，均聚、共聚、线型、支化、匀状。

2、主链有内旋转自由度，具有柔性。

3、结构不均一性：分子量、链接顺序、空间构型、规整度、支化、交联、组成序列。

4、结构单元相互作用，聚集结构—物理性能。

5、聚集态有晶态和非晶态共存。

6、具有织态结构。