高分子物理课后习题答案_金日光(全)

高分子物理课后习题答案

金日光_第三版

第1章 高分子的链结构

1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型。

等。

2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？

答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。

（2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。

3.为什么等规立构聚丙乙烯分子链在晶体中呈31螺旋构象，而间规立构聚氯乙烯分子链在晶体中呈平面锯齿构象？

答（1）由于等归立构聚苯乙烯的两个苯环距离比其范德华半径总和小，产生排斥作用，使平面锯齿形（?ttt?）构象极不稳定，必须通过C-C键的旋转，形成31螺旋构象，才能满足晶体分子链构象能最低原则。

（2）由于间规聚氯乙烯的氯取代基分得较开，相互间距离比范德华半径大，所以平面锯齿形构象是能量最低的构象。

4.哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？

答：（1）空间位阻参数（或称刚性因子），值愈大，柔顺性愈差； （2）特征比Cn，Cn值越小，链的柔顺性越好； （3）连段长度b，b值愈小，链愈柔顺。

5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？

答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。

6.从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异： （1）聚丙烯睛与碳纤维；

（2）无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯；

（3）顺式聚1，4-异戊二烯（天然橡胶）与反式聚1，4-异戊二烯（杜仲橡胶）。 （4）高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。 7.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。

解：

8.某单烯类聚合物的聚合度为104，试估算分子链完全伸展时的长度是其均方根末端距的多少倍？（假定该分子链为自由旋转链。） 答：81.6倍

9.无规聚丙烯在环己烷或甲苯中、30℃时测得的空间位阻参数（即刚性因子）δ=1.76,试计算其等效自由连接链长度b（已知碳—碳键长为0.154nm,键角为109.5°）。 解：b=1.17nm

10.某聚苯乙烯试样的分子量为416000，试估算其无扰链的均方末端距（已知特征比Cn=12）。

答：均方末端距为2276.8nm2。

第2章 聚合物的凝聚态结构

1.名词解释

凝聚态，内聚能密度，晶系，结晶度，取向，高分子合金的相容性。 凝聚态：为物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。

内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：晶系：根据晶体的特征对称元素所进行的分类。 结晶度：试样中的结晶部分所占的质量分数（质量结晶度积结晶度）。

取向：聚合物的取向是指在某种外力作用下，分子链或其他结构单元沿着外力作用方向的择优排列。 高分子合金的相容性：两种或两种以上高分子，通过共混形成微观结构均一程度不等的共混物所具有的亲和性。

2.什么叫内聚能密度？它与分子间作用力的关系如何？如何测定聚合物的内聚能密度？

答：（1）内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：

（2）内聚能密度在300能密度在400

以下的聚合物，分子间作用力主要是色散力；内聚

）或者体积分数（体

以上的聚合物，分子链上有强的极性基团或者分子间能形成氢

之间的聚合物，分子间相互作用居中。

键；内聚能密度在300-400

3.聚合物在不同条件下结晶时，可能得到哪几种主要的结晶形态？各种结晶形态

的特征是什么？

答：（1）可能得到的结晶形态：单晶、树枝晶、球晶、纤维状晶、串晶、柱晶、伸直链晶体； （2）形态特征：

单晶：分子链垂直于片晶平面排列，晶片厚度一般只有10nm左右； 树枝晶：许多单晶片在特定方向上的择优生长与堆积形成树枝状； 球晶：呈圆球状，在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光，有些出现同心环； 纤维状晶：晶体呈纤维状，长度大大超过高分子链的长度； 串晶：在电子显微镜下，串晶形如串珠；

柱晶：中心贯穿有伸直链晶体的扁球晶，呈柱状；

伸直链晶体：高分子链伸展排列晶片厚度与分子链长度相当。

4.测定聚合物的结晶度的方法有哪几种？简述其基本原理。不同方法测得的结晶度是否相同？为什么？

答：（1）密度法，X射线衍射法，量热法；（2）密度法的依据：分子链在晶区规整堆砌，故晶区密度大于非晶区密度；X射线衍射法的依据：总的相干散射强度等于晶区和非晶区相干散射强度之和；量热法的依据：根据聚合物熔融过程中的热效应来测定结晶度的方法。（3）不同，因为结晶度的概念缺乏明确的物理意义，晶区和非晶区的界限很不明确，无法准确测定结晶部分的量，所以其数值随测定方法不同而不同。

5.高分子液晶的分子结构有何特点？根据分子排列有序性的不同，液晶可以分为哪几种晶型？如何表征？

答：（1）高分子液晶分子结构特点：

1. 分子主干部分是棒状（筷形），平面状（碟形）或曲面片状（碗形）的刚性结构，以细长棒状最为常见；b.分子中含有对位苯撑，强极性基团，可高度极化或可形成氢键的基团，因而在液态下具有维持分子作某种有序排列所需要的凝聚力；c.分子上可能含有一定的柔性结构。 （2）液晶晶型：a.完全没有平移有序—向列相即N相，用单位矢量表示；b.一维平移有序（层状液晶）—近晶A（）和近晶C()；c.手征性液晶，包括胆甾相（Ch）和手征性近晶相；d.盘状液晶相。

（3）液晶态的表征一般为：a.偏光显微镜下用平行光系统观察；b.热分析法；c.X射线衍射；

d.电子衍射；e.核磁共振；f.电子自旋共振；g.流变学；h.流变光学。 6.简述液晶高分子的研究现状，举例说明其应用价值。

答：液晶高分子被用于制造防弹衣，缆绳及航空航天器大型结构部件，可用于新型的分子及原子复合材料，适用于光导纤维的被覆，微波炉件，显示器件信息传递变电检测

7.取向度的测定方法有哪几种？举例说明聚合物取向的实际意义。 （1）用光学显微镜测定双折射来计算;(2)用声速法测定；（3）广角X射线衍射法；（4）红外二向色性；（5）偏正荧光法。

8.某结晶聚合物的注射制品中，靠近模具的皮层具有双折射现象，而制品内部用偏光显微镜观察发现有Maltese黑十字，并且越靠近制品芯部，Maltese黑十字越大。试解释产生上述现象的原因。如果降低模具的温度，皮层厚度将如何变化？ 答：（1）由于形成球晶，球晶具有双折射现象，自然光经过偏振片变为偏振光，通过球晶发生双折射，分成两束振动方向垂直的偏振光，两束偏振光在与检偏镜

及相应的应力、应变名称。

3.讨论温度、应变速度、流体静态压力对上述应力-应变曲线的影响规律。 4.简述几种组合应力作用下材料的屈服判据，比较不同判据之间的差异。 答：（1）单参数屈服判据（Tresca判据和最大形变能理论），只受正应力和切应力；（2）双参数屈服判据（Coulomb判据或MC判据），受正应力、切应力和正压力。此外考虑流体静压力的改进的Tresca和Von Mises判据也适用。 5.何谓聚合物的强度？为什么理论强度比实际强度高很多倍？

6.简述聚合物增强、增韧的途径和机理。

答：聚合物增强途径：通过添加增强剂来形成复合材料；

机理：形成复合材料，可以传递应力，避免基体应力集中，提高力学强度。 聚合物的增韧途径：添加增塑剂。

机理：银纹机理、银纹-剪切带机理、三轴应力空化机理、刚性粒子增韧机理。 7.下列几种聚合物的抗冲击性能如何？为什么？（T

（1）聚苯乙烯；（2）聚苯醚；（3）聚碳酸酯；(4)ABS;(5)聚乙烯

答：(1)聚苯乙烯，因主链挂上体积庞大的侧基苯环，使之称为难以改变构象的刚性链，使得冲击性能不好，为典型的脆性聚合物。

（2）聚苯醚，因主链含有刚性的苯环，故为难以改变构象的刚性链，冲击性能不好。

（3）聚碳酸酯，由于主链中含酯基，在-120摄氏度可产生局部模式运动，称之为β转变。在T

（5）聚乙烯，由于聚乙烯链节结构极为规整和对称，体积又小，所以聚乙烯非常容易结晶，而且结晶度比较高。由于结晶限制了链段的运动，使之柔性不能表现出来，所以冲击性能不好。高压聚乙烯由于支化多，破坏了链的规整性，结晶度低些，冲击性能稍好些。

8.如何采用物理改性的方法制备下列材料？简述其改性机理。

（1）抗冲击聚丙烯塑料；（2）高强度丁苯橡胶；（3）高强度尼龙纤维；（4）高强度、高耐折射性的聚酯薄膜；（5）高强度环氧树脂。

9.用低密度聚乙烯改性尼龙的研究和应用报道很多。该种共混体系相容性很差，用什么方法可以改善两者的相容性？用什么实验手段可以说明相容性确实显著提高了？

10.现有一块有机玻璃（PMMA）板，内有长度为10mm的中心裂纹，该板受到一个均匀的拉伸应力δ=450e6N/m^2的作用。已知材料的临界应力强度因子KIC=84.7e6N/m^22m^1/2,安全系数n=1.5,问板材结构是否安全？

第9章 聚合物的流变性

1.什么是假塑性流体？绝大多数聚合物熔体和浓溶液在通常条件下为什么均呈现假塑性流体的性质？试用缠结理论加以解释。 答：（1）流动指数n<1的流体称为假塑性流体； （2）略

2.聚合物的粘性流动有何特点？为什么？

3.为什么聚合物的粘流活化能与分子量无关？

答：根据自由体积理论，高分子的流动不是简单的整个分子的迁移，而是通过链段的相继跃迁来实现的。形象的说，这种流动的类似于蚯蚓的蠕动。因而其流动

活化能与分子的长短无关。,由实验结果可知当碳链不长

时，随碳数的增加而增加，但当碳数大于30时，不再增大，因此聚合物超

过一定数值后，与相对分子质量无关。

4.讨论聚合物的分子量和分子量分布对熔体粘度和流变性的影响。 答：低切变速率下，当

时，略依赖于聚合物化学结构和温度，当

时，与聚合物化学结构，分子量分布及温度无关；增大切变速率，链

缠结结构破坏程度增加，分子量对体系粘度影响减小。

聚合物熔体非牛顿流动时的切变速率随分子量加大向低切变速率移动，剪切引起的粘度下降，分子量低的试样也比分子量高的试样小一些。分子量相同时分子量分布宽的聚合物熔体出现非牛顿流动的切变速率比分布窄的要低的多。 5.从结构观点分析温度、切变速率对聚合物熔体粘度的影响规律，举例说明这一规律在成型加工中的应用。

答：a.温度升高，粘度下降，在较高温度的情况下，聚合物熔体内自由体积相当大，流动粘度的大小主要取决于高分子链本身的结构，即链段跃迁运动的能力，一般分子链越刚硬，或分子间作用力越大，则流动活化能越高，这类聚合物是温敏性的；当温度处于一定范围即Tg

b．柔性链高分子表观粘度随切变速率增加而明显下降，刚性链高分子表观粘度也随且变速率增加而下降，但降幅较小，因为切变速率增加，柔性链易改变构象，即通过链段运动破坏原有缠结，降低流动阻力，刚性链链段较长，构象改变较困难，随切变阻力增加，阻力变化不大。

6.解释下列名词、概念：

（1）牛顿流体和非牛顿流体；

牛顿流体：流动行为符合牛顿流动定律的流体； 非牛顿流体：流动行为不符合牛顿流动定律的流体。 （2）切粘度和拉伸粘度；

切粘度：等于单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力，其值放映了液体分子间由于相互作用而产生的流动阻力即内摩擦力的大小，单位为帕秒（Pas）。 拉伸粘度：等于单位速度梯度时单位面积上所受到的拉伸应力。

（3）真实粘度和表观粘度；

真实粘度：单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力。 表观粘度：在粘性流动中，流体具有剪切速率依赖性时的剪切应力与剪切速率之比值。

（4）非牛顿指数和稠度系数；

非牛顿指数：n= ，对切变速率非牛顿的校正。

，其中K为稠

稠度系数：描述非牛顿流体流动行为可用下述幂律方程：

度系数。

（5）不稳定流动与熔体破裂。

不稳定流动与熔体破裂：聚合物熔体在挤出时，如果切应力超过一极限值时，熔体往往会出现不稳定流动，挤出物外表不再是光滑的，最后导致不规则的挤出物断裂，称为熔体破裂。

7.为什么涤纶采用熔融纺丝方法，而腈纶却用湿法纺丝？

答：由于聚丙烯腈的熔点很高（318℃），分解温度（220℃）低于熔点，所以不能用熔融纺丝。由于聚对苯二甲酸乙二酯的熔点为260~270℃，低于分解温度（约为350℃），可用熔融纺丝。

8.某一聚苯乙烯试样，已知160℃时粘度为1e3Pa2s,试估算Tg(100℃)时及120℃时的粘度。 答：Tg(100℃)时为

?Pa2s，120℃时为

?Pa2s。

9.一种聚合物在加工中劣化，其重均分子量从1e6下降到8e5.问加工前后的熔融粘度之比是多少？ 答：2.14

10.用毛细管流变仪挤出顺丁橡胶试样，不同柱塞速度ν条件下，得到载荷下的数值如下：

V(mm/min) 0.6 2 6 20 60 200 F(mm/min) 2067.8 3332 4606 5831 6918.8 7781.2 已知柱塞直径dp=0.9525cm,毛细管直径D=0.127cm,毛细管长径比L/D=4,忽略入口校正，试作出熔体的τw-答：略。

第10章 聚合物的电性能、热性能、光学性能和表面与界面性能

曲线和ηa-曲线。

1. 名词解释：

取向极化；介电损耗；电击穿；介电松弛谱；Cole-Cole图；非线性光学性质；全反射

取向极化：又称偶极极化，是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。

介电损耗：在外电场作用下，由于分子极化引起的电能的损耗，用介电损耗角正切tan表示。

电击穿：当电场强度达到某些临界数值（这对不同材料是不同的）时，载流子从外部电场所获得的能量大大超过它们与周围碰撞所损失的部分能量，将使被撞击的高分子链发生电离，产生新的载流子，如此继续，就会发生所谓的“雪崩”现象，以致电流急剧上升，聚合物发生击穿。这类击穿叫做电击穿。

介电松弛谱：完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛时间谱类似的一个时间谱。 Cole-Cole图：根据公式

以对作图，得到圆心在（

，0）、半径为

非线性光学性质：光波作为一种电磁波，在很高的电场强度下，极化强度与电场强度之间呈现非线性关系的性质。

全反射：折射光消失，入射光全部反射。 2.比较聚合物介电松弛和力学松弛的异同点。

3.讨论影响聚合物介电常数和介电损耗的因素。

答：影响因素（1）电场频率的影响：在低频区，介电常数达到最大值，而介电损耗最小；在光频区，介电常数很小，介电损耗也小。 （2）温度的影响：温度过低升高温度，

和

都很小；升高温度，和

都增大；进一步

又变得很小，而介电常数通过一个峰值后缓慢的随温度升高而下

降。

（3）增塑剂的影响：介电损耗随增塑剂含量的增加而移向低温。

（4）杂质的影响：对于非极性高聚物来说，杂质是引起介电损耗的主要原因。 4.什么叫聚合物的驻极体？什么叫热释电流法(TSC)?该法为什么能有效的研究聚合物的分子运动？

答：（1）驻极体是具有被冻结的长寿命（相对于观察时间而言）非平衡偶极矩的电介质。

（2）将驻极体在无外电场作用下加热，驻极体内原先被冻结的取向偶极矩会解

取向（退极化）；被俘获在陷阱内的真实电荷会解俘获，电极极板上的感应电荷会释放出来，从而产生电流，这种方法就热释电流法（TSC）。

（3）用热释电流法测出电流—温度谱（TSC谱），曲线上α、β和γ峰反映主链链段与局部模式分子运动所贡献的热释电流，ρ峰归属于陷阱载流子解俘获电流，一般出现在极化温度以上。

5.结构型导电聚合物的分子结构与导电性关系如何？举例说明。

答：（1）具有共轭双键的高聚物：聚乙炔，聚苯乙炔等，可用作半导体或导体； （2）电荷转移络合物和自由基-离子化合物：聚2-乙烯吡啶-碘，TCNQ为电子接受体的聚合物等，导电率不高，但拉伸形变达到80%时，导电性仍能不受破坏； （3）金属有机共轭结构高聚物：将金属引入高聚物主链即得到金属有机高聚物。如聚铜钛菁。

6.简述导电聚合物的研究意义。 答：高性能导电聚合物即新一代的有机电子功能材料的研制，将为高密度信息处理、高效能量转换等高科技的发展作出贡献。

7.什么叫聚合物的耐热性和热稳定性？如何提高聚合物的耐热性和热稳定性？ 答：（1）耐热性：聚合物材料抵抗热变形和热分解的能力。 热稳定性：聚合物耐热降解或老化的性能。 （2）提高聚合物耐热性的方法:a.增加高分子链的刚性；b.提高聚合物的结晶性；c.进行交联。

提高热稳定性的方法：a.在高分子链中避免弱键；b.在高分子主链中避免一长串连接的亚甲基，并尽量引入较大比例的环状结构；c.合成“梯形”、“螺形”和“片状”结构的聚合物。

8.讨论提高聚合物透明性的途径。

答：a.加防反射膜；b.使聚合物在可见光频率区无基准振动；c.增加聚合物非晶成分；d.添加成核剂，采用急冷结晶的方法得到微细结晶。

9.简述影响聚合物界面张力的因素。如何降低聚合物之间的界面张力？ 答：（1）温度、极性、分子量和添加剂;

(2)升高温度；降低接触两相聚合物的极性差异；降低分子量：加入添加剂。 10.讨论聚合物表面改性的研究现状与展望。 答：略。

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