聚合物研究方法考试

聚合物研究方法考试
题型
一、 名词解释 二、 填空题 三、 简答题 四、 图谱分析题
五、
材料分析与设计
考试内容
一、名词解释
1基团特征吸收峰——不同化合物中相同的官能团近似地具有一个共同的吸收频率范围，通常将这种能代表某种基 团存在并具有较高强度的吸收峰称为基团特征吸收峰。

2、指纹区：在1300cm-1以下，谱图的谱带数目很多，很难说明其明确的归属，但一下同系物或结构相近的化合物，在这个区域的谱带往往有一定的差别，如同人的指纹一样，故称为指纹区。

3、生色基：具有双键结构的基团对紫外或可见光有吸收作用，具有这种吸收作用的基团统称为生色基。

助色基：本身不具有生色基作用，但与生色基相连时，通过非键电子的分配，扩展了生色基的共轭效应，会影响生色基的吸收波长，增大吸收系数．这些基团统称为助色基
4、化学位移：在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。

5、耦合常数：由自旋偶合产生的谱线间距叫做偶合常数，用J 表示，单位为赫兹（Hz ）
6、差热分析法——DTA ：在程序控温条件下测量试样与参比物之间的温差随温度或时间的变化
示差扫描量热法——DSC ：在程序控温下测量输入试样与参比物之间的功率差变化，得到热流dH/dt ~T(t)曲线。

二、填空题
1、聚合物的结构：一次结构（近程结构）化学组成，均聚或共聚，大分子的相对分子质量，链状分子的形态等。

二次结构（远程结构）单个大分子的形态。

三次结构（聚集态结构）不同单个大分子聚集形成不同的聚集态结构。

高次结构 三次结构构成尺寸更大的结构。

2、红外区可分为三区：近红外区（800nm~2000nm)适合于测定含-OH 、-NH 、-CH 基团的水、醇、酚、胺及不饱和碳氢化合物的组成 中红外区（2000nm~25μm ）有机化合物分子中原子振动的频带都位于该区远红外区（25μm~1000 μm ）
3、波动的几个参数：波长λ——相邻两个波峰（间）的距离（ μm ）；
波数υ——每厘米中包含的波的数目（cm-1）； 频率ν——每秒钟通过某点的波数目（S-1）; 光速c ——光在真空中传播的速度，3×1010cm/s
频率×波长=光速 ν·λ= c
频率与波长成反比： 频率与波数成正比： 4、分子的振动类型六种：ν：伸缩振动s ：对称振动as ：不对称振动δ：弯曲振动γ：面外弯曲振动w ：面外摇摆振动β：剪式振动r ：面内摇摆振动
ν——频率，Hz ； k ——化学键力常数，10-5N/cm ； u ——折合质量，g ；m1，m2——每个原子的质量； 以波数表示双原子分子的振动频率：
5、透光度和吸光度
1.透光度（透过率） 式中：I0——入射光强度 I ——入射光被样品吸收后透过的光强度。

c
1υν
=
λ=u
k
c c πνλυ211===%
100I I %T 0
⨯=
2.吸光度
3.波长与波数的换算关系为 6电子跃迁的方式
各种跃迁所需能量比较：σ→σ*> n →σ*>π→π*> n →π* 7吸收带的类型
在紫外光谱带分析中，往往将谱带分成四种类型，即：R 吸收带、K 吸收带、 B 吸收带和E 吸收带 8、X 射线基本原理：满足衍射的条件是n λ=2b=2dsin θ 式中n 为正整数，称衍射级数。

9、根据测量方式不同，DSC 可分为两类：功率补尝型DSC 和热流型DSC 三、 简答题
1、影响频率位移的因素 答：内部因素
化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构影响。

各种化合物中相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上 1）电子效应
诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动 共轭效应：共轭效应使吸收峰向低频方向移动 2）氢键效应
氢键(分子内氢键/分子间氢键)对峰位，峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动 外部因素 1）物理状态
同一样品处于不同相态时，由于分子间作用力不同，红外光谱有很大差别。

2）溶剂
同一样品在不同溶剂中，由于溶质与溶剂的相互作用，其红外光谱特征吸收峰的频率会不同。

3）粒度
由于光散射作用，大粒度样品的基线较高、峰变宽而强度低。

通常要求粒度要小于测定的波长。

2、原子核产生核磁共振吸收的条件
1.原子核的自旋量子数I 不能为零
2.有自旋的原子核必须置于一外加磁场H0中，使核磁能级发生分裂。

3.必须有一外加频率为ν的电磁辐射，其能量正好是作拉莫尔运动的原子核的两能级之差，才能被原子核吸收，使其从低能态跃迁到高能态，从而发生核磁共振吸收。

3、影响化学位移的因素
核外电子云密度的影响-电负性的作用
与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，化学位移较大，信号峰在低场出现。

质子在分子中所处的空间位置不同，屏蔽作用的不同的现象称为磁各向异性效应。

在外磁场作用下，环电子流所产生的感应磁力线是闭合的，与外磁场反向的磁力线部位起屏蔽作用，而同向的磁力线部位起去屏蔽作用。

处于屏蔽区的氢核，其化学位移在高场
处于去屏蔽区的氢核，其化学位移在低场。

氢键：
形成氢键后1H 核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应，使化学位移向低场移动。

如-OH 、 -NH2 凡是能影响氢键形成的因素，如溶剂的性质、PH 值、浓度、温度等均会影响活泼氢的化学位移。

通常活泼氢会使化学位移在较大的范围内变化，为了鉴别可加入几滴重水或者提高样品测试温度 溶剂效应
I
I lg
T 1lg A 0==λ=
ν4
10
在核磁共振谱测定中，由于采用不同的溶剂，某些质子的化学位移发生改变的现象，往往是由于溶剂的磁各向异性效应或溶剂与被测样品分子间的氢键作用引起的。

-OH 、-NH2、-COOH 等活泼质子加D2O 消失。

Van der Waals 效应
当两个质子在空间结构上非常靠近时，具有负电荷的电子云就会互相排斥，从而使这些质子周围的电子云密度减少，屏蔽作用下降，共振信号向低磁场位移 4、结晶度的测定
a.选取处于物质结晶谱带范围的特征吸收峰为分析谱带
b.选取与结晶度无关的吸收峰作为内标
c.利用已知结晶度的纯样求的比例系数标准曲线
d.利用公式求的结晶度 Xc —质量结晶度；
Ic ——晶态部分衍射强度； Ia-非晶态部分衍射强度；
k ——单位质量非结晶态与单位质量晶态的相对射线系数。

5、端基分析法
使用端基分析法测定聚合物分子量的条件：
1）聚合物必须是已知化学结构的线型或支链型大分子； 2）大分子链端带有可供定量分析的基团； 3）每个分子链上所含的基团数量是一定的； 端基分析法测定聚合物分子量的程序
1) 精确称量出试样重量W ；
2) 测出重量为W 的试样中端基的摩尔数nt ；
3) 根据每个大分子链所带有的端基数X ，得到试样的摩尔数
4) 计算出聚合物的分子量
端基分析法测定聚合物分子量的特点： 1）端基分析法测定的是数均分子量；
2）方法适用于一些缩聚产物（尼龙、聚酯）分子量的测定；
3）当聚合物分子量较高时实验误差比较大，其测量分子量的上限为二万左右； 6、质均相对分子质量的测定
以上二式是光散法测定聚合物分子量的基础。

配制4~5个聚合物稀溶液，先测定每个溶液在不同散射角处的散射强度，以kc/R θ对sin2θ/2作图，外推至θà0，得到 ;然后以其对浓度C 作图，外推至cà0，其截距 。

数据处理
t
n n XW N W M ==w M /10)/(→θθR kc C A 2M 1
)R kc (20+=→θθ)2sin h 38311(M 1)R kc (222
20c θλπ+=→θ
使用光散射法测定分子量的实验步骤
配制4~5个不同浓度的聚合物稀溶液；
使用LALLS 测定纯溶剂和每个溶液的R θ值；
使用折光指数仪测定不同浓度溶液的△n ，以△n/c 对c 作图，外推至cà0，得到dn/dc 值； 由dn/dc 值计算出k 值；
以kc/R θ对c 作图，得一直线，截距为 ，斜率为2A2； 7、粘度法测定聚合物分子量
1. 选择适当的毛细管使溶剂的流出大于100s ，即可忽略动能修正项；
2. 使用稀溶液，使溶液密度与溶质密度相差很小（ρ≈ρo ）；
3.用毛细管粘度计先测定出纯溶剂的流出时间to ，然后再测出不同浓度C 的聚合物溶液的流出时间 t ，由此可以得到不同浓度C 下的ηr 和ηsp ；
分别以ηsp/C 和ln ηr/C 为纵坐标，溶液浓度C 为横坐标作图，得到两条直线，将直线外推至C=0，得到的共同截距就是特性粘数[η]。

如果已知 K 、α，就可以从Mark – Houwink 公式计算出聚合物的粘均分子量：
“一点法”测定粘均分子量——在一个浓度下测定ηsp 或者ηr ，然后直接求出特性粘度 8、凝胶渗透色谱分离原理和应用（就是作业题） GPC 分离原理——体积排除理论——根据溶质分子尺寸(分子量、有效体积、流体力学体积)的差别进行分离。

聚合物溶液进入色谱柱后，由于浓度差，所有溶质分子都力图向凝胶表面孔穴渗透。

体积较小的分子——既能进入较大的孔穴，也可以进入较小的孔穴，向孔内扩散的较深； 体积较大的分子——只能进入较大的孔穴；
体积更大的分子——不能进入孔穴，只能从凝胶的空隙流过。

按照淋出的先后顺序，依次收集到分子量从大到小的各个级分，从而达到对聚合物分级的目的。

GPC 在高分子研究中的应用
高分子材料中低分子物质的测定 聚合物中助剂的测定
高分子材料生产或加工过程中的监测 高分子材料老化过程研究 弹性体双键分布测定 制备窄分布的高聚物 研究支化高分子 共聚物分析
9、热重分析仪的基本原理（见课本） 10、TG 曲线失重量表示方法（见课本） 11、DTG 曲线的意义（见课本）
α
=ηM k ][C ][k ][C /2sp η'+η=ηC ][][C /ln 2r ηβ-η=ηw M /1
12、四种电子显微镜的原理与特点比较
•透射电子显微镜（TEM）：电子枪发射电子束→经聚光镜聚焦→
照射样品→电子束穿过样品→
在物镜的背焦面上形成衍射花样
经物镜放大成像在物镜的像平面上形成显微图像
→图像被中间镜和投影镜逐步放大→
在荧光屏或感光底片上成像
•扫描电子显微镜
（SEM）：在扫描电镜
中，电子枪发射出来
的电子束，一般经过
三个电磁透镜聚焦
后，形成直径为
0.02~20mm的电子束。

末级透镜（也称物镜，但它不起放大作用，仍是一个会聚透镜）上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上作光栅状扫描。

试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成份和晶体取向，置于试样附近的探测器和试样接地之间的高灵敏毫微安计把激发出来的电子信号接收下来，经信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显像管的亮度。

•扫描隧道显微镜（STM）：扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子的隧道效应。

将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于0.1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。

隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离小于0.1nm，电流将增加一个数量级，利用针尖与样品之间的隧道电流的变化来探测物体表面结构
•原子力显微镜（AFM）：利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性
比较如图
四、图谱分析题
例：乙醇的分子式中有三种不同化学环境的氢核，甲基（-CH3）、亚甲基（>CH2）和羟基（-OH）。

甲基氢核的σ最大，峰出现在高场，其次是亚甲基，羟基的氢核磁屏蔽最小，在低场出峰。

例：对于一个亚甲基，每个质子有两种取向，而两个质子有四种取向的组合状态，如表所示，实际为三种。

三种取向状态所产生的自旋磁场对邻近的质子，如甲基中的质子产生影响，使原来单一的甲基峰分裂为三重逢
聚烯烃的鉴别
聚丙烯有CH3、CH2和CH三种不同峰的质子，易于区分。

聚异丁烯与聚异戊烯都只有CH3和CH2峰。

其中聚异丁烯的结构式为
因而2CH3与CH2的质子比为6:2，所以CH3的峰高是CH2的3倍。

同理，聚异戊烯的结构式为
因而2CH3与2CH2的质子比为6:4，所以CH3的峰与CH2的峰高比为3:2。

例、聚丙酸乙烯酯与聚丙烯酸乙酯的鉴别
重复单元均为C5H8O2，红外难以鉴别。

但由于两者的a 质子的化学环境不一样，核磁共振谱中出峰不一样。

聚丙酸乙烯酯中亚甲基连接的是羰基，而聚丙烯酸乙酯中的亚甲基连的是氧，使前者化学位移小于后者
a ——晶态试样衍射，特征是衍射峰尖锐，基线缓平。

b ——固态非晶试样散射，呈现为一个（或两个）相当宽化的“隆峰”。

c 、
d ——半晶样品的谱图。

c 有尖锐峰，且被隆拱起，表明试样中晶态与非晶态“两相”差别明显；
d 呈现为隆峰之上有突出峰，但不尖锐，这表明试样中晶相很不完整。

聚合物热稳定性评价
聚丙酸乙烯酯 聚丙烯酸乙酯
共聚物和共混物的分析
五、材料分析与设计
1.设计一个简单方案，说明如何选用一个适当的热分析方法决定聚乙烯与聚丙烯的最佳共混温度。

2.简要说明如何应用DTA或DSC研究一两元聚合物共混物样品中两种聚合物的相容性，并画出示意图。

3、许多高分子材料在存放及使用过程中，由于受到光、热、氧等作用，会产生断链而老化，常常需要加入抗氧剂以阻止断链的发生。

试设计一个简单的方案，简要说明如何使用GPC来评价所加入的抗氧剂效能的好坏
答：1、加抗氧剂，无样化。

2、不加抗氧剂，有氧化。

3加抗氧剂，有氧化。

最可能考的题目
1.分子吸收红外辐射需要满足哪些条件？其吸收强度主要由哪些因素决定？
辐射应具有能满足分子产生振动跃迁所需的能量;辐射与分子振动有相互偶合作用,即只有非对称分子具有红外活性。

红外吸收谱带的强度取决于：
（1）分子数目
（2）分子振动的偶极矩变化率。

2.基团振动的频率与化学键两端的原子质量。

化学健力常数的关系如何？影响基团红外吸收谱带位移的主要因素有
哪些？
振动的频率随基团的折合质量的增大而减少，随键的力常数增大而增大。

影响基团红外吸收谱带位移的内部因素是：1）电子效应：诱导效应、共轭效应； 2）氢键效应。

外部因素是：1）物理状态；2）溶剂；3）粒度。

请排列出下列各组基团伸缩振动频率的大小顺序：
（1）C-H，C-D，C-O，C-Cl，C-I
（2）C-O，C=O，C≡N
由大到小：
（1）C-H，C-D，C-O，C-Cl，C-I
（2）C≡N，C=O，C-O
3.试画出聚乙烯的红外光谱示意图，并说明谱图中主要的吸收峰的归属。

1470cm-1 ——δCH2 、731和720cm-1 ——γCH2
4、简要说明核磁共振波谱中的化学位移和偶合常数是如何产生的。

在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。

质子在外磁场中的自旋磁场有不同的方向，自旋磁场与外磁场同向起加强作用，与外磁场反向起减弱作用，自旋磁场的这种作用对邻近的质子产生影响，使其实际受到的外磁场强度发生微小的变化。

这种由于邻近核的自旋磁场所造成的相互影响而使NMR谱峰分裂的现象，叫做自旋-自旋偶合。

5、产生核磁共振吸收的基本条件有哪些？
1）.原子核的自旋量子数I不能为零
2）.有自旋的原子核必须置于一外加磁场H0中，使核磁能级发生分裂。

3）.必须有一外加频率为ν的电磁辐射，其能量正好是作拉莫尔运动的原子核的两能级之差，才能被原子核吸收，使其从低能态跃迁到高能态，从而发生核磁共振吸收。

6、影响核磁共振谱中化学位移大小的主要因素有哪些?
✓核外电子云密度的影响-电负性的作用
✓磁的各向异性效应
✓其他影响因素：氢键，溶剂效应，Van der Waals效应等
7、简要说明如何应用红外光谱法对共聚物中各组分的比例进行测定，以及如何测定聚合物的结晶度与取向度。

(1)红外法定量基本步骤：
a.选取特征吸收峰作为分析谱带
b.选取与定量目标无干扰的吸收峰作为内标峰
c.利用定量纯样绘制消光系数标准曲线
d.计算结果
(2)结晶度的定量步骤：
a.选取处于物质结晶谱带范围的特征吸收峰为分析谱带
b.选取与结晶度无关的吸收峰作为内标
c.利用已知结晶度的纯样求的比例系数标准曲线
d.利用公式求的结晶度
(3)取向度定量步骤：
a.在测量光路中加入一个偏振器
b.改变电矢量方向，测量多组谱带吸收强度
c.以吸收强度最大的电矢量方向作为偶极矩方向，吸收强度最小的作为与偶极矩垂直的方向
8.简要说明紫外吸收光谱的基本原理。

紫外光谱是由分子中的电子吸收光的变化而产生的，并与共轭体系的电子跃迁有关，当样品分子或原子吸收光子后，外层电子由基态跃迁到激发态，不同结构的样品分子，其电子的跃迁方式是不同的，而且吸收光的波长范围不同，吸收光的几率也不同，从而可根据波长范围、吸光度鉴别不同物质结构方面的差异。

9.紫外光谱在聚合物研究中的应用有哪些？
（1）定性分析
（2）定量分析
a.共聚组成分析
b.橡胶中防老剂含量的测定
c.高分子纯度的检测
d.聚合反应动力学
e.结构分析
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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