高分子材料导论

《高分子材料导论》思考题

1、三大材料：（1）金属材料富于展性和延性，有良好的导电及导热性、较高的强度及耐冲击性。

（2）无机材料一般硬度大、性脆、强度高、抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好。

（3）高分子材料的一般特点是质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工，但强度、耐磨性及使用寿命较差

2、原子之间或分子之间的结合键一般有哪些形式？试论述各种结合键的特点。

离子键：无方向性，键能较大。由离子键构成的材料具有结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小的特点。共价键：具有方向性和饱和性两个基本特点。键能较大，由共价结合而形成的材料一般都是绝缘体。金属键：无饱和性和方向性。具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电、导热性能。氢键具有饱和性。氢键在高分子材料中特别重要，它是使尼龙这样的聚合物具有较大的分子间力的主要因素。

3、原子排列可分为三个等级：无序排列、短程有序，长程无序、长程有序

材料一般是以固体状态使用的。按固体中原子排列的有序程度，固体有非晶态结构、结晶态结构两种基本类型。

4、非晶态结构：原子排列近程有序而远程无序的结构称为非晶态结构或无定形结构，非晶态结构又称玻璃态结构。共同特点是：结构长程无序，物理性质一般是各向同性的；没有固定的熔点，而是一个依冷却速度而改变的转变温度范围；塑性形变一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。

5、—(CH2-CH)n—

Cl结构单元：又叫链节，是高分子中重复出现的那部分。聚合度：聚合物分子中，结构单元的数目叫聚合度，用n表示。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物称为共聚物

6、聚合物(按大分子主链)的分类：(1) 碳链聚合物,是指大分子主链完全由碳原子构成。(2) 杂链聚合物,是指大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。(3) 元素有机聚合物,是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团如甲基、乙基、乙烯基、芳基等组成。

按性能和用途分类：根据以聚合物为基础组分的高分子材料的性能和用途分类，可将聚合物分成橡胶、纤维、塑料、粘合剂、涂料、功能高分子等不同类别。

7、塑料的成型加工：挤出、压延、注射、压制、吹塑。

8、聚合物的结构常指哪些方面？大分子链的组成和构造包括哪些方面？试加以论述。

聚合物结构：大分子本身的结构、大分子之间的排列大分子链的组成和构造：大分子链的化学组成：碳链大分子、杂链大分子、元素有机大分子等。大分子链的化学组成不同，聚合物的性能也不相同。结构单元的连接方式：大分子链是由许多结构单元通过共价键连接起来的链状分子。在缩聚过程中，结构单元的连接方式比较固定。但在加聚过程中，单体构成大分子的连接方式比较复杂，存在许多可能的连接方式，如头－尾、头－头或尾－尾

连接等。结构单元的空间排列方式：几何异构体，双烯类高分子主链上存在双键。由于取代基不能绕双键旋转，因而内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同而有顺式构型和反式构型之分，称为。旋光异构体，碳原子的四个价键形成正四面体结构，键角都是109°28′。当四个取代基团或原子都不一样即不对称时就产生旋光异构体。又可分为，全同立构、间同立构、无规立构。

大分子链骨架的几何形状：线型、支链型、网状、梯形。序列结构：交替型、嵌段及接枝型、无规型

9、聚合物的分子量有两个基本特点，一是分子量大，二是分子量具有多分散性。

聚合物的分子量是不均一的，实际上是由大小不同的同系物组成，这种性质称为“多分散性”。分子量多分散性指数Q

分子量的大小及多分散性对聚合物性能有显著影响，聚合物的力学性能随分子量的增大而提高。一般有两种基本情况。一是如玻璃化温度（Tg）、拉伸强度、密度、比热容等，刚开始时，随分子量增大而提高，最后达到一极限值；二是某些性能如粘度、弯曲强度等，随分子量增加而不断提高，不存在上述极限值。Q值的大小对聚合物性能也有很大影响。以聚苯乙烯为例，当Mn相同时，Q值大的样品力学强度较高。

10、何为大分子链的构象？大分子链的形态有哪些基本类型？

大分子链具有很大的柔曲性，可采取各种可能的形态，每种形态所对应原子及键的空间排列称为构象。形态基本类型：伸直链、折叠链、螺旋形链、无规线团

11、聚合物凝聚态结构（晶态结构和非晶态结构）有哪些不同于低分子物凝聚态的特点？一是聚合物晶态总是包含一定量的非晶相；二是聚合物凝聚态结构强烈地依赖于外界条件。

12、聚合物晶态结构与低分子晶体比较有何特点？目前解释聚合物晶态结构有何基本模型？与一般低分子晶体相比，聚合物晶体具有不完善性、无完全确定的熔点和结晶速度较慢的特点。这些特点来源于大分子的结构特征。一种是缨状胶束模型，是由非晶态结构的无规线团模型衍生出来的。另一种是折叠链模型，是从局部有序的非晶态结构模型衍生出来的。

13、试论述聚合物的结晶过程，并分析结晶速率对成型产品性能的影响。

结晶过程可分为主、次两个阶段。次期结晶是主期结晶完成后，某些残留非晶部分及结晶不完整部分继续进行的结晶和重排作用。次期结晶速率很慢，产品在使用中常因次期结晶的继续进行而影响性能。在生产上可通过调整成核速率和生长速率来控制晶粒的大小，从而控制产品的性能。结晶可提高聚合物的密度、硬度及热变形温度，溶解性及透气性减少，断裂伸长率下降，拉伸强度提高但韧性减少。

14、试分析聚合物取向机理及取向对材料性能的影响。

链段、整个大分子链以及晶粒在外力场作用下沿一定方向排列的现象称为聚合物的取向。相应的链段、大分子链及晶粒称为取向单元。大尺寸取向慢，解取向也慢，这种取向状态比较稳定。小尺寸取向快，解取向也快，这种取向状态不大稳定。聚合物取向之后呈现明显的各向异性，取向方向的力学强度提高，垂直于取向方向的强度下降。

15、试从聚合物的结构特点分析聚合物分子运动的特点。

（1）聚合物的分子运动具有多重性（2）聚合物的分子运动具有明显的松弛特性

16、非晶态聚合物有哪几种力学状态？试分析这些力学状态的转变条件。

玻璃态（使用态）聚合物受热时，经高弹态最后转变为粘流态（成型加工），开始转变为粘流态的温度称为流动温度或粘流温度Tf。液体冷却时，分子来不及作规则排列，体系的粘度已变大，冻结成无定型状态的固体。这种状态又称为玻璃态。玻璃态--玻璃化温度—高弹态—粘流温度—粘流态

Td——热分解温度，聚合物在高温下开始分解的温度。

Tx——脆化温度，聚合物在此温度下受力容易断裂，是聚合物使用时的下限温度。

结晶聚合物的力学状态：若聚合物分子量很大且Tm＜Tf，则在Tm与Tf之间将出现高弹态。若分子量较低，Tm＞Tf，则熔融之后即转变成粘流态。

17、非晶聚合物当外界温度在粘流温度Tf以上，结晶聚合物在其熔点Tm以上时，处于粘流态或熔融态，可统称为聚合物熔体，能够进行粘性流动。

产生横向速度梯度场的流动称为切变流动或剪切流动；产生纵向速度梯度场的流动称为拉伸流动，相应的粘度分别为剪切粘度和拉伸粘度。

流体流变类型：按作用方式分，剪切流动：产生横向速度梯度场的流动；拉伸流动：产生纵向速度梯度场的流动

按流动曲线分：牛顿型流动；非牛顿型流动

牛顿型流体特点：切应力与切变速率成正比。牛顿型流体的粘度在一定温度下为常数，它与流体的性质有关，其流动曲线是一条通过原点的直线。

通常可将非牛顿型流体分为哪几类？

分为：纯粘性流体、粘弹性流体、有时间依赖性的流体

粘性流体可分为：宾汉流体、假塑性流体、胀流性流体

假塑性流体：当流动很慢时，剪切粘度为常数，随着剪切速率的增大，剪切粘度反常地减少。流动曲线弯向切变速率坐标轴。粘度随切应力、剪切速率增大而降低，故称“剪切变稀”。

假塑性流体的流动曲线和表观粘度

流动曲线可分为三个区域：1.线性流动区，或第一牛顿区2.假塑性区域，或非牛顿流动区，剪切变稀区域3.第二牛顿流动区

非牛顿型流体的幂律方程：

n

n

s

x

v

K

K

??

?

?

?

?

?

?

=

?

=γ

σ

(1) 流变指数n :

当n≠1时，|1－n|越大，非牛顿性越强；

当n=1时，ηa = K=η，此时是牛顿流体；

当n=1，但只有切应力达到或超过一定值后才能流动的，称为宾汉流体；

当n＜1，称为假塑性流体；当n＞1，称为胀流性流体；

(2)稠度指数K：K随温度升高而减少；K与胶料的性质有关；加入填充——补强剂，K值增大；加入软化剂，K值减少；

对牛顿流体，n=1，K=η0；对假塑性流体，n＜1。n偏离1的程度越大，表明材料的假塑性（非牛顿性）越强；n与1之差，反映了材料非线性性质的强弱

假塑性液体的流变学性质表现为：在中等切变速率区域，变形与流动所需要的切应力随切变速率变化，并呈指数规律增大。变形与流动所受到的粘滞阻力，即液体的表观粘度随切变速率变化，并呈指数规律减小。

18、聚合物熔体流动有哪些特点？

①粘度大，流动性差。②聚合物熔体是假塑性流体，粘度随剪切速率的增加而下降③聚合物熔体流动时伴有高弹形变，即表现为弹性行为。

表观粘度：ηa是根据聚合物直观的流动情况测得的粘度值，表观粘度比聚合物的真实粘度小。零切粘度（最大粘度）η0——趋于零时的粘度。（曲线OA段）

极限粘度η∞——在高切变速率（≥106S-1）下的粘度。（曲线BC段）

19、聚合物熔体的流动机理：流动单元并非整个大分子，而是链段，粘性流动就是通过这

些链段连续地跃迁，直到整个大分子链位移而产生的。大分子链越长，包括的链段越多，链段及整个大分子重心位移就越困难，因此粘度就越大。聚合物熔体大分子链相互之间存在无规缠结，这种缠结在高剪切应力或高剪切速率下能被破坏，所以提高剪切速率使粘度下降。这就是聚合物熔体表现假塑性的原因所在。

20、2高分子材料通常会出现哪些老化的现象？有哪些预防措施？

光氧化、热氧化、化学侵蚀、生物侵蚀

现象：⑴塑料制品外观发生变化：例如表面变暗、变形、有裂纹或发霉等；⑵物理与化学性能发生变化，例如溶解度、Tg、熔体指数等；⑶力学性能发生变化：例如拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率等；⑷电性能发生变化：例如绝缘电阻、介电常数、击穿电压等。

措施：为延缓或防止聚合物的光氧化过程，需加入光稳定剂。为了获得对热、氧稳定的高分子材料制品，常需加入抗氧剂和热稳定剂。

21、掌握塑料的定义和分类。

塑料是以聚合物为主要成分，在一定条件(温度、压力等)下可塑造成一定形状，并在常温下能保持其形状不变的高分子有机材料。（1）按塑料的物理化学性能分：热塑性塑料、热固性塑料（2）按塑料用途分：通用塑料、工程塑料、特种塑料

22、塑料有什么特点？

（1）质轻、比强度高（2）优异的电绝缘性能（3）优良的化学稳定性能（4）减摩、耐磨性能好（5）透光及防护性能（6）减震、消音性能优良。不足：力学性能比金属材料差，表面硬度较低，耐热性差、易老化、易燃

23、添加剂种类及作用

（1）填料及增强剂:填料又称填充剂，在聚合物中添加填充剂的主要目的为了改善塑料的成型性能，降低成本和收缩率，提高制品的强度、刚性、硬度和耐热性，还可增加模量和硬度、降低蠕变等。

（2）增塑剂: 为了使塑料增加柔韧性能，改善流动性，常在聚合物中加入一定量的增塑剂。加入增塑剂可使一些玻璃化温度较高的聚合物在室温下变软，同时，增塑剂也使制品的模量降低、刚性和脆性减小。

（3）稳定剂: 为了防止塑料在光、热、氧等条件下过早老化，延长制品的使用寿命，常加入稳定剂。

（4）润滑剂: 为了改善塑料在成型过程中的流动性能，防止塑料熔体对设备及模具的粘附和摩擦，常常需要加入润滑剂。润滑剂能增加物料流动性或提高制品脱模作用，还能使塑料制品表面保持光洁。

24. 塑料常用的成型方法有哪些？

挤出成型、注射成型、压延成型、模压成型、吹塑成型、滚塑成型

25、掌握常用热塑性塑料的缩写代号、分子式以及基本性能。

（1）聚乙烯PE —（CH2-CH2）n—

PE易燃烧且离火后继续燃烧，火焰上黄下蓝，熔融滴落，透水率低。透明度随结晶度增加而下降。纯净的PE是乳白色蜡状固体粉末，无味、无臭、无毒，柔而韧，比水轻。LDPE 的密度为0.910~0.925g/cm3，HDPE的密度为0.941~0.965g/cm3 。

（2）聚丙烯PP —(CH2-CH)n—

CH3

PP是无臭、无味、无毒，呈乳白色的热塑性树脂，外观似PE，但比PE更透明、更轻，密度为0.89~0.91g/cm3 ，

（3）聚苯乙烯PS

PS大分子链上的苯基呈无规构型，这使得PS为典型的非结晶聚合物，透明度达88~92%，折光率为1.59~1.60，具有良好的光泽。PS的比重为1.04~1.09

（4）ABS——丙烯腈-丁二烯-苯乙烯

ABS塑料具有耐热、表面硬度高、尺寸稳定，耐化学性及电性能良好，易于成型和机械加工等特点，ABS表面还可以镀铬。ABS燃烧缓慢，离火后仍继续燃烧，火焰呈黄色黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊气味，但无熔融滴落。

6．掌握常用工程塑料、热固性塑料的缩写代号和基本性能。

聚酰胺（PA）俗称尼龙，是结晶型聚合物，具有良好的力学性能，虽然刚性逊于金属，但比抗拉强度高于金属，比抗压强度与金属相近，因此代替金属材料。尼龙有吸湿性，随着吸湿性的增加，屈服强度下降、屈服伸长率增大。

聚碳酸酯（PC）具有优异的冲击强度和耐蠕变性，拉伸强度和弹性模量也较高，具有良好的尺寸稳定性。但PC的疲劳强度和耐磨性较差，无自润滑性，较易产生内应力，引起应力开裂。PC既有良好的耐寒性，又有良好的耐热性，耐油性优良，PC对热、氧、大气和紫外线均有良好的稳定性。具有较高的耐热性、透明性、韧性和阻燃性。