纤维化学与物理第3次作业

思考题

1.为什么说分子运动是联系聚合物分子结构与性能的桥梁?

解答：高分子聚合物的相对分子质量很大，在物理、化学和力学性能上与低分子化合物有很大差异。聚合物的微观分子结构决定了其宏观性能，其宏观性能是分子运动的集中体现。通过改变分子所在环境，可以改变分子运动的方式和形式，从而达到改变聚合物宏观性能的目的。由于聚合物分子量很大，与小分子相比，它的分子运动及转变有着其自身的特点，如：分子运动的多重性、分子运动的松弛特性和分子运动的温度依赖性。正因为分子运动具有以上特点，也使它具有玻璃化转变现象、结晶行为、高弹性、粘弹性、粘性流动等宏观性能上的表现。所以说分子运动是联系聚合物分子结构与性能的桥梁。

2.为什么时间在高聚物分子运动中显得特别重要?

解答：由于高分子的分子运动是一个松弛过程，这个过程需要一定的时间。高分子的分子运动对时间有着强烈的依赖性，即从一种平衡状态通过分子热运动，达到与外界环境相适应的新的平衡态，这个时间即为松弛时间，描述松弛过程的快慢，其值取决于分子运动单元的大小。由于高聚物分子运动单元的多重性，因此高聚物的分子运动具有许多个松弛时间，所以表现出明显的松弛特征。因此时间在高聚物分子运动中显得特别重要。

3.什么是高聚物的玻璃化转变?玻璃化转变有何实用意义?

解答：高聚物的玻璃化转变是指非晶态高聚物从玻璃态到高弹态的转变。从分子运动来看，是链段从冻结状态到解冻后的运动状态的转变。玻璃化转变不是热力学的相变，它是处于非平衡状态的一种力学状态的转变。对晶态聚合物，是指其中非晶部分的链段运动，微晶区对玻璃化转变有明显影响。

玻璃化转变的实用意义：玻璃化温度是高聚物特征温度之一，可以根据测定的玻璃化温度，确定塑料的耐热指标（高于玻璃化温度时由于已经软化而不能作塑料用）、橡胶的耐寒指标（低于玻璃化温度时由于已经成为玻璃态而不能当橡胶用）、以及一些物理性质的测定。4.什么是自由体积?自由体积理论是如何解释高聚物的玻璃化转变的?

解答：自由体积包括具有原子尺寸的缺陷和由于原子无规堆砌而产生的空穴，其提供原子、分子活动的空间,对于高聚物来讲，为链段运动提供了空间。自由体积以“空穴”的形式分散于整个物质之中。正是由于自由体积的存在，分子链才能够通过转动和位移来调整构象。自由体积理论是认为高聚物的体积由高分子占有体积和自由体积两部分组成。高聚物在温度降低时，首先是自由体积逐步减少，到某一温度时，自由体积将达到一最低值，此时没有足够空间供链段运动，链段运动被冻结，高聚物进入玻璃态，对应的温度称为玻璃化温度。在玻璃态，由于链段的运动被冻结，自由体积也被冻结，并保持一恒定的值。对于高聚物玻璃化温度就是自由体积达到某一临界值的温度，在这一临界值下自由体积已不能提供足够的空间容纳链段的运动。

5.什么是蠕变?高聚物的蠕变有哪些特点?用什么模型可以描述高聚物的蠕变行为?

解答：蠕变是指橡胶收到外力压缩或拉伸时，形变总是随时间而发展的，最后达到形变的现象。蠕变反映了材料的尺寸稳定性及长期负荷能力。蠕变过程包括的三种分子运动及其特点为：

（1）、普通弹性形变：由键角、键长、基团或链节运动引起的形变。特点为：形变小、模量小、可逆、瞬时完成；

（2）、高弹形变：由链段运动引起的形变。特点为：形变大、模量小、可逆、完成需要时间；（3）、粘性流动：分子链之间产生相对滑移运动引起的形变。特点为：形变很大、模量极小、不可逆、松弛过程。

用Kelvin模型（即并联模型）可以描述高聚物的蠕变行为。

6.什么是高聚物的应力-应变曲线? 根据应力应变曲线可以判断聚合物的哪些力学性能? 解答：应力是指当外力使材料发生形变时，同时材料内部产生的相等的反作用力，单位面积上产生的这种反作用力即为应力。应变是指材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化。因此高聚物的应力应变曲线即为应变和应力之间的关系曲线。其斜率表征高聚物的模量。根据应力应变曲线可以判断的聚合物的力学性能有：屈服应力、断裂应力、模量（拉伸模量、刚性模量、本体模量）、硬度、机械强度（抗张强度、抗弯强度、冲击强度）。

参考资料：

[1] 程海明.纤维化学与物理课件.[Z].四川.2013

[2] 何曼君,张红东,陈维孝,董西侠.高分子物理第三版[M].上海:复旦大学出版社,2006.