高分子物理 课后答案(1)

h 2 max n 2l 2
1 cos 2 2 2 nl 3 1 cos 2nl 2 1 cos 2Xn 3 2 10 4 3
自由旋转链
h 2 f r n 2l 2
1/ 2
h 2 max 2 h f r
答：a. 在物理共混中，加入第三组分增容剂； b. 在不同聚合物的分子之间引入各种特殊的相互作用。 11. 某一聚合物完全结晶时的密度为 0.936g/cm3，完全非晶态的密度为 0.854 g/cm3， 现 知该聚合物的实际密度为 0.900 g/cm3，试问其体积结晶度为多少? 解： X c
结构特点：棱片状，其链长数百纳米，厚度为 10nm，晶片厚度与分子量无关，分子链 总是垂直于截面。 树枝晶：形成条件：浓度较高、或温度较低、或聚合物分子量太大时，高分子不再形成 单晶片，而是倾向于生成树枝晶； 结构特点：单晶的聚集体，多晶结构。 球晶：形成条件： ＞1%的浓溶液 折射现象 伸展链晶： 形成条件：高温高压 熔体附近缓慢结晶 单向强度大 高拉伸取向 熔体冷却结晶
表征： （1）偏光显微镜
（2）热分析
（3）X 射线衍射
6. 简述液晶高分子的研究现状，举例说明其应用价值。 1.液晶显示技术 向列型：灵敏的电响应信号和光学特性 2．分析测量技术 胆甾型：光学性质好，可发生白光色散，透射光偏振旋转，可感受＜0.1℃的温度变化， 可以做痕量分析剂、显色剂等 3．液晶纺丝技术 晶体的加工能力较差，液晶可纺丝成纤维，较低的牵伸率减少内应力和损伤。 4．原位复合技术 与普通热塑性高分子共混，形成很细的刚性纤维，其细度优于加入的纤维，可获得力学 性能很强的材料。 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。 答：取向度的测定方法主要有： 声速传播法：可反映整个分子链的取向，能较好的说明聚合物结构与力学强度的关系 光学双折射：反映非晶区的链段取向 广角 X 射线衍射：测得晶区的取向度 小角激光光散射法 、收缩率表征法等 取向结构对材料的力学、光学、热性能影响显著。 例如：尼龙等合成纤维生产中广泛采用牵伸工艺来大幅度提高其拉伸强度； 摄影胶片片基、 录音录像磁带等薄膜材料实际使用强度和耐折性大大提高， 存放时不会 发生不均匀收缩。 取向通常还使材料的玻璃化温度提高； 对于晶态聚合物，其密度和结晶度提高，材料的使用温度提高。 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：出现上述现象的原因在于：皮层具有双折射现象是形成了柱晶；制品内部用偏光显 微镜观察发现有 Maltese 黑十字，说明有球晶产生；越靠近制品芯部，Maltese 黑十字越大， 说明越靠近芯部，球晶越完整；若降低模具的温度，熔体冷却速度加快，受表层的应力作用 增大，皮层厚度将增加。 9. 采用“共聚”和“共混”方法进行聚合物改性有何异同点？ 答：相同点：二者都可形成两相结构。 不同：“共聚”的高分子合金在相界面处，存在化学键，“共混”的高分子合金在相界面处 几乎不存在化学键。 10. 简述提高高分子合金相容性的手段。 电压的改变引起颜色变化
第 1 章 高分子链的结构
1. 略 2. 构型与构象有何区别？聚丙烯分子链中碳－碳单键是可以旋转的，通过单建的内 写出聚氯丁二烯的各种可能构型。
旋转是否可以使全同立构的聚丙烯变为间同立构的聚丙烯？为什么? 答：构型：是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。 构象：由于分子中的单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。 全同立构聚丙烯与间同立聚丙烯是两种不同构型，必须有化学键的断裂和重排。 3. 为什么等规立构聚苯乙烯分子链在晶体中呈 31 螺旋构象，而间规立构聚氯乙稀分
2 2 1/ 2
。
1.76
h02 1.762
Leabharlann Baidu
h 2 f r 3.0976 nl 2 h 2 max n 2l 2
1 cos 6.1952nl 2 1 cos
又
1 cos 2 2 2 nl 2 3
h max Zb
h02 Zb 2
b h02 / h max 6.1952 nl 2 /
子链在晶体中呈平面锯齿构象？ 答：因为等规 PS 上的苯基基团体积较大，为了使体积较大的侧基互不干扰，必须通过 C－C 键的旋转加大苯基之间的距离，才能满足晶体中分子链构象能量最低原则；对于间规 PVC 而言，由于氢原子体积小，原子间二级近程排斥力小，所以，晶体中分子链呈全反式 平面锯齿构象时能量最低。 4. 哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？
1/ 2
2 2 2 3n l 2 nl 2

n 3
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)σ＝1.76， 试计算其等效自由连接链的链段长度 b(已知碳－碳键长为 0.154nm，键角为 109.5 )。 解： [ h0 / h f r ]
答： 空间位阻参数δ
2 h0 2 h f ,r
特征比 Cn
1
2
δ越大,柔顺性越差；δ越小，柔顺性越好；
cn
h02
nl 2
对于自由连接链
cn=1
对于完全伸直链 cn=n，当 n→∞时，cn 可定义为 c∞，c∞越小，柔顺性越好。 链段长度 b：链段逾短，柔顺性逾好。 5. 聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺型好。该聚合物为什么室温下 为塑料而不是橡胶？ 答：因为聚乙烯结构规整，易结晶，故具备了塑料的性质，室温下聚乙烯为塑料而不是 橡胶。 6. 从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异： (1) 聚丙烯腈与碳纤维； 线性高分子 梯形高分子
2 2 nl 6.1952 /( l ) 1.168nm 3 3
10. 某聚苯乙烯试样的分子量为 416000，试计算其无扰链的均方末端距(已知特征 cn＝ 12)。 解： Cn h0 / nl 12
2 2
Xn
416000 4000 104
n 2 Xn 8000
h02 12nl 2 12 8000 (0.154nm) 2
第 2 章 聚合物的凝聚态结构
1. 名词解释 凝聚态：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。高分子的凝聚态是指高分子链之间的几何排列和堆砌状态， 包 括固体和液体。 内聚能密度：单位体积的内聚能，CED = ∆E/Vm。内聚能是克服分子间作用力，把 1mol 液体或固体分子移至分子引力范围之外所需的能量。 结晶度：试样中结晶部分所占的质量分数(质量结晶度 xcm)或者体积分数(体积结晶度 xcv)。 取向：聚合物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 择优排列。 高分子合金的相容性：高分子共混物中分子间分子水平的互容程度。 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：内聚能密度是指单位体积的内聚能 ；CED = ∆E/Vm。内聚能是克服分子间作用力， 把 1mol 液体或固体分子移至分子引力范围之外所需的能量， CED<290J/cm3 的高聚物，都是非极性高聚物，由于它们的分子链上都不含极性基因， 分子间作用力主要是色散力，分子间相互作用力较弱，加上分子链的柔性较好，使这些高聚 物材料易于变形，富有弹性，可作橡胶，但聚乙烯是个例外，由于它的结构对称规整易于结 晶而失去弹性，只能作塑料使用。 CED>420 J/cm3 的高聚物，由于分子链上有强极性基因，或者分子间能形成氢键，分子 间作用力大， 因而有较好的机械强度和耐热性， 再加上分子结构比较规整， 易于结晶， 取向， 使强度更高，可成为优良的纤维材料或工程塑料。 CED∈290~420 J/cm3 的高聚物，分子间作用力居中，适合于作塑料使用。 内聚能密度的测试方法主要有：最大溶胀比法、最大特性粘数法。 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？ 单晶：形成条件：0.01%~0.1%PE 溶液中极缓慢冷却结晶或较高压力下 100MP）熔体结 晶而成。
v
a 0.900 g / cm3 0.854 g / cm3 0.046 g / cm3 0.561 c a 0.963g / cm3 0.964 g / cm3 0.082 g / cm3
结构特点： 球晶分子链总是垂直于径向， 单晶片的变形聚集体； 有黑十字消光现象， 双
结构特点：分子链完全伸展，平行排列
串晶：形成条件：应力（溶液结晶时边缓慢搅拌边结晶） ；拉伸挤出时有（双向）应力 场作用。 结构特点：折叠链与伸直链不可分离 双向强度高
柱晶：形成条件：应力作用下冷却结晶。 结构特点：沿应力方向成行地形成晶核，再向四周生长成折叠链晶片单向强度大。 纤维晶：形成条件：溶液流动，搅拌下结晶；熔体拉伸、剪切。 结构特点：交错连接的微晶和韧性分子链相连构成。 4. 测定聚合物结晶度的方法有哪儿种？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：聚合物结晶度的测定方法有以下几种： 密度法——依据：分子链在品区规整堆砌，故晶区密度(ρc)大于非晶区密度(ρa)，或者 说，晶区比体积(Vc )小于非晶区比体积(Vc )，部分结晶聚合物的密度介于ρc 和ρa 之间； X 射线衍射法——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——根据聚合物熔融过程中的热效应来测定结晶度； 由于部分结晶聚合物中，晶区与非晶区的界限很不明确，无法准确测定结晶部分的量， 因此，结晶度的概念缺乏明确的物理意义，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：结构特点：一般为刚性分子；具有较长的长径比，通常长径比＞6.4；有一定的分 子间作用力。 根据分子排列有序性的不同，液晶可以分为四种晶型： 向列型（N 相） ：一维有序，完全没有平移有序 近晶型：最接近于晶体的类型，一维平移有序 手征性液晶：依靠端基的相互作用，彼此平行排列成层状，每层旋转一个角度，有螺矩 的存在，层层累加 盘状液晶相
(2)无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯； 非晶高分子 结晶性高分子
(3)顺式聚 1,4-异戊二烯(天然橡胶)与反式聚 1,4-异戊二烯; 柔性 (4)高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。
高密度聚乙烯为平面锯齿状链，为线型分子，模量高，渗透性小，结晶度高，具有好的 拉伸强度、劲度、耐久性、韧性；低密度聚乙烯支化度高于高密度聚乙烯（每 1000 个主链 C 原子中约含 15～35 个短支链） ，结晶度较低，具有一定的韧性，放水和隔热性能较好； 交 联聚乙烯形成了立体网状的结构，因此在韧性、强度、耐热性等方面都较高密度聚乙烯和低 密度聚乙烯要好。 7.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。 解： （1）PE>PVC>PAN 主链均为 C－C 结构，取代基极性－CN﹥－Cl，所以，聚丙烯腈的柔顺性较聚氯乙烯 差； （2）2>1>3 1 与 3 中都含有芳杂环，不能内旋转；3 中全为芳环，柔顺性最差；主链中-O-会增加 链的柔顺性； （3）3>2>1 因为 1 中取代基的比例较大，沿分子链排布距离小，数量多，分子链内旋转困难；2 和 3 中均含有孤立双键，易内旋转，故柔顺性较好。 （4）2>1>3 2 中取代基对称排列，分子偶极矩极小，易内旋转；3 中极性取代基较中比例大，分子 内旋转困难，故柔顺性最差。 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？(假定该分子链为自内旋转链)。 单烯类 完全伸展链