高分子物理第、章习题答案

高分子物理答案详解（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。

所谓构型（configuration），包括：旋光异构（全同、间同、无规立构），由不对称中心（或手性C原子）的存在而引起的；几何异构（顺、反异构），由主链上存在双键引起的；键接异构（头尾、头头、尾尾相连）。聚氯丁二烯的各种可能构型有如下六种：

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）由于等规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）聚丙烯腈与碳纤维；

（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。

答：结构包括构型和构象。

（1）聚丙烯腈和碳纤维的结构分别为 CH 2H C

CN n H C C C N C H C C N H C N

聚丙烯腈为螺旋状链，经氧化、碳化后变成

6

元环状的碳纤维（梯形），二者的主链构造不同，后者的刚性好。

（

2）无规立构的PP ，不结晶，常温下为橡胶；等规PP 容易结晶，常温下为塑料，比较硬。

（3）天然橡胶为顺式的，链间距大；杜仲橡胶为反式的，链间距小，易结晶，比顺式的刚性好。

（4）HDPE 的支链少、结晶度高，是定向聚合得到的，是晶体；LDPE 为高压自由基聚合得到的，支链多，不结晶；交联的PE 不溶不熔，三者的硬度依次降低。

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：70.7倍

7.70cos 1cos 1/cos 1cos 15.109154.010*22102,x 22,max 44=+-=+-==︒=====θθ

θθθn h h nl h nl h l X n X r f ma r f n n ，则均方根末端距，

，完全伸直链的长度，，，

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长度b （已知碳—碳键长为0.154nm,键角为109.5°）。

答：b=0.953nm （见P28公式）

nm 953.05.109cos 1)5.109cos 1(154.076.1cos 1cos 176.1cos 1cos 176.1222max 2

,2max 2

02

2,max 2

02max 2

,20=︒

+︒-⨯⨯=+-=⋅==+-=====nl nl h h h h b nl h nl

h h h Z h h

r f r f r f θθσθθσ，

， 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C n =12）。

答：均方末端距为2276.8nm 2。

聚苯乙烯的重复单元的M=104，M n =416000，则n=2X n =M n /M=8000，l =0.154nm ，则

22n 20

8.2276154.0*8000*12nm nl C h ==⋅=

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：J/cm3

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）或者体积分数（体积结晶度）。

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：J/cm3（2）内聚能密度在300 J/cm3以下的聚合物，分子间作用力主要是色散力；内聚能密度在400 J/cm3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键；内聚能密度在300-400 J/cm3之间的聚合物，分子间相互作用居中。

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。