1、 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。 等。 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.为什么等规立构聚苯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
2、 答1由于等归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CnCn 值越小链的柔顺性越好 3连段长度bb 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
3、不是橡胶。 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81.6 倍 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 =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。 解b=1.17nm 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Cn=12。 答均方末端距为2276.8nm2。 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
4、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/cm2 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 2内聚能密度在300 以下的聚合物分子间作用
5、力主要是色散力内聚能密度在400 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 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
6、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。 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1高分
7、子液晶分子结构特点 1. 分子主干部分是棒状筷形平面状碟形或曲面片状碗形的刚性结构以细长棒状最为常见b.分子中含有对位苯撑强极性基团可高度极化或可形成氢键的基团因而在液态下具有维持分子作某种有序排列所需要的凝聚力c.分子上可能含有一定的柔性结构。 2液晶晶型a.完全没有平移有序向列相即N 相用单位矢量N 表示b.一维平移有序层状液晶近晶A 和近晶C( )c.手征性液晶包括胆甾相Ch和手征性近晶相d.盘状液晶相。 3液晶态的表征一般为a.偏光显微镜下用平行光系统观察b.热分析法c.X 射线衍射 d.电子衍射e.核磁共振f.电子自旋共振g.流变学h.流变光学。 6.简述液晶高分子的研究现状举例说明
8、其应用价值。 答液晶高分子被用于制造防弹衣缆绳及航空航天器大型结构部件可用于新型的分子及原子复合材料适用于光导纤维的被覆微波炉件显示器件信息传递变电检测 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。 1用光学显微镜测定双折射来计算;(2)用声速法测定3广角X 射线衍射法4红外二向色性5偏正荧光法。 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1由于形成球晶球晶具有双折射现象自然光经过偏振片变为偏振光通过球
9、晶发生双折射分成两束振动方向垂直的偏振光两束偏振光在与检偏镜平行方向上存在分量分量速度不同产生相位差而干涉使呈现黑十字消光图像制品外部与模具接触冷却速度快球晶来不及生长而成多层片晶或小球晶而制品芯部温度高结晶时间充分生长为大球晶因此消光图像更大。 2降低温度会增加过冷度缩短结晶时间因而皮层厚度增加。 9.采用“共聚”和“共混”方法进行聚合物改性有何异同点 解 10.简述提高高分子合金相容性的手段 答提高高分子合金的相容性一般用加入第三组分增溶剂的方法。 增溶剂可以是与A、B 两种高分子化学组成相同的嵌段或接枝共聚物也可以是与A、B 的化学组成不同但能分别与之相容的嵌段或接枝共聚物。 11.某一
10、聚合物完全结晶时的密度为0.936g/cm3,完全非晶态的密度为0.854g/cm3,现知该聚合物的实际密度为0.900g/cm3,试问其体积结晶度应为多少 体积结晶度为0.561 12.已知聚乙烯晶体属斜方晶系其晶胞参数a=0.738nm,b=0.495nm,c=0.254nm. (1)根据晶胞参数,验证聚乙烯分子链在晶体中为平面锯齿形构象; (2)若聚乙烯无定形部分的密度 a=0.83g/cm3,试计算密度 =0.97g/cm3 聚乙烯试样的质量结晶度。 13.用声波传播测定拉伸涤纶纤维的取向度。若试验得到分子链在纤维轴方向的平均取向角 为30。试问该试样的取向度为多少 第3 章 高分子溶
11、液 1.溶度参数的含义是什么“溶度参数相近原理”判断溶剂对聚合物溶解能力的依据是什么 答1溶度参数是指内聚能密度的平方根 2依据是 因为溶解过程 0要使 0 越小越好又因为 ?所以 与 越相近 就越小所以可用“溶度参数相近原理”判断溶剂对聚合物的溶解能力。 2.什么叫高分子 溶液它与理想溶液有何本质区别 答1高分子 溶液是指高分子稀溶液在 温度下Flory 温度分子链段间的作用力分子链段与溶剂分子间的作用力溶剂分子间的作用力恰好相互抵消形成无扰状态的溶液。 此时高分子溶剂相互作用参数为1/2,内聚能密度为0.2理想溶液三个作用力都为0而 溶液三个作用力都不为0只是合力为0. 3.Flory-H
12、uggins 晶格模型理论推导高分子溶液混合熵时作了哪些假定混合热表达式中Huggins 参数的物理意义是什么 答1假定a.溶液中分子排列也像晶体中一样为一种晶格排列b.高分子链是柔性的所有构象具有相同的能量c.溶液中高分子“链段”是均匀分布的即“链段”占有任一格子的几率相同。 2物理意义反映高分子与溶剂混合时相互作用能的变化。 4.什么叫排斥体积效应Flory-Kingbuam 稀溶液理论较之晶格模型理论有何进展 答1排斥体积效应在高分子稀溶液中“链段”的分布实际上是不均匀的高分子链以一个被溶剂化了的松懈的链球散布在纯溶剂中每个链球都占有一定的体积它不能被其他分子的“链段”占有。 2进展把“
13、链段”间的排斥体积考虑进去更符合实际。 5.高分子合金相分离机理有哪两种比较其异同点。 6.苯乙烯-丁二烯共聚物 =16.7难溶于戊烷 =14.4和醋酸乙烯 =17.8。若选用上述两种溶剂的混合物什么配比时对共聚物的溶解能力最佳 解 7.计算下列三种情况下溶液的混合熵讨论所得结果的意义。 199e12 个小分子A 与1e8 个小分子B 相混合假定为理想溶液 299e12 个小分子A 与1e8 个小分子B设每个大分子“链段”数x=1e4相混合假定符合均匀场理论 399e12 个小分子A 与1e12 个小分子B 相混合假定为理想溶液。 答1 2 ;3 . 结果说明绝大多数高分子溶液即使在浓度小时性
14、质也不服从理想溶液的规律混合熵 比小分子要大十几倍到数十倍一个高分子在溶液中可以起到许多个小分子的作用高分子溶液性质与理想溶液性质偏差的原因在于分子量大分子链具有柔顺性但一个高分子中每个链段是相互连接的起不到x连段数个小分子的作用混合熵比xN 个小分子来得小。 8.在20将10-5mol 的聚甲基丙烯酸甲酯 =105, =1.20g/cm3溶于179g 氯仿 =1.49 g/cm3中试计算溶液的混合熵、混合热和混合自由能。已知 1=0.377 答 ; ; 9.假定共混体系中两组分聚合物非极性或弱极性的分子量不同但均为单分散的XA/XB=r。试写出计算临界共溶温度下组成关系的方程式画出r 分别为
15、小于1、等于1 和大于1 时该体系的旋节线示意图。 第4 章 聚合物的分子量和分子量分布 1.什么叫分子量微分分布曲线和体积分布曲线两者如何相互转换 (1)微分分布曲线表示聚合物中分子量M不同的各个级分所占的质量分数 或摩尔分数x(M); 积分分布曲线表示聚合物中分子量小于和等于某一值的所有级分所占的质量分数I(M) 或摩尔分数。 转换 2.测定聚合物数均和重均分子量的方法有哪几种每种方法适用的分子量范围如何 答(1)测定数均分子量的方法端基分析法、沸点升高、冰点下降、气相渗透压范围 (2)测量重均分子量的方法光散射法( ) 3.证明渗透压法测得的分子量为数均分子量。 答渗透法测定分子量依据为
16、 时 所以 即渗透压法测得分子量为数均分子量。 4.采用渗透压法测得试样A 和B 和摩尔质量分别为4.20e5g/mol 和1.25e5g/mol试计算A、B 两种试样等质量混合物的数均分子量和重均分子量。 答 5.35时环己烷为聚苯乙烯无规立构的 溶剂。现将300mg 聚苯乙烯 =1.05g/cm3 =1.5e5于35溶于150ml 环己烷中试计算(1)第二维利系数A2;(2)溶液的渗透压。 答1 2 6.某聚苯乙烯试样经分级后得到5 个级分。用光散射法测定了各级分的重均分子量用粘度法22、二氯乙烯溶液测定了各级分的特征粘度结果如下所示 e-4 0.308 1.55 48.0 56.8 15
17、7 ,dl/g 0.0405 0.122 1.38 1.42 2.78 试计算Mark-Houwink 方程 =KM 中的两个参数K 和 。 7.推导一点法测定特性粘度的公式 (1) = (2) = 其中 证明1 2 8.三醋酸纤维素-二甲基甲酰胺溶液的Zimm 图如左所示。试计算该聚合物的分子量和旋转半径。 =5.461e-1nmn(DMF)=1.429 9.现有一超高分子量的聚乙烯试样欲采用GPC 方法测定其分子量和分子量分布试问 1能否选择GPC 法的常用溶剂THF如果不行应该选择何种溶剂 2常温下能进行测定吗为什么 3如何计算该试样的数均、重均和粘均分子量。 第5 章 聚合物的转变与松
18、弛 1. 以分子运动观点和分子间物理缠结概念说明非晶态聚合物随着温度升高粘弹行为的4 个区域并讨论分子量对应力松弛模量-温度曲线的影响规律。 答1a. 玻璃态区玻璃化温度以下分子运动主要限于振动和短程的旋转运动b. 玻璃-橡胶转变区可解析为远程、协同分子运动的开始c. 橡胶-弹性平台区由于分子间存在几个链段平行排列的物理缠结聚合物呈现远程橡胶弹性d. 末端流动区物理缠结来不及松弛材料仍然表现为橡胶行为温度升高发生解缠作用导致整个分子产生滑移运动即产生流 动这种流动是作为链段运动结果的整链运动。 2聚合物分子量越高橡胶-弹性平台就越长。 2. 讨论结晶、交联聚合物的模量-温度曲线和结晶度、交联度
19、对曲线的影响规律。 解 3. 写出四种测定聚合物玻璃化温度的方法简述其基本原理。不同实验方法所得结果是否相同为什么 答 1a. 膨胀计法热膨胀的主要机理是克服原子间的主价力和次价力膨胀系数较小b. 量热法聚合物在玻璃化时的热学性质的变化c. 温度-形变法利用聚合物玻璃化转变时形变量的变化来测定其玻璃化温度d. 核磁共振法利用电磁性质 的变化研究聚合物玻璃化转变的方法。 2不同 4. 聚合物的玻璃化转变是否是热力学相变为什么 聚合物的玻璃化转变并不是一个真正的热力学相变。 因为非晶态聚合物发生玻璃化转变时其体积焓或熵是连续变化的而K, 和 出现不连续的变化要使体系达到热力学平衡需要无限缓慢的变温
20、速率和无限长的测试时间实验上不可能做到因此玻璃化温度的测定过程体系不能满足热力学平衡条件转变过程是一个松弛过程所测得的玻璃化温度不是一个真正的热力学相变。 5. 试用玻璃化转变的自由体积理论解释1非晶态聚合物冷却时体积收缩速率发生变化2冷却速度愈快测得的Tg 值愈高。 答1在 以上非晶态聚合物体积收缩时包括聚合物分子占有体积的收缩以及自由体积的收缩而在 以下自由体积处于冻结状态所以聚合物体积收缩只有聚合物占有体积的收缩因此体积收缩速率会有变化。 2当冷却速度愈快测得的 偏大这是因为一方面温度降低体系的自由体积减小同时粘度增大链段运动的松弛时间增加另一方面冷却速率决定了实验的观察时间而玻璃化温度
21、是链段运动的松弛时间与实验的观察时间相当时的温度故冷却愈快观察时间愈短测得的 值愈高。 6. 玻璃化转变的热力学理论基本观点是什么 答热力学研究表明相转变过程中自由能是连续的而与自由能的导数有关的性质发生不连续的变化。非晶态聚合物发生玻璃化转变时其体积、焓或熵是连续变化的但K、 出现不连续的变化。实际上玻璃化温度 的测定过程体系不能满足热力学的平衡条件转变过程是一个松弛过程所得 值依赖于变温速率及测试方法外力作用速率 7. 聚合物晶体结构和结晶过程与小分子晶体结构和结晶过程有何差别造成这些差别的原因是什么 答 小分子有分子晶体、原子晶体和离子晶体而高分子晶体仅有分子晶体且仅是分子链的一部分形成
22、的晶体。这是由于高分子的分子链很长可穿越多个晶胞。 2小分子的熔点是一个确定值而高分子的熔点是一个范围值。 3高分子有结晶度的概念而小分子没有。这是由于高分子结构的复杂性使得聚合物结晶要比小分子结晶有更多的缺陷所以结晶总是很不完善有晶区和非晶区用结晶读表示。 4高聚物的结晶过程分一次结晶主结晶和二次结晶次级结晶。这是由于高分子的相对分子质量大体系黏度大分子运动迟缓所引起的。 8. 测定聚合物结晶速度有哪些方法简述其原理和主要步骤。 答 1膨胀计法、光学解偏振法和示差扫描量热法( DSC)。原理聚合物结晶过程中从无序的非晶态排列成高度有序的晶态由于密度变大会发生体积收缩即可研究结晶过程。主要步骤
23、方法是将试样与跟踪液(通常是水银)装入一膨胀计中加热到聚合物熔点以上使其全部熔融。然后将膨胀计移入恒温槽内观察毛细管内液柱的高度随时间的变化。 2偏光显微镜法和小角激光光散射法。原理用单位时间里球晶半径增加的长度作为观察温度下球晶的径向生长速度。主要步骤将试 样熔融后立即进行等温结晶观察球晶的半径随时间的增长变化以球晶半径对时间作图可得一直线。 9. 比较下列各组聚合物的Tg 高低并说明理由 1聚二甲基硅氧烷顺式聚14-丁二烯 聚二甲基硅氧烷 顺式聚14-丁二烯 2聚己二酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯 聚己二酸乙二醇酯 聚对苯二甲酸乙二醇酯 3聚丙烯聚4-甲基-1-戊烯聚丙烯 聚4-甲基-1-
24、戊烯 4聚氯乙烯聚偏二氯乙烯。 聚氯乙烯 聚偏二氯乙烯 10. 以结构观点讨论下列聚合物的结晶能力聚乙烯、尼龙66、聚异丁烯。 聚乙烯结构简单对称又规整所以非常容易结晶。 尼龙66化学结构及几何结构均较规整没有键接方式问题也较容易结晶。 聚异丁烯分子链具有较高的对称性可以结晶但由于取代基的空间位阻以及化学结构的不规整性使其较难结晶。 11. 均聚物A熔点为200熔融热为8374J /mol 重复单元。如果在结晶的AB 无规共聚物中单体B 不能进入晶格试预测含单体B10%摩尔分数的共聚物的熔点。 答451. 8k. 12.现有某种聚丙烯试样将其熔体10ml 于150在膨胀计中进行等温结晶不同时间
25、测得聚合物的体积如下 t /mi n 3. 2 4. 7 7. 1 12. 6 20 V/ml 9. 9981 9. 9924 9. 9765 9. 8418 9. 5752 已知聚丙烯晶胞密度为0. 96g/cm3,结晶完全时体积结晶度为50%。试用Avrami 方程计算该试样的结晶速度常数K 和Avrami指数n。 答K=0. 00316, n=3. 02。 第6 章 橡胶弹性 1.高弹性有哪些特征为什么聚合物具有高弹性在什么情况下要求聚合物充分体现高弹性什么情况下应设法避免高弹性 答1高弹性特征a.弹性模量很小;b.形变量很大;c.弹性模量随绝对温度的升高正比的增加d.形变时有明显的热效
26、应。 2 3 2.试述交联橡胶平衡态髙弾形变热力学分析的依据和所得结果的物理意义。 答依据热力学第一定律和第二定律 物理意义橡胶变形后的张应力可以看成是由熵的变化和内能的变化两部分组成。只有熵才能贡献的弹性叫熵弹性橡胶拉伸时内能变化很小主要是熵的变化。内能的变化是橡胶拉伸时放热的原因。 3简述橡胶弹性统计理论的研究现状与展望说明橡胶弹性唯象理论的优缺点。 答 4什么叫热塑性弹性体举例说明其结构与性能关系。 答1热塑性弹性体是一种兼有塑料和橡胶特性、在常温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料又称为第三代橡胶。 2苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物SBSPB 分散相Tg 高于室温构成物
27、理交联区域故SBS 室温下为弹性体高温下发生粘性流动可以塑化成型。 5.一交联橡胶试片长2.8cm、宽1.0cm、厚0.2cm、重0.518g于25时拉长1 倍测定张力为9.8N。请计算该试样网链的平均分子量。 答8185g/mol 6. 某硫化橡胶试样其网链平均分子量为10000密度为1g/cm3。问25时拉伸1 倍需要多大的应力?(R=8.314J/Kmol) 答 Pa 7.一硫化橡胶试样应力为1.5106N/m2 时拉伸比为2.5.试计算该试样1cm3 中的网链数。 答 8.1利用橡胶弹性理论计算交联点间平均分子量为5000、密度为0.925g/cm3 的弹性体在23时的拉伸模量和切变模
28、量。R=8.3145J/Kmol (2)若考虑自由末端校正模量将怎样改变已知试样的 =100000 答(1)E=1.366Mpa, G=0.455 Mpa (2) E=1.229Mpa, G=0.410 Mpa 9.称取交联后的天然橡胶试样于25在正癸烷溶剂中溶胀。达溶胀平衡时测得体积溶胀比为4.0。已知高分子-溶剂相互作用参数 1=0.42聚合物的密度 2=0.925g/cm3,溶剂的摩尔体积为195.86cm3/mol,试计算该试样的剪切模量G(R=8.3145J/Kmol)。 答 。 第7 章 聚合物的粘弹性 1.举例说明聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗现象。为什么聚合物具有这些现象这
29、些现象对其的使用性能存在哪些利弊 2.简述温度和外力作用频率对聚合物内耗大小的影响。画出聚合物的动态力学普示意图举出两例说明谱图在研究聚合物结构与性能方面的应用。 3.指出Maxwell 模型、Kelvin 模型和四元件模型分别适宜于模拟哪一类型聚合物的那一种力学松弛过程 答Maxwell 模型适宜于模拟线形聚合物的应力松弛过程Kelvin 模型适宜于模拟交联聚合物的蠕变过程四元件模型适宜于模拟线形聚合物的蠕变过程。 4.什么是时温等效原理该原理在预测聚合物材料的长期使用性能方面和在聚合物加工过程中各有哪些指导意义 答1升高温度与延长时间对分子运动是等效的对聚合物的粘弹行为也是等效的这就是时温
30、等效原理。 2需要在室温条件下几年甚至上百年完成的应力松弛实验实际上是不能实现的但可以在高温条件下短期内完成或者需要在室温条件下几十万分之一秒或几百万分之一秒中完成的应力松弛实验可以在低温条件下几个小时甚至几天内完成。 5.定量说明松弛时间的含意。为什么说作用力的时间相当时松弛现象才能被明显地观察到 答1松弛时间 是粘性系数和弹性系数的比值 2如果外加应力作用时间极短材料中的粘性部分还来不及响应观察到的是弹性应变。反之若应力作用的时间极长弹性应变已经回复观察到的仅是粘性流体贡献的应变材料可考虑为一个简单的牛顿流体。只有在适中的应力作用时间材料的粘弹性才会呈现应力随时间逐渐衰减到零这个适中的时间
31、正是松弛现象的内部时间尺度松弛时间 。 6.简述聚合物粘弹理论的研究现状与展望。 答 7.一某种聚合物材料作为两根管子接口法兰的密封垫圈假设该材料的力学行为可以用Maxwell 模型来描述。已知垫圈压缩应变为0.2初始模量为3e6N/m2,材料应力松弛时间为300d管内流体的压力为0.3e6N/m2,试问多少天后接口处将发生泄露 答208d。 8.将一块橡胶试片一端夹紧另一端加上负荷使之自由振动。已知振动周期为0.60s振幅每一周期减少5%试计算 1橡胶试片在该频率或振幅下的对数减量和损耗角正切tg 2假若=0.02问多少周期后试样的振动振幅将减少到起始值的一半 答1 221。 9.分别写出纯
32、粘性液体粘滞系数 、理想弹性体弹性模量E、Maxwell 单元EM、 M)和Kelvin 单元EK, k在t=0 时加上一恒定应变速度K 后应力 随时间t的变化关系并以图形表示之。 解1 =KEt, 图形为一过原点直线。 2 =K , 图形为一水平直线。 3 =K - exp(-Et/ ), 图形为一条斜率逐渐减小的曲线。 4 =KEt+ K 图形为一直线与纵轴交点在横轴上方。 10.设聚丙烯为线性粘弹体其柔量为Dt=1.2t0.1(GPa)-1(t 的单位为s),应力状态如下 =0 t0 =1MPa 0t1000s =1.5MPa 1000st2000s 试计算1500s 时该材料的应变值。
33、 答 11.在频率为1Hz 条件下进行聚苯乙烯试样的动态力学性能实验125出现内耗峰。请计算在频率1000Hz 条件下进行上述实验时出现内耗峰的温度。已知聚苯乙烯的Tg=100 答151.3 12.某聚合物试样25时应力松弛到模量为1e5N/m2 需要10h。试计算-20时松弛到同一模量需要多少时间已知该聚合物的Tg=-70 答 13.某聚合物的粘弹行为服从Kelvin 模型其中 值服从WLF 方程E 值服从橡胶弹性统计理论。该聚合物的玻璃化温度为5该温度下粘度为1e12Pas有效网链密度为1e-4mol/cm3。试写出30、1e6Pa 应力作用下该聚合物的蠕变方程。 答 第8 章 聚合物的屈
34、服和断裂 1.名词解释 脆-韧转变点细颈剪切带银纹应力集中疲劳。 脆-韧转变点在一定应变速率下作断裂应力和屈服应力分别与温度T 的关系曲线两条曲线的交点就是脆韧屈服转变点。 细颈高分子材料试样条在拉伸实验中试条某点的横截面突然快速下降的现象。 剪切带只发生在局部带状区域内的剪切变形。 银纹聚合物在张应力作用下于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100 m、宽度为10 m 左右、厚度约为1 m 的微细凹槽。 应力集中受力材料在形状、尺寸急剧变化的局部或内部缺陷孔、裂缝等的附近出现应力显著增大的现象。 疲劳材料或构件在周期应力作用下
35、断裂或失效的现象是材料在实际使用中常见的破裂 形式。 2.画出非晶态和晶态聚合物拉伸时典型的应力-应变曲线指出曲线上的特征点及相应的应力、应变名称。 3.讨论温度、应变速度、流体静态压力对上述应力-应变曲线的影响规律。 4.简述几种组合应力作用下材料的屈服判据比较不同判据之间的差异。 答1单参数屈服判据Tresca 判据和最大形变能理论只受正应力和切应力2双参数屈服判据Coulomb 判据或MC判据受正应力、切应力和正压力。此外考虑流体静压力的改进的Tresca 和Von Mises 判据也适用。 5.何谓聚合物的强度为什么理论强度比实际强度高很多倍 6.简述聚合物增强、增韧的途径和机理。 答
36、聚合物增强途径通过添加增强剂来形成复合材料 机理形成复合材料可以传递应力避免基体应力集中提高力学强度。 聚合物的增韧途径添加增塑剂。 机理银纹机理、银纹-剪切带机理、三轴应力空化机理、刚性粒子增韧机理。 7.下列几种聚合物的抗冲击性能如何为什么TTg 1聚苯乙烯2聚苯醚3聚碳酸酯(4)ABS;(5)聚乙烯 答(1)聚苯乙烯因主链挂上体积庞大的侧基苯环使之称为难以改变构象的刚性链使得冲击性能不好为典型的脆性聚合物。 2聚苯醚因主链含有刚性的苯环故为难以改变构象的刚性链冲击性能不好。 3聚碳酸酯由于主链中含酯基在-120 摄氏度可产生局部模式运动称之为 转变。在TTg 时由于外力作用 转变吸收冲击
37、能使聚合物上的能量得以分散因此冲击性能好在常温下可进行冷片冲压成型即常温塑性加工。 4ABS因ABS 具有多相结构支化的聚丁二烯相当于橡胶微粒分散在连续的塑料相中相当于大量的应力集中物当材料受到冲击时它们可以引发大量的裂纹从而能吸收大量的冲击能所以冲击性能好。 5聚乙烯由于聚乙烯链节结构极为规整和对称体积又小所以聚乙烯非常容易结晶而且结晶度比较高。由于结晶限制了链段的运动使之柔性不能表现出来所以冲击性能不好。高压聚乙烯由于支化多破坏了链的规整性结晶度低些冲击性能稍好些。 8.如何采用物理改性的方法制备下列材料简述其改性机理。 1抗冲击聚丙烯塑料2高强度丁苯橡胶3高强度尼龙纤维4高强度、高耐折射
38、性的聚酯薄膜5高强度环氧树脂。 9.用低密度聚乙烯改性尼龙的研究和应用报道很多。该种共混体系相容性很差用什么方法可以改善两者的相容性用什么实验手段可以说明相容性确实显著提高了 10.现有一块有机玻璃PMMA板内有长度为10mm 的中心裂纹该板受到一个均匀的拉伸应力 =450e6N/m2 的作用。已知材料的临界应力强度因子KIC=84.7e6N/m2m1/2,安全系数n=1.5,问板材结构是否安全 第9 章 聚合物的流变性 1.什么是假塑性流体绝大多数聚合物熔体和浓溶液在通常条件下为什么均呈现假塑性流体的性质试用缠结理论加以解释。 答1流动指数n1 的流体称为假塑性流体 2 2.聚合物的粘性流动
39、有何特点为什么 3.为什么聚合物的粘流活化能与分子量无关 答根据自由体积理论高分子的流动不是简单的整个分子的迁移而是通过链段的相继跃迁来实现的。形象的说这种流动的类似于蚯蚓的蠕动。因而其流动活化能与分子的长短无关。 ,由实验结果可知当碳链不长时 随碳数的增加而增加但当碳数大于30 时不再增大因此聚合物超过一定数值后 与相对分子质量无关。 4.讨论聚合物的分子量和分子量分布对熔体粘度和流变性的影响。 答低切变速率下当 时略依赖于聚合物化学结构和温度当 时与聚合物化学结构分子量分布及温度无关增大切变速率链缠结结构破坏程度增加分子量对体系粘度影响减小。 聚合物熔体非牛顿流动时的切变速率随分子量加大向
40、低切变速率移动剪切引起的粘度下降分子量低的试样也比分子量高的试样小一些。分子量相同时分子量分布宽的聚合物熔体出现非牛顿流动的切变速率比分布窄的要低的多。 5.从结构观点分析温度、切变速率对聚合物熔体粘度的影响规律举例说明这一规律在成型加工中的应用。 答a.温度升高粘度下降在较高温度的情况下聚合物熔体内自由体积相当大流动粘度的大小主要取决于高分子链本身的结构即链段跃迁运动的能力一般分子链越刚硬或分子间作用力越大则流动活化能越高这类聚合物是温敏性的当温度处于一定范围即TgTTg+100K 时由于自由体积减小阶段跃迁速率不仅与其本身的跃迁能力有感也与自由体积大小有关。 b柔性链高分子表观粘度随切变速
41、率增加而明显下降刚性链高分子表观粘度也随且变速率增加而下降但降幅较小因为切变速率增加柔性链易改变构象即通过链段运动破坏原有缠结降低流动阻力刚性链链段较长构象改变较困难随切变阻力增加阻力变化不大。 6.解释下列名词、概念 1牛顿流体和非牛顿流体 牛顿流体流动行为符合牛顿流动定律的流体 非牛顿流体流动行为不符合牛顿流动定律的流体。 2切粘度和拉伸粘度 切粘度等于单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力其值放映了液体分子间由于相互作用而产生的流动阻力即内摩擦力的大小单位为帕秒Pa s。 拉伸粘度等于单位速度梯度时单位面积上所受到的拉伸应力。 3真实粘度和表观粘度 真实粘度单位速度梯度时单位面积上所受到
42、的切应力。 表观粘度在粘性流动中流体具有剪切速率依赖性时的剪切应力与剪切速率之比值。 4非牛顿指数和稠度系数 非牛顿指数n= 对切变速率非牛顿的校正。 稠度系数描述非牛顿流体流动行为可用下述幂律方程 其中K 为稠度系数。 5不稳定流动与熔体破裂。 不稳定流动与熔体破裂聚合物熔体在挤出时如果切应力超过一极限值时熔体往往会出现不稳定流动挤出物外表不再是光滑的最后导致不规则的挤出物断裂称为熔体破裂。 7.为什么涤纶采用熔融纺丝方法而腈纶却用湿法纺丝 答由于聚丙烯腈的熔点很高318分解温度220低于熔点所以不能用熔融纺丝。由于聚对苯二甲酸乙二酯的熔点为260270低于分解温度约为350可用熔融纺丝。
43、8.某一聚苯乙烯试样已知160时粘度为1e3Pas,试估算Tg(100)时及120时的粘度。 答Tg(100)时为 Pas120时为 Pas。 9.一种聚合物在加工中劣化其重均分子量从1e6 下降到8e5.问加工前后的熔融粘度之比是多少 答2.14 10.用毛细管流变仪挤出顺丁橡胶试样不同柱塞速度 条件下得到载荷下的数值如下 V(mm/min) 0.6 2 6 20 60 200 F(mm/min) 2067.8 3332 4606 5831 6918.8 7781.2 已知柱塞直径dp=0.9525cm,毛细管直径D=0.127cm,毛细管长径比L/D=4,忽略入口校正试作出熔体的 曲线和
44、曲线。 答 第10 章 聚合物的电性能、热性能、光学性能和表面与界面性能 1. 名词解释 取向极化介电损耗电击穿介电松弛谱Cole-Cole 图非线性光学性质全反射 取向极化又称偶极极化是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。 介电损耗在外电场作用下由于分子极化引起的电能的损耗用介电损耗角正切tan 表示。 电击穿当电场强度达到某些临界数值这对不同材料是不同的时载流子从外部电场所获得的能量大大超过它们与周围碰撞所损失的部分能量将使被撞击的高分子链发生电离产生新的载流子如此继续就会发生所谓的“雪崩”现象以致电流急剧上升聚合物发生击穿。这类击穿叫做电击穿。 介电松弛谱完成取向极化所需的时间
45、范围很宽与力学松弛时间谱类似的一个时间谱。 Cole-Cole 图根据公式 以 对 作图得到圆心在 0、半径 的半圆称为Cole-Cole 图。 非线性光学性质光波作为一种电磁波在很高的电场强度下极化强度与电场强度之间呈现非线性关系的性质。 全反射折射光消失入射光全部反射。 2.比较聚合物介电松弛和力学松弛的异同点。 3.讨论影响聚合物介电常数和介电损耗的因素。 答影响因素1电场频率的影响在低频区介电常数达到最大值而介电损耗最小在光频区介电常数很小介电损耗也小。 2温度的影响温度过低 和 都很小升高温度 和 都增大进一步升高温度 又变得很小而介电常数通过一个峰值后缓慢的随温度升高而下降。 3增塑剂的影响介电损耗随增塑剂含量的增加而移向低温。 4杂质的影响对于非极性高聚物来说杂质是引起介电损耗的主要原因。 4.什么叫聚合物的驻极体什么叫热释电流法(TSC)?该法为什么能有效的研究聚合物的分子运动 答1驻极
