高分子物理作业(带答案)

第一章第一章 1 试讨论线形聚异戊二烯可能有哪些不同的构型 假定不考虑键接结构 画出结构示意图 解 聚异戊二烯可能有 6 种有规立构体 它们是 常见错误分析 本题常见的错误如下 1 将 1 2 加成与 3 4 加成写反了 按 IUPAC 有机命名法中的最小原则 聚异戊二烯应写成 而不是 即 CH3在 2 位上 而不是在 3 位上 2 顺 1 4 加成又分成全同和间同两种 反 1 4 加成也分成全同和间同两种 顺 1 4 或反 1 4 结构中没有不对称碳原子 没有旋光异构体 甲基与双键成 120 角 同在一 CC CH2CH2 CH3H CC CH2 CH2 CH3 H C C C C C C RRR CH3CH3CH3 H H H H H H R CHCH2 C C C C C C RRR H H H H H H HHH R C CH3 CH2 C C C C C C R R R CH3 CH3 CH3 H H H H H H R CHCH2 C C C C C C R R R H H H H H H H H H R C CH3 CH2 顺 1 4 加成 反 1 4 加成 3 4 加成全同立构 1 2 加成全同立构 1 2 加成间同立构 3 4 加成间同立构 CCH CH3 CH2CH2 n 1234 CCH CH3 CH2CH2 n 1234 个平面上 2 以聚丁二烯为例 说明一次结构 近程结构 对聚合物性能的影响 解 单体丁二烯进行配位聚合 由于 1 2 加成与 1 4 加成的能量差不多 所以可得到两类聚 合物 一类是聚 1 2 丁二烯 通式是 另一类是聚 1 4 丁二烯 通式是 每一类都可能存在立体异构 如 由于一次结构不同 导致聚集态结构不同 因此性能不同 其中顺式聚 1 4 丁二烯规整 性差 不易结晶 常温下是无定形的弹性体 可作橡胶用 其余三种 由于结构规整易结 晶 使聚合物弹性变差或失去弹性 不易作橡胶用 其性能之差详见表 1 1 表 1 1 聚丁二烯的物理性质 回弹性异构高分 子 熔点 密度 g cm3 溶解性 烃类 溶剂 一般物性 常温 20 90 全同聚 1 2 丁二烯 120 1250 96难硬 韧 结 晶性 45 5590 92 间同聚 1 2 丁二烯 154 1550 96难硬 韧 结 晶性 顺式聚 1 4 丁二烯 41 01易无定形 硬弹性 88 9092 95 反式聚 1 4 丁二烯 135 1481 02难硬 韧 结 晶性 75 8090 93 3 假定聚乙烯的聚合度为 2000 键角为 109 5 求伸直链的长度 Lmax与自由旋转链的根 均方末端距之比值 并由分子运动观点解释某些高分子材料在外力作用下可以产生很大变 形的原因 解 对于聚乙烯链 nlL 2 1 max 3 2 l nh rf 2 2 1 2 n 2 2000 4000 严格地说应为 3999 所以 5 36 3 4000 3 2 1 2 max n hL rf 可见高分子链在一般情况下是相当卷曲的 在外力作用下链段运动的结果是使分子趋 于伸展 于是某些高分子材料在外力作用下可以产生很大形变 理论上 聚合度 2000 的聚 乙烯完全伸展可形变 36 5 倍 注意 公式中的 n 为键数 而不是聚合度 本题中 n 为 4000 而不是 2000 4 试比较下列高分子链 当键数分别为 n 100 和 n 1000 时的最大拉伸倍数 1 无规线团高分子链 自由连接链 2 键角为 109 5 的自由旋转链 解 1 对无规线团 按自由连接链计算 22 nlh jf 最大伸长倍数 2 1 2 1 2 1 2 max nlnnlhL jf 当 n 100 时为 10 当 n 1000 时为 31 6 注 因为自由结合链无键角限制 nlL max 2 对自由旋转链 22 2nlh rf 最大伸长倍数 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 max 3 1 2 3 2 nlnnlhL rf 当 n 100 时为 5 77 当 n 1000 时为 18 3 5 试从下列高聚物的链节结构 定性判断分子链的柔性或刚性 并分析原因 1 CH2C CH3 CH3 2 CH R CN HO 3 CH2CH CN 4 OC CH3 CH3 OC O 5 C CC C 解 1 柔性 因为两个对称的侧甲基使主链间距离增大 链间作用力减弱 内旋转位垒 降低 2 刚性 因为分子间有强的氢键 分子间作用力大 内旋转位垒高 3 刚性 因为侧基极性大 分子间作用力大 内旋转位垒高 4 刚性 因为主链上有苯环 内旋转较困难 5 刚性 因为侧基体积大 妨碍内旋转 而且主链与侧链形成了大 键共轭体系 使链僵硬 第二章第二章 1 将下列三组聚合物的结晶难易程度排列成序 1 PE PP PVC PS PAN 2 聚对苯二甲酸乙二酯 聚间苯二甲酸乙二酯 聚己二酸乙二酯 3 PA 66 PA 1010 解 结晶难易程度为 1 PE PAN PP PVC PS 2 聚己二酸乙二酯 PET 聚间苯二甲酸乙二酯 由于聚己二酸乙二酯柔性好 而聚间苯二甲酸乙二酯对称性不好 3 尼龙 66 尼龙 1010 由于尼龙 66 分子中的氢键密度大于尼龙 1010 2 1 将熔融态的聚乙烯 PE 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 和聚苯乙烯 PS 淬冷 到室温 PE 是半透明的 而 PET 和 PS 是透明的 为什么 2 将上述的 PET 透明试样 在接近玻璃化温度下进行拉伸 发现试样外观由透 g T 明变为混浊 试从热力学观点来解释这一现象 解 1 当光线通过物体时 若全部通过 则此物体是透明的 若光线全部被吸收 则此物体 为黑色 对于高聚物的晶态结构总是晶区与非晶区共存 而晶区与非晶区的密度不同 物 质的折光率又与密度有关 因此 高聚物的晶区与非晶区折光率不同 光线通过结晶高聚 物时 在晶区界面上必然发生折射 反射和散射 不能直接通过 故两相并存的结晶高聚 物通常呈乳白色 不透明或半透明 如聚乙烯 尼龙等 当结晶度减小时 透明度增加 对于完全非晶的高聚物 光线能通过 通常是透明的 如有机玻璃 聚苯乙烯等 另外结 晶性高聚物要满足充要条件 化学结构的规整性和几何结构的规整性 温度和时间 才能 结晶 否则是不可能的 PE 由于结晶能力特别强 用液氮 193 将其熔体淬冷也得不 到完全非晶体 总是晶区与非晶区共存 因而呈现半透明 PET 是结晶能力较弱的聚合物 将其熔体淬冷 由于无足够的时间使其链段排入晶格 结果得到的是非晶态而呈透明性 PS 没加任何说明都认为是无规立构的 无规立构的 PS 在任何条件下都不能结晶 所以呈 现透明性 2 PET 在接近进行拉伸 由于拉伸使得大分子链或链段在外力的方向上取向而 g T 呈现一定的有序性 使之容易结晶 由于结晶 使之由透明变为混浊 拉伸有利于结晶 在热力学上是这样解释的 根据 已知结晶过程是放热和有序排列的过STHG 程 所以 0 0 要使得结晶过程自发进行 势必要求 H S G H ST 也就是说越小越好 设未拉伸的非晶态的熵为 结晶后的熵为 拉伸后非晶态S a S c S 的熵为 显然 拉伸的试样 未拉伸试样的 那么就有 a S S c S a S S c S a S 故拉伸有利于结晶 S S a S a S 3 区别晶态与取向态 解 小分子晶体结晶完全 称为晶相 高聚物由于相对分子质量大 体系黏度大 活动迟缓 虽然某些高聚物可以结晶 但结晶很不完善 总是晶区伴随着非晶区 这种晶区与非晶区 共存的宏观聚集态叫晶态 高聚物在外力作用下大分子链或链段沿外力方向有序排列 这 样的聚集态为取向态 通常为单轴取向和双轴取向 如纤维是单轴取向 薄膜一般为双轴 取向 结晶和取向不同 结晶是分子链紧密堆积 体系能量最低的热力学稳定体系 晶体中 分子间排列为三维有序 取向是熵减少的非稳定体系 一般只有一维或二维有序 4 列出下列单体所组成的高聚物熔点顺序 并说明理由 CH3 CH CH2 CH3 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH3CH2CH2CH CH2 CH3CH2CH2CH2CH2CH CH2 解 聚丙烯 聚乙烯 聚丁烯 1 聚戊烯 1 聚庚烯 1 聚丙烯由于侧甲基的空间阻碍 增加了刚性 从而 S 较小 Tm较 PE 高 另一方面 从聚丁烯 1 到聚庚烯 1 随着柔性侧基增长 起了类似增塑的作用 S 增大 从而 Tm 较 PE 低 侧基越长 Tm越低 5 解释下表中为什么 PE 和聚四氟乙烯的内聚能相差不多 而熔点相差很大 PET 和尼龙 66 的内聚能相差很大 而熔点却基本相同 聚合物内聚能 Tm PE1 3137 聚四氟乙烯1 6327 PET1 9265 尼龙 663 4264 解 1 PE 与 PTFE 都是非极性高分子 分子间作用力差不多 即 H 差不多 但由于氟原子 电负性很强 氟原子间的斥力很大 分子链的内旋转很困难 分子刚性很大 从而 S 很 小 Tm很高 2 尼龙 66 的分子间作用力 由于氢键 大于 PET 所以 H 较大 另一方面尼龙 66 的分子链无苯环 内旋转较容易 柔性大 S 较大 H 和 S 的影响相互抵消 从而 Tm差不多 第三章第三章 1 简述聚合物的溶解过程 并解释为什么大多聚合物的溶解速度很慢 解 因为聚合物分子与溶剂分子的大小相差悬殊 两者的分子运动速度差别很大 溶剂分 子能比较快地渗透进入高聚物 而高分子向溶剂地扩散却非常慢 这样 高聚物地溶解过 程要经过两个阶段 先是溶剂分子渗入高聚物内部 使高聚物体积膨胀 称为 溶胀 然 后才是高分子均匀分散在溶剂中 形成完全溶解地分子分散的均相体系 整个过程往往需 要较长的时间 高聚物的聚集态又有非晶态和晶态之分 非晶态高聚物的分子堆砌比较松散 分子间 的相互作用较弱 因而溶剂分子比较容易渗入高聚物内部使之溶胀和溶解 晶态高聚物由 于分子排列规整 堆砌紧密 分子间相互作用力很强 以致溶剂分子渗入高聚物内部非常 困难 因此晶态高聚物的溶解要困难得多 非极性的晶态高聚物 如 PE 在室温很难溶解 往往要升温至其熔点附近 待晶态转变为非晶态后才可溶 而极性的晶态高聚物在室温就 能溶解在极性溶剂中 2 已知某聚合物的 溶剂 1 的 溶剂 2 的 问将 2 1 3 4 10cmcal P 4 7 1 9 11 2 上述溶剂如何以最适合的比例混合 使该聚合物溶解 解 P 2211 混 4 10 9 114 7 21 4 101 9 114 7 11 3 1 1 2 1 21 3 现有一瓶苯乙烯的苯溶液与一瓶聚苯乙烯的苯溶液 两溶液中溶质的百分含量相同 试 问哪一种溶液具有较高的 1 蒸气压 2 凝固点 3 渗透压 4 粘度 答 根据依数性质 1 蒸气压 单体溶液高 2 凝固点 单体溶液低 3 渗透压 单体溶液高 4 粘度为非依数性质 聚合物溶液高 4 写出三种可判断溶剂优劣的热力学参数 并讨论它们分别为何值时 溶剂是聚合物的良 溶剂 溶剂 非溶剂 高分子在上述三种溶液中的热力学特征以及形态是怎样的 答 三个参数分别为 Huggins 参数 12 第二维利系数 A2 排斥体积 u 良溶剂 溶剂非溶剂 121 2 A2 0 00 0 0 高分子状态高分子链扩张高分子链为自然状态高分子紧缩析出 第四章第四章 1 假定 A 与 B 两聚合物试样中都含有三个组分 其相对分子质量分别为 1 万 10 万和 20 万 相应的重量分数分别为 A 是 0 3 0 4 和 0 3 B 是 0 1 0 8 和 0 1 计算此二试样的 和 并求其分布宽度指数 和多分散系数 d nMwMzM 2 n 2 w 解 1 对于 A 28169 102 3 0 10 4 0 10 3 0 11 554 i i n M W M 1030001023 0104 0103 0 554 ii wMWM 155630 103000 1043 0104 0103 0 10108 2 w ii z M MW M 66 3 nwMMd 92 2 2 1090 2 66 3 281691 dMn n 102 2 2 1088 3 66 3 1030001 dMw w 2 对于 B 54054 nM 101000 wM 118910 zM 87 1 d 92 1054 2 n 92 1087 8 w 2 假定某聚合物试样中含有三个组分 其相对分子质量分别为 1 万 2 万和 3 万 今测得 该试样的数均相对分子质量为 2 万 重均相对分子质量为 2 3 万 试计算此试样nMwM 中各组分的摩尔分数和重量分数 解 1 1 106 410910410 10210310210 321 8 3 8 2 8 1 8 4 3 4 2 4 1 4 NNN NNN NNN 解得 3 0 1 N4 0 2 N3 0 3 N 2 1 103 210310210 102 1 10310210 321 4 3 4 2 4 1 4 44 3 4 2 4 1 WWW WWW WWW 解得 15 0 1 W4 0 2 W45 0 3 W 第五章第五章 1 画出不同分子量 M1 M2 的非晶态线性聚合物的温度 形变曲线 并标出力学状态 和特征温度 解 2 请画出下列聚合物的温度 形变曲线形状 并注明室温及相应的转变温度 1 交联和未交联的 HDPE 2 低度交联和高度交联的天然橡胶 3 增塑和未增塑的 PVC 解 1 交联和未交联的 HDPE 2 低度交联和高度交联的天然橡胶 3 增塑和未增塑的 PVC 3 试述高聚物耐热性的指标 及提高耐热性的途径 解 高聚物的耐热性因在生产及应用中的情况不同 其意义有所不同 对塑料来说 一般 指它的 Tg 非晶态 和 Tm 晶态 对橡胶来说 一般是指它的 Tf 而对加工来说 则一 般是指 Tox 氧化分解温度 或 Td 分解温度 提高耐热性的主要途径是 1 增加聚合物分子间的作用力 如交联 形成氢键或引入强极性基团等 2 增加大分子链的僵硬性 如在主链中引入环状结构 苯大的侧基或共轭双键等 3 提高聚合物的结晶度或加入填充剂 增强剂等 4 已知聚乙烯和聚异丁烯的黏流活化能分别为 23 3KJ mol 1 单元 和 36 9KJ mol 1 单元 问各在何温度下 它们的黏度分别为 166 7 时黏度的一半 解 1 2 2 121 11 exp ERT ERT E e RTTe 2 121 11 ln E RTT 对 PIB 2 211 11 ln R TET 3 8 3141 0 693 36 9 10166 7273 2 472 2TK 对 PE 3 2 18 3141 0 693 23 3 10166 7273T 2 493 4TK 注 1 ln0 693 2 5 请从分子链缠结的概念出发解释下面假塑性聚合物的流动曲线 答 第一牛顿区 低剪切速率时 缠结与解缠结速率处于一个动态平衡 表观粘度保持恒定 定 为 0 称零切粘度 类似牛顿流体 幂律区 剪切速率升高到一定值 解缠结速度快 再缠结速度慢 流体表观粘度随剪切速率 增加而减小 即剪切稀化 呈假塑性行为 第二牛顿区 剪切速率很高时 缠结遭破坏 再缠结困难 缠结点几乎不存在 表观粘度再 次维持恒定 定为 称牛顿极限粘度 又类似牛顿流体行为 第六章 一 第六章 一 1 长为 1m 截面直径为 0 002m 的钢丝和橡皮筋 分别挂以 0 1Kg 的重物时各伸长多少 设钢丝和橡皮筋的杨氏模量分别为 2 l011Pa 和 1 106Pa 答 2 试分析讨论分子结构 结晶 交联 取向对高聚物拉伸强度的影响 答 1 凡使分子柔性减小的因素及分子间力增大如生成氢键等都有利于高聚物拉伸强度 的提高 分子量增大 拉伸强度提高 但有极大值 之后变化不大 2 结晶度提高 拉伸强度提高 但有极大值 之后变化不大 结晶度相同时 结晶尺寸减小 拉伸强度提高 结晶形态 球晶 串晶 伸直链晶片 3 随交联密度的提高 高聚物拉伸强度先增大后减小 4 平行于取向方向上拉伸强度增加 垂直于取向方向上拉伸强度减小 第六章 二 第六章 二 1 不受外力作用 橡皮筋受热伸长 在恒定外力作用下 受热收缩 试用高弹性热力学理 论解释 解 1 不受外力作用 橡皮筋受热伸长是由于正常的热膨胀现象 本质是分子的热运动 2 恒定外力下 受热收缩 分子链被伸长后倾向于收缩卷曲 加热有利于分子运动 从而利于收缩 其弹性主要是由熵变引起的 中 f 定值 所以Tdsfdl 即收缩 而且随 T 增加 收缩增加 0dlT ds f 2 列举改善下列高分子材料力学性能的主要途径 1 提高结构材料的抗蠕变性能 2 减小橡胶材料的滞后损失 3 提高材料的拉伸强度 4 提高材料的冲击强度 答 1 提高结晶度 提高交联