高分子物理作业(带答案)

1、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：顺1,4加成CH2CH2C-C CH3H反1,4加成CH2HC=C .CH3CH21,2加成全同立构R R RH C kH3 c C/H c HI H I(R = -CH=CH2/C xczcxCH3CH3H3,4加成全同立构(R = -C(CH3)=CH2)1,2加成间同立构(R = -CH=CH2)RcCH3H3CHCR/H c H1-13R CCH/H c H3,4加成间同立构(R = -C(CH3)=CH2)常见错误分析：本题常见的错误如下：(1)将1,

2、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CH3CH33 日 | 3-CH2-C=CH-CH277r 而不走-4CH2-CH = C-CH21234 n1234 n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-i CHa-CH 尢合物。一类是聚

3、1,2-丁二烯，通式是1,4-丁二烯，通式是CH = CH3 ;另一类O每一类都可能存在立体异构，如全同聚/ 12 丁二揣CH CH CHIIIIIIch2ch2叫C比II CH 间同聚 -CHi-CH-CHrCH-CH2-CH-w12丁二烯CHCHIIIICHjCHa嘱式聚尸q尸q I14 丁二烯 2 cC-CI反式聚声 C C . c5二烯 5C c %八c，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

4、1-1聚丁二烯的物理性质异构高分子熔点（C）密度(g/cm3)0.96溶解性（烧类溶剂）难一般物性（常回弹性120-125温）硬，韧，性结晶2045 559090 92全同聚一烯1,2-间同聚一烯1,2-1541550.96难硬，韧，性结晶顺式聚一烯1,4-41.01易硬弹性88 9092 95反式聚一烯1,4-1351481.02难硬，韧，性结晶75 8090 933 .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 1 2 2 L

5、 maxnl3 i h2,r 2,2nln= 2X2000= 4000 (严格地说应为 3999) 1所以 Lmax/ hf?. 44000336.5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

6、团，按自由连接链计算，h2j nl2,J 1，最大伸长倍数=Lmax/ h2,Jnl/ n 2ln'2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，Lmax nl(2)对自由旋转链，h2,r 2nl2，最大伸长倍数=Lmax/ h2 r 22 nl.1 2n 12lmax i,i3当 n=100 时为 5.77;当 n= 1000 时为 18.35 .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.CH3(1)CH 2CCH3(3) CH2 CHCNCC C 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

7、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兀键共轲体系， 使链僵硬。第二章1 .将下列三组聚合物的结晶难易程度排列成序：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>

8、;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 Tg下进行拉伸，发现试样外观由透明变为混浊，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

9、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(-193C)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

10、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Tg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G H T S,已知结晶过程是放热和有序排列的过程，所以 H <0,S<0。要使得结晶过程自发进行，势必要求G<0,即I H >T| S ,也就是说 S越小越好，设未拉伸的非晶态的嫡为 Sa,结晶后的嫡为Sc,拉伸后非晶态的嫡为 Sao显然，拉伸的试样 S

11、= Sc Sa ,未拉伸试样的S = Sc - Sa o那么就有S > S(.SaSa),故拉伸有利于结晶。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；取向是嫡减少的非稳定体系，一般只有一维或

12、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.CH3CH = CH2；CH3CH2CH = CH2 ；CH2= CH2CH3CH2CH2CH=CH2；CH3CH2CH2CH2CH2CH=CH 2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AS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，A 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(

13、C)PE1.3137聚四氟乙烯1.6327PET1.9265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AH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A 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A 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，A S较大。A H和AS的影响相互抵消，从而 Tm 差不多。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，

14、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

15、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P 10.4cal/cm3 J'2,溶剂1的1 7.4 ,溶剂2的2 11.9。问将解,上述溶剂如何以最适合的比例混合，使该聚合物溶解。2 2 P10.4110.4混=1 17.4 1 11.9 27.4 1 11.911131:23 .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

16、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参数为2、第二维利系数 A2、排斥体积u。良溶剂。溶剂非溶剂源<1/2=1/2>1/2A2>0=0<0u>0=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1万、10万和201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

17、二试样的M n、2w和多分散系数doM w和M z,并求其分布宽度指数 解：（1）对于AWi0.30.40.3Mi1041052 105WMi0.3104_50.4 1052WiMi0.31080.4 10M w28169_50.3 2 105 10300010300010 0.3 4 1010 155630Mw. M n3.66281692 3.66 2.90 1092_101030002 3.66 3.88 10(2)对于540541010001189101.872.54 109_ _ 9_ 1万、2万和3万，今测得该 Mw为2.3万，试计算此试样中各8.87 1092假定某聚合物试样中含

18、有二f组分，其相对分子质量分别为 试样的数均相分子质量 Mn为2万、重均相对分子质量 组分的摩尔分数和重量分数。_4_4_4_4104 N12104 N23104 N32 104108 N14108N29108 N34.6 108N1 N2 N3 1解得 N1 0.3, N2 0.4, N3 0.3(2)W1W2W311042 1043 1042 1044_44_410 W1 2 10 W2 3 10 W3 2.3 10皿 W2 W3 1解得 W1 0.15,W20.4, W3 0.45第五章一形变曲线,并标出力学状态和1、画出不同分子量(M1<M2 )的非晶态线性聚合物的温度 特征温度

19、。解:1b M陵堵化UX叵高弹态n2、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。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£未交联IIDFE芝联HDPETbT/T(2)低度交联和高度交联的天然橡胶匕度交昧天然槐股T 曰 Td TiiflT（3）增塑和未增塑的 PVC3.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 Tfo而对加工来

20、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，苯大的侧基或共轲双键等。（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 元）。问各在何温度下，它们的黏度分别为23.3KJ - mol 1 （单元）和 36.9KJ mol 1 （单166.7C时黏度的一半。解:eE RT1 eE /RT2eE exp 一 Rln 11T21R ,21对 PIB ln T2E 1工8.31436.9 1030.6

21、93 166.7 273472.2K对PE18.314T2 23.3 1030.6931166.7 273T2 493.4K,、1（汪：ln-0.693）25.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。嘉律区：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)1.

22、长为1mi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2X 10 ”Pa和1 x l06Pa。答:依据E =旦，代人给出的数据后.可算出单位面积承受的应 E力为fF u 0.1X 9.8./=丁 =吃二 mfn 皿,=3 18 K l(r(P&)4o兀产 3.14 x (0.001 J(I)钢轨的扬氐模量£ ="因更一 3.18 X .1 59 x 10 7E 2x Itf1 - 3 乂收每二 e = 1 x 1.59 x IO-7 = 1.59x(2)橡皮筋的扬氏模量同理可求得：I = O.OSlMm)

23、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)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。其弹性主要是由嫡变引起的，Tds fdl中，f =定值，所以dlTds/f 0,即收缩，而且随 T增加，收缩增加。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