2025年大学《资源化学》专业题库- 超高分子量聚合物在材料科学中的应用

2025年大学《资源化学》专业题库——超高分子量聚合物在材料科学中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题列出的四个选项中，只有一项是最符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。）1.下列哪种结构特征是超高分子量聚合物区别于普通聚合物的最显著标志之一？(A)线性结构(B)支链结构(C)交联结构(D)长链缠结和巨大的分子间作用力2.聚醚醚酮（PEEK）属于下列哪一类高分子材料，使其在高温下仍能保持良好性能？(A)脂肪族聚酰胺(B)芳香族聚酯(C)脲醛树脂(D)天然高分子3.在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的加工过程中，其主要面临的挑战是：(A)易燃性(B)易氧化降解(C)粘度过高，流动性极差(D)脱模困难4.下列哪种应用最典型地利用了超高分子量聚乙烯的优异耐磨性和抗冲击性？(A)医用植入物(B)防弹衣材料(C)火箭燃料(D)高频绝缘材料5.用于制造人工关节和骨植入物的超高分子量聚合物，对其生物相容性要求极高，这主要是指：(A)耐化学腐蚀性(B)与人体组织长期接触无排异反应(C)耐高温灭菌(D)抗紫外线能力6.在航空航天领域，使用超高分子量聚合物制造结构件的主要目的是：(A)提高导电性(B)增强重量（用于配重）(C)实现轻量化和耐极端环境(D)获得鲜艳色彩7.生产超高分子量聚合物所使用的单体，其来源可能包括：(A)天然油脂(B)天然蛋白质(C)石油化工产品(D)地下矿产资源8.对于需要承受反复冲击负荷的部件，选择超高分子量聚合物材料的主要优势在于其：(A)高拉伸强度(B)良好的韧性（抗冲击性）(C)良好的热塑性(D)易于电绝缘9.在某些应用中，为了克服超高分子量聚合物加工困难的问题，常采用的方法是：(A)共混改性(B)增塑处理(C)制成纳米复合材料(D)以上都是10.评价一种超高分子量聚合物是否适合用于特定资源化学相关的应用，需要考虑的因素包括：(A)单体来源的可持续性和经济性(B)材料的回收利用性能(C)生产过程的环境影响(D)以上都是二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在横线上。）1.超高分子量聚合物的分子量通常高达______万以上，其分子链中存在大量的______，导致材料具有独特的力学性能。2.除了优异的力学性能外，许多超高分子量聚合物还表现出优异的______、______和耐化学药品性。3.超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是通过______法或______法等方法制得的高性能聚合物。4.在生物医学领域，超高分子量聚合物因其良好的______、______和一定的生物相容性而被广泛应用。5.为了改善超高分子量聚合物的加工性能或赋予其特定功能，常采用______、______或______等改性方法。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出下列名词的准确定义。）1.超高分子量聚合物2.分子间作用力3.耐磨性4.生物相容性5.资源化学视角四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述超高分子量聚合物的超高耐磨性主要是由哪些结构因素决定的？2.与传统的金属材料相比，超高分子量聚合物在航空航天领域应用时具有哪些显著的优越性？3.解释为什么超高分子量聚合物通常难以采用传统的塑料注射成型方法加工？4.从资源化学的角度，评价超高分子量聚合物应用的可持续发展性需要考虑哪些方面？五、论述题（每小题10分，共30分。请结合所学知识，围绕下列主题进行论述。）1.详细论述超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在国防军工领域（如防弹、耐化学腐蚀）的应用原理、性能优势以及目前面临的主要挑战。2.选择一种具体的超高分子量聚合物（如PEEK或UHMWPE），结合其结构特点，论述其在某一特定材料科学应用领域（如生物医学植入物或化工管道）中的具体性能要求，以及这些要求是如何通过其结构特性得以满足的。3.探讨超高分子量聚合物的合成方法与其最终材料性能、加工行为以及资源利用效率之间的关系，并分析未来发展的可能趋势。试卷答案一、选择题1.(D)2.(B)3.(C)4.(B)5.(B)6.(C)7.(C)8.(B)9.(D)10.(D)二、填空题1.十；缠结2.耐化学腐蚀；自润滑3.凝胶转变；沉淀聚合4.生物惰性；骨传导性5.共混；填充；交联三、名词解释1.超高分子量聚合物：指分子量达到或超过10^5甚至10^6以上，具有特殊结构和优异性能的一类线性聚合物，其分子链中存在大量物理缠结。2.分子间作用力：指聚合物分子链之间存在的范德华力、氢键等相互作用力，对聚合物的宏观性能（如熔点、强度、溶解性）有显著影响。3.耐磨性：指材料抵抗摩擦和磨损的能力，是衡量材料耐久性的重要指标之一，超高分子量聚合物通常具有优异的耐磨性。4.生物相容性：指材料与生物体（如人体组织、体液）接触时，能够维持其稳定性和功能，不引起有害的生理反应（如排异、毒性）的特性。5.资源化学视角：指从资源的有效利用、可持续发展和环境影响的角度出发，研究化学物质的开发、合成、应用及其与资源、环境相互关系的学科观点。四、简答题1.简述超高分子量聚合物的超高耐磨性主要是由哪些结构因素决定的？解析思路：超高分子量聚合物的超高耐磨性主要归因于其独特的分子结构。首先，极高的分子量导致分子链间距离小，分子间作用力（尤其是范德华力）显著增强。其次，分子链非常长，在受力摩擦时，链段可以通过相互滑动、转移位置来耗散能量，而不是直接断裂，这就是物理缠结的作用。此外，许多超高分子量聚合物（如UHMWPE）主链中存在非极性基团，表面能低，减少了摩擦副间的粘着。这些因素共同作用，使得材料具有优异的抗磨损能力。2.与传统的金属材料相比，超高分子量聚合物在航空航天领域应用时具有哪些显著的优越性？解析思路：航空航天领域对材料的要求是轻质、高强、耐高温、耐腐蚀等。与传统金属材料相比，超高分子量聚合物具有显著的优越性：1）密度低，约为金属的1/5至1/10，可以实现结构轻量化，降低飞行器总重，提高有效载荷和燃油效率；2）比强度（强度/密度）和比模量（模量/密度）高，即使密度较低，其强度和刚度相对于自身重量而言依然很高；3）具有优异的耐疲劳性、耐磨损性和耐化学腐蚀性，能在苛刻的服役环境下长期稳定工作；4）部分聚合物（如PEEK）还具有良好的耐高温性能。3.解释为什么超高分子量聚合物通常难以采用传统的塑料注射成型方法加工？解析思路：超高分子量聚合物分子链非常长且存在大量缠结，导致其粘度极高，流动性极差。传统的塑料注射成型依赖于熔体的良好流动性来填充模腔。由于超高分子量聚合物熔体粘度过高，在有限的时间内难以快速、均匀地填充复杂形状的模腔，容易产生填充不足、流道堵塞、熔接痕不良、制品表面缺陷等问题。同时，过高的粘度也使得加热熔融和冷却结晶过程变得困难，能耗高，生产效率低。4.从资源化学的角度，评价超高分子量聚合物应用的可持续发展性需要考虑哪些方面？解析思路：从资源化学角度评价超高分子量聚合物应用的可持续发展性，需综合考虑：1）单体来源：单体（如乙烯、苯酚、醚醇等）的来源是否可靠、经济？是否依赖有限的化石资源？是否有可持续的替代来源（如生物基单体）？；2）合成过程：合成方法是否高效、绿色？能耗、物耗、废弃物排放如何？是否有原子经济性高的合成路线？；3）资源利用率：材料在使用过程中的利用率如何？是否易于回收、再利用或降解？回收技术是否成熟、经济？；4）环境影响：材料全生命周期（从生产、使用到废弃）对环境（如能耗、碳排放、微塑料污染）的影响如何？。五、论述题1.详细论述超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在国防军工领域（如防弹、耐化学腐蚀）的应用原理、性能优势以及目前面临的主要挑战。解析思路：UHMWPE在国防军工领域的应用主要基于其独特的性能。应用原理：1）防弹：利用其极高的韧性，当子弹撞击时，分子链可以产生巨大的塑性变形和内摩擦，将子弹的动能大量吸收并耗散掉，子弹不易穿透。这是能量吸收机制而非单纯的材料硬度。2）耐化学腐蚀：由于其分子链结构中的饱和碳氢键和低极性，对酸、碱、盐、油脂以及多种有机溶剂都具有优异的耐受性。应用优势：轻质高强（比强度高）、超高耐磨、耐冲击、耐化学腐蚀、生物相容性好（用于某些特殊场合）、抗辐射、成本相对较低（特别是回收料）。主要挑战：1）加工困难，难以进行常规塑料加工，通常需要使用专门设备（如冷压成型、挤出）或对材料进行改性；2）导电性差，在存在静电积累的环境下可能存在安全隐患；3）对某些特定化学物质（如强氧化剂）的耐受性有限；4）尺寸稳定性在高温或溶剂作用下可能变差；5）与金属连接时需要特殊的粘接技术。2.选择一种具体的超高分子量聚合物（如PEEK或UHMWPE），结合其结构特点，论述其在某一特定材料科学应用领域（如生物医学植入物或化工管道）中的具体性能要求，以及这些要求是如何通过其结构特性得以满足的。解析思路（以PEEK为例，应用于生物医学植入物）：生物医学植入物对材料有苛刻的要求，主要包括：1）优异的生物相容性（无毒、无排异反应）；2）良好的生物惰性（不与体液发生反应）；3）高强度和刚度（满足承载要求）；4）良好的耐磨性（减少界面磨损）；5）稳定的化学性能（耐腐蚀）；6）合适的尺寸稳定性和表面特性（利于骨整合或组织附着）；7）良好的X射线透过性（用于观察内部情况）。PEEK的结构特性如何满足这些要求：1）PEEK是高度芳香的聚醚醚酮，分子链中存在大量的苯环和醚键，结构稳定，化学惰性高，不易与体液发生反应，满足生物相容性和生物惰性要求；2）其玻璃化转变温度高（Tg>150℃），热稳定性好，能承受人体体温和一定的力学负荷，满足强度、刚度和化学稳定性要求；3）PEEK具有较低的摩擦系数和优异的耐磨性，适用于骨关节、人工椎体等需要相对运动的植入物，满足耐磨性要求；4）其分子链规整，结晶度高，具有较低的吸水率，尺寸稳定性好；5）表面可通过改性（如酸蚀、喷涂）改善其生物活性，促进骨整合。这些结构特性使得PEEK成为理想的生物医学植入物材料。3.探讨超高分子量聚合物的合成方法与其最终材料性能、加工行为以及资源利用效率之间的关系，并分析未来发展的可能趋势。解析思路：超高分子量聚合物的合成方法是决定其最终性能、影响加工行为并关联资源利用效率的关键因素。关系：1）合成方法影响分子量和分子量分布：不同的方法（如凝胶转变法通常得到较宽的分布，沉淀聚合可控制窄分布）直接影响聚合物的粘度、强度、结晶度等基本性能。2）合成方法影响分子链结构：某些方法可能引入支链、交联或特定的序列结构，这些都会改变材料的力学、热学、光学等性能。3）合成方法影响性能均匀性：如连续沉淀法有助于获得性能更