2025年高分子工程试题及答案

2025年高分子工程试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.自由基聚合中，能有效终止链自由基但不引发新链的物质是（）。A.过氧化苯甲酰（BPO）B.对苯二酚C.偶氮二异丁腈（AIBN）D.三乙基铝答案：B2.下列高分子中，分子链柔性最大的是（）。A.聚四氟乙烯（PTFE）B.聚碳酸酯（PC）C.聚乙烯（PE）D.聚氯乙烯（PVC）答案：C3.表征高分子分子量分布宽度的参数是（）。A.数均分子量（Mn）B.重均分子量（Mw）C.Z均分子量（Mz）D.多分散系数（Mw/Mn）答案：D4.缩聚反应中，若单体官能度f=2且等物质的量配比，反应程度p=0.95时，数均聚合度Xn为（）。A.10B.20C.30D.40答案：B（Xn=1/(1-p)=20）5.玻璃化转变温度（Tg）是高分子（）。A.从玻璃态转变为粘流态的温度B.从高弹态转变为粘流态的温度C.从玻璃态转变为高弹态的温度D.结晶熔融的温度答案：C6.下列聚合方法中，最易实现分子量调控的是（）。A.本体聚合B.溶液聚合C.悬浮聚合D.乳液聚合答案：B（溶剂可作为链转移剂调控分子量）7.高密度聚乙烯（HDPE）与低密度聚乙烯（LDPE）的主要区别在于（）。A.分子量大小B.支化程度C.结晶度D.单体种类答案：B（HDPE支化少，LDPE支化多）8.红外光谱（IR）用于高分子表征时，主要检测的是（）。A.分子链构象B.官能团振动C.分子量分布D.结晶结构答案：B9.热塑性弹性体（TPE）的结构特征是（）。A.完全交联的三维网络B.线性分子链无规排列C.嵌段或接枝共聚物，含物理交联微区D.结晶与非晶相交替答案：C10.制备透明聚苯乙烯（PS）时，需抑制的关键过程是（）。A.链终止反应B.结晶行为C.支化反应D.氧化降解答案：B（PS本为非晶，若结晶会失去透明性）二、填空题（每空1分，共20分）1.自由基聚合的基元反应包括______、______和______。（链引发、链增长、链终止）2.竞聚率r1表示______，其物理意义是______。（自由基M1·与单体M1的反应速率常数与M1·与单体M2的反应速率常数之比；单体M1的自聚倾向与共聚倾向的比值）3.高分子的凝聚态结构包括______、______和______。（晶态、非晶态、取向态）4.熔融指数（MI）的测试条件通常为______，其值越大，高分子的______越低。（特定温度和负荷，如230℃/2.16kg；熔体粘度）5.缩聚反应的分子量控制方法主要有______和______。（控制单体摩尔比、加入单官能团物质）6.动态力学分析（DMA）可测量高分子的______和______，反映其______性能。（储能模量、损耗模量；粘弹性）7.热固性高分子的加工特性是______，其最终结构为______。（加热时交联固化，不可再熔融；三维网状交联结构）三、简答题（每题8分，共40分）1.比较自由基聚合与缩聚反应的特征差异。答：自由基聚合为链式反应，包括引发、增长、终止基元步骤；单体转化率随时间迅速上升，分子量初期即达最大值且变化小；反应不可逆，分子量分布较宽（多分散系数2左右）。缩聚反应为逐步反应，官能团间逐步键合；单体转化率随时间缓慢上升，分子量随反应程度增加而逐步增大；反应可逆（存在平衡），分子量分布较窄（多分散系数接近2）。2.解释为什么聚乙烯（PE）结晶度高而聚氯乙烯（PVC）结晶度低。答：PE分子链为-CH2-重复单元，无大侧基，对称性高，分子链柔性好，易规整排列形成结晶。PVC分子链含极性氯原子（-Cl），侧基体积较大且极性强，分子链间排斥作用和空间位阻增大，阻碍链段规整排列；同时氯原子的极性导致分子链刚性增加，运动能力下降，因此PVC结晶度低（通常<10%）。3.分析分子量对高分子力学性能的影响规律。答：分子量较低时（<临界分子量Mc），分子链间缠结少，强度和韧性随分子量增加显著提高；当分子量超过Mc后，缠结密度趋于饱和，强度增长变缓，但断裂伸长率（韧性）仍随分子量增加而提高；分子量过高时，熔体粘度急剧增大，加工困难，且可能因内应力集中导致实际使用中强度下降。4.简述乳液聚合的特点及工业应用实例。答：乳液聚合特点：以水为介质，反应温度低（通常50-80℃），体系粘度小，散热容易；通过胶束成核，聚合速率（Rp）和分子量（Xn）可同时提高；产物为胶乳，可直接用于涂料、胶黏剂等。工业应用如丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸酯乳液（涂料）、聚醋酸乙烯酯乳液（白乳胶）等。5.如何通过DSC（差示扫描量热法）区分高分子的玻璃化转变与结晶熔融？答：玻璃化转变（Tg）在DSC曲线上表现为基线的偏移（热容变化ΔCp），无明显吸热或放热峰；结晶熔融（Tm）则表现为尖锐的吸热峰（熔融热ΔHm），峰面积对应结晶焓。此外，Tg通常在较宽温度区间（5-10℃）内发生，而Tm峰较窄（2-5℃），且可通过二次升温消除热历史影响后更清晰观测。四、计算题（每题10分，共20分）1.某自由基聚合体系中，单体浓度[M]=5mol/L，引发剂浓度[I]=0.01mol/L，引发剂分解速率常数kd=2×10-6s-1，链增长速率常数kp=1×103L/(mol·s)，链终止速率常数kt=1×107L/(mol·s)，引发效率f=0.8。计算：（1）动力学链长ν；（2）若体系中加入0.001mol/L的链转移剂（链转移常数Cs=0.1），新的数均聚合度Xn’（忽略偶合终止）。解：（1）动力学链长ν=kp[M]/(2(fkdkt[I])1/2)代入数据：ν=1×103×5/(2×(0.8×2×10-6×1×107×0.01)1/2)=5×103/(2×(0.8×2×10-6×1×107×0.01)1/2)计算括号内：0.8×2×10-6×1×107×0.01=0.8×2×0.1=0.16平方根为0.4，故ν=5×103/(2×0.4)=5×103/0.8=6250（2）加入链转移剂后，数均聚合度倒数1/Xn’=1/Xn+Cs[CS]/[M]原Xn（无链转移）=ν（歧化终止时Xn=ν，偶合终止时Xn=2ν，题目要求忽略偶合，故Xn=ν=6250）Cs[CS]/[M]=0.1×0.001/5=2×10-51/Xn’=1/6250+2×10-5≈0.00016+0.00002=0.00018Xn’≈5555.56≈55562.己二酸与己二胺以摩尔比1:1.02进行缩聚反应，反应程度p=0.99。计算：（1）数均聚合度Xn；（2）若体系中加入0.1mol%的乙酸（以己二胺为基准），Xn变为多少？（提示：Carothers方程Xn=(1+r)/(1+r-2rp)，r为官能团摩尔比）解：（1）己二酸（-COOH）与己二胺（-NH2）的官能团摩尔比r=NCOOH/NNH2=1/1.02≈0.9804Xn=(1+r)/(1+r-2rp)=(1+0.9804)/(1+0.9804-2×0.9804×0.99)=1.9804/(1.9804-1.9412)=1.9804/0.0392≈50.5（2）加入乙酸（单官能团，-COOH），设己二胺物质的量为1mol，则己二酸为1mol（原摩尔比1:1.02，现调整为考虑乙酸）。乙酸加入量为0.1mol%×1mol=0.001mol，总-COOH官能团数=1（己二酸）+0.001（乙酸）=1.001mol，-NH2=1.02mol新的r=NCOOH’/NNH2=1.001/1.02≈0.9814Xn’=(1+0.9814)/(1+0.9814-2×0.9814×0.99)=1.9814/(1.9814-1.9422)=1.9814/0.0392≈50.5（注：因乙酸加入量极少，对r影响可忽略，实际计算需精确：分母=1.9814-2×0.9814×0.99=1.9814-1.9422=0.0392，分子=1.9814，故Xn’≈50.5，若严格计算，r=1.001/1.02=0.98137，代入得Xn=(1+0.98137)/(1+0.98137-2×0.98137×0.99)=1.98137/(1.98137-1.94211)=1.98137/0.03926≈50.47≈50）五、综合分析题（20分）某企业需开发一种耐低温（-40℃）、高抗冲的聚丙烯（PP）材料，用于北方地区户外设备外壳。请设计其改性方案，需涵盖以下内容：（1）改性原理；（2）添加剂选择及作用；（3）加工工艺要点；（4）性能表征方法。答：（1）改性原理：PP为半结晶高分子，低温下链段运动受限，冲击韧性差（脆性断裂）。通过引入弹性体增韧，形成“海岛结构”，弹性体颗粒作为应力集中点，引发银纹或剪切带吸收能量；同时控制PP结晶形态（如形成β晶），提高韧性。（2）添加剂选择及作用：①弹性体：乙烯-辛烯共聚物（POE）或三元乙丙橡胶（EPDM），与PP相容性好，分散后形成50-500nm的橡胶颗粒，吸收冲击能；②β晶型成核剂（如稀土类化合物WBG-Ⅱ），诱导PP形成β晶（韧性优于α晶）；③抗氧剂（如1010+168复配），防止加工和使用中氧化降解；④润滑剂（如硬脂酸钙），改善加工流动性。（3）加工工艺要点：①共混设备：双螺杆挤出机（长径比≥40），提高弹性体分散均匀性；②温度控制：加工温度190-220℃（高于PP熔点165℃），避免弹性体过硫化；③螺杆转速：200-300rpm，强剪切促进相界面结合；④冷却定型：采