2025年相容性复习试题附答案

2025年相容性复习试题附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于材料相容性的描述，正确的是（）A.热力学相容体系一定表现为宏观均相B.实际相容体系的相分离时间极短C.溶度参数差值小于0.5（J/cm³）¹/²时，体系必然相容D.分子量增大对相容性无显著影响2.对于高分子-溶剂体系，Hildebrand溶度参数理论适用的条件是（）A.强极性高分子B.非极性或弱极性高分子C.氢键作用显著的体系D.离子型高分子3.根据Flory-Huggins理论，当χ₁（相互作用参数）满足以下哪个条件时，高分子-溶剂体系处于θ状态（）A.χ₁=0.5B.χ₁>0.5C.χ₁<0.5D.χ₁=14.共混物中添加增容剂的主要作用是（）A.降低体系玻璃化转变温度B.减小两相界面张力C.提高体系分子量D.增加体系结晶度5.采用差示扫描量热法（DSC）表征相容性时，若共混物出现单一玻璃化转变温度（Tg），通常说明（）A.完全不相容B.部分相容C.完全相容D.发生化学反应6.以下哪种因素会降低高分子共混物的相容性（）A.提高共混温度B.减小两组分分子量差异C.引入氢键相互作用D.增加其中一组分的极性7.对于A/B两种高分子共混体系，若A的溶度参数δₐ=18.6（J/cm³）¹/²，B的δᵦ=20.5（J/cm³）¹/²，且体系存在氢键作用，则两者的相容性（）A.优于仅考虑溶度参数的预测结果B.劣于仅考虑溶度参数的预测结果C.与溶度参数无关D.无法判断8.表征材料相容性的透射电镜（TEM）方法中，染色处理的主要目的是（）A.提高样品导电性B.增强两相衬度C.防止样品氧化D.降低电子束损伤9.热力学相容的必要条件是（）A.混合自由能ΔGₘ>0B.混合自由能ΔGₘ<0C.混合熵ΔSₘ>0D.混合焓ΔHₘ<010.当共混物中分散相粒径大于10μm时，通常表现为（）A.透明外观B.不透明且力学性能差C.高拉伸强度D.优异的耐化学性二、填空题（每空1分，共15分）1.材料相容性可分为________相容性和________相容性，前者是热力学平衡状态，后者是动力学稳定状态。2.Flory-Huggins理论中，混合自由能ΔGₘ的表达式为________，其中χ₁为________，φ₁为________。3.溶度参数δ的定义是________，其单位常用________表示。4.表征相容性的常用方法包括________（列举3种）。5.对于高分子共混体系，当两组分的溶度参数差值Δδ________时，可能实现部分相容；当Δδ________时，通常完全不相容（需填写具体数值范围）。6.增容剂按作用机制可分为________和________两类，前者通过化学键连接两相，后者通过物理作用降低界面张力。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述热力学相容与实际相容的区别与联系。2.说明溶度参数理论的适用范围及局限性。3.解释为什么提高共混温度通常能改善高分子共混物的相容性。4.列举三种表征相容性的实验方法，并说明其原理。5.分析分子量对高分子-溶剂相容性的影响（从混合熵和混合焓角度）。四、计算题（每题10分，共20分）1.已知某非极性高分子A的溶度参数δₐ=17.8（J/cm³）¹/²，溶剂B的溶度参数δᵦ=18.2（J/cm³）¹/²，摩尔体积Vₘ=120cm³/mol，温度T=298K。计算该高分子-溶剂体系的混合焓ΔHₘ（单位：J/mol），并判断体系是否相容（假设体积分数φ₁=0.2）。（提示：ΔHₘ=Vₘφ₁φ₂(δₐ-δᵦ)²）2.某高分子共混体系中，组分1的体积分数φ₁=0.3，组分2的体积分数φ₂=0.7，相互作用参数χ=0.35，温度T=350K。根据Flory-Huggins理论计算混合自由能ΔGₘ（单位：J/mol），并判断体系是否相容（假设R=8.314J/(mol·K)，聚合度N₁=N₂=1000）。（提示：ΔGₘ=RT(φ₁lnφ₁/N₁+φ₂lnφ₂/N₂+χφ₁φ₂)）五、案例分析题（25分）某公司开发了一种聚乳酸（PLA）/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）可降解共混薄膜，要求薄膜具有良好的透明性和力学性能。但实际生产中发现，当PLA含量超过50%时，薄膜出现浑浊且拉伸强度下降。（1）从相容性角度分析薄膜浑浊的可能原因；（8分）（2）提出三种改善PLA/PBAT相容性的方法，并说明其作用机制；（9分）（3）若采用动态力学分析（DMA）表征相容性，预期相容和不相容体系的损耗因子（tanδ）曲线会有何差异？（8分）答案-一、单项选择题1.A2.B3.A4.B5.C6.D7.A8.B9.B10.B二、填空题1.热力学；实际（或动力学）2.ΔGₘ=RT(φ₁lnφ₁/N₁+φ₂lnφ₂/N₂+χφ₁φ₂)；相互作用参数；溶剂体积分数（或组分1体积分数）3.内聚能密度的平方根；（J/cm³）¹/²或MPa¹/²4.DSC（差示扫描量热法）、TEM（透射电镜）、FTIR（红外光谱）、DMA（动态力学分析）（任意3种）5.1-3（J/cm³）¹/²；>3（J/cm³）¹/²（注：具体数值范围可能因体系不同略有差异，常见教材中部分相容通常Δδ在1-3，完全不相容Δδ>3）6.反应型增容剂；非反应型增容剂三、简答题1.区别：热力学相容是指体系在平衡状态下形成均相混合物，混合自由能ΔGₘ<0；实际相容（动力学相容）是指体系虽热力学不相容，但由于相分离速度极慢，宏观上表现为均相。联系：热力学相容是实际相容的理想状态；实际相容体系可能因外界条件变化（如温度降低）发生相分离，向热力学稳定状态转变。2.适用范围：非极性或弱极性高分子-溶剂或高分子-高分子体系（无氢键或强极性相互作用）。局限性：①未考虑氢键、极性相互作用等特殊相互作用；②假设分子间作用力为色散力，不适用于强极性体系；③忽略分子量对相容性的影响；④仅为半定量理论，无法精确预测所有体系的相容性。3.温度升高时，混合熵ΔSₘ的贡献（TΔSₘ）增大，而混合焓ΔHₘ通常随温度变化较小（部分体系ΔHₘ可能略有降低）。根据ΔGₘ=ΔHₘ-TΔSₘ，当T升高时，-TΔSₘ项增大，可能使ΔGₘ由正变负，从而改善相容性。此外，温度升高可降低体系粘度，促进分子链扩散，有利于形成更均匀的混合状态。4.①DSC：通过测量玻璃化转变温度（Tg）判断相容性。完全相容体系呈现单一Tg，部分相容体系出现两个靠近的Tg，不相容体系出现两个独立的Tg。②TEM：通过观察两相形态，相容体系无明显相界面，分散相粒径小（<1μm）；不相容体系相界面清晰，分散相粒径大（>1μm）。③FTIR：通过特征峰位移或强度变化判断分子间相互作用（如氢键），若出现新峰或原有峰位移，说明两组分间有强相互作用，相容性较好。5.分子量增大时，混合熵ΔSₘ减小（ΔSₘ=-R(φ₁lnφ₁/N₁+φ₂lnφ₂/N₂)，N为聚合度），不利于相容；混合焓ΔHₘ主要与分子间作用力有关，分子量增大不直接影响ΔHₘ（假设分子间作用力不变）。因此，高分子量高分子与溶剂的相容性通常较差（ΔGₘ=ΔHₘ-TΔSₘ，ΔSₘ减小导致ΔGₘ增大，可能由负变正）。四、计算题1.计算过程：ΔHₘ=Vₘφ₁φ₂(δₐ-δᵦ)²已知Vₘ=120cm³/mol，φ₁=0.2，φ₂=1-0.2=0.8，δₐ-δᵦ=17.8-18.2=-0.4（J/cm³）¹/²代入得：ΔHₘ=120×0.2×0.8×(0.4)²=120×0.16×0.16=3.072J/mol由于体系为非极性，可近似认为ΔGₘ≈ΔHₘ-TΔSₘ。非极性体系混合熵ΔSₘ>0（混乱度增加），因此-TΔSₘ<0。若ΔHₘ较小（3.072J/mol），可能ΔGₘ<0，体系相容。2.计算过程：ΔGₘ=RT(φ₁lnφ₁/N₁+φ₂lnφ₂/N₂+χφ₁φ₂)已知φ₁=0.3，φ₂=0.7，N₁=N₂=1000，χ=0.35，T=350K，R=8.314计算各项：φ₁lnφ₁/N₁=0.3×ln0.3/1000≈0.3×(-1.2039)/1000≈-3.6117×10⁻⁴φ₂lnφ₂/N₂=0.7×ln0.7/1000≈0.7×(-0.3567)/1000≈-2.4969×10⁻⁴χφ₁φ₂=0.35×0.3×0.7=0.0735总ΔGₘ=8.314×350×[(-3.6117×10⁻⁴)+(-2.4969×10⁻⁴)+0.0735]≈8.314×350×0.0729≈8.314×25.515≈212.1J/mol由于ΔGₘ>0，体系热力学不相容。五、案例分析题（1）PLA含量超过50%时薄膜浑浊，可能原因是PLA与PBAT相容性不足，发生宏观相分离。PLA极性较高（含酯基），PBAT为脂肪-芳香族共聚酯，极性相对较低，两者溶度参数差异较大（PLAδ≈20.0，PBATδ≈19.0（J/cm³）¹/²），导致热力学不相容。当PLA含量增加，连续相由PBAT转变为PLA，分散相（PBAT）粒径增大（>1μm），光散射增强，表现为浑浊；同时相界面结合力弱，力学性能下降。（2）改善方法及机制：①添加反应型增容剂（如马来酸酐接枝PBAT，PBAT-g-MAH）：马来酸酐基团可与PLA的羟基或羧基发生酯化反应，在两相界面形成化学键，降低界面张力，减小分散相粒径。②引入氢键相互作用：通过共聚或添加含羟基/氨基的化合物（如聚乙二醇），使PLA的酯基与PBAT的酯基或添加剂的极性基团形成氢键，增强分子间作用力，提高相容性。③降低分子量：减少PLA或PBAT的分子量，增大混合熵（ΔSₘ随N减小而增大），使ΔGₘ更易为负，改善热力学相容性；同时低分子量