高分子物理习题答案

高分子物理习题集-答案第一章高聚物的构造4、高分子的构型和构象有何区别？假如聚丙烯的规整度不高，与否可以通过单键的内旋转提高它的规整度？答：构型：分子中由化学键所固定的原子或基团在空间的几何排列。这种排列是稳定的，要变化构型必须通过化学键的断裂和重组。构象：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不一样形态。构象的变化速率很快，构象时刻在变，很不稳定，一般不能用化学措施来分离。不能。提高聚丙烯的等规度须变化构型，而变化构型与变化构象的措施主线不一样。构象是围绕单键内旋转所引起的排列变化，变化构象只需克服单键内旋转位垒即可实现，并且分子中的单键内旋转是随时发生的，构象瞬息万变，不会出现因构象变化而使间同PP（全同PP）变成全同PP（间同PP）；而变化构型必须通过化学键的断裂才能实现。5、试写出线型聚异戊二烯加聚产物也许有那些不一样的构型。答：按照IUPAC有机命名法中的最小原则，CH3在2位上，而不是3位上，即异戊二烯应写成（一）键接异构：重要包括1，4-加成、1，2-加成、3，4-加成三种键接异构体。（二）不一样的键接异构体也许还存在下列6中有规立构体。①顺式1，4-加成②反式1，4-加成③1，2-加成全同立构④1，2-加成间同立构⑤3，4-加成全同立构⑥3，4-加成间同立构6．分子间作用力的本质是什么？影响分子间作用力的原因有哪些？试比较聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙-66）、聚丙烯酸各有那些分子间作用力？答：分子间作用力的本质是：非键合力、次价力、物理力。影响原因有：化学构成、分子构造、分子量、温度、分子间距离。PE、PP是非极性聚合物，其分子间作用力为：色散力；PVC是极性分子，其分子间作用力为：静电力、诱导力、色散力；尼龙-66是极性分子，构造为其分子间作用力为：静电力、诱导力、色散力，氢键；聚丙烯酸是极性分子，构造为其分子间作用力为：静电力、诱导力、色散力，氢键。7．下列那些聚合物没有旋光异构，并解释原因。A．聚乙烯B．聚丙烯C．1，4-聚异戊二烯D．3，4-聚丁二烯E．聚甲基丙烯酸甲酯F．硫化橡胶答：A）聚乙烯，，每个C原子上对称取代两个氢原子，分子内无手性碳原子（或称不对称碳原子）。因此聚乙烯没有旋光异构体存在。B）聚丙烯，构造单元为-CH2-CHCH3-，每个构造单元存在一种手性碳原子，因此聚丙烯具有旋光异构。C）1，4-聚异戊二烯，分子中存在孤立双键，有顺反异构，无旋光异构。D）3，4-聚丁二烯，有旋光异构性。E）聚甲基丙烯酸甲酯，有旋光异构性。F）硫化橡胶，无手性碳原子，无旋光异构。8．何谓大分子链的柔顺性？试比较下列高聚物大分子链的柔顺性，并简要阐明理由。答：高分子链可以变化其构象的性质称为柔顺性。这些大分子链的柔顺性排序（按柔顺性依次减小排列）：(2)>(1)>(3)>(4)>(5)理由：聚异戊二烯分子中具有孤立双键，孤立双键相邻的单键的内旋转位垒较小，分子柔顺性最佳，由于键角较大（120o）且双键上只有一种取代基或一种H。聚乙烯是构造规整的分子，氢原子体积小，分子柔顺性也很好聚氯乙烯具有极性侧基—Cl，分子间互相作用力较大，分子柔顺性变差聚对苯二甲酸乙二醇酯主链中具有苯环，使分子链柔顺性更差聚丙烯腈具有强极性侧基，分子间作用力非常大，内旋转位垒高，分子链柔顺性最差。9、写出下列各组高聚物的构造单元，比较各组内几种高分子链的柔性大小，并阐明原因。1）聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯2）聚乙烯，聚乙炔，顺式1，4聚丁二烯3）聚丙烯，聚氯乙烯，聚丙烯腈4）聚丙烯，聚异丁烯5）聚氯乙烯，聚偏氯乙烯6）聚乙烯，聚乙烯咔唑，聚乙烯基叔丁烷7）聚丙烯酸甲酯，聚丙烯酸丙酯，聚丙烯酸戊酯8）聚酰胺66，聚对苯二甲酸对苯二胺9）聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯答：1）构造单元分别为：柔顺性比较如下：柔性由大到小：聚乙烯>聚丙烯>聚苯乙烯原因：三种高聚物主链构造相似，侧基取代基体积越大，分子链柔性越小。2）构造单元分别为：柔顺性比较如下：柔性由大到小：顺式1，4聚丁二烯>聚乙烯>聚乙炔原因：顺式1，4聚丁二烯主链中具有孤立双键，柔性较大，而聚乙炔分子主链上则是共轭双键，分子刚性很大。3）构造单元分别为：柔顺性比较如下：柔性由大到小：聚丙烯>聚氯乙烯>聚丙烯腈原因：主链构造相似，侧基取代基极性-CN>-Cl>-CH3，取代基极性越大，分子间互相作用力越大，分子链柔顺性越差，刚性越大。4）构造单元分别为：柔顺性比较：柔性由大到小：聚异丁烯>聚丙烯原因：聚异丁烯两个甲基对称双取代，使分子链柔性增长。5）构造单元分别为：柔性：聚氯乙烯<聚偏氯乙烯原因同上。6）构造单元分别为：柔顺性：聚乙烯>聚乙烯基叔丁烷>聚乙烯咔唑原因：主链构造相似，侧基取代基的体积大的分子链柔性差。7）构造单元分别为：柔顺性：聚丙烯酸甲酯<聚丙烯酸丙酯<聚丙烯酸戊酯原因：侧链为脂肪族时，侧链越长，分子总的构象数就越多，分子链越柔顺。8）构造单元分别为：柔顺性：聚酰胺66>聚对苯二甲酸对苯二胺原因：PPTA主链中具有苯环，分子链刚性大。9）构造单元分别为：柔顺性：聚对苯二甲酸乙二醇酯<聚对苯二甲酸丁二醇酯原因：PBT主链中具有4个亚甲基，使其分子链柔性较大。14、一种高分子链的聚合度增大100倍，其链的尺寸扩大了多少倍？答：链的尺寸用根均方末端距表达（以自由连接链为例）：其中N为键数，为键长，为键角的补角。当分子链的聚合的增大100倍，也就意味着分子链中键数增大100倍。因此链的根均方末端距增大了10倍。15．假定聚丙烯中键长为0.154nm，键角109.5o，无扰尺寸A=，刚性因子（空间位阻参数），求其等效自由结合链的链段长度b。答：已知聚丙烯的无扰尺寸A，且因此，聚丙烯的分子量.设聚丙烯的键数为n，则因此，聚丙烯的等效自由结合链的链段长度b因此，聚丙烯的等效自由结合链长度b=1.164nm。16.聚乙烯是塑料，全同立构的聚丙烯也是塑料，为何乙烯和少许丙烯的共聚物却是乙丙橡胶？答案：聚乙烯分子链柔顺且规整性好，因此轻易结晶，得到的是结晶态的PE，虽然其玻璃化温度低于室温，却可以作为塑料使用。全同立构聚丙烯分子柔顺性也很好，并且分子链规整性好，也是轻易结晶的高聚物，常温下作为塑料使用。而乙丙橡胶由于是无规共聚，分子链上甲基的位置是完全无规的，因此分子整体规整性被破坏，难以形成结晶构造，其Tg低于室温，常作为橡胶使用。20．今有三种嵌段共聚物M-S-M，试验中测定，当聚苯乙烯嵌段（S）的质量百分数为50%时，在苯溶剂中S段的均方根长度为10.2nm。当C-C键角为109°28′、键长为0.15nm，假定内旋转不受位垒限制时，求出共聚物中S段和M段（PMMA）的聚合度。答：题中条件提醒：键角一定，内旋转不受位垒限制，那么可以按自由旋转链来处理。因此，有公式（N—键数，L—键长）θ=180°－109°28′=70°32′cosθ=1/3(1+cosθ)/(1-cosθ)=2有因此S段的聚合度苯乙烯St的化学式量为104；甲基丙烯酸甲酯MMA的化学式量为100若设M段的聚合度为有M段的聚合度26、某单烯类聚合物的聚合度为104，试计算分子链完全伸展时的长度是其均方根末端距的多少倍？（假定该分子链为自由旋转链。）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形变的原因。答：单烯类聚合物，主链为C链，聚合度为104时，主链中键数N=208-1=207。分子链完全伸展时的长度均方根末端距因此即分子链完全伸展时的长度是其均方根末端距的8.31倍。第二章高分子溶液8．在室温下，有无溶剂可以使下列各高聚物溶解？为何？A．聚乙烯B．聚丙烯C.聚丙烯腈D．聚酰胺（尼龙-6）E．聚苯乙烯F．PMMAG．聚对苯二甲酸乙二酯H．硫化橡胶I．固化的环氧树脂答：A．聚乙烯，结晶聚合物，非极性，在室温下无溶剂可溶B．聚丙烯，同上C．聚丙烯腈：极性结晶高聚物，室温下可溶于极性溶剂D．聚酰胺（尼龙-6），结晶聚合物，极性，在室温下有溶剂可溶E．聚苯乙烯，非晶聚合物，非极性，分子堆砌松散，在室温下有溶剂可溶F．PMMA，极性非晶聚合物，分子堆砌松散，室温下可溶于极性溶剂G．聚对苯二甲酸乙二酯，同CH．硫化橡胶，分子间交联，无溶剂可溶，可溶胀I．固化的环氧树脂，分子间交联，无溶剂可溶，可溶胀11．用磷酸三苯酯（=19.6）作PVC（＝19.4）的增塑剂，为了增长相溶性，尚需加入一种稀释剂（=16.3，分子量M=350），试问这种稀释剂的最适量是多少？答：因此，可加入的这种稀释剂的体积分数为0.061。12．由于乙烯醇单体不稳定，聚乙烯醇由聚醋酸乙烯酯水解制得。纯的聚醋酸乙烯酯（0%水解）是不溶于水的，然而伴随水解度的增长（直至87%水解度）聚合物变得更易溶于水。不过，深入提高水解度却减少了室温下的水溶性。简要解释之。并对下列三种物质的耐水性进行排序：聚醋酸乙烯酯，PVA，维尼纶。答：纯的聚醋酸乙烯酯是不溶于水的，可以在酸或碱催化时发生醇（水）解。伴随水解的进行，分子链上的醋酸根逐渐转变成羟基，羟基的亲水性使聚合物变得更易溶于水。不过水解度增长到87%后来，大量的羟基易形成分子间氢键，使分子间作用力不小于水与聚合物之间的互相作用力，此时聚合物在室温下的水溶性下降。耐水性：聚醋酸乙烯酯>维尼纶>PVA要进行PVA缩甲醛反应：是将水解制备的PVA溶解于热水中，通过纺丝、拉伸形成部分结晶的纤维（晶区不溶于水，不过无定型区亲水，且能溶胀），在酸做催化剂，使纤维与甲醛缩合反应。由于几率效应，缩醛化并不完全，尚有孤立的羟基存在。高聚物的分子量及其分子量分布4．今有分子量为1×104和5×104的两种高聚物，试计算：A．在分子数相似的状况下共混时的和。B．在重量相似的状况下共混时的和。答案：A：在分子数相似的的状况下共混时B：在重量相似的状况下共混时注：式中N指分子数；指i分子的摩尔数；w指重量；5．在25℃的溶液中测得浓度为7.36kg/m3的聚氯乙烯溶液渗透压数据为270Pa，求此试样的分子量和第二维利系数A2（R=8.314J/K·答案：对于高分子溶液，膜渗透压、分子量及溶液浓度之间有如下关系：由于是溶液，因此A2=0（摄氏温度换算成开尔文温度为：25+273.15=298.15K）因此，分子量为，是数均分子量。8．今有聚甲基丙烯酸甲酯的苯溶液，初始浓度C0=0.1190g/100ml，在25℃1C′453.1453.2453.1385.5385.8385.7354.1354.2354.2325.1325.3325.3311.0311.3311.1试求特性黏度[η]，然后用下面公式计算平均分子量答案：将已知条件列表：1C′453.1453.2453.1385.5385.8385.7354.1354.2354.2325.1325.3325.3311.0311.3311.1t(平均)453.1385.7354.2325.2311.11.6681.4201.3041.1971.1450.6680.4200.3040.1970.145C（g/ml）0.001190.0007930.0005950.0003970.0002975429.9442.2446.1452.9455.1561.3529.6510.9496.2487.4运用表中数据作图，将上图两条直线推至C=0处，得出截距根据公式：因此：因此，粘均分子量11．从高分子溶液的光散射、渗透压和黏度的测定中，分别可以获得哪些有关高分子构造的信息？答案：光散射法测重均分子量措施可以得到下列参数：、、、、膜渗透压法测数均分子量措施可以得到下列参数：、、、黏度法测黏均分子量措施可以得到下列参数：、、、、12．试举出三种热力学参数，用它们对聚合物溶解性能进行判断，在什么状况下溶剂是良溶剂、一般溶剂、溶剂、非溶剂。答案：良溶剂溶剂溶剂非溶剂<<1/2<1/2=1/2>1/2>>0>0=0<0T>>T>T=T<(扩张因子)>>1>1=1<1注：扩张因子是没讲的内容！第四章非晶态高聚物4．按规定绘制示意图（1）两个不一样分子量的线型非晶高聚物的形变—温度曲线和模量—温度曲线（试样MA＞MB）（2）体型酚醛树脂和低硫化度丁二烯橡胶的模量—温度曲线（3）增塑和未增塑高聚物的模量—温度曲线答案：（1）（2）（3）9．写出下列高聚物的构造单元，并比较其玻璃化温度的大小；A．聚氯乙烯聚异丁烯聚偏二氯乙烯聚碳酸酯B．聚丙烯酸聚丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酸乙酯答案：A、因此A组高聚物的玻璃化温度大小比较如下：PC>PVC>PVDF>PIBB、因此B组高聚物的玻璃化温度大小比较如下：聚丙烯酸>聚甲基丙烯酸甲酯>聚丙烯酸甲酯>聚丙烯酸乙酯10．天然橡胶的松弛活化能近似为1.05KJ/mol（构造单元），试估计一块天然橡胶由27℃升温到127答案：或者：因此，其松弛时间缩短了0.1倍。11．已知增塑聚氯乙烯的玻璃化温度为338K，黏流温度为418K，流动活化能△Eη=8.31KJ/mol，433K时的黏度为5Pa·S，求此增塑聚氯乙烯在338K和473K时的黏度各为多少？答案：根据WLF方程因此此聚氯乙烯在338K（Tg）时的黏度为：由于473K高于338＋100K（Tg＋100）因此规定473K温度下聚氯乙烯的黏度，要使用阿累尼乌斯公式因此此聚氯乙烯在473K时的黏度为：第五章晶态高聚物1．试绘出高聚物熔体冷却至很低温度时的比容－温度曲线，标出结晶和非晶过程的特性温度熔点及玻璃化温度，阐明高聚物的结晶过程和玻璃化转变过程有何本质的区别。答案：高聚物的结晶过程的本质是热力学相变过程，而高聚物的玻璃化转变过程的本质上是体积松弛过程，因此两者有本质上的不一样。（注意：题中规定画出高聚物熔体冷却到很低温度时的比容温度曲线，意思是要经历结晶过程和玻璃化转变过程，并且玻璃化转变过程完毕完全。）12．比较下列高聚物熔点之高下：A．聚乙烯、聚氧化乙烯、聚氧化甲烯B．聚己二酸乙二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯C．尼龙－1010、尼龙－610D．尼龙－6、尼龙－7答案：熔点从高到低排序为A组：聚氧化甲烯（聚甲醛）>聚乙烯>聚氧化乙烯B组：聚对苯二甲酸乙二酯>聚对苯二甲酸丁二酯>聚己二酸乙二酯C组：尼龙－610>尼龙－1010D组：尼龙－7>尼龙－614．在注射成型聚碳酸酯时，若模具温度较低，则制品很快冷却到100℃答案：所得制品一般为非晶态，由于从分子构造上考虑，聚碳酸酯分子构造对称规整，具有结晶能力，不过由于分子中具有较大的苯环构造及较大的侧基，分子运动能力较差，结晶条件非常苛刻，因此制品迅速冷却的状况下，常得到非晶态构造（不能光从冷却到100℃低于其玻璃化温度，而不利于结晶，同步也要考虑分子运动能力对结晶条件的规定，由于对于某些轻易结晶的高聚物，如PE等，虽然是迅速冷却，也常常得到结晶构造）16．试从构造上阐明片晶是怎样堆砌成球晶的？球晶有何试验特性？判断结晶对高聚物下列性能的影响：相对密度，拉伸强度、伸长率、冲击强度、硬度、弹性、耐热性、耐化学介质性。答：高物书P185，表6-14.22．（1）指出下列高聚物中哪些具有结晶能力：聚甲醛；乙烯-丙烯交替共聚物；聚碳酸酯；间同立构聚苯乙烯；ABS；聚对苯二甲酸乙二醇酯；尼龙6；已固化环氧树脂；聚乙烯；聚醚醚酮。（2）与否轻易结晶和结晶度高的聚合物其熔点就一定是高的？如下几种高聚物哪种轻易结晶？哪种熔点高？（1）具有结晶能力的聚合物有：聚甲醛、乙烯-丙烯交替共聚物（单从构造上来说，这种物质可以结晶，不过一般很难通过链增长反应制备乙烯-丙烯交替共聚物）、间同立构聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6、聚乙烯。（2）答案：轻易结晶的聚合物其熔点并不一定高。一般来说，链的刚性增长，排列进入晶格的能力下降，结晶能力下降，不过链刚性增长，熔融熵减小，聚合物的熔点增大。因此轻易结晶的聚合物熔点并不一定高。例如，下列几种高聚物中，聚乙烯很轻易结晶、聚碳酸酯则不轻易结晶，而聚乙烯熔点则远低于聚碳酸酯的熔点。这些高聚物中，熔点的比较（由高到低排序）聚碳酸酯>尼龙66>聚丙烯>聚乙烯。23.将无规立构聚苯乙烯(Tg=100℃，＝180℃)和等规立构聚丙烯（Tg＝-10℃，＝176℃）分别注射成型为如下图所示的长条试样（成型中，模具温度均为回答：注射成型聚合物时，聚合物熔体在模腔中的冷却是不均匀的。因此会导致对应的取向、结晶及收缩的不均匀性。（1）无规立构聚苯乙烯，任何成型条件下都不能结晶。因此注塑过程中，熔体进入模腔产生剪切流动，由于摸壁的摩擦阻力，速度分布是中间的芯层处较大，靠近模壁处的皮层速度小，而剪切速率分布则是中间小，两边大。高分子在模腔壁上受到的剪切力大，沿作用方向取向明显，同步模腔壁上温度低（熔体迅速冷却至20℃，远低于PS的玻璃化转变温度），即该处聚合物分子被迅速冷却固化，因此密度较低，取向被保留下来；相对而言，制品芯层受力较小，同步温度较高，冷却缓慢，分子可以通过布朗运动进行规整排列，密度较高，而取向不明显。因此从芯层到皮层会出现：密度由高到低，取向程度由低到高（从芯层到皮层取向度先增长再减小，即取向度最高的点出目前皮层和芯层的中间某个位置，也是对的）（因是非晶高聚物，也就无熔点，就无熔点的变化）。（2）等规立构聚丙烯，结晶高聚物，注塑成型时，因此注塑过程中，熔体进入模腔后，模壁处的熔体迅速冷却，分子来不及规整的排列进入晶格，结晶完善程度低，密度低，而芯层熔体冷却速率慢，分子有充足的时间和温度条件排列进入晶格，晶体完善程度大，密度高。因此试样从芯层到皮层会出现：密度由大到小，熔点由大到小（球晶尺寸由大到小）分布。第六章高聚物的力学性能7．由聚异丁烯的时－温等效组合曲线可知，在298K时，其应力松弛到约需10小时，试计算在253K到达同一数值所需的时间。（已知聚异丁烯的玻璃化温度为203K）答案：根据题中条件，可以使用WLF方程计算Tg=203K，分别将T=298K和T=253K带入WLF方程，得出上述两式相减得：因此：聚异丁橡胶在253K到达同样的力学松弛需要的时间为：5324h。（室温等效原理补充题：课件作业）以0.1℃/分的升温速度测得PS的Tg=100℃，试问在升温速度改为10℃/分时，PS的Tg=?答案：已知25oC时聚异戊二烯的应力松弛模量-时间曲线，求测量时间为1小时，-80oC时的应力松弛模量。答案：这个题要转换思索角度，即在25oC时，测定期间为多少时，测得的模量与-80oC、测量时间为1小时所得到的模量值相似！已知聚异戊二烯的Tg=-73oC，应用WLF方程和题意假定25oC时，测定期间为t（25oC），继续应用WLF方程在25oC时，测定期间为1.35×10-13.5时，测得的模量与-80oC、测量时间为1小时所得到的模量值相似。因此，测量时间为1小时，-80oC时的应力松弛模量可从上图查得约为1010N/m2。9、试总结你所学习的高聚物哪些性质与链段运动有关？答案：与链段运动有关的聚合物性质：溶胀、橡胶弹性、蠕变、应力松弛、熔体弹性、内耗、玻璃化转变温度。16、为何高聚物的强度与测试的作用力速度和测试温度有关？答案：聚合物是一种粘弹性材料，它的