聚合物结构与性能题目
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聚合物材料的化学结构与特殊性能聚合物材料是一类由大量重复单元组成的高分子化合物,其化学结构和分子排列方式决定了其特殊性能。
本文将探讨聚合物材料的化学结构与特殊性能之间的关系。
一、线性聚合物的化学结构与特殊性能线性聚合物是由相同或不同的单体通过共价键连接而成的高分子化合物。
其化学结构决定了其特殊性能。
1.1 聚乙烯(PE)聚乙烯是一种由乙烯单体聚合而成的线性聚合物。
其化学结构中的碳链使得聚乙烯具有良好的柔韧性和可塑性。
聚乙烯具有较高的拉伸强度和耐磨性,同时具有较低的密度和良好的电绝缘性能。
这些特殊性能使得聚乙烯广泛应用于包装材料、电线电缆绝缘层等领域。
1.2 聚丙烯(PP)聚丙烯是一种由丙烯单体聚合而成的线性聚合物。
其化学结构中的甲基基团使得聚丙烯具有较高的熔点和热稳定性。
聚丙烯具有良好的刚性和耐腐蚀性,同时具有较低的密度和良好的电绝缘性能。
这些特殊性能使得聚丙烯广泛应用于汽车零部件、管道系统等领域。
二、交联聚合物的化学结构与特殊性能交联聚合物是由线性聚合物通过交联剂连接而成的高分子化合物。
其化学结构决定了其特殊性能。
2.1 聚氨酯(PU)聚氨酯是一种由异氰酸酯和多元醇通过反应交联而成的聚合物。
其化学结构中的酯键和尿素键使得聚氨酯具有较高的强度和耐磨性。
聚氨酯具有良好的弹性和耐候性,同时具有较低的密度和良好的耐化学腐蚀性能。
这些特殊性能使得聚氨酯广泛应用于涂料、胶粘剂、弹性体等领域。
2.2 聚合氯乙烯(PVC)聚合氯乙烯是一种由氯乙烯单体聚合而成的聚合物。
其化学结构中的氯原子使得聚合氯乙烯具有较高的耐腐蚀性和耐候性。
聚合氯乙烯具有良好的刚性和耐热性,同时具有较低的密度和良好的电绝缘性能。
这些特殊性能使得聚合氯乙烯广泛应用于建筑材料、电线电缆护套等领域。
三、共聚物的化学结构与特殊性能共聚物是由两种或多种不同单体通过共聚反应聚合而成的高分子化合物。
其化学结构决定了其特殊性能。
3.1 丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)丙烯腈-丁二烯橡胶是一种由丙烯腈和丁二烯单体通过共聚反应聚合而成的共聚物。
1、分析HIPS结构组成、加工原理、结构特点与性能高抗冲聚苯乙烯,是将少量聚丁二烯接技到聚苯乙烯基体上。
具有“海岛结构”,基体是塑料,分散相是橡胶 .具有诸多的特性 :①耐冲击聚苯乙烯为热塑性树脂;②无臭、无味、硬质材料、成形后尺寸安定性良好;③有优秀的高介电性绝缘性;④为非晶质低吸水性材料;⑤其光泽性良好易于涂装。
2、分析ABS结构组成、结构特点、性能ABS树脂是丙烯酸、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。
共聚的方式是无规共聚与接枝共聚相结合:它可以是以丁苯橡胶为主链,将苯乙烯、丙烯腈接在支链上;也可以是丁腈橡胶为主链,将苯乙烯接在支链上;也可以以苯乙烯-丙烯腈的共聚物为主链,将丁二烯和丙烯腈接在支链上等等。
ABS三元接枝共聚物兼有三种组分的特性。
其中丙烯腈有氰基,能使聚合物耐化学腐蚀,提高制品的抗张强度和硬度;丁二烯能使聚合物呈现橡胶状的韧性,这是材料抗张强度增强的主要因素;苯乙烯的高温流动性能好,便于加工成型,且可改善制品的表面光洁度,是一种性能优良的热塑性塑料。
3、聚合物的增韧增强增韧:①橡胶增韧,如通过橡胶增韧苯乙烯-丙烯腈共聚物树脂,制备性能优良的ABS工程塑料。
②刚性无机填料增韧,如纳米碳酸钙粒子增韧高密度聚乙烯。
③热塑性塑料增韧,如热塑性塑料增韧双马来酰亚胺树脂。
④液晶聚合物增韧,如热致性液晶聚合物增韧环氧树脂。
增强:添加无机纳米粒子如TiO2、SiO2、Al2O3、CaCO3 等和橡胶纳米粒子以及蒙脱土等片状硅酸盐等形成聚合物基纳米复合材料;添加纤维状填料如碳纤维、石墨纤维、硼纤维和单晶纤维-晶须或短玻璃纤维等。
4、PE结构、材料的加工原理聚乙烯的分子是长链线型结构或支结构,为典型的结晶聚合物。
在固体状态下,结晶部分与无定型共存。
结晶度视加工条件和原处理条件而异,一般情况下,密度高结晶度就越大。
LDPE结晶度通常为55 %-- 65%,HDPE结晶度为80%-90%。
高密度聚乙烯通常使用Ziegler-Natta聚合法制造,其特点是分子链上没有支链,因此分子链排布规整,具有较高的密度。
《聚合物-分子筛复合材料的结构与性能研究》篇一聚合物-分子筛复合材料的结构与性能研究一、引言随着科技的不断进步,聚合物/分子筛复合材料因其独特的物理和化学性质,在众多领域中得到了广泛的应用。
这种复合材料通过将聚合物与分子筛结合,不仅能有效地提升聚合物的力学性能,还可能增强其吸附、过滤和分离等功能。
因此,对其结构与性能的研究,对优化复合材料的应用和拓宽其使用领域具有重大的实际意义。
二、聚合物/分子筛复合材料的结构聚合物/分子筛复合材料的结构主要涉及聚合物的链状结构、分子筛的孔道结构和二者的空间分布关系。
首先,聚合物是一种由长链分子构成的物质,其链状结构赋予了聚合物良好的弹性和延展性。
其次,分子筛是一种具有特定孔道结构的无机材料,其孔道大小和形状对物质的吸附、过滤和分离等性能具有重要影响。
在复合材料中,聚合物与分子筛的相互交织、缠绕和填充,形成了独特的空间结构。
这种结构使得复合材料具有了优异的力学性能和化学性能。
三、聚合物/分子筛复合材料的性能聚合物/分子筛复合材料的性能主要包括力学性能、吸附性能、过滤和分离性能等。
(一)力学性能复合材料的力学性能主要取决于聚合物的链状结构和分子筛的支撑作用。
聚合物的长链分子在受到外力时能够产生良好的延展和恢复能力,而分子筛的硬质结构则提供了良好的支撑和增强作用。
因此,聚合物/分子筛复合材料具有优异的抗拉、抗压和抗冲击等力学性能。
(二)吸附性能分子筛的孔道结构使其具有优异的吸附性能,能够吸附并固定各种大小和形状的分子。
而聚合物的存在则进一步增强了这种吸附性能,使复合材料能够更有效地吸附和固定目标物质。
因此,聚合物/分子筛复合材料在环保、化工、医药等领域中具有广泛的应用前景。
(三)过滤和分离性能由于分子筛的孔道具有特定的尺寸和形状,因此能够对不同大小的分子进行筛选和分离。
结合聚合物的良好过滤性能,复合材料可以有效地实现混合物的分离和纯化。
这在石油化工、食品加工、生物医药等领域具有广泛的应用价值。
聚合物材料的结构与性能研究随着现代科技的不断发展和进步,聚合物材料作为一种新型材料的研究和应用也越来越受到人们的关注。
本文将从聚合物材料的结构和性能两个方面来探讨它的研究进展。
一、聚合物材料的结构研究1.1 分子构成和结构聚合物材料所用的单体分子可以是甲基丙烯酸酯、丙烯腈、苯乙烯、苯乙二烯等,它们通过聚合反应形成分子链的方式连结在一起。
而聚合物的分子结构对其材料的力学性能、物理化学性能等均有着非常重要的影响。
1.2 分子链结构聚合物材料的分子结构丰富多态,包括线性、支化、交联、星状以及嵌段共聚物等各种不同的结构形态。
其中,线性聚合物的结构最为简单,分子链呈直线状,不分枝;支化聚合物分子链中含有分枝,支化度越高,链的长度就越短;交联聚合物分子间通过交联作用形成网络结构,具有优异的力学性能和热稳定性;星状聚合物呈三维空间结构,具有优异的溶剂性和稳定性。
1.3 超分子结构超分子结构是指聚合物材料中诸如晶体、胶束、微胶囊、膜等颗粒形态或器件结构的形成,大大影响聚合物材料的性能。
二、聚合物材料的性能研究2.1 力学性能聚合物材料的力学性能包括强度、韧性、硬度、弹性模量、屈服点等指标。
聚合物的力学性能受材料自身结构、聚合度、聚合反应、后处理等因素影响。
2.2 光学性能聚合物材料的光学性能表现为吸收、发射、自旋、电子转移等方面的特性。
聚合物中分子极性高,易受光电场影响,表现出较好的非线性光学性质。
2.3 热学性能聚合物材料的热学性能表现为热膨胀、热导率、热容、玻璃化转变温度等物理性质。
聚合物的热学性能受分子量、分子结构、加工工艺等多重因素影响。
2.4 生物相容性聚合物材料在生物医学领域的应用需考虑其对生物组织的相容性以及吸附生物分子的能力。
生物相容性因材料的分子结构、大小、形态、表面化学、力学性质等都有着非零关联系续。
总的来说,聚合物材料的研究是一个复杂而有意义的课题。
结构和性能的研究是相辅相成的,在聚合物材料的开发、应用和改进过程中起着重要作用。
一、名词解释1. 大分子:是由大量原子组成的,具有相对高的分子质量或分子重量。
2. 取向度:指高聚物中的取向单元(分子链、构造单元、链段、微晶、微纤等)沿参考方向(如纤维中的纤维轴向)平行排列的程度。
3. 初期结晶:物质从液态(溶液或熔融状态)或气体形成晶体的过程。
4. 缚结分子:连结二个晶区的分子称为缚结分子5. 超分子结构:高分子链之间通过强的或弱的相互作用所形成的聚集体。
包括结晶度,取向度,晶粒尺寸和长周期。
6. 超强吸水高分子材料:也称为高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物,是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。
二、概念的区别与联系1. 质量结晶度与体积结晶度质量(重量)结晶度:表示结晶部分在总体中所占的重量百分数或重量分数。
体积结晶度:表示结晶部分在总体中所占的体积百分数或体积分数。
2. 无规共聚物与嵌段共聚物无规共聚物是指单体M1,M2在大分子链上无规排列,两单体在主链上呈随机分布,没有一种单体能在分子链上形成单独的较长链段的聚合物;嵌段共聚物是指将两种或两种以上性质不的共聚物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。
3. 应力与应变应力是指受力物体截面内力的集度,即单位面积上的内力;应变是指材料受到外力的作用引起受力物体内任一点(单元体)因外力作用引起的形状和尺寸的相对改变。
应力=模量*应变4. 抗拉强度与初始模量抗拉强度,材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。
对于理论弹性体来说,应力与应变的关系服从(Hook)定律模量E=δ/ε, 单位与应力相同。
高聚物属于粘弹体,但就纤维而言,当应变小于1%时,它的应力应变关系基本符合Hook定律,此时的模量通常称为初始模量。
&初始模量:纺织纤维拉伸初始模量一般定义为拉伸伸长为1%时应力的100倍。
三、根据结晶体条件的差异和聚乙烯可得到不同的结晶形态,请简单叙述下列各形态的结构特征及获得该形态的条件球晶:高聚物从浓溶液浓溶液析出或从熔体冷却结晶时,都倾向于生成比单晶更为复杂的多晶聚集体,最常见的呈球状,称为球晶。
聚合物结构与性能聚合物是由一种或多种单体分子经聚合反应形成的巨大分子链。
它们在自然界和人工合成中广泛存在,并且在许多领域中都有重要的应用。
聚合物的结构对其性能具有关键影响。
在本文中,我们将讨论聚合物结构与性能之间的关系,并举例说明它们在不同应用中的作用。
首先,聚合物的结构受到单体分子的类型和链的排列方式的影响。
单体分子的结构决定了聚合物的基本化学性质,如溶解度、化学稳定性等。
例如,聚乙烯是由乙烯单体聚合而成的线性聚合物,具有良好的化学稳定性和机械性能,广泛用于塑料制品的制造。
另一方面,丙烯腈和丙烯酸单体共聚合生成的聚丙烯腈-丙烯酸共聚物具有较高的气体渗透性,适用于膜分离和半导体行业。
其次,链的规则排列方式对聚合物的性能产生重要影响。
聚合物可以采用直链、支链或交联结构。
直链聚合物通常具有较低的熔点和玻璃化转变温度,并且易于加工成纤维和薄膜。
支链聚合物的分枝结构可以增加分子间的交叉作用,提高聚合物的机械强度和耐热性。
例如,聚丙烯可以通过引入丙烯酸甲酯单体来制备聚酯,其中酯基分子作为分枝点,提高了聚合物的强度和热稳定性。
交联聚合物是通过交联剂将聚合物链交联在一起形成的三维网络结构,具有优异的强度、硬度和耐用性,广泛应用于胶粘剂、涂料和橡胶制品中。
此外,聚合物的分子量和分子量分布也对其性能产生重要的影响。
高分子量的聚合物通常具有较高的强度和刚性,但是加工性能较差。
相比之下,低分子量的聚合物容易溶解和加工,但其力学性能较低。
分子量分布越窄,聚合物的性能越均匀,反之则性能差异较大。
因此,在聚合反应过程中,控制反应条件以获得所需的分子量和分子量分布是至关重要的。
最后,聚合物的结晶性和玻璃化转变温度也对其性能产生重要影响。
结晶性聚合物具有有序的结晶区域,具有较高的刚性和强度,也具有较低的渗透性。
玻璃化转变温度是聚合物从玻璃态(高强度、高刚性)转变为橡胶态(高延展性、高韧性)的临界温度。
这种转变对聚合物的工程应用至关重要,例如在低温环境下,玻璃化转变温度较低的聚合物通常更具韧性。
《聚合物结构与性能》习题集考试为开卷考试,但只能带课本,不能带任何资料,就是希望大家完全掌握下列知识,做合格高分子专业研究生!一、提高聚合物样品电镜下稳定性的方法对样品进行支撑:1.大目数电镜铜网,如400目铜网;2.无定型材料作支持膜:硝化纤维素(火棉胶),聚乙烯醇缩甲醛(PVF),或无定型碳;碳支持膜:通过真空蒸涂的办法,将碳沉积在光洁的载玻片或新剥离云母片表面,然后漂在蒸馏水表面,转移至铜网上。
二、提高聚合物样品成像衬度的方法有几个?(1)染色:将电子密度高的重金属原子渗入聚合物的某些区域通过提高其电子密度来增大衬度的。
从最终效果上染色分正染色和负染色。
从作用机制上染色分化学反应和物理渗透。
从手段上分直接染色和间接染色。
最常用的染色剂有:四氧化锇(OsO4)、四氧化钌(RuO4)四氧化锇(OsO4)染色:四氧化锇染色是利用其与-C=C-双键以及-OH和-NH2基团间的化学反应,使被染色的聚合物含有重金属锇,从而使图像的衬度提高。
四氧化钌(RuO4)染色:四氧化钌染色是利用其对不同聚合物或同一聚合物的不同部位(如晶区和非晶区)的不同渗透速率,使不同聚合物或同一聚合物的不同部位含有不同量的重金属钌,从而使图像的衬度提高。
(2)晶粒方向: 为得到清晰的衬度,可调整晶体样品的取向,使得除透射电子束外,只出现一个很强的衍射束,一般称为双光束情况(3)调整样品厚度;(4) 结构缺陷;(5)一次电子与二次电子相位三、何为橡胶的高弹性?高弹性的本质是什么?什么化学结构和聚集态结构的高分子能够作为橡胶材料?请用应力应变曲线表达出橡胶、塑料、有机纤维三者的区别。
橡胶的高弹性:小应力下的大形变、外力除去后可以恢复;高弹性的本质是熵弹性。
橡胶弹性是由熵变引起的,在外力作用下,橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态,熵减小,当外力移去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,因而形变可逆。
一:高聚物的分子结构结晶度:结晶部分在总体中所占的含量,分为重量结晶度和体积结晶度。
大分子:是由大量原子组成的,具有相对高的分子质量或分子重量。
聚合物分子:也叫高聚物分子,通常简称为高分子。
就字面上它是一个由许多部分组成的分子,然而它的确包含多重重复之意。
它意味着:(1) 这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体单元或链节); (2) 并且只有一种或少数几种链节;(3) 这些需要的链节多重重复重现。
星形大分子:若从一个公共的核伸出三个或多个支链,则称为星型高分子。
据文献报导,从不同单体已经合成了每个核具有128个臂的星型高分子。
假如所有的臂都是等长的,这样的星型高分子称做是规整的。
在臂的末端带有多官能度的星型高分子还可以再加其他的单体,生成的高分子做为二级支化的星型高分子,如果所有支化点具有同样的官能度和支化点间链段是等长的,则叫做树枝链共聚物:由两种或两种以上不同单体经聚合反应而得的聚合物。
根据各种单体在共聚物分子链中排列方式,可分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物。
构造;一个分子的构造是指分子中原子和键的序列而不考虑其空间排列。
例如:高分子单体、单体单元和键接结构;分子链的共聚序列(无规共聚物,交替共聚物,梯度共聚物,嵌段共聚物)。
构型(configuration): 是指分子中通过化学键所固定的原子的空间排列。
例如:要改变分子的构造和构型必须经过化学键的断裂和重组。
构象(conformation);空间中的原子或原子团排列在一个具有一定构型的分子的单键上,称为构象。
“构象”是有机化学的名词,表示在单键周围的原子和原子基团的旋转产生的空间排列。
链段(macromolecular segments);高分子链的柔性(flexibility of polymer chain), 分子链能够改变其构象的性质聚合度(degree of polymerization); 大分子、低聚物分子、嵌段或分子链中单体单元的数目。
化学聚合物练习题聚合物的合成与性质聚合物是由许多重复单元组成的高分子化合物。
它们是化学和材料科学中非常重要的一类化合物。
在本文中,我们将通过一些练习题来探讨聚合物的合成和性质。
练习题1:聚合物的合成方法1. 聚合物可以通过哪些方法来合成?2. 请简要描述聚合物的开环聚合和链增长聚合两种主要合成方法。
答案:1. 聚合物可以通过聚合反应来合成。
这些反应可以是开环聚合,也可以是链增长聚合。
2. 在开环聚合中,聚合物是通过将单体分子的双键或环状结构断开,并将其连接成长链。
这种方法常用于合成高分子聚合物,如聚乙烯和聚丙烯等。
在链增长聚合中,聚合物是通过在单体分子之间形成共价键,逐渐增长长链。
这种方法常用于合成聚合物,如聚合酯和聚酰胺等。
练习题2:聚合物的性质1. 聚合物的链长和分子量有何关系?2. 聚合物的可塑性和强度之间有何关系?答案:1. 聚合物的链长通常与其分子量呈正比关系,即链长越长,分子量越大。
2. 聚合物的可塑性和强度通常是相互竞争的。
一般来说,聚合物的可塑性较好时,其强度往往较低;而强度较高时,可塑性较差。
这是由于可塑性取决于聚合物链的移动性和相互滑动性,而强度取决于聚合物链的内部键的数量和强度。
练习题3:聚合物的应用1. 聚合物在日常生活中有哪些应用?2. 请举例说明聚合物在工业生产中的应用。
答案:1. 聚合物在日常生活中有许多应用。
例如,塑料袋、塑料瓶和塑料容器都是由聚乙烯、聚丙烯等合成的聚合物制成的。
此外,聚合物还用于制造塑料玩具、橡胶制品和纤维材料等。
2. 在工业生产中,聚合物也具有广泛的应用。
例如,聚合物在汽车制造中用于制造弹性密封件和导向带等零件;在建筑行业中用于制造绝缘材料和隔热材料;在电子领域中用于制造绝缘层和电路板等。
练习题4:聚合物的改性与再利用1. 如何对聚合物进行改性?2. 聚合物的再利用有哪些方法?答案:1. 聚合物可以通过物理方法和化学方法进行改性。
物理方法包括掺杂、填充和增强等;化学方法包括交联、聚合等。
构象统计计算(均方末端距、链段、分子无扰尺寸、伸直链长、蠕虫状连等)某PE 的聚合度为2000,键角为109.5︒,键长1.54 A ︒,①求伸直链长。
②当将其视为自由旋转时,均方末端距为多少?③若实测到其均方末端距为自由旋转链的8倍,求其链段长和分子无扰尺寸A 。
④通过伸直链长度与根均方末端距之比值分析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。
答:①A)(5.503025.109sin 54.140002sinmax =⨯⨯==αnl L ②)(A 10897.15.70cos 15.70cos 154.14000cos 1cos 124222⨯=-+⨯⨯=-+=θθnl h r ③)A (17.305.503010518.185max 2max20=⨯=⨯==L h L h l r e ④9.1210518.15.5030520max=⨯==h L λ ⑤)A (65.128200010518.1520=⨯⨯==M h A假定聚丙烯主链上的键长为0.154nm ,键角为109.5︒,求其等效自由结合链的链段长。
答:查表得,A=0.0835nm ,σ=1.76。
则164.125.109sin 154.02420835.02sin 22sin 212sin 202022max 20=︒⨯⨯⨯=≈+===αααl M A nl n M A nl M A L h l e 或170.1)5.70cos 1(75.54sin 76.1)5.70cos 1(154.0)cos 1(2sin )cos 1(2sin cos 1cos 12222max 20=︒-⨯︒⨯︒+⨯=-⋅+=⋅-+==θασθασθθl nl nl L h l e蠕虫状链暂时没有相应的例题通过计算说明聚合物在晶态中的构象,以及能形成某种构象的聚合物的构型。
已知氢原子的范德华半径为1.2A ︒,氟原子的范德华半径为1.4 A ︒,碳碳键长1.54A ︒,键角109.5︒,根据以上数据,说明PE 、PTFE 在晶态中各呈什么构象形式?对于PTFE ,取代基为F 原子,两个F 原子间的范德华间距至少应为1.4×2=2.8A ︒>d ,因此不可取全反式构象。
一、聚合物结构与性能1.非晶体聚合物的力学三态,说明各自分子运动特点,并用曲线表示出来。
玻璃态:温度低,链段的运动处于冻结,只有侧基、链节、链长、键角等局部运动,形变小;高弹态:链段运动充分发展,形变大,可恢复;粘流态:链段运动剧烈,导致分子链发生相对位移,形变不可逆。
2.晶态聚合物的力学状态及其转变在轻度结晶的聚合物中,少量的晶区起类似交联点的作用,当温度升高时,其中非晶区由玻璃态转变为高弹态,可以观察到 Tg 的存在,但晶区的链段由于受晶格能的限制难以运动,使其形变受到限制,整个材料表现为由于非晶区的高弹态而具有一定的韧性,由于晶区的存在具有一定的硬度。
若晶区的Tm>Tf (非晶区),则当晶区熔融后,非晶区已进入粘流态,不呈现高弹态;若Tm<Tf,晶区熔融后,聚合物处于非晶区的高弹态,只有当温度>Tf 时才进入粘流态。
3.聚合物的分子运动具有以下特点(1)运动单元的多重性:聚合物的分子运动可分小尺寸单元运动(即侧基、支链、链节、链段等的运动)和大尺寸单元运动(即整个分子运动)。
(2)聚合物分子的运动是一个松弛过程:在一定的外力和温度条件下,聚合物从一种平衡状态通过分子热运动达到相应的新的平衡状态需要克服运动时运动单元所受到的大的内摩擦力,这个克服内摩擦力的过程称为松弛过程。
松弛过程是一个缓慢过程。
4.玻璃化温度的影响因素:1)聚合物的结构:(a) 主链结构(b) 侧基或侧链(c) 分子量(d) 化学交联2)共聚、共混与增塑3)外界条件:测定Tg 时升温或降温速度慢,Tg 偏低;外力作用速度快,Tg 高;外力愈大,Tg 降低愈明显。
单向外力可促使链段运动,使Tg 降低。
5.聚合物的耐热性包含两方面:1)热稳定性;(a)尽量避免分子链中弱键的存在(b)引入梯形结构;(c)在主链中引入Si、P、B、F等杂原子,即合成元素有机聚合物。
热变形性:.(a)增加结晶度;b)增加分子链刚性:引入极性侧基;在主链或侧基上引入芳香环或芳香杂环;(c)使分子间产生适度交联:交联聚合物不熔不溶,只有加热到分解温度以上才遭破坏。
《聚合物结构与性能》习题集考试为开卷考试,但只能带课本,不能带任何资料,就是希望大家完全掌握下列知识,做合格高分子专业研究生!一、提高聚合物样品电镜下稳定性的方法对样品进行支撑:1.大目数电镜铜网,如 400目铜网;2.无定型材料作支持膜:硝化纤维素(火棉胶),聚乙烯醇缩甲醛(PVF),或无定型碳;碳支持膜:通过真空蒸涂的办法,将碳沉积在光洁的载玻片或新剥离云母片表面,然后漂在蒸馏水表面,转移至铜网上。
二、提高聚合物样品成像衬度的方法有几个?(1)染色:将电子密度高的重金属原子渗入聚合物的某些区域通过提高其电子密度来增大衬度的。
从最终效果上染色分正染色和负染色。
从作用机制上染色分化学反应和物理渗透。
从手段上分直接染色和间接染色。
最常用的染色剂有:四氧化锇(OsO4)、四氧化钌(RuO4)四氧化锇(OsO4)染色:四氧化锇染色是利用其与-C=C-双键以及-OH和-NH2基团间的化学反应,使被染色的聚合物含有重金属锇,从而使图像的衬度提高。
四氧化钌(RuO4)染色:四氧化钌染色是利用其对不同聚合物或同一聚合物的不同部位(如晶区和非晶区)的不同渗透速率,使不同聚合物或同一聚合物的不同部位含有不同量的重金属钌,从而使图像的衬度提高。
(2)晶粒方向: 为得到清晰的衬度,可调整晶体样品的取向,使得除透射电子束外,只出现一个很强的衍射束,一般称为双光束情况(3)调整样品厚度;(4) 结构缺陷;(5)一次电子与二次电子相位三、何为橡胶的高弹性?高弹性的本质是什么?什么化学结构和聚集态结构的高分子能够作为橡胶材料?请用应力应变曲线表达出橡胶、塑料、有机纤维三者的区别。
橡胶的高弹性:小应力下的大形变、外力除去后可以恢复;高弹性的本质是熵弹性。
橡胶弹性是由熵变引起的,在外力作用下,橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态,熵减小,当外力移去后,由于热运动,分子链自发地趋向熵增大的状态,分子链由伸展再回复卷曲状态,因而形变可逆。
具有橡胶弹性的化学结构条件:(1)由长分子链组成(2)分子链必须有高度的柔性(3)分子链必须结合在一个交联网络之中第一个条件是熵弹性的本源;第二个条件是分子链迅速改变构想的可能;第三个条件保证了可恢复性,这是橡胶材料不同于单分子链之处。
(4)具有橡胶弹性的凝聚态结构:无定形态。
(橡胶的聚集态是指很多生胶分子聚集在一起时分子链之间的几何排列方式和堆砌状态,由于橡胶的分子量很大,只存在固体和液体。
橡胶为柔性长链分子,再加上它在常温下分子链中的链段在不断运动,故这么细长的柔性分子在常温下都会卷曲成无规线团,很多无规线团又无序的堆砌成无定形结构。
)应力应变曲线:略(需要补全)。
四、何为橡胶材料的粘弹性?粘性的本质来源是什么?请写出WLF方程,并阐述该方程的物理意义。
材料对外力有两典型的响应:即弹性响应与黏性响应。
分别用胡克定律和牛顿流体定律来描述橡胶材料的粘弹性是指高聚物材料不但具有弹性材料的一般特性,同时还具有粘性流体的一些特性。
即弹性响应和黏性响应都很明显。
橡胶受拉伸时发生可逆的形变,但链段运动需要克服材料的内阻,本质上也是一种流动。
粘性的本质来源是原子间结合力。
橡胶的粘性表现为应力松弛。
即在一定的温度和恒定应变的作用下,观察试样的应力随时间增加而衰减的现象。
由于橡胶材料为长链聚合物,所以分子链在发生一定形变后,会使分子链滑移,因此表现出粘性。
WLF方程:Ts为参考温度,C1 ,C2为取决于聚合物种类和参考温度的常数。
如果取Ts=Tg,C1 ,C2普适常数C1=17.44,C2=51.6物理意义:表明移动因子与温度与参考温度之差有关,反映的是高分子链段运动特有的温度依赖关系。
实用意义:一个温度下测定的力学性能-时间(频率)曲线可以在时间(频率)坐标上平移变换为另一温度下的曲线,该方程建立了平移量与温度差之间的关系。
五、请举两个例子说明弹性体大分子链结构、性能与应用的关系。
例1.丁基橡胶IIR丁基橡胶是异丁烯和少量二烯烃(异戊二烯)共聚制成的无规共聚物,为白色可暗灰色透明弹性体,其合成过程如下:丁基橡胶中异丁烯链节中两个对称取代的甲基使得丁基橡胶分子链成为随意卷曲的无定形状态,侧甲基的密集排列限制了聚合物分子的热运动,填补了分子链间的孔隙,因而具有优异的耐透气性、耐透水性和吸收能量的特性(适合用于阻尼减震材料);聚异丁烯段规整、对称性高,在拉伸时形成结晶,有自补强作用;并且丁基橡胶还有耐候性、耐臭氧性、耐水性、耐化学药品性、聚合物的韧性好,回弹性小,冲击吸收性能好;但IIR 的自黏性和互黏性差,与其它通用橡胶相容性低——通过卤化的方法提高黏结性(卤素含量1~22%)。
IIR的应用:利用IIR的高气密性——充气轮胎的内胎;使用卤化IIR制造无内胎子午线轮胎的气密层;利用IIR的耐透水性——防水卷材,电气制品;利用IIR的高耐热性——耐热运输带;利用IIR的高阻尼性——减震、吸振制品。
例2.丁苯橡胶SBR丁苯橡胶是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而得的高分子弹性体。
其结构式为:丁苯橡胶主链上有部分碳碳双键结构,侧基中有苯环和碳碳双键,并且其含量随聚合方法和聚合条件等因素的改变而改变,导致其产品的性能也有一些差异。
丁二烯链节的微观结构,苯乙烯结合量,序列分布和主链结构(星形)都对丁苯橡胶的性能有影响。
丁二烯1,2-构型增加,会使丁苯橡胶Tg升高,回弹性降低,扯断伸长率、300%定伸应力、拉伸强度以及耐磨性均下降,加工性能和胎面胶的抗湿滑性得到改善。
苯乙烯结合量增加,Tg升高,耐磨性下降;嵌段苯乙烯量增加,引起拉伸强度和定伸应力下降,生热和变形增加。
支化星形溶聚丁苯橡胶滚动阻力降低,抗湿滑性能和耐磨性能都有提高。
性能:(1)非结晶性橡胶,必须使用增强填料补强。
补强后的强度能达到NR纯胶的水(2)耐磨性较好,耐寒性较差(比NR),内耗大,生热高,弹性较低。
(3)耐热氧老化特性优于NR,硫化速度较NR慢(因SBR的双键浓度较低和苯环的体积位阻效应);SBR的使用上限温度比NR高10-20℃。
(4)SBR的耐溶剂性能以及电绝缘性能与NR相似,因为均为非极性二烯类橡胶。
(5)加工性能比NR稍差,尤其是S-SBR 包辊性差,自粘互粘性差。
应用:(1)应用广泛,除要求耐油、耐热、耐特种介质等特殊性能外的一般场合均可使用。
(2)主要用于轮胎工业,如轿车胎、拖拉机胎、摩托车胎中应用比例较大,载重及子午胎中应用比例较小些。
(3)在无特殊要求的胶带、胶管及一些工业制品中也获得了广泛的应用,如输水胶管、鞋底二锑、含卤阻燃剂、硼酸锌、氢氧化铝、磷酸酯类)。
向体系中添加阻燃剂,尽管对体系的力学性能有所影响,但具有较好的实用性和经济性。
六、如果对牛顿流体、胡克弹性体以及高分子粘弹体三种不同材料施加如下图所示的周期性应变作用,请在下图画出这三种材料的响应应力曲线。
(a)胡克弹性体动态应力与应变的关系(黑色为应变)(应力与应变同时响应)(固体)(b)牛顿流体的动态应力与应变的关系(黑色为应变)(应力导前应变π/2)(流体)(c)高分子粘弹体应力与应变的关系(应力导前应变一个相角)(弹性体)(考试只用画出前3个图)七、何谓储能模量、损耗模量以及复数模量?何谓损耗角正切?复数模量:G*=S(G’,G”),总变形能量指标。
储能模量:G′=τ′/γ,弹性储存能量指标。
损耗模量:G″=τ″/γ,变形消耗能量指标。
损耗因子:tgδ= G″/ G′,亦称损耗角,流动性参考指标,表征材料的阻尼性能。
损耗因子越大,耗散能量的能力越强。
八、概述结晶高聚物从低温到高温升温时,可能发生的热转变,其相应温度的名称;并给出转变的分子运动解释。
答:随着受热温度的增加,结晶高聚物可能发生的热转变有:玻璃化转变,对应的温度名称为玻璃化温度Tg;熔融态转变,对应的温度名称为熔点Tm;最后到达向粘流态转变,对应的温度名称为粘流温度Tf。
分子运动角度对发生的热转变解释如下:结晶高聚物由于含有非结晶部分,因此其温度形变曲线也会出现玻璃化转变,但由于结晶部分的存在,链段运动受到限制,模量下降较少。
对于结晶度很高的材料也会不出现玻璃化转变,即在Tg-Tm之间并不出现高弹态,只有达到熔点Tm,结晶瓦解,链段热运动程度迅速增加,模量才迅速下降。
为什么PE能制成高强高模纤维就是这个道理。
若高聚物分子量较高Tm<Tf,则在Tm与Tf之间可以出现高弹态;若高聚物分子量较低,则Tm>Tf,大分子晶体熔融后直接变成粘流态。
九、请简述影响高聚物玻璃化转变温度的各种因素,并给出一种测试玻璃化转变温度的方法和简单原理。
答:影响玻璃化温度的因素有如下:①结构因素,包括链结构的影响、分子量的影响、共聚与共混的影响、交联的影响、结晶和取向的影响。
②外界条件的影响,包括升温速率、外力、测量频率、结晶和取向的影响,压力影响。
可以通过DTA方法测量玻璃化温度,原理为高聚物在玻璃化转变时由于改变热容使DTA曲线基线平移,如图所示(材料研究方法课本p118图22),得到DTA曲线之后,以转折线的延线和基线延线的交点作为玻璃化温度Tg概念区分初期结晶与二次结晶:初期结晶是指液态或气态初步形成晶体的过程;二次结晶是指结晶后期发生在初晶结构不完善的部位,或者发生在初始晶残留下的非晶区内的结晶形象。
十、试从聚合物的本体结构和极性扼要叙述能够相互容混的聚合物应满足的条件。
相容同晶型高分子共混物和相容络合高分子共混物是如何形成的?如何测定多组分聚合物体系的相容性?答:能够相互容混的聚合物应满足的条件为:结构和极性上组分聚合物之间应相近或相似,或不同聚合物间能形成化学键或氢键。
相容同晶型高分子共混物是由于组成共混物的组分聚合物间相容性好且它们的结晶晶型相同,共混后不同聚合物间共同形成结晶,从而形成相容同晶型高分子共混物;相容络合高分子共混物是聚合物共混后能在不同聚合物间形成络合作用,从而形成相容络合高分子共混物。
多组分聚合物体系的相容性的测定方法有:1)将共混物溶解在溶剂中观察是否发生相分离;2)将共混物溶液浇铸成膜,观察膜的透明性及脆性来了解其相容性的好坏3)测Tg,观察是否只有一个Tg;4)动态力学方法及动态流变方法5)显微技术6)小角X射线衍射。
十一、试扼要说明分子量及其分布、温度、压力和剪切速率对聚合物熔体粘度的影响。
为何嵌段和接枝共聚物的熔体粘度高于按按该共聚物分子量和组成的估算值?答:分子量及其分布(一般情况下,分子量越大,粘度越大;在平均分子量相同时,在高剪切速率下分子量分布越宽,粘度越小)、温度(温度上升,粘度降低,刚性分子对温度的变化表现出更大的敏感性)、压力(压力越大,粘度越大)和剪切速率和剪切应力(对刚性分子链和柔性分子链,粘度对剪切速率和剪切应力的依赖性不同,柔性分子比刚性分子有更大的敏感性,即随剪切速率增加和剪切应力,柔性分子的粘度降低更明显)。