第4章智能高分子材料

清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。

《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。

1. 哪些结构或基团具有光敏活性？(1)具有光敏活性的结构有：PN 结、羰⾮那烯-2,3-⼆腈⻣架、树脂等；(2)具有光敏活性的基团有：偶氮基、重氮基、叠氮基、烯基、⾁桂酰基、⾁桂叉⼄酰基、苄叉苯⼄酮基、苯⼄烯基吡啶基、α-苯基⻢来酰亚胺基、丙烯酸酯基、卟啉类低聚物（⽐如⾎卟啉、原卟啉、铁卟啉等）、呫吨类染料（⽐如荧光素、曙红、藻红、玫瑰红等）、⼀些特定的醌类化合物（⽐如苝醌类 PQP）等。

2. 光化学反应包括哪些反应？光化学反应范围很⼴，分为化合、分解、氧化、还原等化学反应，主要有光合作⽤和光解作⽤两种，其次还有光交联、光聚合、光氧化还原、光⼆聚、光分解、光异构化反应等。

(1)有机合成中的光化学反应有机合成中常⻅的光化学反应有光氧化反应、光还原反应、光聚合反应和光取代反应等。

①光氧化反应是在光照射、光敏剂作⽤下，有机物分⼦与氧繁盛的加成反应。

②光还原反应是在光催化下，有机物分⼦从供氧体中抽取氢分⼦⽽发⽣的还原反应。

③光聚合反应是单体分⼦借光的引发（或⽤光敏剂）活化成⾃由基⽽进⾏的连锁聚合。

④光取代反应常⻅的是脂肪烃的光滤代制氯代烃。

(2)环境化学中的光化学反应环境化学中的光化学反应主要有光氧化反应、光降解反应和光氧-微⽣物降解反应。

①光氧化降解反应是在光作⽤下，氧化将有机物分⼦如芳醛、芳醇和芳烃氧化为氢过氧化物。

②光氧-微⽣物降解反应需要具有光敏基团或易与微⽣物作⽤的结构。

3. 感光⾼分⼦应具备哪些性能？(1)图像特性：感光度，分光感光度，解像⼒，反差，显影性，S/N ⽐，光照时空⽓的影响；(2)涂层特性：粘着性，膜厚均⼀性，尺⼨稳定性，柔软性，⽓孔，易成膜性，耐药品性，耐电镀性，耐热性，耐⽓候性，耐刷性，印刷油墨粘附性 ；(3)化学特性：保存稳定性，组成均⼀性，不纯物含量，⽓味，安全性，易得性，可加⼯性，经济性⽔分含量，废料处理简单。

第四章高分子材料化学习题：1、高聚物相对分子质量有哪些测试方法？分别适用于何种聚合物分子，获得的相对分子质量有何不同？(10分)答：测定高聚物相对分子质量的方法：渗透压、光散射、粘度法、超离心法、沉淀法和凝胶色谱法等。

这些方法中，有些方法偏向于较大的聚合物分子，有的方法偏向于较小的聚合物分子。

聚合物相对分子质量实际是指它的平均相对分子质量。

(1)数均相对分子质量( Mn ) 采用冰点降低、沸点升高、渗透压和蒸气压降低等方法测定的数均相对分子质量，即总质量除以样品中所含的分子数。

(2)质均相对分子质量( Mω) 采用光散射等方法测定质均相对分子质量。

(3)粘均相对分子质量( Mη) 采用粘度法测定粘均相对分子质量。

2、详述高分子聚合物的分类及各自的特征并举例。

(20分)答：高分子化合物常以形状、合成方法、热行为、分子结构及使用性能进行分类。

1、按高聚物的热行为分类(1) 热固性高聚物高聚物受热变成永久固定形状的高聚物(有些不需加热)。

不可再熔融或再成型。

结构：加热时，线型高聚物链之间形成永久的交联，产生不可再流动的坚硬体型结构，继续加热、加压只能造成链的断裂，引起性质的严重破坏。

利用这一特性，热固性高聚物可作耐热的结构材料。

典型的热固性高聚物有环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、聚氨酯等。

(2) 热塑性高聚物熔融状态下使它成型(塑化)，冷却后定型，但是可以再加热又形成一个新的形状，可以多次重复加工。

结构：没有大分子链的严重断裂，其性质也不发生显著变化，称为热塑性高聚物。

根据这一特性，可以用热塑性高聚物碎屑进行再生和再加工。

聚乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂、聚酰胺等都属于热塑性高聚物。

2、按高聚物的分子结构分类(1) 碳链高聚物大分子主链完全由碳原于组成，绝大部分烯类聚合物属于这一类。

如聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯等。

(2) 杂链高聚物大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。

如聚醚、聚酯、聚硫橡胶等。

食品行业智能包装与物流解决方案第1章智能包装技术概述 (4)1.1 智能包装的定义与分类 (4)1.1.1 传感器型智能包装：通过内置传感器，实时监测食品的温度、湿度、压力等环境参数，为食品保鲜、质量控制提供数据支持。

(4)1.1.2 执行器型智能包装：通过内置执行器，如微型泵、阀门等，实现对包装内部环境的调控，延长食品保质期。

(4)1.1.3 信息处理型智能包装：利用微处理器、无线通信等技术，对采集到的数据进行处理和分析，实现食品质量、物流过程的实时监控。

(5)1.1.4 用户交互型智能包装：通过二维码、RFID、NFC等技术，实现与消费者的互动，提高消费者对食品的信任度和购买体验。

(5)1.2 智能包装材料与工艺 (5)1.2.1 纳米材料：具有独特的物理、化学功能，可应用于传感器、执行器等装置的制造。

(5)1.2.2 导电材料：用于制作传感器、电极等，实现数据采集和传输。

(5)1.2.3 智能高分子材料：通过改变高分子材料的结构、组成和功能，实现对环境刺激的响应，如温度、湿度等。

(5)1.2.4 纤维素材料：具有可再生、可降解等特点，可用于制备环保型智能包装。

(5)1.2.5 印刷工艺：通过丝网印刷、柔版印刷等技术，将传感器、执行器等装置集成到包装材料上。

(5)1.2.6 贴合工艺：将智能材料与普通包装材料进行贴合，实现包装的智能化。

(5)1.2.7 激光加工工艺：利用激光技术精确加工包装材料，提高智能包装的精度和可靠性。

(5)1.3 智能包装技术的发展趋势 (5)1.3.1 功能多样化：智能包装技术逐渐从单一功能向多功能方向发展，如集成了温湿度监测、防伪、溯源等功能。

(5)1.3.2 系统集成化：将智能包装技术与物联网、大数据等技术相结合，实现食品从生产到消费的全过程监控。

(5)1.3.3 环保可持续：发展可降解、可回收的智能包装材料，降低对环境的影响。

(5)1.3.4 成本降低：生产技术的进步，智能包装的成本逐渐降低，有利于其在食品行业的广泛应用。

《高分子材料导论》思考题第一章材料科学概述1．试从不同角度把材料进行分类，并阐述三大材料的特性。

按化学组成分类：金属材料无机材料.有机材料（高分子材料）按状态分类:气态。

固态：单晶.多晶.非晶.复合材料.液态按材料作用分类:结构材料，功能材料按使用领域分类：电子材料。

耐火材料。

医用材料。

耐蚀材料。

建筑材料三大材料：（1）金属材料富于展性和延性，有良好的导电及导热性、较高的强度及耐冲击性。

（2）无机材料一般硬度大、性脆、强度高、抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好。

（3）高分子材料的一般特点是质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工，但强度、耐磨性及使用寿命较差。

2．说出材料、材料工艺过程的定义。

材料——具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。

由化学物质或原料转变成适用于一定用场的材料，其转变过程称为材料化过程或材料工艺过程。

3．原子之间或分子之间的结合键一般有哪些形式？试论述各种结合键的特点。

离子键：无方向性，键能较大。

由离子键构成的材料具有结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小的特点。

共价键：具有方向性和饱和性两个基本特点。

键能较大，由共价结合而形成的材料一般都是绝缘体。

金属键：无饱和性和方向性。

具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电、导热性能。

4．何为非晶态结构？非晶态结构材料有何共同特点？原子排列近程有序而远程无序的结构称为非晶态结构或无定形结构，非晶态结构又称玻璃态结构。

共同特点是：结构长程无序，物理性质一般是各向同性的；没有固定的熔点，而是一个依冷却速度而改变的转变温度范围；塑性形变一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。

5．材料的特征性能主要哪些方面？热学、力学、电学、磁学、光学、化学等性能6．什么是材料的功能物性？材料的功能物性包括哪些方面？功能物性，是指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一形式功能的性质。

包括：1热电转换性能2光－热转换性能3光－电转换性能4力－电转换性能5磁－光转换性能6电－光转换性能7声－光转换性能7．材料工艺与材料结构及性能有何关系？材料工艺，包括材料合成工艺及材料加工工艺，影响材料的组织结构，因而对材料的性能有显著的影响。

第1章材料科学概述1 简要说明材料与物质的区别。

2 举例说明材料的主要类别。

3 举例说明功能材料与结构材料。

4 举例说明材料的特征性能与功能物性。

5 简要说明相变及其类型。

6 举例简要说明材料的性能—结构—加工工艺之间的相互关系。

7 简要说明金属材料的塑性形变与位错及滑移运动间的关系。

8 写出锗、碳和氧原子的电子结构。

9 假设晶体的格点是等体积硬球,试证明体心结构和面心立方结构的堆砌因子分别为0.68及0.74。

10 证明滑移形变时的分剪切应力τ1遵从Schmid定律：τ1=σcosφcosλ,且在λ=45o的方向上τ1最大,式中为滑移方向与作用力之间的夹角, 为滑移面法线和作用力之间的夹角。

第2章高分子材料的制备反应1 写出聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯和尼龙-6,6的分子式。

2 写出以下单体的聚合方式,并写出单体和聚合物的名称(1) CH2=CHCl(2) CH2=C(CH3)2(3) HO(CH2)5COOH(4) NH2(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH3 下列烯类单体适于何种聚合：自由基聚合、阳离子聚合或阴离子聚合？并说明理由。

(1) CH2=CHCl(2) CH2=CCl2(3) CH2=CHCN(4) CH2=C(CN)2(5) CH2=CHCH3(6) CH2=C(CH3)2(7) CH2=CHC6H5(8) CF2=CF2(9) CH2=C(CH3)—CH=CH24 以偶氮二异丁腈为引发剂,写出氯乙烯聚合历程中各基元反应式。

5 对于双基终止的自由基聚合,设每一大分子含有1.30个引发剂残基,假定无链转移反应,试计算歧化终止和偶合终止的相对量。

6 用过氧化二苯甲酰为引发剂,苯乙烯聚合时各基元反应活化能分别为Ed=125.6 kJ•mol-1、Ep=32.6 kJ•mol-1、Et=10 kJ•mol-1,试比较反应温度从50oC增至60oC以及从80oC增至90oC,总反应速率常数和聚合度变化的情况；光引发时的情况又如何？7 何谓链转移反应？有几种形式？对聚合速率和产物分子量有何影响？什么是链转移常数？8 聚氯乙烯的分子量为什么与引发剂浓度基本上无关,而仅取决于温度？氯乙烯单体链转移常数CM与温度的关系如下：CM=12.5exp(30.5/RT),试求40oC、50oC、55oC及60oC下,聚氯乙烯的平均聚合度。

第一章1.什么是材料的功能，什么是材料的性能，举例说明。

第1页材料的功能，从本质上来说是向材料输入某种能量和信息，经过材料的储存、传输或转换等过程，再向外输出的一种特性。

如化学性、导电性、磁性、光敏性、生物活性等。

材料的性能是指材料对外部作用的表征与抵抗的特性，如对外里的抵抗表现为强度、模量，对热的抵抗表现为耐热性，对光、电、化学药品的抵抗表现为材料的耐光性、绝缘性、耐化学药品性等。

2.功能高分子材料的制备方法以及各自的特点。

第4页方法：（1）功能性小分子的高分子化，高分子化学反应引入预期的功能基团。

功能性小分子的高分子化主要优点在于可以使生成的功能高分子功能基团分布均匀，生成的聚合物结构可以通过小分子分析和聚合机理加以预测，产物的稳定性高，但这种方法需在功能性小分子中引入可聚单体，从而使反应较为复杂，同时在反应中反应条件对功能基团会产生一定的影响，需对功能集团加以保护，使材料的成本增加。

例如，高吸水性树脂可以通过将亲水性基团的丙烯酸钠进行自由基聚合实现。

利用高分子化学反应制备功能高分子的主要优点在于合成或天然高分子骨架是现成的，可选择的高分子母体多，来源广，价格低廉。

但是在进行高分子化学反应时，反应不可能100%完成，尤其是在多不得高分子化学反应中，制的的产物中含有未反应的官能团，即功能集团较少，功能基团在分子链上的分布也不均匀。

例如聚苯乙烯、尼龙、淀粉都可以作为高分子母体。

（2）通过特殊加工赋予高分子的功能特性。

许多聚合物通过特定的加工方法和加工工艺，可以较精确地控制其聚集状态结构及宏观状态，从而使之体现出一定的功能性。

例如，许多塑料可以经过适当的制膜工艺，制成具有分离功能的多孔膜和致密膜。

（3）通过普通聚合物与功能材料的复合，制成复合型功能高分子材料。

这种制备方法简便快速，不受场地和设备限制，不受聚合物和功能性化合物官能团反应活性的影响，适用范围宽，功能基团的分布较均匀。

但其共混体不稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物易由于功能小分子的流失而逐步失去活性，如固定化酶。