高分子物理第12章习题答案

1高分子物理答案详解（第三版）第1章高分子的链结构1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型。所谓构型（configuration），包括：旋光异构（全同、间同、无规立构），由不对称中心（或手性C原子）的存在而引起的；几何异构（顺、反异构），由主链上存在双键引起的；键接异构（头尾、头头、尾尾相连）。聚氯丁二烯的各种可能构型有如下六种：2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。（2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。3.为什么等规立构聚丙乙烯分子链在晶体中呈31螺旋构象，而间规立构聚氯乙烯分子链在晶体中呈平面锯齿构象？答：（1）由于等规立构聚苯乙烯的两个苯环距离比其范德华半径总和小，产生排斥作用，使平面锯齿形（…ttt…）构象极不稳定，必须通过C-C键的旋转，形成31螺旋构象，才能满足晶体分子链构象能最低原则。（2）由于间规聚氯乙烯的氯取代基分得较开，相互间距离比范德华半径大，所以平面锯齿形构象是能量最低的构象。4.哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？答：（1）空间位阻参数（或称刚性因子），值愈大，柔顺性愈差；（2）特征比Cn，Cn值越小，链的柔顺性越好；（3）连段长度b，b值愈小，链愈柔顺。5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。6.从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异：2（1）聚丙烯腈与碳纤维；（2）无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯；（3）顺式聚1，4-异戊二烯（天然橡胶）与反式聚1，4-异戊二烯（杜仲橡胶）。（4）高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。答：结构包括构型和构象。（1）聚丙烯腈和碳纤维的结构分别为CH2HCCNnHCCCNCHCCNHCN聚丙烯腈为螺旋状链，经氧化、碳化后变成6元环状的碳纤维（梯形），二者的主链构造不同，后者的刚性好。（2）无规立构的PP，不结晶，常温下为橡胶；等规PP容易结晶，常温下为塑料，比较硬。（3）天然橡胶为顺式的，链间距大；杜仲橡胶为反式的，链间距小，易结晶，比顺式的刚性好。（4）HDPE的支链少、结晶度高，是定向聚合得到的，是晶体；LDPE为高压自由基聚合得到的，支链多，不结晶；交联的PE不溶不熔，三者的硬度依次降低。7.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。解：38.某单烯类聚合物的聚合度为104，试估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。）答：70.7倍7.70cos1cos1/cos1cos15.109154.010*22102,x22,max44nhhnlhnlhlXnXrfmarfnn，则均方根末端距，，完全伸直链的长度，，，9.无规聚丙烯在环己烷或甲苯中、30℃时测得的空间位阻参数（即刚性因子）σ=1.76,试计算其等效自由连接链长度b（已知碳—碳键长为0.154nm,键角为109.5°）。答：b=0.953nm（见P28公式）nm953.05.109cos1)5.109cos1(154.076.1cos1cos176.1cos1cos176.1222max2,2max2022,max202max2,20nlnlhhhhbnlhnlhhhZhhrfrfrf，，10.某聚苯乙烯试样的分子量为416000，试估算其无扰链的均方末端距（已知特征比Cn=12）。答：均方末端距为2276.8nm2。聚苯乙烯的重复单元的M=104，Mn=416000，则n=2Xn=Mn/M=8000，l=0.154nm，则22n208.2276154.0*8000*12nmnlCh4第2章聚合物的凝聚态结构1.名词解释凝聚态，内聚能密度，晶系，结晶度，取向，高分子合金的相容性。凝聚态：为物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：J/cm3晶系：根据晶体的特征对称元素所进行的分类。结晶度：试样中的结晶部分所占的质量分数（质量结晶度）或者体积分数（体积结晶度）。取向：聚合物的取向是指在某种外力作用下，分子链或其他结构单元沿着外力作用方向的择优排列。高分子合金的相容性：两种或两种以上高分子，通过共混形成微观结构均一程度不等的共混物所具有的亲和性。2.什么叫内聚能密度？它与分子间作用力的关系如何？如何测定聚合物的内聚能密度？答：（1）内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：J/cm3（2）内聚能密度在300J/cm3以下的聚合物，分子间作用力主要是色散力；内聚能密度在400J/cm3以上的聚合物，分子链上有强的极性基团或者分子间能形成氢键；内聚能密度在300-400J/cm3之间的聚合物，分子间相互作用居中。3.聚合物在不同条件下结晶时，可能得到哪几种主要的结晶形态？各种结晶形态的特征是什么？答：（1）可能得到的结晶形态：单晶、树枝晶、球晶、纤维状晶、串晶、柱晶、伸直链晶体；（2）形态特征：单晶：分子链垂直于片晶平面排列，晶片厚度一般只有10nm左右；树枝晶：许多单晶片在特定方向上的择优生长与堆积形成树枝状；球晶：呈圆球状，在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光，有些出现同心环；纤维状晶：晶体呈纤维状，长度大大超过高分子链的长度；串晶：在电子显微镜下，串晶形如串珠；柱晶：中心贯穿有伸直链晶体的扁球晶，呈柱状；伸直链晶体：高分子链伸展排列晶片厚度与分子链长度相当。4.测定聚合物的结晶度的方法有哪几种？简述其基本原理。不同方法测得的结晶度是否相同？为什么？答：（1）密度法，X射线衍射法，量热法；（2）密度法的依据：分子链在晶区规整堆砌，故晶区密度大于非晶区密度；X射线衍射法的依据：总的相干散射强度等于晶区和非晶区相干散射强度之和；量热法的依据：根据聚合物熔融过程中的热效应来测定结晶度的方法。（3）不同，因为结晶度的概念缺乏明确的物理意义，晶区和非晶区的界限很不明确，无法准确测定结晶部分的量，所以其数值随测定方法不同而不同。55.高分子液晶的分子结构有何特点？根据分子排列有序性的不同，液晶可以分为哪几种晶型？如何表征？答：（1）高分子液晶分子结构特点：a.分子主干部分是棒状（筷形），平面状（碟形）或曲面片状（碗形）的刚性结构，以细长棒状最为常见；b.分子中含有对位苯撑，强极性基团，可高度极化或可形成氢键的基团，因而在液态下具有维持分子作某种有序排列所需要的凝聚力；c.分子上可能含有一定的柔性结构。（2）液晶晶型：a.完全没有平移有序—向列相即N相，用单位矢量表示；b.一维平移有序（层状液晶）—近晶A（）和近晶C()；c.手征性液晶，包括胆甾相（Ch）和手征性近晶相；d.盘状液晶相。（3）液晶态的表征一般为：a.偏光显微镜下用平行光系统观察；b.热分析法；c.X射线衍射；d.电子衍射；e.核磁共振；f.电子自旋共振；g.流变学；h.流变光学。6.简述液晶高分子的研究现状，举例说明其应用价值。答：液晶高分子被用于制造防弹衣，缆绳及航空航天器大型结构部件，可用于新型的分子及原子复合材料，适用于光导纤维的被覆，微波炉件，显示器件信息传递变电检测.7.取向度的测定方法有哪几种？举例说明聚合物取向的实际意义。（1）用光学显微镜测定双折射来计算;(2)用声速法测定；（3）广角X射线衍射法；（4）红外二向色性；（5）偏正荧光法。取向影响高聚物材料的物理-机械性能。8.某结晶聚合物的注射制品中，靠近模具的皮层具有双折射现象，而制品内部用偏光显微镜观察发现有Maltese黑十字，并且越靠近制品芯部，Maltese黑十字越大。试解释产生上述现象的原因。如果降低模具的温度，皮层厚度将如何变化？答：（1）由于形成球晶，球晶具有双折射现象，自然光经过偏振片变为偏振光，通过球晶发生双折射，分成两束振动方向垂直的偏振光，两束偏振光在与检偏镜平行方向上存在分量，分量速度不同，产生相位差而干涉，使呈现黑十字消光图像，制品外部与模具接触，冷却速度快，球晶来不及生长而成多层片晶或小球晶，而制品芯部温度高，结晶时间充分，生长为大球晶，因此消光图像更大。（2）降低温度会增加过冷度，缩短结晶时间，因而皮层厚度增加。9.采用“共聚”和“共混”方法进行聚合物改性有何异同点？解：略。10.简述提高高分子合金相容性的手段答：提高高分子合金的相容性一般用加入第三组分增容剂的方法。增容剂可以是与A、B两种高分子化学组成相同的嵌段或接枝共聚物，也可以是与A、B的化学组成不同但能分别与之相容的嵌段或接枝共聚物。11.某一聚合物完全结晶时的密度为0.936g/cm3,完全非晶态的密度为0.854g/cm3,现知该聚合物的实际密度为0.900g/cm3,试问其体积结晶度应为多少？6解：P49公式（2-9），561.0854.0936.0854.0900.0acavcx12.已知聚乙烯晶体属斜方晶系，其晶胞参数a=0.738nm,b=0.495nm,c=0.254nm.(1)根据晶胞参数,验证聚乙烯分子链在晶体中为平面锯齿形构象;(2)若聚乙烯无定形部分的密度ρa=0.83g/cm3,试计算密度ρ=0.97g/cm3聚乙烯试样的质量结晶度。解：（1）略。（2）P49公式（2-8），%9.842Zm)()(mcAcacacmcxabcVVNZMVx，则，，由于，13.用声波传播测定拉伸涤纶纤维的取向度。若试验得到分子链在纤维轴方向的平均取向角为30°，试问该试样的取向度为多少？解：P63公式（2-14），625.0)1cos3(212f