聚合物结构与性能

一、名词解释（5个）聚合物分子（高聚物分子，通常简称为高分子）：(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。长周期：在纤维轴方向片晶和非晶能重复出现的最短距离，即片晶和非晶的平均厚度之和缚结分子：连结至少两个晶体的分子。初期结晶：是指液态或气态初步形成晶体的过程预先成核：晶核预先存在，成核速率与时间无关。二、概念的区别与联系（4对）1、微构象与宏构象微构象：分子中的一小部分由于一个或数个键的内旋转所引起的构象。宏构象：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。2、玻璃化转变温度与熔融温度玻璃化转变温度：非晶态聚合物或部分结晶聚合物中非晶相发生玻璃化转变所对应的温度。熔融温度：晶体物质由固态向液态转变时固液两相共存的温度。3.应力与应变应力：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。应变：物体内任一点因各种作用引起的相对变形。4、质量结晶度与体积结晶度质量结晶度：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。即(mmmaaccIII,,)。理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X射线的总强度，就可计算结晶度。在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X射线的总强度。这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。所以，应加入比例常数即cacaIIkmm，accaccxckIIImmmw,，式中，K为比例常数。体积结晶度：用X-射线衍射法体积结晶度。根据微原纤结构模型即可测得结晶度LDxc,式中，D为晶片厚度，L为长周期。三、球晶的光学性质与其内部结构的关系在正交偏光显微镜下，球晶呈现特有的黑十字消光图像及明暗相间的消光环，其中黑十字消光图像反映的是球晶中晶片的径向生长，消光环反映的是球晶中晶片的扭曲生长。四、什么是超分子结构？超分子结构参数有哪些？用简述或图示法说明用X-射线图确定超分子结构参数的基本依据。答：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。结构参数：1.结晶度2.取向度3.晶粒尺寸4.长周期X-射线可测定质量结晶度和体积结晶度。假设：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X射线的总强度，就可根据上式计算结晶度。在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X射线的总强度。这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。所以，应在上式中加入比例常数式中，K为比例常数。晶区的衍射强度Ic和非晶区的散射强度Ia则表示在一定角度范围内收集到的X射线衍射的积分强度。对有些高聚物，晶区和非晶区对衍射强度的贡献集中在一定的角度范围内，可近似取K值为1。为计算方便，有时用衍射峰的面积代替积分强度。主要计算方法有：作图法，Ruland法（考虑晶格畸变的影响），拟合分峰法(Hindeleh)，回归线法(1)晶峰和非晶峰可以分开的样品(作图法)(2)非晶峰和晶峰重叠的样品(Hindeleh,Farrow,Ruland,回归线法)体积结晶度：用X-射线衍射法体积结晶度。根据微原纤结构模型：式中，D为晶片厚度，L为长周期。五、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TmTf，则在Tm与Tf之间可以出现高弹态；若高聚物分子量较低，则TmTf，大分子晶体熔融后直接变成粘流态。六、绘出玻璃态聚合物纤维在单轴拉伸时的应力–应变曲线，并指出从应力应变曲线可获得的参数cacaIImmaccxcmmmw,cacaIIkmmaccaccxckIIImmmw,LDxc,σb断裂强度，σy屈服强度，εb断裂伸长率，εy屈服伸长率。七、影响高聚物材料强度的因素1）化学结构的影响：①链结构。提高化学结构的规整性，使之具有结晶性，引入交联键或增加分子链的刚性均有利于提高材料的强度。②分子量。随着分子量的增大，强度增加，但当分子量相当大时，强度与分子量几乎无关。③交联的影响，通过化学交联，物体形成坚硬网络结构，有利于提高材料的强度。材料的强度不只受交联密度的影响，主要还取决于分子间作用力和结果的均匀性。④分子间作用力的影响，分子间作用力愈强(极性基团)，高聚物的强度也愈高。2）超分子结构影响：①单位立方体模型的影响，在串联模型中，两相的应力相等，应变为两相应变之和，在并联模型中，两相的应变相等，应力为两相应力之和，混合模型则可以看成并串联之间的组合。②结晶度。结晶度增大，E增大。③晶粒尺寸。在结晶度一定时，晶粒的体积越小，纤维的强度越大。同时，晶粒的长径比越大，纤维的强度越大。④取向度。取向度提高强度增大。⑤织态结构的影响，高聚物中加入增塑剂、填料，以及高聚物共混物等复合材料都会影响其强度。3）测试条件影响：①湿度的影响，湿度对纤维力学性能影响最严重的是初始模量，湿度增加，初始模量减少。②温度的影响，一般说来，随着温度的降低，材料的断裂强度有所提高。③试样夹持长度的影响，夹持长度越长，纤维的强度越低，伸长率越大。④拉伸速率的影响，拉伸速率越小，伸长率越高，强度越低，拉伸速率越大，伸长率越小，强度越高。八、材料结构、性能、制备工艺之间的关系（先综述后举例）不同的材料具有不同的性能，材料的组成与结构决定材料的性能，而组成和结构又是合成和制备过程（制备工艺）的产物。材料的组成与结构是指构成材料物质的原子、分子以及它们在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布；性能是指材料固有的物理化学特性，也是确定材料用途的依据；制备工艺是指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。材料的组成和结构决定材料的性能，如组成物质的基本单元是原子，各种原子以不同的结合键形成材料，其性能也有所差异；如：以离子键为主的材料强度高，硬度大，脆性大（力学性能）；熔点高，热膨胀系数小（热学性能）；导电性较差，熔融态为离子导体（电学性能）；对红外光吸收较强，多是无色或浅色透明的（光学性能）。制备工艺影响性能，如：制备多孔陶瓷的过程中，不同的成孔方法所制备的多孔陶瓷性能不同，添加造孔剂法可制备气孔形状复杂的材料，此类材料可作为催化剂载体；有机泡沫浸渍工艺可制备高气孔率且强度高的制品，用作金属熔体过滤器等，而且除此之外，制备过程中原料粉末松装程度，成型压力，烧结温度等对制品气孔率，气孔尺寸都有影响。