聚合物结构与性能测试

1一、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。它是一个以晶核为中心，呈球形对称生长的结晶形态。球晶实际上是折叠链片晶的的聚集体。尺寸一般几十微米到厘米数量级。成核方式与球晶结构：异相成核，片晶的扭曲结构，分子链与径向垂直球晶是结晶高聚物最常见的结晶形态，在不存在外力和流动的情况下，高聚物从浓溶液中或熔体冷却过程中结晶，都倾向于生成球晶。串晶：高聚物在一定的应力场作用下可生成串晶。Apolycrystallinemorphologyofdoublehabitconsistingoffibrouscrystalsovergrownepitaxiallybylamellarcrystals,thestemsofwhichareparalleltothefiberfibrouscrystal:Atypeofcrystalsignificantlylongerinonedimensionthanineitheroftheothertwo.Note:Fibrouscrystalsmaycompriseessentiallyextendedchainsparalleltothefibreaxis;2however,macroscopicpolymerfibrescontainningchain-foldedcrystalsarealsoknown.四、请详细叙述超强吸水高分子材料即高吸水树脂的结构特征a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；b.树脂具有交联结构；c.聚合物内部具有较高的离子浓度；d.聚合物具有较高的分子量从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。从直观上理解，当亲水性基团与水分子接触时，会相互作用形成各种水合状态。五、涤纶纤维的无定形区取向度(fa)无法直接测定，一般通过测定结晶度(Xc)、晶区取向度(fc)、双折射(Δn)等参数，然后用公式间接求出。请给出获得这些参数的仪器或方法，并给出计算fa的公式双折射法与X-ray法结合是测定非晶取向度的较好方法，即用X-射线衍射法可求出晶区取向度，再结合双折射法可算出非晶区取向度。公式如下：0cccnnf0aaannfaaccfnfnn00)1(0cccnnf0aaannfaaccfnfnn00)1(式中，其中fai为结晶度；Δnc0和Δna0分别是晶区与非晶区的特征双折射；fc和fa分别是晶区与非晶区的取向函数。所需要测试的参数的测试仪器和计算如下：先利用X-射线衍射仪测定晶区的取向度fc，再利用量热法测定结晶度fai，然后用偏光显微镜测定双折射Δnc0和Δna0，然后将相关数据代入上述三个公式即可求的涤纶纤维的无定形区取向度(fa)。六、试与高吸油性树脂相比，纤维具有那些优点和特点①纤维具有纤细、柔软、比表面积大、吸油速率快、回收处理方便等特点，可根据需要通过纺织或非织造加工制成各种形态的制品。②通过调整制备工艺，可纺制具有不同超分子结构（如纤维轴向大分子取向度、纤维大分子侧基的序态分布）和形态结构（如赋予纤维特殊的微孔结构）的纤维，在保障纤维具有较好力学性能基础上，可有效增大纤维的吸附面积。吸油率高，油水选择性好，吸油后保油性好。:①高吸油性。②油水选择性和一定压力下的强保油性。③热稳定性好。④密度小，易贮存，易运输。⑤后处理简单。七、描述高聚物等温结晶动力学过程的常用方程为Avrami方程)exp()(1nZtt请写出：(1)方程中各参数的物理意义；α(t)：一定温度下，时间t时的结晶度；Z：一般称为复合结晶速率常数；N—Avrami指数3(2)方程在使用过程中的局限性或限制。①在方程的推导过程中假定聚集体的生长线速度为常数，即G=dr/dt或r=Gt，这一假定一般只适用与结晶速率受成核控制的场合。在结晶速率受扩散控制的情况下，结晶体的边界位置r与时间的关系为r=Gt1/2。在这种情况下，可得到Avrami指数可为分数。②只考虑了两种极端的成核情况，在预先成核的情况下核的数目为常数，在散现成核的情况下，核的数目随时间线性增加。高聚物在实际结晶过程中，晶核随时间的变化不会如此简单。③只考虑了三种不同的结晶形态：球晶、片晶和棒晶。只有这三种形态的晶体能得到Avrami的精确解，而其他形态的晶体只能近似处理。结晶的形态不同Avrami指数n不同。以上三种形态的晶体，对于不同的成核机理，n值在0～4之间变化。对于其它结晶形态n值可高达6。④方程没有考虑在结晶体内部结晶的进一步完善过程。⑤方程只适用于低转化率阶段，即聚集体的冲突不严重。⑥方程中的α用体积结晶度表示与用重量结晶度表示时所得n值的偏差可能在0.15～0.25。八、简单讨论高聚物的化学结构、超分子结构和测试条件对材料力学性能的的影响。1）化学结构的影响：①链结构的影响，化学结构的规整性好，材料的强度好。②分子量的影响，随着链原子数目(n)的增大材料强度增大。③交联的影响，交联对分子量高而坚硬的高聚物的强度几乎没有影响。对于许多热固性树脂来说，交联后可以获得更好的强度。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结晶度对力学性能的影响，无论是并联模型或者串联模型，结晶度增大，E增大。③晶粒尺寸的影响，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取向度的影响，可以简单理解为取向度越大强度越大。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。