高分子材料研究方法作业及答案

第一章《绪论》习题答案1.材料的定义?答：用以制造有用的构件、器件或其它物品的物质。也可以说是将原料通过物理或化学方法加工制成的金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体物质。它们一方面作为构件、器件或物品的原材料或半成品，如金属、有机高分子、木材、人造纤维、天然石材和某些玻璃等；另一方面可以在某些工艺中作为最终产品，如陶瓷和玻璃制品。2.材料与人类的关系?答：关系密切，人类进步的里程碑。（1）当代文明的三大支柱：材料、信息与能源；（2）新技术革命的主要标志：新材料、信息技术和生物技术。（3）人类文明进步的标志：石器、青铜器、铁器和蒸汽机时代。3.材料的使用性能、固有性质、结构组成和合成方法之间的关系？答：材料结构与性能的关系：材料的性能是材料内部因素在一定的外部因素下的综合反映：材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。物质的组成与结构取决于材料的制备和使用条件。4.高分子材料研究方法的内容有哪些？答：材料结构研究的基本方法：任务有三个：成分分析、结构测定和形貌分析。成分分析：光谱：红外：分析材料的主要基团；色谱：分析材料的组成特征；热谱：分析材料的热性能；质谱：分析化合物的分子量和元素组成。结构测定：X-衍射：晶体结构。举例：蒙脱土。电子衍射：测定细微晶体的亚微米结构，来分析表面或涂层的结构。中子衍射：测定材料的缺陷、空穴等，还可研究生物大分子在空间的构型。俄歇电子能谱：是用一束汇聚电子束，照射固体后在表面附近产生了二次电子。由于俄歇电子在样品浅层表面逸出过程中没有能量的损耗，因此从特征能量可以确定样品的元素成分。图像分析：扫描电镜：分析材料的表面形貌；透射电镜：分析材料的颗粒大小，晶体材料的缺陷等。第二章《红外光谱》习题答案1.红外光谱可分为哪几个区域，各区域的分子跃迁类型和适用范围?答：如下表格所示：近红外中红外远红外分子跃迁类型泛频，倍频分子振动和转动晶格振动和纯转动适用范围有机官能团定量分析分子结构分析和样品成分分析无机矿物和金属有机物2.红外光谱吸收谱的位置和强度与相应化合物的结构有何关系?答：位置与化合物中的官能团的种类有关；强度与该官能团的数量有关。3.分子运动的形式有哪些?答：分子的运动可分为平动、转动、振动和分子内电子的运动。4.什么叫伸缩振动，弯曲振动，变形振动，摇摆振动和卷曲振动？答：伸缩振动：指原子沿价键方向来回运动。弯曲振动：是指原子沿垂直于价键的方向运动。变形振动：是使分子基团键角发生变化的振动。摇摆振动：在这种弯曲振动中，基团的键角不变，只是作为一个整体相对于分子平面摇摆。卷曲振动：分子基团围绕与基团相连分子的价键扭动。5.详述分子振动的类型.答6.多原子分子振动的形式如何计算？并举例说明。答：（1）对于非线性分子，其分子振动的形式计算式为：3n-6,其中n为分子中所含原子数；（2）对于线性分子，其分子振动的形式计算式为：3n-5。例如：非线性分子水分子的分子振动形式有3个，分别为：2个O-H的伸缩振动和1个HOH的键角弯曲振动；线性分子二氧化碳分子的分子振动形式有4个，分别为：对称伸缩振动、反对称伸缩振动、面内弯曲振动和面外弯曲振动。7.什么叫偶极矩？答;两个等量而异号的电荷所组成的系统,一个电荷的电量和两电荷间距离的乘积称电偶极子的偶极距.它是矢量,方向沿两电荷的连线,8.分子振动吸收的条件？答：（1）振动的频率与红外光光谱段的某频率相等，吸收了红外光谱中这一波长的光，可以把分子的能级从基态跃迁到激发态，这是产生红外吸收光谱的必要条件。（2）偶极矩的变化：已知分子在振动过程中，原子间的距离（键长）或夹角（键角）会发生变化，这时可能引起分子偶极矩的变化，结果产生了一个稳定的交变电场，这个稳定的交变电场将和运动的具有相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量，产生红外光谱的吸收。9.什么叫基频带、倍频带？答：基频带：分子吸收光子后，从一个能级跃迁到相邻高一级能级产生的吸收。倍频带：分子吸收比原有能量大一倍的光子后，跃迁两个以上能级产生的吸收峰。10.影响吸收带位置的因素？答：影响吸收带位置的因素很多，有外在的、人为的因素，也有内在的、本质的因素。（1）外在因素：制备样品的方法、样品所处的物态、结晶条件、仪器系统的调节等，均能影响吸收带的位置、强度及形状。（2）内在因素：l）质量效应：对于同族元素，由于彼此质量差别较大，随着原子的质量增大，它与同一元素形成的化学键的吸收带波数明显地减小。2）电负性的影响：同一周期元素因质量差别很小，电负性差别起主导作用，电负性越大，化学键强度越大，因而，随着电负性增大，它们与同一元素形成的化学键的吸收波数增大。3）物质状态的影响：物质的红外光谱因物质的状态不同而不同。在气态时，分子的距离较远，分子间的相互作用很小。但液态或固态时，因分子间的作用增强而使基团的振动频率降低。在固相晶格中，相互作用最大，因而形成的吸收带比在非晶态或液态中更加尖锐，而且振动频率降低。11.色散型红外光谱仪由哪几部分组成，各有何作用？答：色散型红外光谱仪主要由光源，吸收池，单色器，检测器，电子放大器和记录系统六部分组成。光源：能够发射高强度连续波长红外光的物体；吸收池：吸收红外光；单色器：把通过样品槽和参比槽进入入射狭缝的复色光分解为单色光射到检测器上加以测量；检测器：把红外光信号变成电信号；电子放大器：由于检测器产生的信号很微小，因此，必须将信号放大，才能用机械系统记录成红外光谱；记录系统：记录信号，打印谱图。12.红外光谱测试中的制样要求？答：（1）不含水。试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。（2）纯度高。试样应该是单一组份的纯物质，纯度应98%或符合商业规格，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。（3）浓度和厚度适当。试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。13.固体和液体制样各有哪些方法？答：固体试样：压片法，悬浮法，薄膜法，欧米采样器法；液体试样：液膜法，溶液法，欧米采样器法。14.简述：固体样品的制备—卤化物压片法.答：也叫碱金属卤化物锭剂法。由于碱金属卤化物（如KCl、KBr、KI以及CsI等）加压后变成可塑物，并在中红外区完全透明，因而被广泛用于固体样品的制备。一般将固体样品l～2mg放在玛瑙研钵中，加100～200mg的KBr或KCl，混合研磨均匀，使其粒度达到2.5µm以下。将磨好的混合物小心倒入压模中，加压成型，就可得到厚约0.8mm的透明薄片。15.什么叫基团频率？答：与有机化合物中的一定结构相联系的振动频率。16.官能团区和指纹区的波数范围？答：官能团区：4000~1300cm-1区域,是鉴定基团存在的主要区域，是由伸缩振动产生的吸收带，为化学键和基团的特征吸收峰，吸收峰较稀疏。指纹区：1300~650cm-1区域，能反映分子结构的细微变化，吸收光谱较复杂，除单键的伸缩振动外，还有变形振动。17.红外光谱波数范围有哪几个区，各区具有代表性的振动有哪些？答：常见的有四个区：（1）4000-2500cm-1：X-H伸缩振动区，X可以是O、H、C和S原子；代表性振动：O-H，N-H，C-H和S-H键的伸缩振动。（2）2500-1900cm-1：叁键和累积双键区，主要包括炔键-CΞC-,腈基-CΞN,丙二烯基-C=C=C-,烯酮基-C=C=O,异氰酸酯基-N=C=O等的反对称伸缩振动。（3）1900-1200cm-1：双键伸缩振动区，主要包括：C=C,C=O,C=N,-NO2等的伸缩振动，芳环的骨架振动等。（4）1650cm-1：X-Y伸缩振动及X-H变形振动区，这个区域的光光谱比较复杂，主要包括C-H、N-H变形振动，C-O、C-X（卤素）等伸缩振动，以及C-C单键骨架振动等。18.通过红外光谱法鉴定化合物的方法有哪些？答：（1）否定法：如果某个基团的特征频率吸收区，找不到吸收峰，可判断样品中不存在该基团。（2）肯定法：如果能找到某个基团的特征频率吸收区，可判断样品中存在该基团。19.说出乙酸乙酯红外光谱图中各波数所对应的基团。答：3000cm-1：νC-H；1750cm-1：νC=O；1400-1600cm-1：δC-H；1250cm-1:νO=C-O，1050cm-1:ν–O-CH-。第三章《热分析》习题答案1.什么叫热分析?答：答：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理或化学性质与温度的关系的一类技术。2.2.热分析的三大支柱?答：热重（TG）和差热分析（DTA），其次是差示扫描量热法（DSC），这三者构成了热分析的三大支柱。3.热重分析仪有哪几种?各有何区别?答：答：有两种,分别是热天平式和弹簧秤式。其区别在于:热天平式中采用的精确天平作为称重仪器,而弹簧秤式中采用高精度弹簧秤作为称重仪器.另外，热天平式中通过平衡复位器中的线圈电流与试样质量变化成正比，因此，记录电流的变化即能得到加热过程中试样质量连续变化的信息;而弹簧秤式中利用弹簧的伸张与质量成比例的关系，所以可利用差动变压器将弹簧的伸张量转换成电信号进行自动记录。4.TG曲线上的斜率代表什么?答：曲线斜率发生变化的部分表示质量的变化。5.DTG曲线的含义是什么?答：它表示质量随时间的变化率（失重速率）与温度（或时间）的关系。6.影响TG曲线分析的因素有哪些?答：仪器因素：（1）炉内气氛，（2）升温速率，（3）坩埚材料，（4）支持器和炉子的几何形状，（5）走纸速度，记录仪量程，（6）天平和记录机构的灵敏度；样品因素：（1）样品量，（2）样品的几何形状，（3）样品的装填方式，（4）样品的属性。7.什么叫差热分析?答：是在程序控制温度下测量物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。8.差热分析仪的主要组成?答：差热分析仪由加热炉、支持器、程序温度控制单元、差热放大单元和记录仪组成。9.差热分析仪的工作原理?答：(1)处在加热炉中的试样和参比物在相同条件下加热或冷却,炉温的程序由两支热电偶进行测定；(2)由于热电偶的电动势与试样和参比物之间的温差成正比,该电动势经放大后,由记录仪即可得到试样的ΔT-T的关系曲线；(3)温度相等,则ΔT=0,表示热电偶无信号输出,记录仪上记录温差的笔划一条直线,称为基线;当试样温度上升到某一温度发生热效应时,ΔT≠0,表示热电偶有信号输出,这时就偏离基线而划出曲线。10.差热分析仪中试样容器的特点是什么?答：耐高温，热传导性好。11.DTA曲线中，DT=0，DT0，DT0分别代表什么意思?答：DT=0，无热效应；DT0，放热；DT0，吸热。12.什么叫外延始点温度?答：指峰的起始边陡峭部分的切线与外延基线的交点。13.DTA曲线中，峰的数目、位置、方向和面积分别代表何意义?答：峰的数目表示物质发生物理、化学变化的次数；峰的位置表示物质发生变化的转化温度；峰的方向表明体系发生热效应的正负性；峰面积说明热效应的大小：相同条件下，峰面积大的表示热效应也大。14.差热扫描量热仪有哪几种,各有何特点?答：(1)功率补偿型：在样品和参比品始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差，并直接作为信号DQ（热量差）输出。(2)热流型：在给予样品和参比品相同的功率下，测定样品和参比品两端的温差DT，然后根据热流方程，将DT（温差）换算成DQ（热量差）作为信号的输出。15.属于吸热和放热行为的物理和化学变化有哪些,举例说明?答：吸热:玻璃化转变,熔融,分解等；放热:结晶,固化，氧化，反应，交联等。16.功率补偿型DSC和DTA测定原理有何不同?答：DTA是测量DT-T的关系，而DSC是保持DT=0，测定DH-T的关系。两者最大的差别是DTA只能定性或半定量，而DSC的结果可用于定量分析。17.简述DSC的具体应用.答：DSC可测试：玻璃化转变温度；熔融与结晶温度；材料成分比例分析；化学反应的分析；相容性分析；比热测定；