材料科學(xué)基礎(chǔ)習(xí)習(xí)題第四章答案與翻譯

1、 根據(jù)本章給出的結(jié)構(gòu)，畫出下列鏈節(jié)結(jié)構(gòu)：（1）聚氟乙烯：CH2CHF; （2）聚三氟氯乙烯：CF2CFCl（3）聚乙烯醇：CH2CHOH 計算下列聚合物的鏈節(jié)分子量（1）聚氯乙烯：CH2CHCl : m = 2+2+=mol（2）聚對苯二甲酸乙二醇酯：OCH2-CH2OCOC6H4CO m = 10+8+4=mol（3）聚碳酸酯：m = 16+14+3=mol（4）聚二甲硅氧烷：C2H6OSi m = +2+6+3 = mol 聚丙烯的數(shù)均分子量為1,000,000 g/mol，計算其數(shù)均聚合度。答：鏈節(jié)為CH3CHCH2，其分子量：m = 3+6= g/mol (a) 計算聚苯乙烯鏈節(jié)的分子

2、量答：鏈節(jié)為 -CHC6H5-CH2-，分子量：m = 8+8= (b) 計算重均聚合度為25000的聚苯乙烯的重均分子量答： = 25000 g/mol = 2603800 g/mol 下表列出了聚丙烯的分子量，計算 (a) 數(shù)均分子量 (b) 重均分子量 (c) 數(shù)均聚合度 (d) 重均聚合度 分子量分布 (g/mol)xiwi8,000-16,00016,000-24,00024,000-32,00032,000-40,00040,000-48,00048,000-56,000答：(a) = 12000+20000+28000+36000+44000+52000 = 600+3200+6

3、720+10080+8800+3640 = 33040 (g/mol)(b) = 12000+20000+28000+36000+44000+52000 = 240+2000+5600+10800+11880+10920 = 41440 (g/mol)(c) 聚丙烯鏈節(jié)的分子量：m = g/mol(d) 下表列出了某聚合物的分子量分布。計算(a) 數(shù)均分子量 (b) 重均分子量 (c) 如果已知這一聚合物的重均聚合度為780，指出此聚合物為表所列聚合物中的哪一個為什么(d) 這一材料的數(shù)均聚合度為多少 分子量分布 (g/mol)xiwi15,000-30,00030,000-45,00045,

4、000-60,00060,000-75,00075,000-90,00090,000-105,000105,000-120,000120,000-135,000答：(a) = 22500+37500+52500+67500+82500+97500+112500 +127500 = 900+2625+8400+17550+19800+11700 +9000+3825 = 73800 (g/mol)(b) = 22500+37500+52500+67500+82500+97500+112500 +127500 = 225+1500+5775+16200+22275+15600+13500+ 637

5、5 = 81450 (g/mol)(c) 此聚合物為聚苯乙烯 根據(jù)下面的分子量分布和重均聚合度為585的條件，判斷是否為聚甲基丙烯酸甲酯均聚物分子量分布 (g/mol)xiwi8,000-20,00020,000-32,00032,000-44,00044,000-56,00056,000-68,00068,000-80,00080,000-92,000答：聚甲基丙烯酸甲酯鏈節(jié)分子式為： C5H8O2(CH2CH3COOCH3C)；其分子量m = 5+8+2=mol 重均分子量為：=14000+26000+38000+50000+62000+74000+86000=140+1300+4560+

6、12500+16740+15540+7740=58520 與條件相符，能形成均聚物 高密度聚乙烯通過誘導(dǎo)氯原子隨機(jī)取代氫而被氯化。(a) 確定取代5%的原始?xì)湓铀鐲l (wt%) 的濃度 (b)如何區(qū)別于傳統(tǒng)的聚氯乙烯的制備過程而得到氯化的聚乙烯答：(a) 聚乙烯鏈節(jié)為：CH2CH2；一個鏈節(jié)含有4個氫，現(xiàn)氯取代其中5%的氫，則被氯取代5%氫的鏈節(jié)的分子量為： m = 2+4+4=+ = mol 其中氯占重量百分?jǐn)?shù)為：4 = wt%(b) 聚氯乙烯是聚乙烯的改性產(chǎn)品。PVC樹脂經(jīng)過氯化后，分子鏈排列的不規(guī)則性增加，極性增加，使樹脂的溶解性增大，化學(xué)穩(wěn)定性增加，從而提高了材料的耐熱性及耐酸、

7、堿、鹽、氧化劑等的腐蝕的性能。CPVC是一種應(yīng)用前景廣闊的新型工程塑料。在富含氯的氯仿和四氯化碳為溶劑，溶解PVC后進(jìn)行氯化反應(yīng)。. 關(guān)于聚合物鏈，configuration（構(gòu)型）和conformation （構(gòu)象）間的區(qū)別是什么Conformation is the spatial arrangement of atoms in a molecules that can come about through free rotation of atoms about a single chemical bond. It can be changed without breaking bond

8、s. Example rotation about single bonds produce the cis-trans, and E-Z conformations, especially of organic molecules. 由于分子中的某個原子（或原子基團(tuán)）繞C-C單鍵自由旋轉(zhuǎn)而形成的不同的暫時性的易變的空間結(jié)構(gòu)形式，不同的構(gòu)象之間可以相互轉(zhuǎn)變，在各種構(gòu)象形式中，勢能最低，最穩(wěn)定的構(gòu)象是優(yōu)勢構(gòu)象。On the contrary, configuration is permanent geometry（各個原子特有的固定的空間排列）. It refers to spatial arr

9、angement of bonds and can be changed only by breaking bonds. Example: L- & D and R- &S-configurations of organic molecules can only be changed by breaking one or more bonds connecting the chiral atom. 對于一個線型聚合物分子，其總鏈長L依賴于鏈原子間的鍵長d、分子中的總鍵數(shù)N和骨架鏈中鄰近原子間的鍵角q，其關(guān)系如下： 而且，一系列聚合物分子的平均末端距r為：，線型聚四氟乙烯的數(shù)均分子量為500,0

10、00g/mol；計算這一材料的平均L和r值。答：PTFE的鏈節(jié)為：CF2CF2，鏈節(jié)的分子量為：m = 2+4 = g/mol 聚合物的數(shù)均聚合度為：每個鏈節(jié)包含有2個C原子，因此有2個CC單鍵，聚合物中總鍵數(shù)N = 50002 = 10000。CC單鍵鍵長：d = nm，鍵角：q = 109，則聚合物鏈總長及末端距各為： 利用聚合物鏈分子總長度L及鏈平均末端距r的定義，關(guān)于線型聚乙烯 (a) 確定 L=2500 nm時的數(shù)均分子量；(b) 確定r = 20 nm時的數(shù)均分子量答：(a) PE的鏈節(jié)為：CH2CH2，d= nm，鍵角：q = 109由 關(guān)系式得出：每個鏈節(jié)包含2個C原子，2個C

11、-C單鍵，聚合物的聚合度為：19940/2= 9970 聚乙烯鏈節(jié)的分子量 m = 2+4 = g/mol：數(shù)均分子量 = 9970 = 279698 g/mol(b) 由 關(guān)系式得出：對應(yīng)的聚合度為: 16866/2=8433，數(shù)均分子量 = 8433 = 236579 g/mol (a) 根據(jù)加熱后的力學(xué)特性及 (b) 可能的分子結(jié)構(gòu)比較熱塑性和熱固性聚合物答：熱塑性聚合物在一定溫度范圍內(nèi)，能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化的性能，線型或支鏈型聚合物具有這種性能，很容易進(jìn)行擠出，注射或吹塑等成型加工。熱固性聚合物加熱后產(chǎn)生化學(xué)變化，逐漸硬化成型，反應(yīng)不可逆，再加熱也不軟化，也不能溶解。熱固性聚合物其

12、分子結(jié)構(gòu)為體型，它包括大部分的縮合樹脂，其優(yōu)點(diǎn)是耐熱性高，受壓不易變形，其缺點(diǎn)是機(jī)械性能較差。 聚酯有些是熱塑性有些是熱固性。指出其中的原因之一。答：聚酯是由多元醇和多元酸縮聚而得，并在大分子主鏈的重復(fù)單元中含有結(jié)構(gòu)的高聚物的統(tǒng)稱。如果由飽和的直鏈結(jié)構(gòu)的多元羧酸和多元醇通過縮聚反應(yīng)可制得線型聚合物，柔韌性好，如果采用苯環(huán)的多元酸與多元醇反應(yīng)，合成得到含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的樹脂，苯環(huán)的剛性特征賦予樹脂以硬度，而苯環(huán)的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特征賦予樹脂以耐化學(xué)性。如果由不飽和多元羧酸與多元醇縮聚，則得到的聚合物在加熱時可發(fā)生交聯(lián)，成為熱固性聚合物。 (a) 能否粉碎和再利用酚醛樹脂說明相應(yīng)原因。 (b) 能否粉碎再利

13、用聚丙烯，說明相應(yīng)原因。答：酚類和醛類縮聚而成的合成樹脂的總稱。通常指由苯酚或其同系物（如甲酚、二甲酚）和甲醛作用而得的液態(tài)或固態(tài)產(chǎn)品，根據(jù)所用原料的類型、酚與醛的配比、催化劑的類型的不同，可制得熱塑性和熱固性兩類不同的樹脂。熱塑性酚醛樹脂（諾伏臘克樹脂）受熱時僅熔化而不能變?yōu)椴蝗懿蝗蹱顟B(tài)。但在加入固化劑（如六亞甲基四胺）后則能轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦浴?畫出 (a) 間同立構(gòu) (b) 無規(guī)立構(gòu) (c) 全同立構(gòu)的線型聚苯乙烯分子的草圖。 H H H CCCCCCC 全同異構(gòu) H H H H H H H H H H H H H H H CCCCCCCCCC 間同異構(gòu) H H H H H H H H H H

14、 H H H CCCCCCCCCC 無規(guī)異構(gòu) H H H H H H H H 畫出(a)丁二烯和 (b)氯丁二烯的順式和反式鏈節(jié)結(jié)構(gòu)圖 CH2CH2答：(a) HH C C 順式結(jié)構(gòu) CH2 HCH2H C C 反式結(jié)構(gòu) CH2CH2CH2(b) HCl C C 順式結(jié)構(gòu) H CH2Cl C C 反式結(jié)構(gòu) 畫出下列交替共聚物中每個鏈節(jié)結(jié)構(gòu)草圖 (a) 聚(丁二烯-氯丁二烯) (b) 聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)和 (c) 聚(丙烯氰-氯乙烯) 聚(苯乙烯-丁二烯)交替共聚物的數(shù)均分子量為1,350,000g/mol，計算一個分子鏈中苯乙烯和丁二烯鏈節(jié)的平均數(shù)量答：因?yàn)槭墙惶婀簿畚铮粋€分子鏈中

15、兩種鏈節(jié)的數(shù)量相等。因此兩種合在一起考慮成一個鏈節(jié)。苯乙烯含有8個C和8個H，丁二烯含有4個C和6個H，則鏈節(jié)的分子量為：m = 12+14 = g/mol 在一個分子鏈中平均有8531個兩種鏈節(jié)。 計算丁二烯鏈節(jié)占的無規(guī)丁腈橡膠聚(丙烯氰-丁二烯)共聚物的數(shù)均分子量假定這一濃度對應(yīng)的數(shù)均聚合度為2000。答：按題意，丙烯氰鏈節(jié)占 m(丁二烯)= 4+6 = g/molm(丙烯氰) = 3+3 + = g/mol 數(shù)均分子量 = 2000+ 2000 =+ = 106,745 (g/mol) 某一交替共聚物的數(shù)均分子量為250,000 g/mol，數(shù)均聚合度為 3420。如果其中的一種鏈節(jié)為苯

16、乙烯，另一個鏈節(jié)為乙烯、丙烯、四氟乙烯和氯乙烯中的哪一個答：因?yàn)槭墙惶婀簿畚铮虼随湽?jié)的平均分子量中，兩種鏈節(jié)摩爾分?jǐn)?shù)相同。m(苯乙烯) = 8+8 = (g/mol)m(乙烯) = 2+4 = (g/mol)m(丙烯) = 3+6 = (g/mol)m(四氟乙烯) = 2+4 = (g/mol)m(氯乙烯) = 2+3+= (g/mol)732 -104 = 42 (g/mol), 另一個鏈節(jié)為丙烯。 (a) 丁二烯與苯乙烯共聚的共聚物的重均分子量為350,000g/mol，重均聚合度為4425，確定共聚物中丁二烯與苯乙烯鏈節(jié)之比(b) 上述共聚物屬于無規(guī)，交替，接枝和嵌段共聚物的哪一種類型

17、答：m(苯乙烯) = (g/mol)；m(丁二烯) = g/mol +=79; x+y=1 嘗試法得出：x=y=, 鏈節(jié)之比為1，屬于交替共聚物。 由60 wt%的乙烯和40 wt%的丙烯組成的交聯(lián)共聚物具有類似于天然橡膠的彈性。根據(jù)這一共聚物的組成，確定兩種鏈節(jié)的摩爾分?jǐn)?shù)。答：m(乙烯) = (g/mol)；m(丙烯) = (g/mol)本題為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)換算為摩爾分?jǐn)?shù)的問題，各占一半，為交替共聚物。 無規(guī)聚(異丁烯-異戊二烯)具有200,000 g/mol的重均分子量，重均聚合度為3000，計算共聚物中兩種鏈節(jié)的分?jǐn)?shù)。答：鏈節(jié)平均分子量為：m(異丁烯C4H8) = 4+8 = (g/mol)

18、m(異戊丁烯C5H8) = 5+8 = (g/mol)各占一半時的平均分子量為： g/mol，比計算結(jié)果偏小，表明分子量大的異戊二烯的量占的相對多一些，嘗試法求得異戊二烯占， 異丁烯占 (a) 比較金屬和聚合物中的結(jié)晶態(tài)。(b) 比較聚合物和陶瓷玻璃中非晶態(tài)的應(yīng)用。 簡要解釋聚合物隨著其分子量的增加，結(jié)晶趨勢減小的原因。答：分子量大，意味著分子鏈大，分子之間大的作用力使得熔體粘度增大，鏈段的運(yùn)動能力降低，限制鏈段向晶核的擴(kuò)散和排列，結(jié)晶能力降低。 對下列每對聚合物指出 (1) 能否確定一種聚合物比另一種更易結(jié)晶 (2) 如果可能，指出哪個更容易結(jié)晶并說明其原因；(3) 如果不能判斷，說明其原因

19、。(a) 線型和間同立構(gòu)的聚氯乙烯；線型和全同立構(gòu)的聚苯乙烯 (b) 網(wǎng)狀酚醛樹脂；線型和重度交聯(lián)的順式-異戊二烯 (c) 線型聚乙烯；輕度接枝的全同立構(gòu)聚丙烯 (d) 交替苯乙烯-乙烯共聚物；無規(guī)氯乙烯-四氟乙烯共聚物 計算完全結(jié)晶聚乙烯的密度。聚乙烯正交晶胞示在圖中；晶胞包含了兩個等價的乙烯鏈節(jié)單元。答：根據(jù)圖給出的晶格常數(shù)，晶胞體積為：VC = = nm3乙烯鏈節(jié)含有2個C，4個H，分子量為m(乙烯) = (g/mol)； 密度為 室溫下，完全結(jié)晶聚丙烯密度為 g/cm3。并且室溫下其晶胞為單斜晶系，晶格常數(shù)如下：a= nm, b= nm, c= nm; a=90, b=, g=90。如

20、果單斜晶胞的體積為晶格常數(shù)的函數(shù)，Vmono = abcsinb，計算每個晶胞中的鏈節(jié)單元數(shù)。答：Vmono = abcsinb= nm3，根據(jù)聚丙烯密度，可以求出晶胞中丙烯鏈節(jié)的質(zhì)量為： 10-21cm3cm3 = 10-22 gm(丙烯) = (g/mol)，單個丙烯分子的質(zhì)量為：1023) = 10-23 g單個晶胞所含的獨(dú)立鏈節(jié)數(shù)為：10-22/10-23=12 聚四氟乙烯材料，其兩種結(jié)晶度百分比下的的密度列于如下表：r ( g/cm3) 結(jié)晶度(%) (a) 計算完全結(jié)晶和完全無定形聚四氟乙烯的密度(b) 確定密度為 g/cm3聚合物的結(jié)晶度百分比答：(a) 根據(jù)公式：代入已知表中的

21、數(shù)據(jù)，得聯(lián)立方程： ； 求解得出：rc(完全結(jié)晶) = g/cm3；ra(完全非晶)= g/cm3(b) 代入上述公式中： 尼龍6,6材料，其兩種結(jié)晶度百分比下的密度如下列表所示：r ( g/cm3) 結(jié)晶度(%) (c) 計算完全結(jié)晶和完全無定形尼龍6,6的密度(d) 確定具有%結(jié)晶度的樣品密度答：(a) 根據(jù)公式：代入已知表中的數(shù)據(jù)，得聯(lián)立方程： ；求解得出：rc(完全結(jié)晶)= g/cm3；ra(完全非晶)= g/cm3(b) 求得密度為：r = g/cm3第五章合金 (Alloy)；原子百分?jǐn)?shù)(Atom percent)；原子振動 (Atomic vibration)；玻爾茲曼常數(shù) (B

22、oltzmanns constant)；柏格斯矢量 (Burgers vector)；組成 (Composition)；缺陷結(jié)構(gòu) (Defect structure)；位錯線 (Dislocation line)；刃型位錯 (Edge dislocation)；電中性 (Electroneutrality)；弗蘭克爾缺陷 (Frenkel defect)；晶粒尺寸 (Grain size)；不完美性或缺陷 (Imperfection)；間隙固溶體 (Interstitial solid solution)；顯微鏡 (Microscopy)；微觀結(jié)構(gòu)，組織 (Microstructure)；混合位錯 (Mixed dislocation)；光學(xué)顯微鏡 (Photomicrograph)；點(diǎn)缺陷 (Point defect)；掃描電子顯微鏡 (Scanning electron microscope)；掃描探針顯微鏡 (Scanning probe microscope)；肖脫基缺陷 (Schottky