高分子物理模擬試卷及重點(diǎn)解析作為一門(mén)研究高分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)學(xué)科，高分子物理是材料科學(xué)、化學(xué)工程等領(lǐng)域的核心課程。為幫助學(xué)習(xí)者更好地掌握核心知識(shí)點(diǎn)、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，特編制本模擬試卷，并輔以重點(diǎn)解析，以期達(dá)到鞏固與深化之目的。一、模擬試卷（一）填空題(每空1分，共20分)1.高分子化合物與小分子化合物的根本區(qū)別在于其具有巨大的分子量和分子量的多分散性。2.高分子鏈的柔順性是指高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì)，通?？捎镁侥┒司嗷蜴湺伍L(zhǎng)度來(lái)表征。3.高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)。4.在一定溫度下，聚合物的黏度隨剪切速率的增加而減小的現(xiàn)象稱為剪切變稀或假塑性。5.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是非晶態(tài)高分子材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。6.高分子材料的力學(xué)性能主要包括彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等。7.測(cè)定聚合物分子量的常用方法有端基分析法（化學(xué)法）、黏度法（相對(duì)法）和光散射法（絕對(duì)法）等。8.聚合物的結(jié)晶過(guò)程包括晶核形成和晶粒生長(zhǎng)兩個(gè)階段。9.對(duì)于線性非晶態(tài)聚合物，在寬廣的溫度范圍內(nèi)，可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)三種力學(xué)狀態(tài)。（二）選擇題(每題2分，共20分)1.下列因素中，不會(huì)顯著影響高分子鏈柔順性的是（）A.主鏈結(jié)構(gòu)B.側(cè)基性質(zhì)C.分子量大?。ㄔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)）D.溫度2.高分子鏈的均方末端距越大，表示高分子鏈的柔順性（）A.越好B.越差C.不受影響D.無(wú)法判斷3.下列聚合物中，結(jié)晶能力最強(qiáng)的是（）A.無(wú)規(guī)聚苯乙烯B.等規(guī)聚丙烯C.聚氯乙烯D.天然橡膠4.聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）通常會(huì)隨著分子量的增加而（）A.持續(xù)升高B.持續(xù)降低C.先升高后趨于恒定D.先降低后趨于恒定5.在聚合物的拉伸實(shí)驗(yàn)中，“屈服”現(xiàn)象通常發(fā)生在（）A.玻璃態(tài)B.高彈態(tài)C.黏流態(tài)D.結(jié)晶態(tài)6.下列哪種方法可以提高聚合物的耐熱性（）A.引入柔性側(cè)基B.增加分子鏈的支化度C.形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)D.降低分子量7.對(duì)于結(jié)晶性聚合物，其結(jié)晶度增加，通常會(huì)導(dǎo)致材料的（）A.密度增加，沖擊強(qiáng)度降低B.密度降低，沖擊強(qiáng)度增加C.密度增加，沖擊強(qiáng)度增加D.密度降低，沖擊強(qiáng)度降低8.“時(shí)溫等效原理”是指（）A.溫度升高，松弛時(shí)間變長(zhǎng)B.溫度降低，松弛時(shí)間變短C.升高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)聚合物的黏彈行為有相似的影響D.以上均不正確9.聚合物熔體的流動(dòng)屬于（）A.牛頓流動(dòng)B.賓漢流動(dòng)C.假塑性流動(dòng)D.脹塑性流動(dòng)10.下列哪種表征方法可以直接獲得聚合物的分子量分布信息（）A.黏度法B.光散射法C.凝膠滲透色譜法（GPC）D.端基分析法（三）簡(jiǎn)答題(每題8分，共32分)1.簡(jiǎn)述影響高分子鏈柔順性的主要因素，并舉例說(shuō)明。2.解釋什么是聚合物的“時(shí)溫等效原理”？其在聚合物研究中有何重要意義？3.比較結(jié)晶態(tài)高分子與非晶態(tài)高分子在溶解過(guò)程中的異同點(diǎn)。4.畫(huà)出非晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線（熱機(jī)械曲線），并標(biāo)注各轉(zhuǎn)變溫度、力學(xué)狀態(tài)及其主要運(yùn)動(dòng)單元。（四）計(jì)算題(10分)某聚合物樣品由三種分子量的組分組成，其重量分?jǐn)?shù)及相應(yīng)的分子量如下表所示：組分重量分?jǐn)?shù)(wi)分子量(Mi):---:------------:----------A0.21×10?B0.52×10?C0.33×10?請(qǐng)計(jì)算該聚合物的數(shù)均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）及分子量分布指數(shù)（D）。（注：計(jì)算結(jié)果保留一位小數(shù)）（五）綜合分析題(18分)有一種高分子材料，在室溫下使用時(shí)要求具有較高的彈性和一定的強(qiáng)度，同時(shí)希望其使用溫度范圍較寬（-20℃~80℃）。1.從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，你認(rèn)為該聚合物應(yīng)具備哪些主要結(jié)構(gòu)特征？（6分）2.請(qǐng)列舉至少兩種可能滿足上述要求的聚合物，并簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。（6分）3.若該材料在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其低溫脆性較大，應(yīng)如何通過(guò)化學(xué)或物理方法進(jìn)行改性以改善其低溫性能？（6分）二、重點(diǎn)解析（一）填空題解析1.巨大的分子量和分子量的多分散性：這是高分子最基本的特征，導(dǎo)致其具有與小分子截然不同的物理化學(xué)性質(zhì)。2.改變其構(gòu)象的性質(zhì)；均方末端距；鏈段長(zhǎng)度：柔順性是高分子鏈的重要特性，均方末端距越小或鏈段長(zhǎng)度越短，柔順性越好。3.晶態(tài)結(jié)構(gòu)；非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；取向態(tài)結(jié)構(gòu)；織態(tài)結(jié)構(gòu)：這些是高分子聚集態(tài)的基本類型，決定了材料的宏觀性能。4.剪切變稀或假塑性：大多數(shù)高分子熔體和濃溶液表現(xiàn)出假塑性行為，這與分子鏈在剪切場(chǎng)中的取向和解纏結(jié)有關(guān)。5.非晶態(tài)；玻璃態(tài)；高彈態(tài)：Tg是描述非晶態(tài)高分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力開(kāi)始的溫度，是重要的材料使用溫度界限。6.彈性；塑性；強(qiáng)度；韌性：這些是材料抵抗外力作用所表現(xiàn)出的力學(xué)行為的關(guān)鍵指標(biāo)。7.端基分析法；黏度法；光散射法：不同方法測(cè)得的分子量平均值不同，適用范圍也不同。8.晶核形成；晶粒生長(zhǎng)：結(jié)晶是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，包含成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段，受溫度、壓力等因素影響。9.玻璃態(tài)；高彈態(tài)；黏流態(tài)：這是線性非晶高分子典型的力學(xué)三態(tài)，對(duì)應(yīng)不同的分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和宏觀性能。（二）選擇題解析1.C.分子量大?。ㄔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)）解析：當(dāng)分子量超過(guò)臨界值后，柔順性主要由鏈結(jié)構(gòu)決定，分子量影響不大。主鏈結(jié)構(gòu)（如單鍵類型）、側(cè)基（體積、極性）和溫度均顯著影響柔順性。2.B.越差解析：均方末端距越大，表明分子鏈越伸展，不易蜷曲，柔順性越差。3.B.等規(guī)聚丙烯解析：等規(guī)立構(gòu)的聚合物結(jié)構(gòu)規(guī)整，易于結(jié)晶。無(wú)規(guī)聚苯乙烯結(jié)構(gòu)不規(guī)整，難以結(jié)晶；聚氯乙烯因側(cè)基極性大，結(jié)晶能力受限；天然橡膠雖柔順，但常溫下為高彈態(tài)，結(jié)晶能力不如等規(guī)聚丙烯。4.C.先升高后趨于恒定解析：在較低分子量范圍內(nèi)，Tg隨分子量增加而升高，當(dāng)分子量達(dá)到一定值后，鏈端效應(yīng)可忽略，Tg趨于恒定。5.A.玻璃態(tài)解析：屈服現(xiàn)象是玻璃態(tài)高分子在拉伸時(shí)，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致分子鏈局部有序排列（銀紋或剪切帶）而產(chǎn)生的塑性形變的開(kāi)始。6.C.形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)解析：交聯(lián)可限制分子鏈運(yùn)動(dòng)，提高耐熱性。引入柔性側(cè)基、增加支化度和降低分子量通常會(huì)降低耐熱性。7.A.密度增加，沖擊強(qiáng)度降低解析：結(jié)晶使分子排列緊密，密度增加；但結(jié)晶也使材料變脆，沖擊強(qiáng)度通常降低。8.C.升高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)聚合物的黏彈行為有相似的影響解析：時(shí)溫等效原理是聚合物黏彈性研究的重要原理，通過(guò)移動(dòng)因子可將某一溫度下的力學(xué)松弛曲線平移到另一參考溫度。9.C.假塑性流動(dòng)解析：聚合物熔體的黏度隨剪切速率增大而減小，符合假塑性流動(dòng)特征。10.C.凝膠滲透色譜法（GPC）解析：GPC可分離不同分子量的組分，從而得到分子量分布曲線及各種平均分子量。其他方法多得到平均分子量。（三）簡(jiǎn)答題解析1.影響高分子鏈柔順性的主要因素及舉例：*主鏈結(jié)構(gòu)：主鏈由單鍵組成且鍵長(zhǎng)鍵角較大者（如C-O鍵比C-C鍵）柔順性好，如聚醚；含有芳環(huán)或雜環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)降低柔順性，如聚苯醚。*側(cè)基性質(zhì)：側(cè)基體積小、極性弱、對(duì)稱性好者柔順性佳。如聚乙烯（無(wú)側(cè)基）比聚丙烯（甲基側(cè)基）柔順；聚氯乙烯（極性氯側(cè)基）比聚丙烯腈（極性更強(qiáng)的氰基）柔順。*支化與交聯(lián)：短支鏈可能增加柔順性（減少分子間作用），長(zhǎng)支鏈因纏結(jié)可能降低柔順性；交聯(lián)限制鏈運(yùn)動(dòng)，顯著降低柔順性。*分子間作用力：分子間作用力小（如非極性聚合物）則柔順性好，如聚乙烯比聚酰胺柔順。*溫度：溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，柔順性增加。如橡膠在低溫下變硬（柔順性差），高溫下變軟（柔順性好）。2.聚合物的“時(shí)溫等效原理”及其意義：*定義：對(duì)于聚合物的黏彈行為，升高溫度與延長(zhǎng)觀察時(shí)間（或降低作用頻率）對(duì)聚合物分子運(yùn)動(dòng)的松弛過(guò)程具有等效性。即，在較高溫度下短時(shí)間內(nèi)觀察到的力學(xué)現(xiàn)象，與在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間觀察到的現(xiàn)象相似。*意義：*可以在較寬的溫度范圍內(nèi)測(cè)得的力學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)因子疊加到某一參考溫度下，得到該參考溫度下極寬時(shí)間（或頻率）范圍內(nèi)的力學(xué)性能圖譜（如主曲線），極大地?cái)U(kuò)展了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。*為研究聚合物在常溫下難以直接觀測(cè)的緩慢松弛過(guò)程（如長(zhǎng)期蠕變）或快速松弛過(guò)程（如動(dòng)態(tài)力學(xué)行為）提供了有效途徑。*對(duì)聚合物材料的加工和使用條件選擇具有重要指導(dǎo)意義，例如預(yù)測(cè)材料在不同溫度下的使用壽命。3.結(jié)晶態(tài)與非晶態(tài)高分子溶解過(guò)程的異同點(diǎn)：*相同點(diǎn)：都遵循“相似相溶”原則，即溶劑與聚合物的極性相近、溶度參數(shù)相近。溶解過(guò)程通常都包括溶劑小分子滲入聚合物內(nèi)部（溶脹）和聚合物分子鏈擴(kuò)散到溶劑中（溶解）兩個(gè)階段。*不同點(diǎn)：*溶解難易程度：非晶態(tài)高分子由于分子鏈堆砌較松散，溶劑分子較易滲入，溶解相對(duì)容易，通常可在常溫下溶解。結(jié)晶態(tài)高分子由于分子鏈排列規(guī)整、堆砌緊密、分子間作用力強(qiáng)，溶劑分子難以滲入晶區(qū)，溶解困難，通常需要加熱到接近或高于其熔點(diǎn)，使晶區(qū)熔融后才能溶解。*溶脹階段：非晶態(tài)高分子在良溶劑中可發(fā)生無(wú)限溶脹直至溶解。結(jié)晶態(tài)高分子在低于熔點(diǎn)時(shí)，溶劑只能滲入非晶區(qū)發(fā)生有限溶脹，晶區(qū)不溶脹；只有當(dāng)溫度升高到熔點(diǎn)附近，晶區(qū)破壞后，才能進(jìn)一步溶脹并溶解。*溶解速度：一般而言，結(jié)晶態(tài)高分子的溶解速度比同類型非晶態(tài)高分子慢得多。4.非晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線（熱機(jī)械曲線）：*曲線描述：以溫度為橫坐標(biāo)，以某一恒定載荷下的形變（或相對(duì)形變）為縱坐標(biāo)。曲線大致呈“S”形，可分為以下區(qū)域：*玻璃態(tài)區(qū)（溫度<Tg）：形變很小，幾乎不隨溫度變化，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，表現(xiàn)為硬而脆的固體。此時(shí)只有小尺寸運(yùn)動(dòng)單元（如原子、基團(tuán)）的振動(dòng)，鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)。*玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)（Tg附近）：形變隨溫度升高迅速增大，曲線斜率最大。鏈段開(kāi)始解凍，能進(jìn)行緩慢的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。Tg是玻璃態(tài)與高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。*高彈態(tài)區(qū)（Tg<T<Tf）：形變很大（可達(dá)原長(zhǎng)的數(shù)倍），且隨溫度升高變化不大。材料表現(xiàn)出典型的高彈性，受力后產(chǎn)生大形變，去除外力后能恢復(fù)原狀。此時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)充分，但整個(gè)分子鏈的滑移仍被凍結(jié)。Tf是高彈態(tài)與黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，稱為黏流溫度。*黏流轉(zhuǎn)變區(qū)（Tf附近）：形變隨溫度升高再次迅速增大。分子鏈間的纏結(jié)被破壞，整個(gè)分子鏈開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑移。*黏流態(tài)區(qū)（溫度>Tf）：形變很大且不可逆，材料表現(xiàn)為黏性液體，易流動(dòng)。分子鏈能進(jìn)行整體的布朗運(yùn)動(dòng)。*主要運(yùn)動(dòng)單元：玻璃態(tài)（小單元振動(dòng)），玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)（鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)），高彈態(tài)（鏈段充分運(yùn)動(dòng)），黏流態(tài)（整個(gè)分子鏈運(yùn)動(dòng)）。（四）計(jì)算題解析已知：三組份的重量分?jǐn)?shù)w?=0.2,M?=1×10?；w?=0.5,M?=2×10?；w?=0.3,M?=3×10?。求：數(shù)均分子量Mn，重均分子量Mw，分子量分布指數(shù)D。解：1.數(shù)均分子量Mn：\[M_n=\frac{\sumw_i}{\sum(w_i/M_i)}=\frac{0.2+0.5+0.3}{\frac{0.2}{1\times10^4}+\frac{0.5}{2\times10^4}+\frac{0.3}{3\times10^4}}\]分子總和為1.0。分母計(jì)算：\[\frac{0.2}{10^4}=0.2\times10^{-4}=2\times10^{-5}\]\[\frac{0.5}{2\times10^4}=0.25\times10^{-4}=2.5\times10^{-5}\]\[\frac{0.3}{3\times10^4}=0.1\times10^{-4}=1\times10^{-5}\]分母總和=\(2\times10^{-5}+2.5\times10^{-5}+1\times10^{-5}=5.5\times10^{-5}\)\[M_n=\frac{1.0}{5.5\times10^{-5}}\approx1.8\times10^4\]2.重均分子量Mw：\[M_w=\sum(w_iM_i)=0.2\times