北京化工大學(xué)2024年高分子材料計(jì)劃（高分子材料生物降解材料）試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______考生須知：1.請(qǐng)將所有答案寫在答題紙上，寫在試卷上無效。2.答題時(shí)請(qǐng)字跡工整，保持卷面清潔。3.考試時(shí)間為180分鐘。一、填空題（每空2分，共20分）1.聚合物的鏈構(gòu)型主要分為________、________和________三種類型。2.高分子材料的熱轉(zhuǎn)變溫度主要包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、熔點(diǎn)（Tm）和________。3.生物降解塑料在堆肥條件下，應(yīng)能在________周內(nèi)完成至少50%的質(zhì)量損失。4.聚乳酸（PLA）是一種重要的生物降解塑料，其主要的降解方式是________和________。5.淀粉基生物降解材料通常需要添加________來改善其加工性能和力學(xué)強(qiáng)度。6.聚合物降解的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)通常包括鏈引發(fā)、鏈增長和________三個(gè)階段。7.評(píng)價(jià)生物降解塑料性能的常用方法包括質(zhì)量損失法、________和________。8.可生物降解聚酯的合成通常采用________開環(huán)聚合法。9.為提高生物降解塑料的性能，常采用的改性方法有物理共混、化學(xué)改性以及________。10.光降解塑料通常需要添加光敏劑來加速材料的降解過程。二、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述高分子材料生物降解的基本條件。2.與傳統(tǒng)塑料相比，生物降解塑料在性能和應(yīng)用方面存在哪些主要差異？3.簡述影響聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的主要因素。4.解釋“無規(guī)共聚物”的含義，并簡述其與均聚物相比可能具有的性能特點(diǎn)。5.簡述淀粉基生物降解材料在加工過程中可能遇到的主要問題。6.簡述聚合物降解對(duì)材料性能的主要影響。三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某聚合物樣品在密煉機(jī)中進(jìn)行了熔融加工，加工溫度為200℃。已知該聚合物的熔點(diǎn)（Tm）為210℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為60℃。試分析該聚合物在密煉機(jī)中的主要形態(tài)區(qū)間，并說明理由。2.一種由聚乳酸（PLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）組成的共混物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和40%。已知純PLA的降解半衰期（在特定堆肥條件下）為180天，純PCL的降解半衰期為600天。假設(shè)共混物的降解符合簡單的質(zhì)量加權(quán)關(guān)系，估算該共混物的理論降解半衰期。四、論述題（每題25分，共50分）1.論述提高生物降解塑料綜合性能的主要途徑及其面臨的挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述生物降解塑料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景及其環(huán)境意義。---試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.直鏈、支鏈、交聯(lián)2.熱分解溫度（Td）3.604.水解、酶解5.增塑劑6.鏈終止7.紅外光譜分析（IR）、核磁共振波譜分析（NMR）8.醇類9.嵌段共聚或接枝共聚10.熱敏劑二、簡答題（每題5分，共30分）1.答案：生物降解需要在適宜的環(huán)境條件下（如溫度、濕度、氧氣、微生物等），通過光、熱、水、酶等作用，發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，最終分解為對(duì)環(huán)境無害的小分子物質(zhì)。基本條件包括：①具有可被微生物利用的結(jié)構(gòu)；②處于適宜的生物降解環(huán)境中；③具有一定的生物降解速率。解析思路：本題考查對(duì)生物降解定義和條件的掌握?；卮饝?yīng)包含生物降解的實(shí)質(zhì)（結(jié)構(gòu)變化、無害小分子）、必需的環(huán)境因素（溫度、濕度、氧氣、微生物）以及微生物利用性的要求。2.答案：差異主要體現(xiàn)在：①性能上，生物降解塑料通常力學(xué)性能（尤其是抗沖擊性、耐熱性）低于傳統(tǒng)塑料，而生物相容性（對(duì)生物體）和可降解性是其主要特點(diǎn)；②應(yīng)用上，傳統(tǒng)塑料應(yīng)用廣泛，幾乎遍及所有領(lǐng)域，而生物降解塑料目前主要應(yīng)用于一次性包裝、農(nóng)用地膜、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，受到成本和性能限制。解析思路：本題考查對(duì)比分析能力。需列出生物降解塑料與傳統(tǒng)塑料在性能（力學(xué)、熱學(xué)、生物相容性）和應(yīng)用范圍（廣泛性、特定領(lǐng)域）上的主要不同點(diǎn)。3.答案：主要影響因素包括：①分子量及其分布：分子量越大，Tg越高；②分子鏈結(jié)構(gòu)：側(cè)基體積越大、極性越強(qiáng)、主鏈柔順性越差，Tg越高；③結(jié)晶度：結(jié)晶度越高，Tg越高；④交聯(lián)：交聯(lián)會(huì)提高Tg；⑤外力場(chǎng)：拉伸或壓縮會(huì)使Tg升高。解析思路：本題考查對(duì)影響Tg因素的理解。需從分子結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)（交聯(lián)）和外力場(chǎng)等多個(gè)維度列出主要影響因素及其影響規(guī)律。4.答案：“無規(guī)共聚物”是指單體單元在聚合物主鏈上呈無規(guī)分布的共聚物，即聚合物鏈中不同單體單元的排列是無序的，沒有特定的重復(fù)單元序列。其性能特點(diǎn)可能包括：相容性較好（與均聚物相似）、結(jié)晶能力通常低于均聚物、熱穩(wěn)定性可能低于均聚物，但可能具有一些均聚物所不具備的特殊性能，如特定的光學(xué)或熱學(xué)性質(zhì)。解析思路：本題考查對(duì)無規(guī)共聚物定義和性能特點(diǎn)的掌握。首先需準(zhǔn)確定義無規(guī)共聚，然后結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（無序）推測(cè)其與均聚物相比在相容性、結(jié)晶、熱穩(wěn)定性等方面可能的表現(xiàn)。5.答案：主要問題包括：①加工性能差：純淀粉通常熔點(diǎn)高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，流動(dòng)性差，直接加工困難；②力學(xué)性能差：純淀粉材料強(qiáng)度低，耐熱性差；③易吸濕：導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性差和力學(xué)性能下降；④成本較高：尤其是使用生物基淀粉時(shí)。解析思路：本題考查對(duì)淀粉基材料加工應(yīng)用障礙的理解。需列舉其在熔融加工流動(dòng)性、常溫力學(xué)性能、吸濕性以及原材料成本等方面存在的典型問題。6.答案：聚合物降解會(huì)導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)破壞，長鏈斷裂或交聯(lián)密度變化，進(jìn)而引起材料性能的劣化。主要影響包括：①力學(xué)性能下降：如強(qiáng)度、模量、韌性降低；②尺寸變化：如收縮、膨脹、翹曲；③外觀變化：如變色、變脆、出現(xiàn)裂紋；④耐化學(xué)性下降：如耐溶劑性、耐候性變差。解析思路：本題考查對(duì)降解對(duì)材料宏觀性能影響的認(rèn)識(shí)。需從化學(xué)結(jié)構(gòu)變化出發(fā)，推導(dǎo)出力學(xué)、尺寸、外觀、耐化學(xué)性等方面的性能變化趨勢(shì)。三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.答案：在該密煉機(jī)加工溫度（200℃）下，該聚合物的行為主要處于熔融態(tài)或部分粘流態(tài)。具體分析如下：*溫度高于熔點(diǎn)（Tm=210℃），聚合物已完全熔融。*溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg=60℃），聚合物應(yīng)處于玻璃態(tài)。但當(dāng)前溫度（200℃）遠(yuǎn)高于Tg，因此不處于玻璃態(tài)。*聚合物是否結(jié)晶及其結(jié)晶度未知，但200℃遠(yuǎn)高于Tg且低于Tm，此溫度區(qū)間通常是聚合物熔體冷卻或加工時(shí)可能存在的結(jié)晶區(qū)間，也可能處于部分熔融狀態(tài)（如果原料包含未完全熔融的結(jié)晶區(qū)）。*綜合判斷，在200℃加工時(shí)，該聚合物大概率處于熔融粘流態(tài)，可能伴隨部分結(jié)晶過程或存在少量未熔融的結(jié)晶區(qū)。若考慮加工剪切作用，可能部分區(qū)域達(dá)到粘流態(tài)下加工。*因此，主要形態(tài)區(qū)間是熔融粘流態(tài)或部分熔融/結(jié)晶狀態(tài)。解析思路：本題考查對(duì)聚合物在不同溫度下狀態(tài)（玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)、結(jié)晶態(tài)）的理解以及熔融加工溫度范圍的判斷。需根據(jù)給定的Tm和Tg，判斷加工溫度相對(duì)于這兩個(gè)關(guān)鍵溫度的位置，并結(jié)合聚合物熔融和結(jié)晶過程，推斷其主要的物理狀態(tài)區(qū)間。2.答案：估算理論降解半衰期（t1/2）：*設(shè)共混物的理論降解符合簡單的質(zhì)量加權(quán)關(guān)系，即降解速率與各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。*設(shè)PLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w1=60%，PCL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w2=40%。*設(shè)純PLA的降解半衰期為t1=180天，純PCL的降解半衰期為t2=600天。*理論上，混合物的降解速率常數(shù)kh與各組分速率常數(shù)的關(guān)系為：1/kh≈w1/(k1t1)+w2/(k2t2)，其中k1=k2=ln(2)/t1/2。*簡化估算，混合物的理論半衰期tm可以近似為：tm≈(w1*t1+w2*t2)/(w1+w2)*tm≈(0.60*180天+0.40*600天)/(0.60+0.40)*tm≈(108+240)/1*tm≈348天*因此，該共混物的理論降解半衰期約為348天。解析思路：本題考查對(duì)生物降解塑料共混物降解行為簡單模型的理解和應(yīng)用能力。假設(shè)混合物的降解符合質(zhì)量加權(quán)關(guān)系，利用各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和各自的降解半衰期，通過加權(quán)平均的方式估算混合物的理論降解半衰期。四、論述題（每題25分，共50分）1.答案：*主要途徑：*化學(xué)改性：引入特定基團(tuán)改變主鏈結(jié)構(gòu)或側(cè)基，如引入可降解基團(tuán)（酯基、醚鍵）、調(diào)節(jié)分子量及分布、增加極性等，以調(diào)節(jié)降解速率和性能。例如，通過開環(huán)聚合合成不同單體組成的聚酯，或?qū)ΜF(xiàn)有聚合物進(jìn)行化學(xué)接枝、交聯(lián)等。*物理共混：將生物降解硬質(zhì)材料與韌性材料（如傳統(tǒng)塑料、彈性體）或增強(qiáng)材料（如納米填料）共混，以改善其力學(xué)性能、加工性能、耐熱性或降解特性。例如，將PLA與PBAT共混以提高韌性。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的聚合物，如共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物，或利用納米結(jié)構(gòu)（如納米復(fù)合）來調(diào)控材料的降解行為和綜合性能。*添加降解促進(jìn)劑：在材料中添加光敏劑、催化劑、酶等，以加速材料在特定環(huán)境下的降解過程。*面臨的挑戰(zhàn)：*性能-降解平衡：提高材料的力學(xué)性能或加工性能往往會(huì)影響其生物降解速率，反之亦然。如何在兩者之間取得最佳平衡是核心挑戰(zhàn)。*成本控制：許多高性能生物降解塑料的制備成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。*降解條件的苛刻性：理想的生物降解環(huán)境（如工業(yè)堆肥）條件有限，且要求材料在非理想環(huán)境（如填埋場(chǎng)、海洋）中也能實(shí)現(xiàn)有效降解，難度較大。*回收與循環(huán)利用：生物降解塑料在降解后可能成為環(huán)境負(fù)擔(dān)，如何實(shí)現(xiàn)其回收或資源化利用，避免“白色污染”的另一種形式，是需要考慮的問題。*標(biāo)準(zhǔn)化與檢測(cè)：生物降解性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法尚需完善，導(dǎo)致市場(chǎng)應(yīng)用和產(chǎn)品比較存在困難。*可持續(xù)性：原料來源（是否為生物基）、生產(chǎn)過程的能耗和環(huán)境影響等，都需要考慮材料的全生命周期可持續(xù)性。解析思路：本題要求全面論述提高生物降解塑料性能的途徑和挑戰(zhàn)。解答應(yīng)首先列出主要的改性或設(shè)計(jì)途徑（化學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)、添加劑），并簡要說明其原理。然后，重點(diǎn)論述在這些途徑實(shí)踐中面臨的主要困難，如性能與降解速率的矛盾、成本、實(shí)際降解環(huán)境要求、回收問題、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)及可持續(xù)性等。2.答案：*應(yīng)用前景：*包裝領(lǐng)域：生物降解塑料在一次性包裝方面具有巨大潛力，如餐具、農(nóng)用地膜、購物袋、食品包裝薄膜等。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，有望逐步替代部分傳統(tǒng)塑料，減少“白色污染”。*農(nóng)用薄膜：可生物降解地膜可以減少殘留物對(duì)土壤的污染，改善土壤環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。*一次性醫(yī)療用品：如注射器、輸液袋、手術(shù)縫合線等，使用后可降解，減少醫(yī)療廢棄物處理壓力。*緩釋材料：可用于藥物或肥料緩釋包裝，實(shí)現(xiàn)按需釋放。*其他：如園林園藝材料、特殊功能包裝（如可食性包裝）等。*環(huán)境意義：*解決環(huán)境污染問題：生物降解塑料在適宜環(huán)境下能被微生物分解，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等無害物質(zhì)，有助于減輕塑料垃圾對(duì)土壤、水體、土壤的污染，特別是海洋塑料污染。*促進(jìn)資源循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展：許多生物降解塑料來源于可再生生物質(zhì)資源，其生產(chǎn)和使用符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，有助于實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。*推動(dòng)綠色科技發(fā)展：生物降解塑料的研發(fā)和應(yīng)用是綠色化學(xué)和材料科學(xué)的重要發(fā)展方向，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。*提升公眾環(huán)保意識(shí)：生物降解塑料的出現(xiàn)為解決塑料污染提供了新的解決方案，有助于提升公眾對(duì)塑料污染問題和綠色消費(fèi)的認(rèn)識(shí)。*潛在挑戰(zhàn)：需要強(qiáng)調(diào)的