聚合物的蠕变,应力松弛,滞后和内耗
高分子物理习题库(1)
习题库第1章高分子链的结构1．定义下列术语：1)内氢键;2)内聚能密度;3)构型与构象;4)无规线团;5)热塑弹体; 6)分子链的最可几末端距、平均末端距和均方末端距;7)链段;8）分子链的均方半径;9)分子链的平衡态柔性和动态柔性。
2．如何测定低分子物质的内聚能密度？能否用同样的方法测定高聚物的内聚能密度？3．指出塑料、橡胶和纤维的内聚能密度的大致范围。
为什么聚乙烯的内聚能密度较低但能成为塑料?4．写出聚1,2丁二烯和聚1,2异戊二烯可能的键接方式与构型。
5．1,2二氯乙烷有几种稳定的内旋转异构体？6．间同立构聚丙烯是否能通过内旋转转化为全同立构聚丙烯？7．设1个高分子主链由100个单键组成，每个单键相对于前一个键可以在空间采取2种可能的位置,试计算该高分子链在空间可能采取的构象数。
8．将苯乙烯(S)与顺式1,4丁二烯(B)按20∶80的重量比合成的无规共聚物和SBS三嵌段共聚物在性能上可能有什么区别？9．SBS热塑弹体与硫化橡胶在溶解性与热行为上有什么区别？10．为什么只有柔性高分子链才适合作橡胶？金属材料能否出现高达百分之几十至几百的弹性大形变？11．写出下列各组高聚物的结构单元，比较各组内几种高分子链的柔性大小并说明理由:1)聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯；2)聚乙烯，聚乙炔，顺式1,4聚丁二烯；3)聚丙烯，聚氯乙烯，聚丙烯腈；4)聚丙烯，聚异丁稀；5)聚氯乙烯，聚偏氯乙烯；6)聚乙烯，聚乙烯基咔唑，聚乙烯基叔丁烷；7)聚丙烯酸甲酯，聚丙烯酸丙脂，聚丙酸戌酯；8)聚酰胺6.6，聚对苯二甲酰对苯二胺；9)聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯。
12．一种聚丙烯高分子链的聚合度为600，在外力作用下最大的拉伸比为10，求该高分子链的均方未端距与2f h之比。
已知C-C键的键长l＝0.154nm，键角 ＝109°28'。
13．测得聚丁烯-1分子链的均方半径20ρ＝36nm2，分子量nM＝33600, 求该分子链最大伸长比λ。
蠕变、应力松弛、滞后和内耗讲解
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温 度很低,也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动 又不太容易，此刻滞后现象严重。
c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小.
外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外 力的变化,表现出明显的滞后现象. 外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合 物好像一块刚性的材料,滞后很小
蠕变、应力松弛、滞后和内耗
弹
– 由于物体的弹性作用使之射出去。
弹簧 – 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力 作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转 等），除去外力后又恢复原状。
粘
– 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使 一个物质附着在另一个物体上的性质。
理想弹性固体
受到外力作用形变很小，符合胡克定律 ＝E
图3 理想粘性流动蠕变
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合 物的总形变方程:
1
2 + 3
1
t1 t2
2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
(1 e ) t E1 E2 3
•加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线 上升 •通过链段运动，构象变化，使形变增大 •分子链之间发生质心位移
一般认为，在小变形下，或低变形速率下，
高分子材料主要表现线性粘弹性
力学松弛或粘弹现象
聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛或 粘弹现象。
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
静态的粘弹性 （粘弹性） 力学松弛 动态粘弹性
(交变应力或 应变)
(恒定应力或应变)
高分子物理期末试题卷及答案
高分子物理期末考试试题一、名词解释（每题2分，共10分）：1、内聚能密度与溶度参数：内聚能密度定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量。
溶度参数定义为内聚能密度的平方根。
2、时－温等效原理：升高温度与延长时间对分子运动是等效的，对聚合物的粘弹行为也是等效的。
3、力学松弛：高聚物的力学性质随时间的变化。
它包括蠕变、应力松驰、滞后、力学损耗。
4、泊松比：材料拉伸时横向应变与纵向应变比值之负数，是一个反映材料性质的重要参数。
5、构型与构象：构型是指分子中由化学键所固定的原子的空间排列。
构象是指由于单键的内旋转而产生的分子中原子的空间位置上的变化。
二、简答题（可任选答8题，每题5分，共40分）：1、试判别在半晶态聚合物中，发生下列转变时，熵值如何改变？并解释其原因：（1）T g转变；（2）T m转变；（3）形成晶体；（4）拉伸取向。
答：（1）T g转变时熵值增大，因链段运动使大分子链的构象数增加；（2分）（2）T m转变时熵值增大，理由同（1）；（1分）（3）形成结晶时熵值减小，因大分子链规整排列，构象数减少；（1分）（4）拉伸取向时熵值减小，理由同（3）。
（1分）2、试述高聚物平衡高弹性的特点、热力学本质和分子运动机理。
答：高聚物平衡高弹性的特点：1) 弹性应变大；2) 弹性模量低；3) T升高，高弹平衡模量增加；4) 快速拉伸，温度升高。
（2分）热力学本质：熵弹性；（1分）分子运动机理：链段运动从卷曲构象转变为伸展的构象。
（2分）3、简述结晶温度对聚合物结晶速度的影响。
答：由于结晶过程可分为晶核生成和晶粒生长两个阶段（1 分），成核过程涉及核的生成和稳定，温度越低越有利于成核（1 分）；晶粒生长取决于链段向晶核扩散和规整堆砌的速度，是一个动力学问题，温度越高越有利于生长（1 分）。
所以结晶速度与温度呈现单峰形。
（1分）T max=0.80～0.85T m (K )。
（1 分）4、指出非晶态聚合物的模量（或形变）-温度曲线的力学行为可分几个区域，并从分子运动机理的角度加以说明。
高分子物理作业解答
高分子物理作业-2-答案聚合物的力学状态及转变1. 解释名词：（1）聚合物的力学状态及转变由于高分子链之间的作用力大于主链的价键力，所以聚合物只具有固态和液态力学状态。
随着温度的升高，分子热运动能量逐渐增加，当达到某一温度时，即可发生两相间的转变。
（2）松弛过程与松弛时间松弛过程：在一定温度和外场（力场、电场、磁场等）作用下，聚合物由一种平衡态通过分子运动过渡到另一种与外界条件相适应的、新的平衡态，这个过程是一个速度过程。
松弛时间τ是用来描述松弛快慢的物理理。
在高聚物的松弛曲线上，∆x t ()变到等于∆x o 的1/e 倍时所需要的时间，即松弛时间。
（3）自由体积与等自由体积状态 分子中未被占据的体积为自由体积；在玻璃态下，由于链段运动被冻结晶，自由体积也被冻结，并保持一恒定值，自由体积“孔穴”的大小及其分布也将基本上维持固定。
因此，对任何高聚物，玻璃温度就是自由体积达到某一临界值的温度，在这临界值以下，已经没有足够的窨进行分子链的构象调整了。
因而高聚物的玻璃态可视为等自由体积状态。
（4）玻璃态与皮革态当非晶态高聚物在较低的温度下受到外力时，由于链段运动被冻结，只能使主链的键长和键角有微小的改变，因此从宏观上来说，高聚物受力变形是很小的，形变与受力和大小成正比，当外力除去后形变能立刻回复。
这种力学性质称为普弹性，非晶态高聚物处于具有普弹性的状态，称为玻璃态；部分结晶聚合物，存在玻璃化转变与高弹态，但由于晶区链段不能运动，此时玻璃化转变不再具有很大弹性的高弹态，而表现为具有一定高弹性、韧而硬的皮革态，即皮革态。
2. 试定性地绘出下列聚合物的形变—温度曲线（画在一张图上）1) 低分子玻璃态物质 2) 线性非晶态聚合物（1M ）3) 线性非晶态聚合物（212,M M M 〉212,M M M 〉>1M ） 4) 晶态聚合物（1M ）5) 晶态聚合物（212,M M M 〉212,M M M 〉>1M ） 6) 交联聚合物（交联度较小） 7) 交联聚合物（交联度较大）3. 判断下列聚合物（写出分子式）的Tg 的高低，阐述其理由：1) 聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯、聚二甲基硅氧烷 2) 聚氯乙烯、聚氯丁二烯、聚偏二氯乙烯、顺式1，4聚丁二烯 3) 聚乙烯、聚异丁烯、聚苯乙烯、聚乙烯基咔锉 4) 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈5) 聚甲基乙烯基醚、聚乙基乙烯基醚、聚正丙基乙烯基醚、聚正丁基乙烯基醚1) 聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯、聚二甲基硅氧烷CH 2CH 2n聚乙烯CO C OO CH 2CH 2On聚对苯二甲酸乙二酯n聚苯Si CH 33On聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷<聚乙烯<聚对苯二甲酸乙二酯<聚苯理由：当主链中引入苯基、联苯基、萘基和均苯甲酸二酰胺基等芳杂环以一，链上可以内旋转的单键比例相对减少，分子链的刚性增大，因此有利于玻璃化温度的提高。
高分子物理-金日光-课后习题答案(1)
1. 构型与构象有何区别？聚丙烯分子链中碳－碳单键是可以旋转的，通过单建的内旋转是否可以使全同立构的聚丙烯变为间同立构的聚丙烯？为什么?答：构型：是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。
构象：由于分子中的单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。
全同立构聚丙烯与间同立聚丙烯是两种不同构型，必须有化学键的断裂和重排。
3. 哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？答： 空间位阻参数δ212,20⎥⎦⎤⎢⎣⎡=r f h h δ答：因为等规PS 上的苯基基团体积较大，为了使体积较大的侧基互不干扰，必须通过C －C 键的旋转加大苯基之间的距离，才能满足晶体中分子链构象能量最低原则；对于间规PVC 而言，由于氢原子体积小，原子间二级近程排斥力小，所以，晶体中分子链呈全反式平面锯齿构象时能量最低。
δ越大,柔顺性越差；δ越小，柔顺性越好；特征比C n 220nl h c n =对于自由连接链 c n =1对于完全伸直链c n =n ，当n→∞时，c n 可定义为c ∞，c ∞越小，柔顺性越好。
链段长度b ：链段逾短，柔顺性逾好。
7.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。
解：（1）PE>PVC>PAN主链均为C －C 结构，取代基极性－CN ﹥－Cl ，所以，聚丙烯腈的柔顺性较聚氯乙烯差；（2）2>1>31与3中都含有芳杂环，不能内旋转；3中全为芳环，柔顺性最差；主链中-O-会增加链的柔顺性；（3）3>2>1因为1中取代基的比例较大，沿分子链排布距离小，数量多，分子链内旋转困难；2和3中均含有孤立双键，易内旋转，故柔顺性较好。
（4）2>1>32中取代基对称排列，分子偶极矩极小，易内旋转；3中极性取代基较中比例大，分子内旋转困难，故柔顺性最差。
第2章 聚合物的凝聚态结构1. 名词解释凝聚态：物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。
第7章 聚合物的粘弹性
第7章聚合物的粘弹性1.举例说明聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗现象。
为什么聚合物具有这些现象？这些现象对其的使用性能存在哪些利弊？2.简述温度和外力作用频率对聚合物内耗大小的影响。
画出聚合物的动态力学普示意图，举出两例说明谱图在研究聚合物结构与性能方面的应用。
3.指出Maxwell模型、Kelvin模型和四元件模型分别适宜于模拟哪一类型聚合物的那一种力学松弛过程？答：Maxwell模型适宜于模拟线形聚合物的应力松弛过程，Kelvin模型适宜于模拟交联聚合物的蠕变过程，四元件模型适宜于模拟线形聚合物的蠕变过程。
4.什么是时温等效原理？该原理在预测聚合物材料的长期使用性能方面和在聚合物加工过程中各有哪些指导意义？答：（1）升高温度与延长时间对分子运动是等效的，对聚合物的粘弹行为也是等效的，这就是时温等效原理。
（2）需要在室温条件下几年甚至上百年完成的应力松弛实验实际上是不能实现的，但可以在高温条件下短期内完成；或者需要在室温条件下几十万分之一秒或几百万分之一秒中完成的应力松弛实验，可以在低温条件下几个小时甚至几天内完成。
5.定量说明松弛时间的含意。
为什么说作用力的时间相当时，松弛现象才能被明显地观察到？答：（1）松弛时间是粘性系数和弹性系数的比值；（2）如果外加应力作用时间极短，材料中的粘性部分还来不及响应，观察到的是弹性应变。
反之，若应力作用的时间极长，弹性应变已经回复，观察到的仅是粘性流体贡献的应变，材料可考虑为一个简单的牛顿流体。
只有在适中的应力作用时间，材料的粘弹性才会呈现，应力随时间逐渐衰减到零，这个适中的时间正是松弛现象的内部时间尺度松弛时间τ。
6.简述聚合物粘弹理论的研究现状与展望。
答：略。
7.一某种聚合物材料作为两根管子接口法兰的密封垫圈，假设该材料的力学行为可以用Maxwell模型来描述。
已知垫圈压缩应变为0.2，初始模量为3e6N/m2,材料应力松弛时间为300d，管内流体的压力为0.3e6N/m2,试问多少天后接口处将发生泄露？答：208d。
聚合物流变学习题库
聚合物流变学习题库1. ⼀个纸杯装满⽔置于桌⾯上，⽤⼀发⼦弹从桌⾯下部射⼊杯⼦，并从杯⼦的⽔中穿出，杯⼦仍位于桌⾯不动。
如果杯⾥装的是⾼聚物溶液，这次⼦弹把杯⼦打出8⽶远，解释之。
答：低分⼦液体如⽔的松弛时间是⾮常短的，它⽐⼦弹穿过杯⼦的时间还要短，因⽽虽然⼦弹穿过⽔那⼀瞬间有黏性摩擦，但它不⾜以带⾛杯⼦。
⾼分⼦溶液的松弛时间⽐⽔⼤⼏个数量级，即聚合物分⼦链来不及响应，所以⼦弹将它的动量转换给这个“⼦弹－液体－杯⼦”体系，从⽽⼦弹把杯⼦带⾛了。
2. 已知增塑PVC 的Tg 为338K ，Tf 为418K ，流动活化能，433K 时的粘度为5Pa. s 。
求此增塑PVC 在338K 和473K 时的粘度各为多⼤答：在范围内，⽤WLF 经验⽅程计算⼜因为473K>Tf ，故⽤Arrhenius公式计算，或 3. 溶液的粘度随着温度的升⾼⽽下降，⾼分⼦溶液的特性粘数在不良溶剂中随温度的升⾼⽽升⾼，怎样理解答：在常温下，线团密度很⼤时，随温度升⾼，线团趋向松解，粘度增⾼。
在良溶剂中线团密度已经很⼩，随着温度的升⾼，线团密度变化不⼤，粘度降低。
4. 为何同⼀种⾼聚物分⼦量分布宽的较分布窄的易于挤出或注射成型分⼦量分布宽的试样的粘度对切变速率更敏感，随切变速率的提⾼，粘度131.8-?=?mol kJ E ηCT T g g 100+-3015.11)338433(6.51)338433(44.17log 433-=-+--=g T ηη004.123015.115log log =+=g T ηs Pa g T ?=∴1210ηRT E e /0ηηη?=8226.0)43331.81031.8exp()47331.81031.8exp(33)433()473(==ηηs Pa ?=?=∴1.48226.05)473(η⽐窄分布的试样低。
5. 为什么⾼分⼦熔体的表观粘度⼩于其真实粘度6. 不受外⼒作⽤时橡⽪筋受热伸长；在恒定外⼒作⽤下，受热收缩，试⽤⾼弹性热⼒学理论解释.答：（1）不受外⼒作⽤，橡⽪筋受热伸长是由于正常的热膨胀现象，本质是分⼦的热运动。
第三版-高分子物理课后习题答案(详解)[1]1-图文
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第三版-高分子物理课后习题答案（详解）[1]1-图文第1章高分子的链结构1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型，举例说明高分子的构造。
等。
举例说明高分子链的构造：线形：聚乙烯，聚α-烯烃环形聚合物：环形聚苯乙烯，聚芳醚类环形低聚物梯形聚合物：聚丙烯腈纤维受热，发生环化形成梯形结构支化高分子：低密度聚乙烯交联高分子：酚醛、环氧、不饱和聚酯，硫化橡胶，交联聚乙烯。
2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。
（2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。
3.为什么等规立构聚丙乙烯分子链在晶体中呈螺旋构象，而间规立构聚氯乙烯分子链在晶体中呈平面锯齿构象？答（1）由于等归立构聚苯乙烯的两个苯环距离比其范德华半径总和小，产生排斥作用，使平面锯齿形（ttt）构象极不稳定，必须通过C-C 键的旋转，形成31螺旋构象，才能满足晶体分子链构象能最低原则。
（2）由于间规聚氯乙烯的氯取代基分得较开，相互间距离比范德华半径大，所以平面锯齿形构象是能量最低的构象。
4.哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？答：（1）空间位阻参数（或称刚性因子），值愈大，柔顺性愈差；（2）特征比Cn，Cn值越小，链的柔顺性越好；（3）连段长度b，b值愈小，链愈柔顺。
5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。
该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。
6.从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异：（1）聚丙烯睛与碳纤维；（2）无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯；（3）顺式聚1，4-异戊二烯（天然橡胶）与反式聚1，4-异戊二烯（杜仲橡胶）。
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在聚合物科学中，蠕变、应力松弛、滞后和内耗是与聚合物材料的力学行为相关的术语。
蠕变（Creep）：蠕变是指在持续受到应力的情况下，聚合物材料会随着时间的推移发生形变。
蠕变是一个时间依赖的现象，即应力施加时间越长，形变越明显。
蠕变通常由于聚合物链的重新排列和滑移引起，导致聚合物结构的变化。
蠕变是一种可逆现象，当去除应力时，材料会回弹至原始形态。
应力松弛（Stress relaxation）：应力松弛是指在一定的应变条件下，聚合物材料所受的应力会随着时间的推移逐渐减小。
这是因为聚合物链在应力作用下发生重排，使得材料内部的应力逐渐减小。
与蠕变不同，应力松弛通常是在给定应变条件下观察到的。
滞后（Hysteresis）：滞后是指聚合物材料在循环加载和卸载的过程中，其应力和应变之间存在的差异。
在加载期间，聚合物会表现出较高的应力响应，但在卸载期间，应力并不完全消失。
这种差异是由于聚合物链的结构重排和能量耗散引起的。
滞后现象常见于高分子弹性材料，如弹簧和橡胶。
内耗（Internal friction）：内耗是指聚合物材料在受力或形变时，由于分子内部摩擦和相互作用而产生的能量损耗。
内耗可以导致材料的能量耗散和温升。
聚合物材料的内耗通常与材料的分子结构、聚合度和温度等因素有关。
内耗在聚合物的动态力学性能和阻尼特性中起着重要作用。
这些现象在聚合物工程和材料科学中具有重要的应用。
研究和了解聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗行为对于设计和开发具有特定力学性能和可靠性的聚合物制品非常重要。