力學(xué)性質(zhì)-問(wèn)答計(jì)算題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四部分 力學(xué)性質(zhì)（問(wèn)答題）（一）高彈性1.在橡膠下懸一砝碼，保持外界不變，升溫時(shí)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？解：橡膠在張力（拉力）的作用下產(chǎn)生形變，主要是熵變化，即卷曲的大分子鏈在張力的作用下變得伸展，構(gòu)象數(shù)減少。熵減少是不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)加熱時(shí)，有利于單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使之因構(gòu)象數(shù)增加而卷曲，所以在保持外界不變時(shí)，升溫會(huì)發(fā)生回縮現(xiàn)象。2.橡膠高彈性的特點(diǎn)是什么？其彈性本質(zhì)和普通固體物質(zhì)有什么不一樣？答：彈性模量小，形變量大；彈性模量隨溫度升高而升高；泊松比較大，接近0.5；形變過(guò)程有熱效應(yīng)，拉伸放熱，回縮吸熱；形變有時(shí)間依賴性即形變具有松弛特性。由橡膠的熱力學(xué)分析可知，橡膠形變后的

2、張應(yīng)力可以看成是由熵的變化和內(nèi)能的變化兩部分組成的，其中橡膠拉伸時(shí)內(nèi)能幾乎不變，而主要是熵的變化，即只有熵的變化對(duì)彈性體的彈性起主要貢獻(xiàn)，因此具有熵彈性本質(zhì)。普彈性的本質(zhì)是能彈性，即普彈形變由鍵長(zhǎng)、鍵角的變化引起，造成體系的內(nèi)能變化。3.分別在尺寸相同的交聯(lián)和未交聯(lián)順丁橡膠樣條上懸掛一個(gè)質(zhì)量相同的砝碼，之后升高溫度，兩個(gè)橡膠條的長(zhǎng)度如何變化？為什么？答：未交聯(lián)的橡膠條將被繼續(xù)拉長(zhǎng)，長(zhǎng)度增加；而交聯(lián)的橡膠條則會(huì)回縮，長(zhǎng)度減小。因?yàn)槲唇宦?lián)的橡膠，分子之間沒(méi)有化學(xué)鍵連接，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生分子間滑移而發(fā)生黏性流動(dòng)，溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，黏度減小，分子之間更容易產(chǎn)生黏性流動(dòng)，因此形變?cè)龃螅鹉z條

3、伸長(zhǎng)。而交聯(lián)的橡膠條由于分子之間有化學(xué)鍵連接，不能產(chǎn)生分子間的滑移，在外力作用下，由于網(wǎng)鏈的伸長(zhǎng)而產(chǎn)生形變。溫度升高，分子鏈內(nèi)各部分的熱運(yùn)動(dòng)比較激烈，產(chǎn)生的回縮力也要增大，因此橡膠條回縮，長(zhǎng)度減小。4.為什么順式聚丁二烯可以用作橡膠，而反式聚丁二烯卻不能？答：室溫下不能或不易結(jié)晶是聚合物具有高彈性的前提條件之一。順式聚丁二烯分子鏈的重復(fù)周期長(zhǎng)，分子鏈對(duì)稱性較差，分子鏈與分子鏈之間的距離較大，不容易結(jié)晶，因此常溫下是一種彈性很好的橡膠。而反式聚丁二烯分子鏈的對(duì)稱性好，重復(fù)周期短，分子鏈結(jié)構(gòu)更加歸整，分子鏈間的距離也較小，常溫下很容易結(jié)晶，在室溫下是一種彈性很差的塑料。5.今有B-S-B型、S-B

4、-S型及S-I-S型、I-S-I型四種嵌段共聚物，問(wèn)其中那兩種可用作熱塑性橡膠，為什么？（I代表異戊二烯）解：只有S-B-S和S-I-S兩種嵌段共聚物可作熱塑性橡膠，而其余兩種不行。因?yàn)榍皟煞N的軟段在中間，軟段的兩端固定在玻璃態(tài)的聚苯乙烯中，相當(dāng)于用化學(xué)鍵交聯(lián)的橡膠，形成了對(duì)彈性有貢獻(xiàn)的有效鏈網(wǎng)鏈。而余下兩種軟段在兩端，硬段在中間。軟段的一端被固定玻璃態(tài)的聚苯乙烯中，相當(dāng)于橡膠鏈的一端被固定在交聯(lián)點(diǎn)上，另一端是自由活動(dòng)的端鏈，而不是一個(gè)交聯(lián)網(wǎng)。由于端鏈對(duì)彈性沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以，這樣的嵌段共聚物不能作橡膠使用。（二）粘彈性1.舉例說(shuō)明聚合物的蠕變、應(yīng)力松弛、滯后及內(nèi)耗，以及它們對(duì)高分子材料的使用存在

5、的利弊。答：蠕變就是指在一定溫度和較小的恒定外力作用下，材料的形變時(shí)間隨時(shí)間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。例如，軟PVC絲懸掛一定重量的砝碼，就會(huì)慢慢地伸長(zhǎng)，解下砝碼后，又會(huì)慢慢縮回去，這就是典型的蠕變現(xiàn)象。對(duì)于工程塑料，要求蠕變?cè)叫≡胶?，?duì)于蠕變嚴(yán)重的材料，使用時(shí)需采取必要補(bǔ)救措施。如硬PVC有良好的抗腐蝕性能，可用于加工化工管道、容器等設(shè)備，但它容易蠕變，使用時(shí)必須增加支架以防止蠕變。PFTE是塑料中摩擦系數(shù)最小的，由于其蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重，所以不能用作機(jī)械零件，但卻是很好的密封材料。應(yīng)力松弛是在恒定溫度和形變保持不變的情況下，高聚物內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛的存在對(duì)于材料的使用有時(shí)

6、會(huì)帶來(lái)不利的影響，例如用塑料繩捆扎物品，開始捆的很緊，時(shí)間長(zhǎng)了，由于應(yīng)力松弛，就會(huì)變得很松。為了減小應(yīng)力松弛，橡膠制品必需經(jīng)過(guò)交聯(lián)。高分子材料在交變應(yīng)力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象稱為滯后。高分子材料在交變應(yīng)力作用下，由于形變落后于應(yīng)力的變化，因此在每一個(gè)循環(huán)變化中都要消耗功，稱為力學(xué)損耗，也稱內(nèi)耗。例如行駛中的汽車輪胎會(huì)發(fā)熱，其原因之一就是內(nèi)耗。研究高分子的力學(xué)損耗有重要的實(shí)際意義。滯后現(xiàn)象所伴隨的力學(xué)損耗，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)材料會(huì)發(fā)熱，從而加速橡膠制品的老化。因此，對(duì)于在交變應(yīng)力作用下進(jìn)行工作的輪胎和傳動(dòng)帶等橡膠制品來(lái)說(shuō)，希望內(nèi)耗越小越好，這樣可以延長(zhǎng)使用壽命。但是，作為抗

7、震、隔音的聚合物材料則要求具有較高的內(nèi)耗。（三）固體力學(xué)性能1.試討論提高高分子材料抗張強(qiáng)度的途徑。答 提高高分子材料抗張強(qiáng)度的途徑有：（1）從高分子的結(jié)構(gòu)入手：在主鏈引入芳雜環(huán)，增加分子之間的相互作用，交聯(lián)，增大聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量等，都有利于提高抗張強(qiáng)度。（2）對(duì)于結(jié)晶性的聚合物，提高結(jié)晶度可以提高抗張強(qiáng)度。（3）通過(guò)取向。（4）加入填料進(jìn)行增強(qiáng)。（5）與高抗張強(qiáng)度的其他聚合物共混。2.提高高分子材料沖擊強(qiáng)度的途徑？提高聚合物沖擊強(qiáng)度的途徑主要有：提高聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量，取向，適度交聯(lián)，增塑，共混等。3.畫出聚合物的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線，并在曲線上標(biāo)出下列每一項(xiàng)：a抗張強(qiáng)度；b伸長(zhǎng)率；c屈服

8、點(diǎn)，d模量解：a抗張強(qiáng)度d斜率為模量c、屈服點(diǎn)b、伸長(zhǎng)率4. 說(shuō)明下列不同聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本類型，并列舉具有代表性聚合物（3）（1）（2） （5）（4） （1）軟而弱，例如聚合物凝膠（2）硬而脆，例如PS，PMMA，固化酚醛樹脂（3）硬而強(qiáng)，例如硬PVC和PS共混體，硬PVC（4）軟而韌，例如橡皮，增塑的PVC，PE，PTFE（5）硬而韌，尼龍，醋酸纖維素，PC，PP5.研究玻璃態(tài)高聚物的大形變常用什么實(shí)驗(yàn)方法，說(shuō)明高聚物中兩種斷裂類型的特點(diǎn)并畫出兩種斷裂的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線解：研究玻璃態(tài)高聚物的大形變常用拉力機(jī)對(duì)高聚物樣品進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。脆化斷裂韌性斷裂高聚物的破壞有兩種形式，脆性斷裂和

9、韌性斷裂。脆和韌是借助日常生活用語(yǔ)，只能根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和斷面的外貌來(lái)區(qū)分。若深入研究，二者有以下不同：（1）韌性斷裂特點(diǎn)：斷裂前對(duì)應(yīng)塑性；沿長(zhǎng)度方向的形變不均勻，過(guò)屈服點(diǎn)后出現(xiàn)細(xì)頸；斷裂伸長(zhǎng)（）較大；斷裂時(shí)有推遲形變；應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性，斷裂耗能大；斷裂面粗糙，一般有外延形變；斷裂發(fā)生在屈服點(diǎn)后，一般由剪切分量引起；對(duì)應(yīng)的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理是鏈段的運(yùn)動(dòng)。（2）脆性斷裂：斷裂前對(duì)應(yīng)彈性；沿長(zhǎng)度方向形變均勻，斷裂伸長(zhǎng)率一般小于5；斷裂時(shí)無(wú)推遲形變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近線性，斷裂能耗小；斷裂面平滑；斷裂發(fā)生在屈服點(diǎn)前；一般由拉伸分量引起的；對(duì)應(yīng)的分子機(jī)理是化學(xué)鍵的破壞。脆性斷裂與韌性斷裂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見

10、上圖。6.下列幾種高聚物的沖擊性能如何？如何解釋？（<）（1）聚異丁烯；（2）聚苯乙烯；（3）聚苯醚；（4）聚碳酸酯；（5）ABS；（6）聚乙烯。解：（1）聚異丁烯：在<時(shí)，沖擊性能不好。這是因?yàn)榫郛惗∠┦侨嵝枣湥湺位顒?dòng)容易，彼此間通過(guò)鏈段的調(diào)整形成緊密堆積，自由體積少。（2）聚苯乙烯：因主鏈掛上體積龐大的側(cè)基苯環(huán)，使之成為難以改變構(gòu)象的剛性鏈，使得沖擊性能不好，為典型的脆性聚合物。（3）聚苯醚：鏈節(jié)為，因主鏈含有剛性的苯環(huán)，故為難以改變構(gòu)象的剛性鏈，沖擊性能不好。（4）聚碳酸酯：鏈節(jié)為，由于主鏈中在-120可產(chǎn)生局部模式運(yùn)動(dòng)，稱之為轉(zhuǎn)變。在<時(shí)，由于外力作用，轉(zhuǎn)變吸收沖擊

11、能，使聚合物上的能量得以分散，因此沖擊能好，在常溫下可進(jìn)行冷片沖壓成型，即常溫塑性加工。（5）ABS：聚苯乙烯很脆，引進(jìn)A（丙烯腈單體）后使其抗張強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度得到提高，再引進(jìn)B（丁二烯單體），進(jìn)行接枝共聚，使其沖擊強(qiáng)度大幅度提高。因ABS具有多相結(jié)構(gòu)，枝化的聚丁二烯相當(dāng)于橡膠微粒分散在連續(xù)的塑料相中，相當(dāng)于大量的應(yīng)力集中物，當(dāng)材料受到?jīng)_擊時(shí)，它們可以引發(fā)大量的裂紋，從而能吸收大量的沖擊能，所以沖擊性能好。（6）聚乙烯：由于聚乙烯鏈節(jié)結(jié)構(gòu)極為規(guī)整和對(duì)稱，體積又小，所以聚乙烯非常容易結(jié)晶，而且結(jié)晶度比較高。由于結(jié)晶限制了鏈段的運(yùn)動(dòng)，使之柔性不能表現(xiàn)出來(lái)，所以沖擊性能不好。高壓聚乙烯由于支化多，破

12、壞了鏈的規(guī)整性，結(jié)晶度低些，沖擊性能稍好些。第四部分 力學(xué)性質(zhì)（計(jì)算題）1.一橡膠試樣在25，應(yīng)力為1.5×106N/時(shí)的伸長(zhǎng)比為2.5，試計(jì)算：（1）每立方厘米中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目，假定橡膠為理想網(wǎng)絡(luò)；（2）在25伸長(zhǎng)比為1.5時(shí)所需的應(yīng)力；（3）在100伸長(zhǎng)比為2.5時(shí)所需的應(yīng)力。解：橡膠的狀態(tài)方程為（1）已知T25298.15K，1.5*106N/m2，2.5（2）當(dāng)T25298.15K，1.5時(shí)6.76*105N/m2(3)當(dāng)T100373.15K，2.5時(shí)1.88*106N/m22. 已知丁苯橡膠未交聯(lián)時(shí)數(shù)均分子量=3×104, 交聯(lián)后當(dāng)=104時(shí),問(wèn)在低拉伸倍率（）下的

13、楊氏模量為多大? 又當(dāng)=5×103時(shí)楊氏模量為多大? 設(shè)拉伸均在298K下進(jìn)行, 此時(shí)SBR的密度.解: 由拉伸(楊氏)模量由題意低拉伸率下,即即 3.一交聯(lián)橡膠試片，長(zhǎng)2.8cm，寬1.0cm，厚0.2cm，重0.518g，于25時(shí)將它拉伸一倍，測(cè)定張力為1.0公斤，估算試樣的網(wǎng)鏈的平均相對(duì)分子質(zhì)量。解：由橡膠狀態(tài)方程 (或通過(guò)牛頓轉(zhuǎn)化得來(lái))4.將某種硫化天然橡膠在300K進(jìn)行拉伸，當(dāng)伸長(zhǎng)一倍時(shí)的拉力為7.25×105N·m-2，拉伸過(guò)程中試樣的泊松比為0.5，根據(jù)橡膠彈性理論計(jì)算： (1)10-6m3體積中的網(wǎng)鏈數(shù)N; (2)初始彈性模量E0和剪切模量G0 ;

14、 (3)拉伸時(shí)每10-6m3體積的試樣放出的熱量?解：（1）根據(jù)橡膠狀態(tài)方程已知玻茲曼常數(shù) ， =1×1026 個(gè)網(wǎng)鏈/m3（2）剪切模量 （3）拉伸模量 0.5 （4）， 代入N，k，T，的數(shù)值，得 （負(fù)值表明為放熱）5.一塊理想彈性體，其密度為9.5×102 kg·cm-3，起始平均相對(duì)分子質(zhì)量為105，交聯(lián)后網(wǎng)鏈相對(duì)分子質(zhì)量為5×103，若無(wú)其它交聯(lián)缺陷，只考慮鏈末端校正試計(jì)算它在室溫(300K)時(shí)的剪切模量。解：6.某硫化橡膠的摩爾質(zhì)量5000 g/mol，密度=103kg·m-3現(xiàn)于300K拉伸一倍時(shí)，求： (1)回縮應(yīng)力 ? (2)

15、彈性模量E 。解：已知 （1） （2）7. 聚異丁烯的應(yīng)力松弛模量,在25和測(cè)量時(shí)間為1h下是3×105N·m-2.試用時(shí)-溫等效轉(zhuǎn)換曲線估計(jì):(1)在-80和測(cè)量時(shí)間為1h的應(yīng)力松弛模量為多少;(2)在什么溫度下,使測(cè)定時(shí)間為10-6h, 與-80測(cè)量時(shí)間為1h,所得到的模量值相同?解:由PIB的時(shí)-溫等效轉(zhuǎn)換曲線(如圖所示)(1)由圖中曲線查得,在-80和測(cè)量時(shí)間為1h下,logE(t)=9,即E(t)=109 N·m-2(2)已知PIB的Tg=-75,應(yīng)用WLF方程和題意, 由題意,在10-6h測(cè)得同樣的E(t)的溫度為T,兩種情況下有相同的移動(dòng)因子,8.對(duì)聚異丁烯(PIB)在2510小時(shí)的應(yīng)力松弛達(dá)到模量106達(dá)因厘米-2利用WLF方程，求在20下要達(dá)到相同的模量需要多少時(shí)間（已知PIBTg=70）解：思路分析：25 Tg（70） 20 10h ？（通過(guò)） ？（求） 第二種方法：其他作法分析：從書上查得PIB的，代入WLF方程計(jì)算得。結(jié)果出現(xiàn)差別的原因是這里和采用了PIB的實(shí)驗(yàn)值，而非普適