高分子材料的改性技术及表征方法_方瑞萍
高分子材料的力学性能及表征方法
高分子材料的力学性能及表征方法 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。 采用摆锤式冲击试验机，按一定标准制备样品，在恒定温度、湿度下，用摆锤迅速冲击被测试样，根据摆锤的质量和刚好使试样产生裂痕或破坏时的临界下落高度及被测样品的截面积，按一定公式计算聚合物试样的冲击强度（或冲击韧性单位为J/cm2）。 （4）聚合物单分子链的力学性能。 用原子力显微镜（AFM）。将聚合物样品配成稀溶液，铺展在干净玻璃片上，除去溶剂后得到一吸附在玻璃片上的聚合物薄膜（厚度约90mm）。用原子力显微镜针尖接触、扫描样品膜，由于针间与样品中高分子的相互作用，高分子链将被拉起，记录单个高分子链被拉伸时拉力的变化，直至拉力突然降至为零。可得到若干高分子链被拉伸时的拉伸力和拉伸长度曲线，由此曲线可估算单个高分子链的长度和单个高分子从凝聚态中被拉出时的“抗张强度”。所用仪器 万能材料试验机 摆锤式冲击试验机
聚合物材料表征测试题库
高分子研究方法题库 1 在对聚合物进行各种光谱分析时，红外光谱主要来源于分子振动－转动能级间的跃迁；紫外-可见光谱主要来源于分子的电子能级间的跃迁；核磁共振谱主要来源于置于磁场中的原子核能级间的跃迁，它们实际上都是吸收光谱。 2、SEM 和TEM的三要素是分辨率、放大倍数、衬度。 2、在有机化合物中，解析谱图的三要素为谱峰的位置、形状和强度。 2 苯、乙烯、乙炔、甲醛，其1H化学位移值最大的是甲醛，最小的是乙炔，13C的化学位移值最大的是甲醛最小的是乙炔。 4、紫外光谱主要决定于分子中发色和助色基团的特性，而不是整个分子的特性。 3 差示扫描量热仪分功率补偿型和热流型两种。第107页 4 产生核磁共振的首要条件是核自旋时要有磁距产生。 5 当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子核的这种作用就是屏蔽作用. 6 分子振动可分为伸缩振动，弯曲振动 7 傅里叶红外光声光谱英文简称为FTIR-PAS.P28 8 干涉仪由光源，定镜，分束器，检测器等几个主要部分组成。P19 9 高聚物的力学性能主要是测定材料的强度和模量以及变形. 10 共混物的制样方法有流延薄膜法热压薄膜法溴化钾压片法P11 11 光声探测器和红外光谱技术结合即为红外声光谱技术. P27 12 核磁共振普与红外、紫外一样，实际上都是吸收光谱。红外光谱来源于分子振动-转动能级间的跃迁，紫外-可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的跃迁。[P46] 13 核磁共振谱图上谱峰发生分裂，分裂峰数是由相邻碳原子上的氢数决定的，若分裂峰数为n，则邻碳原子氢数为n-1。 P50 15 红外光谱在聚合物研究中占有十分重要的位置，能对聚合物的化学性质、立体结构、构象、序态、取向等提供定性和定量的信息。P6 16 红外光谱中，波动的几个参数为波长、频率、波数和光速。 17 红外光谱中，在1300~1400cm，基团和频率的对应关系比较明确，这对确定化合物中的官能团很有帮助，称为官能团区． 18 红外活性振动能引起分子偶极矩变化Ｐ８ 19 红外区是电磁总谱中的一部分，波长在0.7~1000之间。 20 红外吸收光谱是直接地反映分子中振动能级的变化；而拉曼光谱是间接地反映分子中振动能级的变化。 21 记录X射线的方法有照相法和计数器法。P68 22 解析谱图三要素为谱峰位置形状和强度P/13 2 在紫外光谱中不同浓度的同一种物质，在某一定波长下的λmax处吸光度A的差异最大.所以测定最灵敏 23 聚合物的一般制样方法主要有流延薄膜法，热压薄膜法，溴化钾压片法 24 拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是：荧光散射。 25 拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级结构有关。P30 26 凝胶渗透色谱对分子链分级的原理是体积排除理论。P96 27 凝胶渗透色谱仪的组成：系统自动进样系统加热恒温系统分离系统检测系统 28 强迫非共振法是研究聚合物粘弹动力学性能有效、普遍、重要的方法。P146 29 斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。P30 30 温度由低到高时，高聚物历经三种状态，即玻璃态，高弹态和粘流态。P2 31 现代热分析是指在程序控温之下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术P105
高分子聚合物的表征方法及常用设备
高分子聚合物的表征方法及常用设备 高分子聚合物的结构形貌分为微观结构形貌和宏观结构形貌。微观结构形貌指的是高分子聚合物在微观尺度上的聚集状态，如晶态，液晶态或无序态（液态），以及晶体尺寸、纳米尺度相分散的均匀程度等。高分子聚合物的的微观结构状态决定了其宏观上的力学、物理性质，并进而限定了其应用场合和范围。宏观结构形貌是指在宏观或亚微观尺度上高分子聚合物表面、断面的形态，以及所含微孔（缺陷）的分布状况。观察固体聚合物表面、断面及内部的微相分离结构，微孔及缺欠的分布，晶体尺寸、性状及分布，以及纳米尺度相分散的均匀程度等形貌特点，将为我们改进聚合物的加工制备条件，共混组份的选择，材料性能的优化提供数据。 高分子聚合物结构形貌的表征方法及设备包括： 1.偏光显微镜（PLM） 利用高分子液晶材料的光学性质特点，可以用偏光显微镜观测不同高分子液晶，由液晶的织构图象定性判断高分子液晶的类型。 2.金相显微镜 金相显微镜可以观测高分子聚合物表面的亚微观结构，确定高分子聚合物内和微小缺陷。体视光学显微镜通常被用于观测高分子聚合物体表面、断面的结构特征，为优化生产过程，进行损伤失效分析提供重要的信息。 3、体视显微镜 使用体视显微镜时需要注意在取样时不得将进一步的损伤引入受观测的样品。使用金相显微镜时，受测样品需要首先在模具中固定，然后用树脂浇铸成圆柱形试样。圆柱的地面为受测面。受测面在打磨、抛光成镜面后放置于金相显微镜上。高分子聚合物亚微观结构形貌的清晰度取决于受测面抛光的质量。 4.X射线衍射 利用X射线的广角或小角度衍射可以获取高分子聚合物的晶态和液晶态组织结构信息。有关内容参见高分子聚合物的晶态和高分子聚合物液晶态栏目。 5.扫描电镜（SEM） 扫描电镜用电子束扫描聚合物表面或断面，在阴极射线管上（CRT）产生被测物表面的影像。对导电性样品，可用导电胶将其粘在铜或铝的样品座上，直接观察测量的表面；对绝缘性样品需要事先对其表面喷镀导电层（金、银或炭）。 用SEM可以观察聚合物表面形态；聚合物多相体系填充体系表面的相分离尺寸及相分离图案形状；聚合物断面的断裂特征；纳米材料断面中纳米尺度分散相的尺寸及均匀程度等有关信息。 6.透射电镜（TEM） 透射电镜可以用来表征聚合物内部结构的形貌。将待测聚合物样品分别用悬浮液法，喷物法，超声波分散法等均匀分散到样品支撑膜表面制膜；或用超薄切片机将高分子聚合物的固态样样品切成50nm薄的试样。把制备好的试样置于透射电子显微镜的样品托架上，用TEM可观察样品的结构。利用TEM可以观测高分子聚合物的晶体结构，形状，
高分子材料成型加工课后部分习题参考答案
2．分别区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”，“简单组分高分子材料”和“复杂组分高分子材料”，并请各举2～3例。 答：通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。通用塑料有：PE，PP，PVC，PS等； 工程塑料：是指拉伸强度大于50MPa，冲击强度大于6kJ/m2 ,长期耐热温度超过100℃的，刚性好、蠕变小、自 润滑、电绝缘、耐腐蚀等，可代替金属用作结构件的塑料。工程塑料有：PA，PET，PBT，POM等； 工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100℃以上，主要运用在工业上”。 热塑性塑料：加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚砜、聚苯醚，氯化聚醚等都是热塑性塑料。(热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动、冷却变硬的过程是物理变化；) 热固性塑料：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。(热固性塑料的树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三维的网状结构，不仅不能再熔触，在溶剂中也不能溶解。)酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯、有机硅等塑料，都是热固性塑料。 简单组分高分子材料：主要由高聚物组成(含量很高，可达95%以上)，加入少量(或不加入)抗氧剂、润滑剂、着色剂等添加剂。如：PE、PP、PTFE。 复杂组分高分子材料：复杂组分塑料则是由合成树脂与多种起不同作用的配合剂组成，如填充剂、增塑剂、稳定剂等组成。如：PF、SPVC。 用天然或合成的聚合物为原料，经过人工加工制造的纤维状物质。可以分类两类 1）人造纤维：又称再生纤维，以天然聚合物为原料，经过人工加工而改性制得。如：粘胶纤维、醋酸纤维、蛋白质纤维等 2）合成纤维：以石油、天然气等为原料，通过人工合成和纺丝的方法制成。如：涤纶、尼龙、腈纶、丙纶、氨纶、维纶等 3．高分子材料成型加工的定义和实质。 高分子材料成型加工是将聚合物(有时还加入各种添加剂、助剂或改性材料等)转变成实用材料或制品的一种工程技术。 大多数情况下，聚合物加工通常包括两个过程:首先使原材料产生变形或流动，并取得所需要的形状，然后设法保持取得的形状(即硬化)，流动-硬化是聚合物工过程的基本程序。 高分子材料加工的本质就是一个定构的过程，也就是使聚合物结构确定，并获得一定性能的过程。 第一章习题与思考题 2．请说出晶态与非晶态聚合物的熔融加工温度范围，并讨论两者作为材料的耐热性好坏。 答：晶态聚合物：Tm～Td；非晶态聚合物：Tf～Td。 对于作为塑料使用的高聚物来说，在不结晶或结晶度低时，最高使用温度是Tg，当结晶度达到40%以上时，晶区互相连接，形成贯穿整个材料的连续相，因此在Tg以上仍不会软化，其最高使用温度可提高到结晶熔点。熔点（Tm）：是晶态高聚物熔融时的温度。表征晶态高聚物耐热性的好坏。 3．为什么聚合物的结晶温度范围是Tg～Tm 答：T>Tm 分子热运动自由能大于内能，难以形成有序结构 T 第2章 有机高分子材料的性能、应用和制备 2.1引论 在前一章中我们集中论述了高分子材料的结构特点和结构模型，在本章中将对高分子材料的特性、应用和制备方法作一个简要的论述。我们首先讨论高分子材料的力学和热机械力学性能。然后再着重讨论制备方法和应用的有关问题。 2.2应力应变性能 有机材料的力学性能描述许多都延续了对金属材料适用的特性参数，如弹性模量、抗拉强度、冲击强度和疲劳强度等，对许多有机高分子材料用简单的拉伸实验就可描述以上这些常用的性能特征。但对绝大多数有机高分子材料而言，它们对延伸速率、温度和环境的化学条件（如水、氧、有机溶剂等）特别敏感。鉴于这样的情况，对有机高分子材料而言，适当改变一下测试手段和测试方法是完全有必要的，特别是对如橡胶这类高聚物。 对高分子聚合物应力-应变曲线有三种类型，如图2.1所示。 图16高分子聚合物应力-应变曲线 图2.1类型的高分子聚合物应力-应变曲线 曲线A 表示的是脆断型的高分子材料应力应变曲线，它只有弹性变形，在弹性区就发生脆断。曲线B 表示的是和金属韧性断裂差不多的断裂方式，这类高分子材料在拉伸初期有一定的弹性变形，然后是屈服和塑性变形，最终断裂。曲线C 所表示的是另一类只是弹性变形的高分子材料，这些类似橡胶弹性（很大的塑性变形量发生在应力不大的区域内）的 10 应变 应力（M P a ） 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C 高分子材料被称为弹性体。 高分子材料在许多性能方面和金属都不一样，比如拿弹性模量来说，高分子材料可低到7Mpa 但对一些刚性好的高分子材料也可高达35000MPa ；而金属的弹性模量的典型值在48000到410000MPa 之间，比高分子材料高很多。高分子材料的最大抗拉强度在240MPa ，而金属约为4100MPa 。金属材料的延伸率一般在100%以下，而高分子材料最大延伸率可达1000%。 表2.1中给出一些常见的高分子材料室温下的有关力学性能。 另外，高分子材料的力学性能对温度十分敏感，图2.2是有机玻璃在不同温度下的拉伸曲线示意图。图中有几点值得注意，随温度增加：（1）弹性模量降低；（2）抗拉强度减低；（3）韧性增强。在4℃下有机玻璃是脆性断裂，然而在60℃是就变成了韧性断裂。 形变速率对力学性能也有很大影响，形变速率越低，则它和温度升高有同样的效应。 表2.1 常用高分子材料的性能 材料 比重 g/cm 3 弹性模量 102MPa 抗拉强度 MPa 断裂延伸率 % 聚乙烯 0.917-0.932 1.7-2.8 9.0-14.5 100-650 聚乙烯 （高密度） 0.952-0.965 10.6-10.9 22-31 10-1200 聚氯乙烯 1.30-1.58 24-41 6.0-7.5 40-80 聚四氟乙烯 2.14-2.20 4.0-5.5 14-34 200-400 聚丙烯 0.90-0.91 11-16 31-41 100-600 聚苯乙烯 1.04-1.05 23-33 36-52 1.0-2.5 有机玻璃 1.17-1.20 22-31 48-76 2-10 酚醛塑料 1.24-1.32 28-48 34-62 1.5-2.0 尼龙66 1.13-1.15 76-83 60-300 聚酯(PET) 1.34-1.39 28-41 59-72 50-300 聚碳酸酯 1.20 24 66 110 对有机高分子材料的变形机制的了解有利于我们对它的力学性能的掌握。在这个问题上，有两个值得注重的模型。其中之一就是半晶态模型，我们将立即在下一节进行讨论。这些材料的强度是主要的考虑因素。另一个模型就是弹性体的特别的力学性能，这将在稍后讨论。 应力（M P a ） 10 0 20 30 40 50 60 70 80 4℃ 20℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 光学高分子材料简述及性能表征 光学高分子材料简述及性能表征 摘要：高分子材料在光学领域得到了广泛的应用，作为大型光学元器件的背投屏幕更是利用先进的高分子材料技术获得了各种优异的性能。简单介绍了背投屏幕的分类、材料和制造工艺，以及光学高分子材料的历史、分类和新的发展，以及主要性能表征。 前言：背投屏幕是背投显示的终端，在很大程度上影响整个光学显示系统的性能。背投屏幕分为背投软质屏幕、背投散射屏幕和背投光学屏幕。背投软质屏幕具备廉价、运输安装方便等优点，但是亮度均匀性比较差、严重的“亮斑效应”、光能利用率低、可视角度小等。分辨率低和对比度低。散射屏幕视角大、增益低、“亮斑效应” 明显。采用不同的工艺制造。有些采用在压克力板材表面进行雾化处理，增加散射。有些应用消眩光玻璃模具复制表面结构，基材内添加光扩散剂及调色剂制造。有些为降低成本直接在透明塑料板材表面粘贴背投软质屏幕制造。现在应用最广泛的就是微结构光学型背投影屏幕。光学型背投影屏幕指的是利用微细光学结构来完成光能 分布、实现屏幕功能的这一类屏幕。主要有FL 型（Fresnel lens-lenticular lenses）、FD型(Frensnel lens-Diffusion cover)、FLD型（Fresnel lens-Lenticular lenses-Diffusion cover）、BS型(Fresnel lens-Lenticular lenses-Black strips)。 微光学结构复制主要采用模压或铸造等复制技术。铸塑又称浇铸，它是参照金属浇铸方法发展而来的。该成型方法是将已准备好的浇铸原料（通常是单体，或经初步聚合或缩聚的浆状聚合物与单体的溶液等）注入一定的模具中，使其发生聚合反应而固化，从而得到与模具型腔相似的制件。这种方法也称为静态铸塑法。静态铸塑技术可用来将电铸镍模具板上的微光学图形转移到塑料表面。铸塑法得到的制件无针眼，无内力应变，无分子取向。重要的是，对于非晶态塑料来说，静态铸塑得到的制件相对于其它工艺一般具有更高的透光率，表现出优越的光学性质。背投光学屏幕属于大尺寸微光学元件，由于体积较大用模压工艺生产存在加工设备复杂、成本高、合格率低的缺点，主要用浇铸工艺来生产。 正文：高分子材料应用于光学领域最早由Arthur Kingston开始，他于1934年取得了注 摘要 本文主要综述了高分子聚合物及其表征方法和检测手段。首先，从不同角度对高分子聚合物进行分类，并对高分子聚合物的结构，生产，性能做了一个简单的介绍。其次，阐述了表征和检测高分子聚合物的常用方法，例如：凝胶渗透色谱、核磁共振（NMR）、红外吸收光谱（IR）、激光拉曼光谱（LR）等。最后，介绍了检测高分子聚合物的常用设备，例如：偏光显微镜、金相显微镜、体视显微镜、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等。 关键词：聚合物；表征方法；检测手段；常用设备 ABSTRACT This paper mainly summarizes the polymer and its detection means.First of all, this paper made a simple introduction of the polymer structure, production performance. Secondly, it describes the detection methods of polymers, such as: gel permeation chromatography, nuclear magnetic resonance (NMR), infrared absorption spectroscopy (IR), laser Raman spectroscopy (LR).Finally, it describes the common equipment used to characterize and detection of polymers, such as: polarizing microscope, metallographic microscope, microscope, X ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy. Key words：Polymer; Characterization; Testing means; common equipment 高分子材料研究方法复习大纲 第一章聚合物材料力学性能测定 1、应力与应变 应变——当材料受到外力作用而它所处的环境又使其不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸就会发生变化，这种变化就称为“应变”。 应力——当材料产生宏观变形时，材料内部分子间或者原子间原来的引力平衡受到了破坏，因而会产生一种附加的内力来抵抗外力、恢复平衡。当到达新的平衡时附加内力和外力大小相等，方向相反。单位面积上的附加内力称为“应力”。 2、弹性模量 弹性模量——在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。是材料刚性的一种表征，代表材料抵抗变形的能力。 3、强度与硬度 材料强度——材料抵抗外力破坏的能力 (1) 拉伸强度——材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张强度。σt = P/bd (2)弯曲强度——材料抵抗弯曲破坏的能力 (3) 冲击强度——材料抵抗冲击载荷破坏的能力，反映材料的韧性指标。 硬度——表征材料表面抵抗外力变形的能力 4应力—应变曲线与屈服 对聚合物进行拉伸试验，以试样的应力值对试样的形变值作图所得到的曲线。通常以应力为纵坐标、应变为横坐标。 屈服点——Y σY：屈服应力 εY：屈服伸长率 断裂点——B σB：断裂应力 εB：断裂伸长率 5拉伸力学性能测试步骤 ?准备试样——做标距、测量尺寸； ?用夹具夹持试样 ?选定试验量程和拉伸速度，进行试验 ?记录试验数据 ?计算试验结果 第二章聚合物分子量与分子量分布测定 1、测定数均分子量的方法有哪些？ 一、端基分析法二、沸点升高法三、渗透压法 2使用端基分析法测定聚合物分子量的条件： 1）聚合物必须是已知化学结构的线型或支链型大分子； 2）大分子链端带有可供定量分析的基团； 3）每个分子链上所含的基团数量是一定的 3端基分析法测定聚合物分子量的程序 1)精确称量出试样重量W； 2)测出重量为W的试样中端基的摩尔数nt； 3) 根据每个大分子链所带有的端基数X，得到试样的摩尔数 4) 计算出聚合物的分子量 4、简述如何用渗透压法测定第二维利系数 5、使用光散射法测定分子量的实验步骤 ?配制4~5个不同浓度的聚合物稀溶液； ?使用LALLS测定纯溶剂和每个溶液的Rθ值； ?使用折光指数仪测定不同浓度溶液的△n，以△n/c对c作图，外推至c 0，得到dn/dc值； ?由dn/dc值计算出k值； ?以kc/Rθ对c作图，得一直线，截距为，斜率为2A2； 6、简述用特性黏数法测定粘均分子量的过程 1.选择适当的毛细管使溶剂的流出大于100s，即可忽略动能修正项； 2.使用稀溶液，使溶液密度与溶质密度相差很小（ρ≈ρo ）； 《高分子材料分析测试与表征》实验教学大纲 课程名称：高分子材料分析测试与表征课程编号：050332024 课程类别：专业基础课课程性质：选修 适用专业：高分子材料与工程 课程总学时：32 实验（上机）计划学时：8 开课单位：材料科学与工程学院 一、大纲编写依据 1.高分子材料与工程专业2017版教学计划； 2. 高分子材料与工程专业《近代材料研究方法》理论教学大纲对实验环节的要求； 3. 近年来《近代材料研究方法》实验教学经验。 二、实验课程地位及相关课程的联系 1.《近代材料研究方法》是高分子材料与工程专业基础课程； 2.本实验项目是《近代材料研究方法》课程知识的运用； 3.本实验项目是理解和运用材料分析检测手段以及对检测结果进行分析标定的基础； 4.本实验以《材料科学基础》、《物理化学》、《大学物理》、《高分子物理》和《高分子 化学》为先修课。 5.本实验对毕业论文等工作具有指导意义。 三、实验目的、性质和任务 1.熟悉X射线衍射仪、紫外可见光分光光度计和热重分析仪 2.能够对X射线衍射图谱进行标定，能够利用粉末衍射卡片对单相物质进行物相鉴 定 3.了解扫描电镜、能谱仪和红外光谱仪的结构 4.通过实际分析，明确扫描电镜、红外光谱仪、紫外可见光分光光度计和热重分析 仪的用途 5.理解X射线衍射、光谱分析和热分析的基本理论，训练运用上述分析手段的基本 技能，掌握科学的实验方法； 6.培养学生观察问题、分析问题和独立解决问题的能力 7.通过设计性实验训练，使学生初步掌握如何根据需要选择合适的检测手段； 8.培养正确记录实验数据和现象，正确处理实验数据和分析实验结果的能力以及正 确书写实验报告的能力。 四、实验基本要求 1.实验项目的选定依据教学计划对学生工程实践能力培养的要求； 2.巩固和加深学生对X射线衍射、扫描电镜、紫外可见光分光光度计和热重分析仪等 基础知识的理解，提高学生综合运用所学知识的能力； 3.实验项目要求学生综合掌握本课程基本知识，并运用相关知识自行设计实验方案； 《药用高分子材料》各章知识点总结第一章高分子材料的基本概念一、什 么是高分子：高分子是指由多种原子以相同的、多次重复的结构单元并主要由共价键1、 106的化合物。连接起来的、通常是相对分子量为104～：能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。即合成聚合物2、单体的起始原料。 ：在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团。即构成大分子链的基本结3、结构单元构单元。 4、单体单元：聚合物中具有与单体相同化学组成而不同电子结构的单元。Repeating unit）,又称链节：聚合物中化学组成和结构均可重复出现的最 5、重复单元（因此重复单元又称为链节。重复单元连接成的线型大分子，类似一条长链，小基本单元；高分子的三种组成情况由 一种结构单元组成的高分子1. -CH-CH-CH-CH-CHCH CHnCH2222聚 体成写 体单CHCH缩结构可以高分子2n 此时：结构单元＝单体单元＝重复单元说明：n 在此等于聚合度。表示重复单元数，也称为链节数, 由聚合度可计算出高分子的分子量：是重复单元的分子量M=n. M0 式中:M M0是高分子的分子量另一种情况：2.-)-CO----NH-(--CHOn H+-)-COOHn HN-(--CH2222n55 单体单元结构单元＝重复单元 ，因为聚合时有小分子生成，所以此时的结构单元比其单体少了些原子（氢原子和氧原子）结构单元不等于单体单元。注意：仅电子排布不同对于聚烯烃类采用加成聚合的高分子结构单元与单体的结构是一致的，开环聚合或者在聚合中存在异构化反应的高分子结构单元与单体的结构不一对于缩聚，致由两种结构单元组成的高分子3. 合成尼龙的特征：-66不能称为所以，且结构单元与单体的组成不尽相同，其重复单元由两种结构单元组成，单体单元。注意：）对于均聚物，即使用一种单体聚合所得的高分子，其结构单元与重复单元是相同的。1（）对于共 医用高分子材料表征方法及原理 医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。 （1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应人体环境对高分子材料主要有以下一些影响： 1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 3)生物酶引起的聚合物分解反应； 4)在体液作用下材料中添加剂的溶出； 5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。 但对医用高分子来说，在某些情况下，“老化”并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极的意义。如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它们有太好的化学稳定性，而是希望它们尽快地被组织所分解、吸收或迅速排出体外。在这种情况下，对材料的附加要求是：在分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。 （2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面,从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。 （3）不会致癌 根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。 当医用高分子材料植入人体后，高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性。 （4）具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国科学家的共同努力。 （5）长期植入体内不会减小机械强度 许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去原有的机械强度。事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能长一些。 一般来说，化学稳定性好的，不含易降解基团的高分子材料，机械稳定也比较好。 高分子材料的力学性能及表征方法 用途 聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。 表征方法及原理 （1）拉伸性能的表征 用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。 （2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。 用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。 （3）冲击性能的表征。 功能高分子结构的表征方法 功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。功能高分子材料从20世纪50年代才初露端倪，到70年代方成为高分子学科的一个分支，目前正处于成长时期。它是在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能而制得的一类高分子。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要。 可见研究功能高分子的结构是非常重要的，现在有很多种研究方法，如：红外光谱法，核磁共振法，热分析法，扫描电镜法，X-射线衍射法，原子力显微镜法，溶解法，透射电镜法等。 红外光谱是检测高分子材料组成与结构的最重要方法之一。红外光谱技术已经广泛地用来鉴别高聚物，定量地分析化学成分，并用来确定构型、构象、支链、端基及结晶度除此之外，高聚物材料中的添加剂、残留单体、填料的鉴定都可以用红外光谱法完成。现在红外光谱技术已成为高分子结构分析最成熟的分析手段之一【1,2,3,】 一般来说，吸收最强的谱带往往对应于其主要基团的吸收，因此是较为特征的，但有时一些不很强的谱带也能够很特征的反映高聚物的某种结构，可以作为鉴定这个高聚物存在的特征谱带。例如图1是PVC 的红外光谱，其主要特征是由于碳链上邻接 氯原子所产生的。它的最强谱带位于1250cm -1，在1340cm -1 也有一条较强谱带。它们都归属于C-H 弯曲振动，由于氯原子直接连接在同一碳原子上，使其吸收强度大大增 《药用高分子材料》各章练习题参考答案 第一章绪论 一、名词解释 1、广义上指的是能将药理活性物质制备成药物制剂的各种添加剂（在药物制剂中经过合理的安全评价的不包括生理有效成分或前体的组分.） 2、具有高分子特征的药用辅料（具有生物相容性、经过安全评价且应用于药物制剂的一类高分子辅料。） 二．填空题 1、高分子特征 2、速度稳定性 3、最基本理论和药剂学中常用的高分子材料的结构物理化学性质性能及用途一般药物制剂控释制剂缓释制剂 4、品种规格的多样化应用的广泛性 三．选择题 1、D 2、C 四．简答题 1、答：( 1 ）高分子材料的一般知识，如命名、分类、化学结构；高分子的合成反应及化学反应（缩聚、加聚、共聚、聚合物的改性与老化）；高分子材料的化学特性和物理、力学性能。 2、答：（1）在药物制剂制备过程中有利于成品的加工；( 2 ）加强药物制剂稳定性，提高生物利用度或病人的顺应性；( 3 ）有助于从外观鉴别药物制剂；( 4 ）增强药物制剂在贮藏或应用时的安全和有效。 3、答（1 ）适宜的载药能力；( 2 ）载药后有适宜的释药能力；( 3 ）无毒、无抗原性，并具有良好的生物相容性。( 4 ）为适应制剂加工成型的要求，还需具备适宜的分子量和物理化学性质。 第二章高分子结构、合成和化学反应 一．名词解释： 1、是研究聚合物合成和反应的一间学科 2、是指由低分子单体合成高分子化合物的化学反应 3、：是指单体经过加成聚合起来的反应，所得产物称之为加聚物，加聚物的元素组成与其单体相同，只是电子结构有所改变，加聚物的分子量是单体分子量的整数倍。 4、是指单体间通过缩合反应，脱去小分子，聚合成高分子的反应，所得产物称之为缩聚物。 5、是指整个聚合反应是由链引发，链增长，链终止等基元反应组成。 6、反映大分子形成过程中的逐步性。反应初期单体很快消失，形成二聚体、三聚体、四聚体等低聚物，随后这些低聚物间进行反应，分子量随反应时间逐步增加 7、聚合物分子链上的原子或基团（包括不饱和键）在本质上与小分子一样，具有相同的反应能力，可进行一系列化学反应，如取代、消除、环化、加成等，这些反应被称为聚合物的化学反应基团反应 8、指高分子链间成键而产生交联结构的化学反应，聚合度变大。 9、指高分子链断裂而发生解聚、无规断裂等化学反应，其聚合度变小。 10、聚合物在使用和保存过程中性能变坏的现象称为老化 二．填空 1、高分子化合物合成和反应 2、低分子单体高分子化合物加聚反应缩聚反应连锁聚合反应逐步聚合反应 药用高分子材料各章知 识点总结 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】 《药用高分子材料》各章知识点总结 第一章 一、 高分子材料的基本概念 1、什么是高分子：高分子是指由多种原子以相同的、多次重复的结构单元并主 要由共价键 连接起来的、通常是相对分子量为104～106的化合物。 2、单 体：能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。即 合成聚合物 的起始原料。 3、结构单元：在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团。即构成大分子 链的基本结 构单元。 4、单体单元：聚合物中具有与单体相同化学组成而不同电子结构的单元。 5、重复单元 （Repeating unit ）,又称链节：聚合物中化学组成和结构均可重 复出现的最 小基本单元；重复单元连接成的线型大分子，类似一条长链，因此重复单元 又称为链节。 高分子的三种组成情况 1.由一种结构单元组成的高分子 聚CH 2 CH CH 2-CH n CH 2 CH n 单体体 此时：结构单元＝单体单元＝重复单元 说明：n 表示重复单元数，也称为链节数, 在此等于聚合度。 由聚合度可计算出高分子的分子量： M=n. M0 式中:M 是高分子的分子量 M0 是重复单元的分子量 2.另一种情况： 结构单元＝重复单元 单体单元 结构单元比其单体少了些原子（氢原子和氧原子），因为聚合时有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。 注意： 对于聚烯烃类采用加成聚合的高分子结构单元与单体的结构是一致的，仅电子排布不同 对于缩聚，开环聚合或者在聚合中存在异构化反应的高分子结构单元与单 体的结构不一致 3.由两种结构单元组成的高分子 合成尼龙-66的特征： 其重复单元由两种结构单元组成，且结构单元与单体的组成不尽相同，所 以，不能称为单体单元。 注意： （1）对于均聚物，即使用一种单体聚合所得的高分子，其结构单元与重复单元是相同的。 n H 2N-(--CH 2-)-COOH --NH-(--CH 2-)-CO--n n H 2O +55 第一章绪论 第二章高分子材料共混改性 1.什么是相容性，以什么作为判断依据？ 是指共混无各组分彼此相互容纳，形成宏观均匀材料的能力，其一般以是否能够产生热力学相互溶解为判据。 2.反应性共混体系的概念以及反应机理是什么？ 是指在不相容或相容性较差的共混体系中加入（或就地形成）反应性高分子材料，在混合过程中（例如挤出过程）与共混高分子材料的官能团之间在相界面上发生反应，使体系相容性得到改善，起到增容剂的作用。 3.高分子材料体系其相态行为有哪几种形式，各自有什么特点，并举例加以说明。 （1）具有上临界混溶温度UCST，超过此温度,体系完全相容,为热力学稳定的均相体系;低于此温度为部分相容,在一定的组成范围内产生相分离。如:天然橡胶-丁苯橡胶。 （2）具有下临界混溶温度LCST，低于此温度,体系完全相容,高于此温度为部分相容。如:聚苯乙烯-聚甲基乙烯基醚、聚己内酯-苯乙烯/丙烯腈共聚物。 （3）同时出现上临界混溶温度UCST和下临界混溶温度LCST，如苯乙烯/丙烯腈共聚物-丁腈橡胶等共混体系。 （4）UCST和LCST相互交叠，形成封闭的两相区 （5）多重UCST和LCST 4.什么是相逆转，它与旋节分离的区别表现在哪些方面？ 相逆转（高分子材料Ａ或高分子材料B从分散相到连续相的转变称为相逆转）也可产生两相并连续的形态结构。 （1）SD起始于均相的、混溶的体系,经过冷却而进入旋节区而产生相分离,相逆转主要是在不混溶共混物体系中形态结构的变化。 （2）SD可发生于任意浓度,而相逆转仅限于较高的浓度范围 （3）SD产生的相畴尺寸微细,而相逆转导致较粗大的相畴, 5.相容性的表征方法有哪些，试举例加以说明。 玻璃化转变法、红外光谱法、差热分析(DTA)、差示扫描量热法(DSC) 膨胀计法、介电松弛法、热重分析、热裂解气相色谱等。 玻璃化转变法：若两种高分子材料组分相容，共混物为均相体系就只有一个玻璃化温度， 高分子材料研究方法练习题 一、选择题 1、可以提高TEM 的衬度的光栏是（B ）。 A ．第二聚光镜光栏； B ．物镜光栏； C ．选区光栏； D ．其它光栏 2、可以消除的像差是（B ）。 A ．球差； B ．像散； C ．色差； D ．A+B 3、电子衍射成像时是将（B ）。 A ．中间镜的物平面与物镜的背焦面重合； B ．中间镜的物平面与物镜的像平面重合； C ．关闭中间镜； D ．关闭物镜 4、选区光栏在TEM 镜筒中的位置是（B ）。 A ．物镜的物平面； B ．物镜的像平面； C ．物镜的背焦面； D ．物镜的前焦面 5、扫描电子显微镜主要是利用聚焦电子束对物质作用产生的（A ）对物质进行微区 形貌分析。 A ．二次电子 B.透射电子 C.俄歇电子 6、红外光谱分析以分析物质的（C ）为主。 A ．化学成分 B.表面微形貌 C.化学键 7、采用溴化钾压片法测定对氨基水杨酸钠红外光谱时，其中1680cm-1、1388cm-1强峰的归属是（D ） A 酚羟基； B 胺基； C 有关物质； D 羧基； E 苯环 8、以下几种结构中，羰基峰的伸缩振动频率（cm -1）由大到小是（B ）R CH 3O R O R OCH 3 O a b c A ．abc B.cba C.bca 9、发生核磁共振吸收的条件是，自旋量子数I （A ） A ．>0 B.<0 C.=0 10、以下哪种方法测得的聚合物平均分子量是重均分子量（B ） A ．膜渗透压法 B.光散射法 C.粘度法 11、以下哪种参数不能通过静态光散射法测得（C ） A ．均方末端距 B.第二维利系数 C.流体力学半径 12、以下哪种方法不能用来测定高聚物的玻璃化转变温度（B ） A ．DSC B.TG C.DMA 13、以下哪种聚合物热稳定最好（PI ）第2章 有机高分子材料的性能、应用和制备
光学高分子材料简述及性能表征
高分子聚合物的主要表征方法
表征与测试
高分子材料分析测试与表征实验大纲
药用高分子材料各章知识点总结
最新医用高分子材料表征方法及原理
高分子材料力学性能
功能高分子结构的表征方法
药用高分子材料各章练习题答案
药用高分子材料各章知识点总结
高分子材料改性(郭静主编)课后习题标准答案(DOC)
高分子材料研究方法