黏度法测定高聚物相对分子质量实验条件初探

2016-03-22肖文敏武可书陈国华赵涵宇

赤峰学院学报·自然科学版 2016年4期

关键词：高聚物黏度温度

肖文敏，赵　阳，武可书，郭　波，陈国华，赵涵宇，尹　亮

（赤峰学院　化学化工学院，内蒙古　赤峰　024000）

黏度法测定高聚物相对分子质量实验条件初探

肖文敏，赵阳，武可书，郭波，陈国华，赵涵宇，尹亮

（赤峰学院化学化工学院，内蒙古赤峰024000）

摘要：黏度法测定高聚物相对分子质量实验是大学物理化学实验中的重要内容，实验条件的选择，对该实验数据的准确度至关重要，本文讨论了温度、聚合度以及不同厂家产品对该实验准确度的影响.

关键词：黏度；高聚物；温度

在高聚物的研究中，相对分子质量是不可缺少的重要数据.因为它不仅反映了高聚物分子的大小，并且直接关系到高聚物的物理性能.与一般的无机物或低分子的有机物不同，高聚物多是相对分子质量不等的混合物，因此通常测得的相对分子质量是一个平均值.高聚物相对分子质量的测定方法很多，比较起来，黏度法设备简单，操作方便，并有很好的实验精度，是常用的方法之一[1-6].该实验也是化学相关专业本科生在物理化学实验中必做的一个重要实验，根据近几年学生用黏度法测定高聚物相对分子质量的实验数据研究发现，误差都相对较大.本文通过对不同实验温度，聚合度不同的高聚物以及不同生产厂家高聚物的相对分子质量的测定，寻找出误差来源，以其对黏度法测定高聚物相对分子质量的理论及实验教学有所帮助.

1　实验原理[4,5]

高聚物溶液的特点是黏度特别大，原因在于其分子链长度远大于溶剂分子，加上溶剂化作用，使其在流动时受到较大的内摩擦阻力.黏性液体在流动过程中所受阻力的大小可用黏度系数η(简称黏度)来表示(kg·m-1·s-1).纯溶剂黏度反映了溶剂分子间的内摩擦力，记作η0，高聚物溶液的黏度则是高聚物分子间的内摩擦、高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦以及η0三者之和.在相同温度下，通常η>η0，相对于溶剂，溶液黏度增加的分数称为增比黏度，记作ηsp，即

而溶液黏度与纯溶剂黏度的比值称作相对黏度，记作ηr，即

ηr反映的也是溶液的黏度行为，而ηsp则意味着已扣除了溶剂分子间的内摩擦效应，仅反映了高聚物分子与溶剂分子间和高聚物分子间的内摩擦效应.

高聚物溶液的增比黏度ηsp往往随质量浓度c的增加而增加.为了便于比较，将单位浓度下所显示的增比黏度ηsp／c称为比浓黏度，而lnηr／c则称为比浓对数黏度.当溶液无限稀释时，高聚物分子彼此相隔甚远，它们的相互作用可以忽略，此时关系式为：

[η]称为特性黏度，它反映的是无限稀释溶液中高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦，其值取决于溶剂的性质及高聚物分子的大小和形态.由于ηr和ηsp均是无因次量，所以他们的单位是浓度c单位的倒数.

特性黏度与高聚物相对分子质量的关系为：

对于高分子溶液的黏度测定，以毛细管黏度计最为方便.液体在毛细管中因自身重力作用而向下流动时的关系式为：

第二项代表重力的一部分转化成了流出液体的动能，称为“动能修正项”.

式中，ρ0、t0分别表示纯溶剂的密度和流出时间.当毛细管太粗，使溶剂流出时间小于l00s，或者溶剂的比密黏度(η/ρ)太小时，必须考虑动能修正项.因为所测高分子溶液的浓度通常很稀(c<0. 01g/mL)，溶液的密度与溶剂的密度近似相等(ρ≈ρ0)，所以可以简化为:

“一点法”求特性黏度.对于一般的线型柔性高分子-良溶剂体系，k'≈0.3~0.4,k'+β≈1/2联立式可得到一个“一点法”计算特性黏度的公式：

2　实验部分

2.1实验仪器及药品

乌式黏度计（1支）分析天平（1台）吸耳球（2个）；

恒温水浴装置(包括玻璃缸、搅拌器、加热器) （1套）；

玻璃仪器气流烘干器(1台)；

秒表(最小读数精度至少0.2s)(1块)；

容量瓶(25mL)(1个)夹子(固定黏度计用)(1 个)；

量筒(1个)弹簧夹(夹乳胶管用)(2个)；

聚乙二醇200（进口AR）聚乙二醇200（国产AR）聚乙二醇2000（国产AR）（各1瓶）.

2.2实验步骤

1.清洗仪器

将黏度计用洗液、自来水和蒸馏水洗干净，特别注意毛细管部分，用乙醇润洗，然后烘干备用.

2.配制聚乙二醇溶液

准确称量聚乙二醇固体，放入烧杯中，在25ml容量瓶中配成水溶液.配溶液时，要先加入溶剂至容量瓶的2/3处，待其全部溶解后恒温10min，再用同温度的蒸馏水稀释至刻度.

3.恒温

打开恒温槽，设定温度为实验温度.

4.溶剂流出时间t0的测定

用弹簧夹夹住C管上的乳胶管使之不通气，用吸耳球从B管的管口将A管下部大球中的液体通过毛细管吸入上方的球体中，当液面到达a线上方球体中的一半时停止吸液，拿开吸耳球后迅速打开C管上的乳胶管夹,让空气进入D球，同时水平地注视B管中的液面下降，用秒表准确记录液面流经a、b两条刻线之间的时间,即为溶剂的流出时间.重复上述操作3次，3次的平行数据相差不超过0.2秒,取其平均值作为to值.

5.将烘干的黏度计重新装入恒温水浴中，用移液管移取10ml已经恒温的聚乙二醇溶液从A管注入黏度计中，用与第4步骤中同样的方法测定该初始浓度(co)下溶液的流出时间三次，取其平均值作为t.

6.全部测定完毕后，将黏度计中的溶液倒入回收瓶中，用溶剂吸洗3次,然后用吹风机吹干，最后倒挂凉干.

7.关闭恒温水浴装置的电源.整理好其他实验用品.

3　结果与讨论

表1，2分别列出了实验温度为30°、35°测定的的聚乙二醇200（进口）、聚乙二醇200（国产）以及聚乙二醇2000这三个样品的相关实验数据. 3.1温度对高聚物质量测定的影响

本实验分别测定了三种样品在30℃以及35℃恒温条件下的相对平均分子质量，由表3可知，聚乙二醇200（进口）的值在30°时，相对误差为0.1%；在35°时，相对误差为1.9%，都相对较小，30°时是其最佳实验温度.聚乙二醇200（国产）的η值在30°时相对误差为5.9%，在35°时相对误差为0.7%，35°时是其最佳实验温度，聚乙二醇2000的η值在30°时相对误差为3.5%，在35°时相对误差为3.7%，该样品在这两个温度下测得的的η值的相对误差相近，30°时是负偏差，35°时是正偏差.最佳实验温度30°相对适宜一些.

表1 30℃时，三种样品不同浓度溶液的流出时间，平均流出时间t（s），相对黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相对分子量（g/mol）

实验温度30℃　溶剂水聚乙二醇200（进口）聚乙二醇200（国产）聚乙二醇2000浓度(×10-2g/ml)　 0　 4　4　 0.5流出时间（s）1　 77.9　 138.5　 135.5　 120.3 2　 77.9.　 138.7　 135.7　 120.4 3　 77.9　 138.9　 135..6　 120.4平均流出时间t（s）　77.9　 138.7　 135.6　 120.4 ηr　1　 1.7805　 1.7407　 1.544 ηSP　0　 0.7805　 0.7407　 0.544 lnηr　0　 0.5769　 0.5543　 0.4344 Mη（g/mol）-　 9590　 9063　 92669

表2 35℃时，三种样品不同浓度溶液的流出时间，平均流出时间t（s），相对黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相对分子量η（g/mol）

实验温度35℃　溶剂水聚乙二醇200（进口）聚乙二醇200（国产）聚乙二醇2000浓度(×10-2g/ml)　 0　 4　4　 0.5流出时间t（s）1　 74.82　 116.49　 115.51　 87.63 2　 74.60　 116.50　 115.56　 87.73 3　 74.69　 116.45　 115.50　 87.72平均流出时间t（s）　74.70　 116.48　 115.52　 93.0 ηr　1　 1.559　 1.546　 1.06 ηSP　0　 0.559　 0.546　 0.18 lnηr　0　 0.442　 0.436　 0.1655 Mη-　 9781　 9534　 99728