黏度法測定高聚物相對分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)條件初探

肖文敏，趙　陽，武可書，郭　波，陳國華，趙涵宇，尹　亮

（赤峰學(xué)院　化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古　赤峰　024000）

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黏度法測定高聚物相對分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)條件初探

肖文敏，趙陽，武可書，郭波，陳國華，趙涵宇，尹亮

（赤峰學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

摘要：黏度法測定高聚物相對分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)條件的選擇，對該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，本文討論了溫度、聚合度以及不同廠家產(chǎn)品對該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的影響.

關(guān)鍵詞：黏度；高聚物；溫度

在高聚物的研究中，相對分子質(zhì)量是不可缺少的重要數(shù)據(jù).因?yàn)樗粌H反映了高聚物分子的大小，并且直接關(guān)系到高聚物的物理性能.與一般的無機(jī)物或低分子的有機(jī)物不同，高聚物多是相對分子質(zhì)量不等的混合物，因此通常測得的相對分子質(zhì)量是一個(gè)平均值.高聚物相對分子質(zhì)量的測定方法很多，比較起來，黏度法設(shè)備簡單，操作方便，并有很好的實(shí)驗(yàn)精度，是常用的方法之一[1-6].該實(shí)驗(yàn)也是化學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中必做的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，根據(jù)近幾年學(xué)生用黏度法測定高聚物相對分子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，誤差都相對較大.本文通過對不同實(shí)驗(yàn)溫度，聚合度不同的高聚物以及不同生產(chǎn)廠家高聚物的相對分子質(zhì)量的測定，尋找出誤差來源，以其對黏度法測定高聚物相對分子質(zhì)量的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所幫助.

1　實(shí)驗(yàn)原理[4,5]

高聚物溶液的特點(diǎn)是黏度特別大，原因在于其分子鏈長度遠(yuǎn)大于溶劑分子，加上溶劑化作用，使其在流動時(shí)受到較大的內(nèi)摩擦阻力.黏性液體在流動過程中所受阻力的大小可用黏度系數(shù)η(簡稱黏度)來表示(kg·m-1·s-1).純?nèi)軇ざ确从沉巳軇┓肿娱g的內(nèi)摩擦力，記作η0，高聚物溶液的黏度則是高聚物分子間的內(nèi)摩擦、高聚物分子與溶劑分子間的內(nèi)摩擦以及η0三者之和.在相同溫度下，通常η>η0，相對于溶劑，溶液黏度增加的分?jǐn)?shù)稱為增比黏度，記作ηsp，即

而溶液黏度與純?nèi)軇ざ鹊谋戎捣Q作相對黏度，記作ηr，即

ηr反映的也是溶液的黏度行為，而ηsp則意味著已扣除了溶劑分子間的內(nèi)摩擦效應(yīng)，僅反映了高聚物分子與溶劑分子間和高聚物分子間的內(nèi)摩擦效應(yīng).

高聚物溶液的增比黏度ηsp往往隨質(zhì)量濃度c的增加而增加.為了便于比較，將單位濃度下所顯示的增比黏度ηsp／c稱為比濃黏度，而lnηr／c則稱為比濃對數(shù)黏度.當(dāng)溶液無限稀釋時(shí)，高聚物分子彼此相隔甚遠(yuǎn)，它們的相互作用可以忽略，此時(shí)關(guān)系式為：

[η]稱為特性黏度，它反映的是無限稀釋溶液中高聚物分子與溶劑分子間的內(nèi)摩擦，其值取決于溶劑的性質(zhì)及高聚物分子的大小和形態(tài).由于ηr和ηsp均是無因次量，所以他們的單位是濃度c單位的倒數(shù).

特性黏度與高聚物相對分子質(zhì)量的關(guān)系為：

對于高分子溶液的黏度測定，以毛細(xì)管黏度計(jì)最為方便.液體在毛細(xì)管中因自身重力作用而向下流動時(shí)的關(guān)系式為：

第二項(xiàng)代表重力的一部分轉(zhuǎn)化成了流出液體的動能，稱為“動能修正項(xiàng)”.

式中，ρ0、t0分別表示純?nèi)軇┑拿芏群土鞒鰰r(shí)間.當(dāng)毛細(xì)管太粗，使溶劑流出時(shí)間小于l00s，或者溶劑的比密黏度(η/ρ)太小時(shí)，必須考慮動能修正項(xiàng).因?yàn)樗鶞y高分子溶液的濃度通常很稀(c<0. 01g/mL)，溶液的密度與溶劑的密度近似相等(ρ≈ρ0)，所以可以簡化為:

“一點(diǎn)法”求特性黏度.對于一般的線型柔性高分子-良溶劑體系，k'≈0.3~0.4,k'+β≈1/2聯(lián)立式可得到一個(gè)“一點(diǎn)法”計(jì)算特性黏度的公式：

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

烏式黏度計(jì)（1支）分析天平（1臺）吸耳球（2個(gè)）；

恒溫水浴裝置(包括玻璃缸、攪拌器、加熱器) （1套）；

玻璃儀器氣流烘干器(1臺)；

秒表(最小讀數(shù)精度至少0.2s)(1塊)；

容量瓶(25mL)(1個(gè))夾子(固定黏度計(jì)用)(1 個(gè))；

量筒(1個(gè))彈簧夾(夾乳膠管用)(2個(gè))；

聚乙二醇200（進(jìn)口AR）聚乙二醇200（國產(chǎn)AR）聚乙二醇2000（國產(chǎn)AR）（各1瓶）.

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

1.清洗儀器

將黏度計(jì)用洗液、自來水和蒸餾水洗干凈，特別注意毛細(xì)管部分，用乙醇潤洗，然后烘干備用.

2.配制聚乙二醇溶液

準(zhǔn)確稱量聚乙二醇固體，放入燒杯中，在25ml容量瓶中配成水溶液.配溶液時(shí)，要先加入溶劑至容量瓶的2/3處，待其全部溶解后恒溫10min，再用同溫度的蒸餾水稀釋至刻度.

3.恒溫

打開恒溫槽，設(shè)定溫度為實(shí)驗(yàn)溫度.

4.溶劑流出時(shí)間t0的測定

用彈簧夾夾住C管上的乳膠管使之不通氣，用吸耳球從B管的管口將A管下部大球中的液體通過毛細(xì)管吸入上方的球體中，當(dāng)液面到達(dá)a線上方球體中的一半時(shí)停止吸液，拿開吸耳球后迅速打開C管上的乳膠管夾,讓空氣進(jìn)入D球，同時(shí)水平地注視B管中的液面下降，用秒表準(zhǔn)確記錄液面流經(jīng)a、b兩條刻線之間的時(shí)間,即為溶劑的流出時(shí)間.重復(fù)上述操作3次，3次的平行數(shù)據(jù)相差不超過0.2秒,取其平均值作為to值.

5.將烘干的黏度計(jì)重新裝入恒溫水浴中，用移液管移取10ml已經(jīng)恒溫的聚乙二醇溶液從A管注入黏度計(jì)中，用與第4步驟中同樣的方法測定該初始濃度(co)下溶液的流出時(shí)間三次，取其平均值作為t.

6.全部測定完畢后，將黏度計(jì)中的溶液倒入回收瓶中，用溶劑吸洗3次,然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，最后倒掛涼干.

7.關(guān)閉恒溫水浴裝置的電源.整理好其他實(shí)驗(yàn)用品.

3　結(jié)果與討論

表1，2分別列出了實(shí)驗(yàn)溫度為30°、35°測定的的聚乙二醇200（進(jìn)口）、聚乙二醇200（國產(chǎn)）以及聚乙二醇2000這三個(gè)樣品的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 3.1溫度對高聚物質(zhì)量測定的影響

本實(shí)驗(yàn)分別測定了三種樣品在30℃以及35℃恒溫條件下的相對平均分子質(zhì)量，由表3可知，聚乙二醇200（進(jìn)口）的值在30°時(shí)，相對誤差為0.1%；在35°時(shí)，相對誤差為1.9%，都相對較小，30°時(shí)是其最佳實(shí)驗(yàn)溫度.聚乙二醇200（國產(chǎn)）的η值在30°時(shí)相對誤差為5.9%，在35°時(shí)相對誤差為0.7%，35°時(shí)是其最佳實(shí)驗(yàn)溫度，聚乙二醇2000的η值在30°時(shí)相對誤差為3.5%，在35°時(shí)相對誤差為3.7%，該樣品在這兩個(gè)溫度下測得的的η值的相對誤差相近，30°時(shí)是負(fù)偏差，35°時(shí)是正偏差.最佳實(shí)驗(yàn)溫度30°相對適宜一些.

表1 30℃時(shí)，三種樣品不同濃度溶液的流出時(shí)間，平均流出時(shí)間t（s），相對黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相對分子量（g/mol）

表1 30℃時(shí)，三種樣品不同濃度溶液的流出時(shí)間，平均流出時(shí)間t（s），相對黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相對分子量（g/mol）

實(shí)驗(yàn)溫度30℃　溶劑水聚乙二醇200（進(jìn)口）聚乙二醇200（國產(chǎn)）聚乙二醇2000濃度(×10-2g/ml)　 0　 4　4　 0.5流出時(shí)間（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平均流出時(shí)間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℃時(shí)，三種樣品不同濃度溶液的流出時(shí)間，平均流出時(shí)間t（s），相對黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相對分子量η（g/mol）

表2 35℃時(shí)，三種樣品不同濃度溶液的流出時(shí)間，平均流出時(shí)間t（s），相對黏度ηr，增比黏度ηSP，lnηr黏均相對分子量η（g/mol）

實(shí)驗(yàn)溫度35℃　溶劑水聚乙二醇200（進(jìn)口）聚乙二醇200（國產(chǎn)）聚乙二醇2000濃度(×10-2g/ml)　 0　 4　4　 0.5流出時(shí)間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平均流出時(shí)間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

表3不同溫度下測定的三種樣品的相對分子質(zhì)量及相對誤差

3.2不同廠家產(chǎn)品對高聚物質(zhì)量測定的影響

3.3聚合度對高聚物質(zhì)量測定的影響

4　結(jié)論

本文通過黏度法對不同實(shí)驗(yàn)溫度，聚合度不同的高聚物以及不同生產(chǎn)廠家高聚物的相對分子質(zhì)量的測定，得出如下結(jié)論：

(1)聚乙二醇200（進(jìn)口）樣品的最佳實(shí)驗(yàn)溫度是30°,聚乙二醇200（國產(chǎn)）其最佳實(shí)驗(yàn)溫度是35°，聚乙二醇2000的實(shí)驗(yàn)溫度為30°時(shí)更好一些.

(2)溫度為30°時(shí)進(jìn)口樣品的實(shí)驗(yàn)精確度高一些，升高實(shí)驗(yàn)溫度國產(chǎn)樣品的精確度更好.

(3)實(shí)驗(yàn)溫度30°時(shí)，樣品聚合度越大相對誤差越小，在35°時(shí)規(guī)律相反聚合度越大誤差越大.

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：赤峰學(xué)院教務(wù)處實(shí)踐創(chuàng)新教育項(xiàng)目(1402349)

收稿日期：2015年11月19日

中圖分類號：0642.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）02-0008-03