实验三 粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量

张文佳 2004011823 分4（同组实验者：吴博坤） 实验日期：2007-4-19，提交报告日期：2007-4-26

带实验的老师姓名： 庄则栋

1 引言 1.1实验目的

1．掌握粘度法测定聚合物分子量的基本原理。

2．掌握用乌氏粘度计测定高聚物稀溶液粘度的实验技术及数据处理方法。

1.2实验原理

单体分子经加聚或缩聚过程便可合成高聚物。高聚物的分子量具有以下特点：一是分子

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量一般在10～10之间，比低分子大的多，二是除了有限几种蛋白质高分子以外，无论是天然还是合成的高聚物，分子量都是不均一的，也就是说高聚物的分子量只有统计意义。高聚物溶液由于其分子链长度远大于溶剂分子，液体分子有流动或有相对运动时，会产生内摩擦阻力。内摩擦阻力越大，表现出来的粘度就越大，而且与聚合物的结构、溶液浓度、溶剂性质、温度以及压力等因素有关。聚合物溶液粘度的变化，一般采用下列有关的粘度量进行描述。

1． 粘度比（相对粘度）用?r表示。如果纯溶剂的粘度为?0，相同温度下溶液的粘度

为?，则

?r=? (1－1) ?02． 粘度相对增量（增比粘度）用?sp表示。是相对于溶剂来说，溶液粘度增加的分数

?sp=?-?0=?r-1 (1－2) ?0?sp与溶液浓度有关，一般随质量浓度C的增加而增加。

3． 粘数（比浓粘度）对高分子聚合物溶液，粘度相对增量往往随溶液浓度的增加而增

大，因此常用其与浓度C之比来表示溶液的粘度，称为粘数，即

?sp?r-1c=c (1－3)

4． 对数粘数（比浓对数粘度）是粘度比的自然对数与浓度之比，即

ln?rln(1+?sp)= (1－4) cc单位为浓度的倒数，常用ml/g表示。

／c或对数粘数ln?／5． 极限粘度(特性粘度)定义为粘数?sprc在无限稀释时的外推

值，用［?］表示，即

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1

［?］＝limc?0?spc＝limln?r (1-5)

c?0c［?］称为极限粘数，又称特性粘数，其值与浓度无关，量纲是浓度的倒数。

实验证明，对于指定的聚合物在给定的溶剂和温度下，［?］的数值仅由试样的摩尔质量M? 所决定。［?］与高聚物摩尔质量之间的关系，通常用带有两个参数的Mark—Houwink经验方程式来表示：即

?[?]?K?M?? (1-6)

式中：K――比例常数；

?――扩张因子，与溶液中聚合物分子的形态有关； M?――粘均摩尔质量

K 、?与温度、聚合物的种类和溶剂性质有关，K值受温度影响较大，而?值主要取决于高分子线团在溶剂中舒展的程度，一般介于0.5～1.0之间。在一定温度时，对给定的聚合物－溶剂体系，一定的分子量范围内K 、?为一常数，［?］只与摩尔质量大小有关。K 、

?值可从有关手册中查到（附录），或采用几个标准样品根据式(1-6)进行确定，标准样品

的摩尔质量可由绝对方法（如渗透压和光散射法等）确定。 在一定温度下，聚合物溶液粘度对浓度有一定的依赖关系。描述溶液粘度与浓度关系的方程式很多，应用较多的有：哈金斯（Huggins）方程

?sp c和克拉默（Kraemer）方程

2＝［?］＋k［?］c

(1-7)

ln?r2＝［?］－［??］cc 对于给指定的聚合物在给定温度和溶剂时，k、其中k称为哈金斯（Huggins）?应是常数，常数。它表示溶液中聚合物之间和聚合物与溶剂分子之间的相互作用，k值一般说来对摩尔

／c对c的图外推得到共同的截距［?］质量并不敏感。用ln?／，如rc对c的图外推和用?sp图1所示：

?spC或ln?rC?spCln?rCC

1 外推法求[η]值?］ 图图 1 外推法求［

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由此可见，用粘度法测定高聚物摩尔质量，关键在于［?］的求得。测定粘度的方法很多，如：落球法、旋转法、毛细管法等。最方便的方法是用毛细管粘度计测定溶液的粘度比。常用的粘度计有乌氏（Ubbelchde）粘度计，如图2所示，其特点是溶液的体积对测量没有影响，所以可以在粘度计内采取逐步稀释的方法得到不同浓度的溶液。

当液体在重力作用下流经毛细管时，遵守Poiseuille定律

??hgr4tV??m (1-8) ?8lV8?lt式中：η为液体的粘度；ρ为液体密度；r为毛细管的半径；g为重力加速度；l为毛细管

的长度；V为流经毛细管液体体积；h为流经毛细管液体的平均液柱高度；t为V体积液体的流出时间；m是与仪器有关的常数，当r/l<1时，可取m＝1。

对于给定的粘度计，令???ghr48lV，??mV，则（1－8）可以改写为 8?L????t? （1－9） ?t式中?＜1,当t＞100s时，等式右边的第二项可以忽略

如溶液的浓度不大(C＜1×10kg·m)，溶液的密度与溶剂的密度可近似地看作相同，即

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???0；t和t0分别为溶液和溶剂在毛细管中的流出时间，则

?r＝?t? (1-10) ?0t0所以只需测定溶液和溶剂在毛细管中的流出时间就可得到?r。

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号

1．实验仪器

乌氏粘度计、恒温槽（要求温度波动不大于±0.05℃）、洗耳球、移液管（5mL,10mL）、秒表、容量瓶（100mL、25ml）、橡皮管、夹子、胶头滴管、铁架台、玻璃砂漏斗、天平； 2．实验药品

聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、去离子水

2.2实验条件

恒温30℃

2.3实验操作步骤及方法要点

图 2 乌氏粘度计 1．调节恒温槽温度至30±0.05℃ 安装好恒温槽各元件后，调节接点温度计温度指示螺母上沿所指温度较指示温度低1～2℃，接通电源，同时开通搅拌，这时红色指示灯亮，表示加热器在工作。当红灯熄灭后，等温度升到最高，观察接点温度计与1／10温度计的差别，按差别大小进一步调节温度计，

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直到达到规定的温度值，这时略为正向或反向调节螺母，即能使红绿灯交替出现。扭紧固定螺钉，固定调节帽位置后，观察绿灯出现后温度计的最高值及红灯出现后的最低值，观察数次至最高和最低示指的平均值与规定温度相差不超过0.1℃为止。 2．配制浓度约为0.02g/ml聚合物溶液(已配好) 3．洗涤粘度计

粘度计和待测液体是否清洁，是决定实验成功的关键之一。如果是新的粘度计,先用洗液洗，再用自来水洗三次，去离子水洗三次，烘干待用。 4．测定溶剂流出时间

将清洁干燥的粘度计垂直安装于恒温槽内，使水面完全浸没小球G。用移液管移取10ml已恒温的去离子水，恒温3分钟，封闭粘度计的支管口C，用吸耳球经橡皮管由毛细管上口A将水抽至最上端小球G的中部时，取下洗耳球，放开支管C，使其中的水自由下流，用眼睛水平注视着正在下降的液面，用秒表准确记录流经E球上刻度a和下刻度b之间的时间，重复3次，误差不得超过0.2秒。 5．测定溶剂流出时间

将清洁干燥的粘度计安装于恒温槽内，用干净的10ml移液管移取已经恒温好的聚合物溶液于粘度计中（注意尽量不要将溶液粘在管壁上），恒温2分钟，按以上步骤测定溶液（浓度1）的流出时间t1。

用移液管依次加入1ml、1ml、2 ml 、2 ml 、5ml、5ml已恒温的去离子水，用向其中鼓泡的方法使溶液混合均匀，准确测量每种浓度溶液的流出时间，每种浓度溶液的测定都不得少于3次，误差不超过0.2秒。 6．粘度计的洗涤

倒出溶液，用去离子水反复洗涤，直到与t0开始相同为止。

3 结果与讨论 3.1 原始实验数据

表 1．恒温槽温度的测定记录

观测项目 温度观测值／℃ 温度平均值／℃ 恒温槽平均温度／℃ 恒温槽温度波动／℃ 表 2．不同浓度下流出时间的记录 加入物质 去离子水 10mLPVP +1mL水 +1ml水 +2ml水 +2ml水 +5ml水 +5ml水 去离子水 精品文档

最高温度 30.00 30.02 30.01 29.99 0.04 30.01 29.98 最低温度 29.96 29.97 29.97 浓度(g/mL) 0 0.02000 0.01818 0.01667 0.01429 0.01250 0.00952 0.00769 0 113.77 165.62 160.79 155.06 149.55 144.89 136.66 131.98 113.68 测定时间(s) 113.66 165.44 159.79 155.38 149.69 144.34 136.86 132.09 113.6 113.68 165.43 160.24 155.99 149.05 144.58 136.82 132.26 113.72 平均时间(s) 113.70 165.50 160.27 155.48 149.43 144.60 136.78 132.11 113.67 4