《粘度法测定水溶性高聚物粘均摩尔质量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《粘度法测定水溶性高聚物粘均摩尔质量（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验 18 粘度法测定水溶性高聚物粘均摩尔质量1 引言11 实验目的1掌握粘度法测定聚合物摩尔质量的基本原理。2测定聚乙烯基吡咯烷酮的粘均摩尔质量12 实验原理单体分子经加聚或缩聚过程便可合成高聚物。高聚物的摩尔质量具有以下特点：一是摩尔质量一般在 10310 7 之间，比低分子大的多，二是除了几种有限蛋白质高分子以外，无论是天然还是合成的高聚物，摩尔质量都是不均一的，也就是说高聚物的摩尔质量只有统计意义。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
2、。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 表示。如果纯溶剂的粘度为 ，相同温度下溶液的粘度r0为 ，则(11)r0=（2） 粘度相对增量（增比粘度）用 表示。是相对于溶剂来说，溶液粘度增加的分sp数(12)0spr-=1与溶液浓度有关，一般随质量浓度 C 的增加而增加。sp（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(13)spr-1=c（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 (14)sprln(1+)=c单位为浓度的倒数，常用
3、 mL/g 表示。（5）极限粘度(特性粘度)定义为粘数 或对数粘数 在无限稀释时的外推值，sp rlnc用 表示，即(1-5)sprc0c0llimi 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， 的数值仅由试样的粘均摩尔质量 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M的 MarkHouwink 经验方程式来表示：即KM(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；粘均摩尔质量MK 、 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，
4、一般介于 0.51.0 之间。在一定温度时，对给定的聚合物溶剂体系，一定的粘均摩尔质量范围内 K 、 为一常数， 只与粘均摩尔质量大小有关。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，标准样品的粘均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(1-7)=+2和克拉默（Kraemer）方程2rlncc 对于指定的聚合物在给定温度和溶剂时，k、 应是常数，其中 k 称为哈金斯（Huggins）常数。它表示溶液中聚合物之间和
5、聚合物与溶剂分子之间的相互作用，k 值一般说来对摩尔质量并不敏感。用 对 c 的图外推和用 对 c 的图外推得到rln sp共同的截距 ，如图 2-18-1 所示：图 2-18-1 外推法求 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 2-18-2 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(1-8)48hgrtVm
6、llt式中： 为液体的粘度； 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 时，可取 m1。1对于给定的粘度计，令 ， ，则（18）可以改写为48ghrlVmL（19）t式中 1,当 t100 s 时，等式右边的第二项可以忽略如溶液的浓度不大(小于 110 kgm-3)，溶液的密度与溶剂的密度可近似地看作相同，即；t 和 t0分别为溶液和溶剂在毛细管中的流出时间，则0(1-10)=0=0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 。r2 实
7、验操作2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图2.1.2 实验药品聚乙烯基吡咯烷酮（PVP） 、去离子水2.1.3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（1 mL，2 mL，5 mL，10 mL） 、秒表、容量瓶（100 mL、25 mL） 、橡皮管、夹子、胶头滴管、铁架台、玻璃砂漏斗、天平2.1. 测试装置示意图见右2.2 实验条件（实验温度、湿度、压力等）室温，通常湿度，常压下 图 2 乌氏粘度计2.3 实验操作步骤 1 调节恒温槽温度至 300.05 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 12 ，接通电源，同时开通
8、搅拌，这时绿色指示灯亮，表示加热器在工作。当绿灯熄灭后，等温度升到最高，观察接点温度计与 110 温度计的差别，按差别大小进一步调节温度计，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，观察红灯出现后温度计的最高值及绿灯出现后的最低值，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 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
9、10 mL 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 B 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 10 mL 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 1 mL、1 mL、1 mL 、1 mL 、
10、1 mL 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，测试一组去离子水流出时间，直到与 t0开始相同为止。3 结果与讨论3.1 原始实验数据3.1.1 恒温槽温度测定观测项目 最高温度 最低温度温度观测值 3001 30.01 30.01 30.00 30.00 30.00温度平均值 30.01 30.00恒温槽平均温度 30.01恒温槽温度波动 0.013.2.2 实验数据测定3.2.2 实验数据测定流出时间的测定PVP 溶液浓度（g/mL） 第
11、一次流出时间 / s 第二次流出时间 / s 平均时间 / s0 108.47 108.63 108.550.02 158.34 158.44 158.390.0182 153.07 153.23 153.150.0167 148.45 148.35 148.40.0154 144.63 144.7 144.6650.0143 141.77 141.73 141.750.0133 139.41 139.48 139.4450（重测纯水） 108.33最后一组数据为了验证粘度计已经清洗干净。3.2 计算的数据、结果3.2.1 数据计算PVP 溶液浓度 =0 =1 0 1 0 0 00.02 1.
12、45914 0.45914 18.8925 22.95720.0182 1.41087 0.41087 18.9333 22.60010.0167 1.36711 0.36711 18.7617 22.02630.0154 1.33270 0.33270 18.6742 21.63220.0143 1.30585 0.30585 18.6742 21.40310.0133 1.28462 0.28462 18.7891 21.35153.2.2 图像绘制实验进行到最后一次时，由于液体体积较多，不小心将液体吹出，因此舍去了 0.133 的一组数据。3.2.3 实验结果由上图可以得出 分别为 17
13、.97 和 17.29。因为 30时聚乙烯基吡咯烷酮水体系中，3.3910 2 ，0.59，所以由 MarkHouwink 经验方程式 KM计算出聚乙烯基吡咯烷酮的粘均摩尔质量 为分别为 49570 g/mol 和 38828g/mol。M3.3 讨论分析：3.3.1 实验小结实验时有以下几个问题需要注意：1. 粘度计必须洁净，如毛细管壁上挂有水珠，需用洗液浸泡(洗液经 2砂芯漏斗过滤除去微粒杂质)，但本实验中粘度计经去离子水清洗，再经乙醇清洗后用吹风机吹干，已经比较干净。2.本实验中溶液的稀释是直接在粘度计中进行的，所用溶剂必须先在与溶液所处同一恒温槽中恒温，然后用移液管准确量取并充分混合均
14、匀方可测定。3.测定时粘度计要垂直放置，否则影响结果曲准确性。4.一旦橡皮口松开，就不能再次用吸气球吸液体，会导致液体喷出，所以一旦秒表记录出现问题，必须先把液体吹回 D 中，再夹上橡皮口重复。5.每次加入去离子水后，需要将 E 中液体吹回 D 中，然后从 C 口向里鼓气泡，使液体混合均匀。注意不要将液体吸出或吹出。本次试验最后一次将液体吹出，导致实验数据不准确。3.3.2 实验思考与讨论本次实验中，由于对秒表使用的不熟练，导致出现一些偏差。此外，前几次实验时，由于加完去离子水之前没有从 B 口吹起，导致毛细管中可能残留有少量的液体。4 结论1从测定的不同浓度溶液的流出时间来看，明显高聚物的浓
15、度越高，溶液的粘度也越高，验证了高聚物对粘度的影响性。2. 由实验的最后结果可以看出，本实验所使用的高聚物聚乙烯基吡咯烷酮的分子量大约在 3800050000g/mol 之间。5 参考文献1. 复旦大学等编， 物理化学实验 （第三版） ，北京：高等教育出版社，2004,1402. 朱文涛 编著 物理化学 清华大学出版社3. 何曼君等编， 高分子物理复旦大学出版社。19904. 北京大学化学学院物理化学实验教学组， 物理化学实验 ，北京大学出版社2002,1576、思考题1. 乌氏粘度计和奥氏粘度计有什么区别？各有什么优点？答：奥氏计要求每一测定所取的液体体积相同，乌氏计无此限制。原因是：乌氏计有侧管与大气相通，液体下落时，在大气压一定时， 阻力一定，与流体量无关，即流经 AB 两刻度的时间只与粘度有关；奥氏计流体下落时，与另一管中残留的液体相连，量不同阻力不同，只有固定粘度计中液体总量，在其它条件相同时流经刻度 A、B 的时间才只与时间有关。2. 测量时粘度计倾斜放置会对测定结果有什么影响？答：粘度计放置如
