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1、实验18粘度法测定水溶性高聚物粘均摩尔质量林茜妍2008011908 化82 （同组人：张琬露）实验日期：2011年3月10日提交报告日期：2011年3月11日实验教师：江寅1.引言1.1实验目的掌握粘度法测定聚合物摩尔质量的基本原理；测定聚乙烯基吡咯烷酮的粘均摩尔质量。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。高聚物的摩尔质量具有以下特点：一是摩尔质量一般在103107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
2、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(1-1)（2）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0-2)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(1-3)（4）对数粘数（比浓对数粘
3、度）是粘度比的自然对数与浓度之比，即(1- 4)ln r = ln（1+ sp）cc单位为浓度的倒数，常用ml/g表示。（5）极限粘度（特性粘度）定义为粘数 s/c或对数粘数In /c在无限稀释时的外推 值，用表示，即sPIn 口=lim 一 = lim（1-5）M0 c0 C: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Ct尔质量M 一所决定。与高聚物摩尔质量之间的关系，通常用带有两个参数的MarkHouwink经验方程式来表示：即I礙（i-6）式中：K比例常数；a扩张因子，与溶液中聚合物分子的形态有关；
4、M 粘均摩尔质量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In /c对c的图外推和用 s/c对c的图外推得到共同的截距，如图1所示：图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
5、在重力作用下流经毛细管时，遵守Poiseuille 定律P 8lV It(1-8)式中：n为液体的粘度；p为液体密度；r为毛细管的半径；g为重力加速度；I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，令二 ghr8IVmV，则（1 8）可以改写为8： L(1 9)式中一：v 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（Cv 1 x 10kg m3）,溶液的密度与溶剂的密度可近似地看作相同，即r：0 ； t和t0分别为溶液和溶剂在毛细管中的流出
6、时间，则n tr=（1-10）n0t。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、仪器型号及测试装置示意图乌氏粘度计、恒温槽（要求温度波动不大于 ）.05 C）、洗耳球、移液管（1ml, 2ml, 5mL, 10 mL）、秒表、容量瓶（100mL、25ml）、橡皮管、夹子、胶头滴管、铁架台、玻璃砂漏斗、 天平聚乙烯基吡咯烷酮（PVP、去离子水22实验操作步骤及方法要点1）调节恒温槽温度至 30 0.05 C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12C,接通电源，同时开通搅拌，这时绿色指示灯亮，表示加热器在工作。当绿灯熄灭后
7、， 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，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 C为止。2）配制浓度约为0.02g/ml聚合物溶液准确称取聚乙烯基吡咯烷酮于25ml容量瓶中，加入约20ml去离子水，使其溶解（最好提前一天进行）。将容量瓶放在恒温槽内，用30 C的去离子水稀至刻度，取出混合均匀，用玻璃砂漏斗过滤，再放入恒温槽内恒温待用。3）洗涤粘度计粘度计和待测液体是否清洁，是决
8、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 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E球上刻度a和下刻度b之间的时间，10ml移液管移取已经恒温好的聚合物,恒温2分钟，按以上步骤测定溶液 （浓5ml、5ml已恒温的去离子水，用向其中睛水平注视着正在下降的液面，用秒表准确记录流经 重复3次，误差不得超过 0.2秒。5）测
9、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 溶液于粘度计中（注意尽量不要将溶液粘在管壁上） 度1）的流出时间5。用移液管依次加入 1ml、1ml、2 ml 、2 ml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to开始相同为止。2.3实验注意事项1）粘度计必须洁净，如毛细管壁上挂有水珠，需用洗液浸泡；2）高聚物在溶剂中溶解缓慢，配置溶液时必须保证其完全溶解，否则会影响溶液起始 浓度，而导致结果偏低；3）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
10、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匀方可测定；4）测定时粘度计必须要垂直放置，否则影响结果曲线准确性。3结果与讨论3.1原始实验数据30 C时PVP-水体系：K=,。原溶液浓度：0.02g/mL表1.粘度测定原始数据测定组分累计溶液 体积（mLt1t2t3/s溶剂01z56991/5707117.0310mL原溶液102/ 09 142/-09-20+1ml 水112/ 06 912/厶-06-94+1ml 水122/39632/3951159.57+1ml 水132/36032/35572 /3538155.48+1ml 水142/32792/32512 /326
11、0152.56+1ml 水152/30152/3001150.08+1ml 水162/27982/27752 /2779147.77+1ml 水172/26042/2593145.99【说明】表格中，在累计溶液体积为10ml和11ml时，由于测量时灭有放开支管C,导致数据测试出现错误，应该舍弃。为此，在最后，我们弥补了两组实验，即再增加两次溶液 体积。表格中绿色的数据则是因为前两次测试的时间差值 0.2s而被舍弃。3.2数据处理根据计算出相应测试组溶液的浓度，同时，利用n=一二 r0计算出各组的t0相对粘度等量。表2.粘度测定数据处理累计溶液体积（mLc(g/ml)n rn sp(ln n r
12、)/cn sp/c120.0166671.3634970.36349718.6031421.80979130.0153851.3285480.32854818.4656421.35564140.0142861.3035970.30359718.5589421.25182150.0133331.2824060.28240618.6553621.18047160.01251.2626680.26266818.6581421.01342170.0117651.2474580.24745818.7941621.03392c (g/mL)图2利用完整数据外推求n 利用完整数据作出的曲线如图 2。根据所得
13、的R值，可以发现数据的线性并不好，因而12ml时的数据，再次作图，得外推的效果与真实值偏差将较大。于是，去除掉累计体积为 到图3。这次的线性就比原来好得多。1811T1-0.00500.0050.010.0150.02c (g/mL)图3剔除数据后外推求n 估计n 值为19.8。根据HK M 和K=，最后计算出:八56.75。3.3讨论分析实验现象发现由于操作的失误一一在测量时间时忘了把支管C打开，导致我们组的前两组溶液数据作废。但是，从这两组数据中我们却发现了， 在关闭支管C的情况下，液体下降的时间比打开支管 C的时间来得短,也就是说下降的速度更快。经过观察和分析，我们发现，若支管C关闭，当
14、溶液从Bt下降, 球室D中是充满溶液的，但 C管直到和D勺接口处中都是空气；而一 旦把C打开，外界气体马上冲入 CW, D室便被腾空了，液面降至下 面的直管处。假设大气压为P0, D与C接口处的气压在C关闭是为P1, 打开时为P2,那么显然P2=P0P1因此，关闭支管 C的时候，液体 的流动除了受重力驱使外，还有上下液面的压力差，从而导致它流得更快。332误差因素及消除方法讨论温度本实验数据处理所用公式中均不含温度项，即温度不直接参与计算，但温度对黏度的影 响是比较显著的，并借此影响实验结果。因为温度升高，分子热运动能量增加，液体中的孔穴也随之增加和膨胀，使流动的阻力减少。 如果实验中恒温槽温度不够
