北京理工大学材料物理实验报告-稀溶液粘度法测定聚合物的分子量.docx

实验报告：稀溶液粘度法测定聚合物的分子量一、实验目的1. 了解聚合物分子量的统计平均的意义。2. 理解利用粘度法表征聚合物分子量的基本原理，掌握测定聚合物稀溶液粘度的实验技术和数据处理方法。3. 通过对聚乙二醇-水溶液的粘度测定来表征聚乙二醇的分子量。二、基本原理粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。聚合物溶液的粘度远大于纯溶剂的粘度，这种溶液粘度的增加与聚合物分子量及其在溶剂中的尺寸有关，借助于粘度的测定，不仅可以计算聚合物的分子量，而且可以评价大分子在溶液中的构象。粘度法测定聚合物的分子量是一种比较简单精确的相对方法。在高分子溶液中，我们所感兴趣的不是液体的绝对粘度，而是当高分子进入溶液后所引起的液体粘度的变化。1粘度的定义粘度法测定聚合物分子量时，所用溶液的粘度常以下列几种形式表示： (1) 相对粘度表示溶液的粘度相当于纯溶剂粘度的倍数（4-1）式中： 高聚物溶液粘度；纯溶剂粘度。 (2) 增比粘度表示溶液的粘度比纯溶剂粘度增加的倍数（4-2） (3) 比浓粘度/c表示溶液单位浓度的增加所引起的增比粘度的增大。其单位是浓度的倒数。 (4) 比浓对数粘度浓度为c的情况下，单位浓度增加对溶液相对粘度自然对数值的贡献，其值也是浓度的函数，单位与比浓粘度相同。 (5) 特性粘度 （4-3）表示高聚物溶液无限稀释时的比浓粘度。其数值不随溶液浓度大小而变化，但是随着浓度的表示方法而异，其单位是浓度的倒数。2相对粘度的测定溶液的粘度，据流体力学泊肃叶（Poiseuille）可求出：（4-4）式中：比密粘度；A仪器常数。设 （4-5）则 （4-6）实验时，在恒定条件下，用同一支粘度计测定几种不同浓度的溶液和纯溶剂的流出时间t和t0 ，由于极稀溶液中溶液和溶剂的密度近似相等，所以 （4-7）这样，由纯溶剂的流出时间t0和溶液的流出时间t即可求出溶液的相对粘度。3聚合物的特性粘度的测定（1）外推法：此法是较常用的方法，聚合物体系确定以后，在一定温度下测出纯溶剂和不同浓度溶液的流出时间t0和t，由此计算出一系列比浓粘度和比浓对数粘度，根据以下经验公式： （4-8）只有配制几种不同浓度的溶液，分别测定溶液及纯溶剂的粘度，然后计算出、在同一张图上做对c、对c的图，两条直线外推至c0，其共同的截距即为 ，见图4-1。对于上述方法，可从另一角度理解。高聚物在稀溶液中的黏度，主要反映了液体在流动时存在着内摩擦。高聚物溶液的黏度表示溶剂分子与溶剂分子之间、高分子与高分子之间和高分子与溶剂分子之间三者内摩擦的综合表现，其值一般比纯溶剂黏度大得多。纯溶剂黏度的物理意义为溶剂分子与溶剂分子间的内摩擦表现出来的黏度。相对于纯溶剂，其溶液黏度增加的分数，称为增比黏度，即 （4-9）式中称为相对黏度，其物理意义为溶液黏度与纯溶剂黏度的比值。r也是整个溶液的行为，则意味着已扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应。对于高分子溶液，增比黏度往往随溶液的浓度c的增加而增加。为了便于比较，将单位浓度下所显示出的增比黏度，即/c称为比浓黏度。 在无限稀释条件下 ，特性黏度可以使用如下表达式 （4-10）因此我们获得的方法有二种：一种是以/c对c作图，外推到c0的截距值；另一种是以ln/c对c作图，也外推到c0的截距值，两根线应会合于一点，这也可校核实验的可靠性。 图4-1 如果高聚物分子的分子量愈大，则它与溶剂间的接触表面也愈大，摩擦就大，表现出的特性黏度也大。特性黏度h和分子量之间的经验关系式为: （4-11）式中，M为相对平均分子量；K为比例常数；是与分子形状有关的经验参数。K和值与温度、聚合物、溶剂性质有关，也和分子量大小有关。K值受温度的影响较明显，而值主要取决于高分子线团在某温度下，某溶剂中舒展的程度，其数值介于0.51之间。K与的数值可通过其它绝对方法确定，例如渗透压法、光散射法等，从黏度法只能测定得。液体在毛细管黏度计中，因压力差作用流出时，可通过公式计算黏度。 （4-12）因此当测定的溶液浓度很稀时可以得到： （4-13） （4-14）式中，t为溶液的流出时间；t0为纯溶剂的流出时间。所以通过溶剂和溶液在毛细管中的流出时间，从上式求得，再求得。 （2）一点法在实际工作中，由于试样量少，或者需要测定同一品种的大量试样，为了简化实验操作，可以在一个浓度下测定或，直接求出。这种方法称为“一点法”。通常采用以下经验公式： （4-15） 4、聚合物特性粘度和分子量的关系溶液体系确定之后，在一定温度下聚合物溶液的特性粘度只与聚合物的分子量有关，常用马克-霍温（Mark-Houwink）方程表示： （4-16）式中：M聚合物的平均分子量 K粘度常数 与溶液中聚合物分子形态有关的幂指数，取决于温度、高分子和溶剂性质。对无规线团状大分子在良溶剂中，一般为0.51.0。三、实验仪器及样品（1）实验仪器IVS300乌氏粘度自动测试系统（图4-2）；吸耳球；容量瓶（100ml）；烧杯（500ml）。 (2)实验样品聚乙二醇、蒸馏水。四、实验步骤（1）、溶液配制取洁净干燥的聚乙二醇试样，溶于烧杯内，使其完全溶解，待完全溶解后转移至50ml容量瓶内（用纯溶剂将烧杯洗23次滤入容量瓶内），稀释至刻度，反复摇匀后待用。（2）、粘度测量用移液管量取待测样品的溶液，注入黏度计中，将含溶液的乌氏粘度管置于恒温浴槽内，恒温1015min后，开始测定。打开测试软件，首先测试纯溶剂的粘度，然后在主页面中“测试项目”选择“串行外推法”，将浓度，溶剂粘度等项目填写完整，点击“确定”，进行测试。（3）、整理工作倒出黏度计中的溶液，倒入纯溶剂，将其吸至a线上方小球的一半清洗毛细管，反复23次，然后用丙酮以同样的步骤洗涤，倒挂毛细管黏度计以待后用。五、数据记录与处理1. 数据记录m/gt/s1081.3421.0004109.17531.999845.3242.8012177.7153.5008212.08显而易见，第三组数据出现明显错误，为坏点，将其剔除。从图中可以得到，该聚合物的特性粘度约为14.93 ml/g。经查询可知，在25时，K=0.1560 ml/g，=0.5 。计算出M=9518.6 g/mol 。2. 计算机自动给出结果：六、 思考题1. 粘度法测定分子量的依据是什么？答：聚合物稀溶液的粘度主要反映了液体分子之间因流动或相对运动所产生的内摩擦阻力。内摩擦阻力与聚合物的结构、溶剂的性质、溶液的浓度及温度和压力等因素有关，它的数值越大，表明溶液的粘度越大。2. 试说出测定聚合物分子量的其他方法？答：测定高分子分子量的其他方法还有：端基测定法