黏度法測定高聚物相對分子質量實驗條件初探

肖文敏，趙　陽，武可書，郭　波，陳國華，趙涵宇，尹　亮

（赤峰學院　化學化工學院，內蒙古　赤峰　024000）

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黏度法測定高聚物相對分子質量實驗條件初探

肖文敏，趙陽，武可書，郭波，陳國華，趙涵宇，尹亮

（赤峰學院化學化工學院，內蒙古赤峰024000）

摘要：黏度法測定高聚物相對分子質量實驗是大學物理化學實驗中的重要內容，實驗條件的選擇，對該實驗數據的準確度至關重要，本文討論了溫度、聚合度以及不同廠家產品對該實驗準確度的影響.

關鍵詞：黏度；高聚物；溫度

在高聚物的研究中，相對分子質量是不可缺少的重要數據.因為它不僅反映了高聚物分子的大小，并且直接關系到高聚物的物理性能.與一般的無機物或低分子的有機物不同，高聚物多是相對分子質量不等的混合物，因此通常測得的相對分子質量是一個平均值.高聚物相對分子質量的測定方法很多，比較起來，黏度法設備簡單，操作方便，并有很好的實驗精度，是常用的方法之一[1-6].該實驗也是化學相關專業本科生在物理化學實驗中必做的一個重要實驗，根據近幾年學生用黏度法測定高聚物相對分子質量的實驗數據研究發現，誤差都相對較大.本文通過對不同實驗溫度，聚合度不同的高聚物以及不同生產廠家高聚物的相對分子質量的測定，尋找出誤差來源，以其對黏度法測定高聚物相對分子質量的理論及實驗教學有所幫助.

1　實驗原理[4,5]

高聚物溶液的特點是黏度特別大，原因在于其分子鏈長度遠大于溶劑分子，加上溶劑化作用，使其在流動時受到較大的內摩擦阻力.黏性液體在流動過程中所受阻力的大小可用黏度系數η(簡稱黏度)來表示(kg·m-1·s-1).純溶劑黏度反映了溶劑分子間的內摩擦力，記作η0，高聚物溶液的黏度則是高聚物分子間的內摩擦、高聚物分子與溶劑分子間的內摩擦以及η0三者之和.在相同溫度下，通常η>η0，相對于溶劑，溶液黏度增加的分數稱為增比黏度，記作ηsp，即

而溶液黏度與純溶劑黏度的比值稱作相對黏度，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摩擦效應，僅反映了高聚物分子與溶劑分子間和高聚物分子間的內摩擦效應.

高聚物溶液的增比黏度ηsp往往隨質量濃度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則稱為比濃對數黏度.當溶液無限稀釋時，高聚物分子彼此相隔甚遠，它們的相互作用可以忽略，此時關系式為：

[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摩擦，其值取決于溶劑的性質及高聚物分子的大小和形態.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.

特性黏度與高聚物相對分子質量的關系為：

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

第二項代表重力的一部分轉化成了流出液體的動能，稱為“動能修正項”.

式中，ρ0、t0分別表示純溶劑的密度和流出時間.當毛細管太粗，使溶劑流出時間小于l00s，或者溶劑的比密黏度(η/ρ)太小時，必須考慮動能修正項.因為所測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聯立式可得到一個“一點法”計算特性黏度的公式：

2　實驗部分

2.1實驗儀器及藥品

烏式黏度計（1支）分析天平（1臺）吸耳球（2個）；

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(最小讀數精度至少0.2s)(1塊)；

容量瓶(25mL)(1個)夾子(固定黏度計用)(1 個)；

量筒(1個)彈簧夾(夾乳膠管用)(2個)；

聚乙二醇200（進口AR）聚乙二醇200（國產AR）聚乙二醇2000（國產AR）（各1瓶）.

2.2實驗步驟

1.清洗儀器

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

2.配制聚乙二醇溶液

準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，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，設定溫度為實驗溫度.

4.溶劑流出時間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管吸入上方的球體中，當液面到達a線上方球體中的一半時停止吸液，拿開吸耳球后迅速打開C管上的乳膠管夾,讓空氣進入D球，同時水平地注視B管中的液面下降，用秒表準確記錄液面流經a、b兩條刻線之間的時間,即為溶劑的流出時間.重復上述操作3次，3次的平行數據相差不超過0.2秒,取其平均值作為to值.

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

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

7.關閉恒溫水浴裝置的電源.整理好其他實驗用品.

3　結果與討論

表1，2分別列出了實驗溫度為30°、35°測定的的聚乙二醇200（進口）、聚乙二醇200（國產）以及聚乙二醇2000這三個樣品的相關實驗數據. 3.1溫度對高聚物質量測定的影響

本實驗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量，由表3可知，聚乙二醇200（進口）的值在30°時，相對誤差為0.1%；在35°時，相對誤差為1.9%，都相對較小，30°時是其最佳實驗溫度.聚乙二醇200（國產）的η值在30°時相對誤差為5.9%，在35°時相對誤差為0.7%，35°時是其最佳實驗溫度，聚乙二醇2000的η值在30°時相對誤差為3.5%，在35°時相對誤差為3.7%，該樣品在這兩個溫度下測得的的η值的相對誤差相近，30°時是負偏差，35°時是正偏差.最佳實驗溫度30°相對適宜一些.

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

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

實驗溫度35℃　溶劑水聚乙二醇200（進口）聚乙二醇200（國產）聚乙二醇2000濃度(×10-2g/ml)　 0　 4　4　 0.5流出時間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量及相對誤差

3.2不同廠家產品對高聚物質量測定的影響

3.3聚合度對高聚物質量測定的影響

4　結論

本文通過黏度法對不同實驗溫度，聚合度不同的高聚物以及不同生產廠家高聚物的相對分子質量的測定，得出如下結論：

(1)聚乙二醇200（進口）樣品的最佳實驗溫度是30°,聚乙二醇200（國產）其最佳實驗溫度是35°，聚乙二醇2000的實驗溫度為30°時更好一些.

(2)溫度為30°時進口樣品的實驗精確度高一些，升高實驗溫度國產樣品的精確度更好.

(3)實驗溫度30°時，樣品聚合度越大相對誤差越小，在35°時規律相反聚合度越大誤差越大.

參考文獻：

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〔5〕復旦大學,等.物理化學實驗[M].北京:高等教育出版社,1993.177-182.

〔6〕何明,朱金,羅振揚.黏度法測聚乙二醇相對分子質量的幾種情況討論[J].大學化學，2014,29（2）：47～53.

基金項目：赤峰學院教務處實踐創新教育項目(1402349)

收稿日期：2015年11月19日

中圖分類號：0642.5+2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）02-0008-03