实验10稀溶液粘度法测定聚合物的分子量报告

稀溶液粘度法测定聚合物的分子量【摘要】发现聚乙二醇溶液的粘度与其分子量有一定的关系，利用经验公式即可以通过相对粘度计算得到聚乙二醇的分子量。本文中利用乌氏粘度计测量不同浓度下聚乙二醇溶液的粘度，与水作对比得到其相对粘度，进而通过作图并计算得到聚乙二醇的分子量。【关键词】聚乙二醇，乌氏粘度计，稀溶液粘度法，聚合物的分子量。测定聚合物的分子量方法有很多种。本文采用稀溶液粘度法测定聚合物的分子量，所用仪器设备简单，操作便利，适用的分子量范围大，又有相当好的实验精确度，因此粘度法是一种目前广泛应用的测定聚合物分子量的方法。但它不是一种测定分子量的绝对方法，而是一种相对方法，因为特性粘数－分子量经验关系式是要用分子量绝对测定方法来校正订定的，本方法也就适用于各种分子量范围。需注意的是在不同分子量范围里，可能要用不同的经验方程式。液体的流动是因受外力作用分子进行不可逆位移的过程。液体分子间存在着相互作用力，因此当液体流动时，分子间就产生反抗其相对位移的摩擦力（内摩擦力)，液体的粘度就是液体分子间这种内摩擦力的表现。依照Newton的粘性流动定律，当两层流动液体面间（设面积为A）由于液体分子间的内摩擦产生流速梯度vz时（图1），液体对流动的粘性阻力为：vfAz（1）为液体的粘度，单位是帕斯卡·秒。当液体在半径为R、长度为L的毛细管里流动时（图2），如果在毛细管两端间的压力差为P，并且假使促进液体流动的力（PR2）全部用以克服液体对流动的粘性阻力。那么在离轴r和（drr）的两圆柱面间的流动服从下列方程式：220dvrPrLdr（2）式（2）就规定了液体在毛细管里流动时的流速分布vr。假如液体可以润湿管壁，管壁与液体间没有滑动，则0vR，则：2224rrRRdvPPvrdrrdrRrdrLL（3）所以平均流出容速（设在t秒内流出液体的体积是V）为：42200228RRVPPRrvdrrRrdrtLL（4）v+dvvdzAA图1液体的流动示意图则液体的粘度可表示为：48PRtLV（5）液体粘度的绝对值测定是很困难的，所以一般应用都测定相对粘度。在用稀溶液粘度法表征高聚物分子量时，也只要测定不同浓度（C）稀溶液的相对粘度。若以0表示纯溶剂的粘度，表示溶液的粘度，则溶液的相对粘度为0r。高分子溶液的粘度一般都比纯溶剂的粘度要大一些，溶液粘度增加的分数为溶液的增比粘度001spr。而spC叫做比浓粘度，lnrC叫做比浓对数粘度，由于spC和lnrC都随溶液浓度改变而改变，而极稀溶液的相对粘度测定，不易准确，所以常用外推到0C时的spC和lnrC值，这里，当浓度C不大时，2ln1ln11123spsprspspCCC（6）所以有00lnlimlimsprCCCC（7）令00lnlimlimsprCCCC（8）这个0C时的外推值称为高分子的特性粘数，其单位是为毫升/克或分升/克，与溶液浓度的单位相对应。对于给定的体系，特性粘数随分子量增加而增加，因此其值可作为分子量的量度。从溶液的比浓粘度spC和比浓对数粘度lnrC求取高分子的特性粘数需要有适合的粘度与浓度C的依赖关系，通常只有通过线性的外推，才能得到可靠的外推值。表图2液体在毛细管流动示意图Rrdrl达溶液粘度的浓度依赖性的经验方程式很多，常用如下两个经验方程式，即Huggins方程式：2[][]spkCC（9）和Kraemer方程式：2ln[][]rCC（10）式（9）、（10）中，k和β均为常数。按式（9）、（10）用spC对C和lnrC对C作图，外推到0C所得的截距，应重合于一点，即值（图3）。需要注意的是，有的溶液比浓对数粘度与浓度的关系并不呈线性，尤其在浓度较高时，发生偏离（向下弯曲或向上弯曲）。当出现这种情况时，建议使用式（9）求取值。因为式（9）、（10）均是通过对下式作近似处理而得到的：[]1[]spCkC（11）其中，k为常数。在推导式（9）时只作了一次近似处理，而推导式（10）时作了两次近似处理。具体近似处理如下。当1][CK时，利用一级级数展开式11[]1[]kCkC，略去高次项，代入式（11）即得式（9），大多数高分子稀溶液的比浓粘度与浓度的关系都符合式（9）。当1sp时，lnr可按Taylor级数展开，即23lnln123spsprspsp把式（9）代入上式，略去高次项，得232ln11[][][]23rkCkCC（12）若13k，且令12k，则有式（10）。显然，若13k，CC~ln的图形不再是直线，当浓度较高时，曲线向下弯曲（13k）或向上弯曲（13k），曲线切线在外推到0C所得的截距与CCsp~作图的直线在外推到0C所得的截距将不重合于一点。这时最好使用式（9），用CCsp~的作图的外推值求取值。当确定了高分子的特性粘数，就可根据特性粘数与分子量的关系式M求取高分子的分子量M。有时也直接用值来表示M的大小。在早期工作中，人们就从理论上得出，特性粘数与分子量的关系式取决于高分子在溶液中的形态。在溶液内高分子线团如果蜷得很紧，在流动时线团内的溶剂分子随着高分子一起流动，则高分子的特性粘数与分子量的平方根成正比，2/1M；假如线团松懈，在流动时线团内的溶剂分子是完全自由的，那么高分子的特性粘数应与分子量成正比，M。目前常用一个包含两个参数的Mark-Houwink-Sakurada经验式表示特性粘数与分子量的关系：aKM（13）式中，参数K、a值需经测定分子量的绝对方法订定后才可使用。订定方法是，先将高聚物按分子量分级，测定各级分的特性粘数和平均分子量M，以log对logM作图，假如a是常数，]log[~]log[M的作图是直线，其斜率就是a，截距是logK。假如在实验的分子量范围内，a不是常数，那么就从]log[~]log[M作图的曲线上求取各段分子量范围内适用的K、a值。对于常见的聚合物溶液体系，K、a值可以从有关手册或本教材附录中查到。对于大部分高分子溶液来说，a的数值在0.5~1.0之间。由于高分子的特性粘数和分子量的关系方程式M~][，视高分子在溶液里的形态而异，而高分子的形态是高分子链段间和高分子―溶剂分子间相互作用力的反映，因此M~][关系式随所用溶剂、测定温度不同而不同。根据Flory特性粘数方程式322hM，这里2h是高分子链的均方末端距，是一个与高分子、溶剂以及温度无关的通用常数。在θ溶液中，高分子链单元间无远程相互作用，高分子尺寸恰好不受溶剂的影响，线团处于一种无扰图4Ubbelohde式稀释粘度计示意图态，呈高斯无规线团形态，均方末端距220hhM，在这种情况下，M~][关系式可写成12KM（14）测定高分子溶液的粘度以Ubbelohde式稀释粘度计最为合适（图4）。将液体自L管加入，在M管将液体吸至E线以上后，任其流下，这样促使流动的力，就是液柱高h的压力，h值在he和hf间逐渐改变，并且假设促使液体流动的力全部用于克服内摩擦力，即认为液体在流动时没有消耗能量（一般选择纯溶剂流出时间大于100秒的粘度计，就可以略去流动时能量损耗的主要部分——动能消耗的影响）。这样式（5）即为：48ghRtLV（15）式中，g为重力加速度，h为流经毛细管的液柱的平均高度，为所测液体的密度，t为液面从a线流到b线所需的时间（流出时间），令48ghRALV，显然A是由粘度计所决定的常数，与液体性质无关。则高分子溶液的粘度：tA（16）而纯溶剂的粘度为：000tA（17）当测定的溶液很稀时，0，所以有：00ttr（18）110ttrsp（19）这样只要在同一温度下测定纯溶剂和不同浓度C的聚合物溶液流经a、b线的时间0t和t(1t、2t、3t、4t、5t)就可算出不同浓度溶液对溶剂的相对粘度r，继而计算出sp、lnr等，然后从CCsp~以及CC~ln作图外推得到高分子的特性粘数，最后根据M~][关系式求取聚合物分子量M。因为需要测定不同浓度溶液的相对粘度，最简便且适用的方法是在粘度计里逐渐稀释，可以节省许多操作手续，故采用气承悬液柱式的稀释粘度计最为合适，因为液体的流出时间与粘度计中液体体积无关。本实验是在同一支粘度计内测定一系列浓度成简单比例关系的溶液的流出时间后，再测溶剂的流出时间。这是因为考虑到高分子溶液流过毛细管后，常会有高分子吸附在毛细管管壁，所以相当于高分子溶液流过了较细的毛细管，为了得到高分子溶液真实的相对粘度，后测纯溶剂的流出时间，这样，纯溶剂流过的也是较细的毛细管，消除了高分子在毛细管上的吸附对结果的影响。反之如果在测定溶液之前测定纯溶剂的流过时间，此时毛细管并未被高分子吸附，纯溶剂将在较短的时间内流过毛细管，测定纯溶剂流过时间的毛细管状态就和之后测定溶液流过时间时的状态不一致，如果高分子在毛细管管壁的吸附严重时，CCsp~的作图将是一条凹形的曲线。1实验仪器：乌式粘度计一支；恒温水槽一套（包括：电动搅拌器、继电器、水银接触温度计、调压器、加热器、50℃温度计）；秒表一块；5毫升、10毫升移液管各一支；25毫升、50毫升容量瓶各一个；2＃或3＃熔砂漏斗两个，50毫升烧杯等。药品：聚乙二醇；蒸馏水。实验步骤：准确称取聚环乙二醇0.8~1.0克，在烧杯中用少量水（10-15毫升）使其全部溶解，移入50毫升容量瓶中，用水洗涤烧杯3-4次，洗液一并转入容量瓶中，并稍稍摇晃作初步混匀，然后将容量瓶置于恒温水槽（30℃±0.05℃）中恒温，用水稀释至刻度，摇匀溶液，再用熔砂漏斗将溶液滤入50毫升的无尘干燥的锥形瓶中，放入恒温水槽中恒温待用。盛有无尘溶剂（也是经熔砂漏斗过滤过的）的容量瓶也放入恒温水槽中恒温待用。将乌氏粘度计的B、C管上小心地接入乳胶管，用固定夹夹住粘度计的A管，并将粘度计垂直放入恒温水槽，使水面浸没a线上方的小球，用移液管从A管注入10毫升溶液，恒温10分钟后，用乳胶管夹夹住C管上的乳胶管，在B管乳胶管上接上注射器，缓慢抽气，待液面升到a线上方的小球一半时停止抽气，先拔下注射器，而后放开C管的夹子，让空气进入D球，使毛细管内溶液与A管下端的球分开，此时液面缓慢下降，用秒表记下液面从a线流到b线的时间，重复测三次，每次所测的时间相差不超过0.2秒，取其平均值，作为1t。然后再移取5毫升溶剂注入粘度计，将它充分混合均匀，这时溶液浓度为原始溶液浓度的2/3，再用同样方法测定2t。用同样操作方法再分别加入5、10和10毫升溶剂，使溶液浓度分别为原始溶液的1/2、1/3和1/4，测定各自的流出时间3t、4t和5t。将粘度计中的溶液倒出，用无尘溶剂（本实验中溶剂是水）洗涤粘度计数遍，测定纯溶剂的流出时间0t。2结果与讨论聚乙二醇质量0.8663g，浓度c0=0.01733g/mL。从PolymerHandbook查到：聚乙二醇－水溶液，在30℃时，0.0125KmL/g，78.0a。为作图方便，若原始溶液浓度为0C，稀释后溶液浓度为C，0CCC，C为稀释后溶液的相对浓度。那么原始溶液的相对浓度1C，依次加入5、5、10和10毫升溶剂的溶液的相对浓度分别为2/3、1/2、1/3和1/4。以/spC和ln/rC分别对C作图，即2200[][]spCkCCC（8）2200ln[][]rCCCC（9）其中，若以0表示纯溶剂的粘度，表示溶液的粘度，则溶液的相对粘度为0r，增比粘度001spr。又流出时间t与粘度呈正