实验一粘度法测定聚合物的粘均分子量 线型聚合物溶液的基本特性之一,是粘度比较大,并且其粘度值与分子量有关, 因此可利用这一特性测定聚合物的分子量。粘度法尽管是一种相对的方法,但因其 仪器设备简单,操作方便,分子量适用范围大,又有相当好的实验精确度,所以成 为人们最常用的实验技术,在生产和科研中得到广泛的应用 实验目的 掌握粘度法测定聚合物分子量的原理及实验技术。 基本原理 聚合物溶液与小分子溶液不同,甚至在极稀的情况下,仍具有较大的粘度。粘 度是分子运动时内摩擦力的量度,因溶液浓度增加,分子间相互作用力增加,运动 时阻力就增大。表示聚合物溶液粘度和浓度关系的经验公式很多,最常用的是哈金 斯( Huggins)公式 =[]+k[n]c 在给定的体系中k是一个常数,它表征溶液中高分子间和高分子与溶剂分子间 的相互作用。另一个常用的式子是 Inn =[n]-[n]c 式中k与β均为常数,其中k称为哈金 斯参数。对于柔性链聚合物良溶剂体 系,k=1/3,k+β=12。如果溶剂变劣, 分n/c=[n]+kc k变大;如果聚合物有支化,随支化度 增高而显著增加。从(1)式和(2)式 n/=[7]-既7]2c 看出,如果用2或lnn对c作图并外 c推到c→0(即无限稀释),两条直线会 图1-1外推法求特性粘数[7] 在纵坐标上交于一点,其共同截距即为 特性粘度[叫,如图1-1所 lim e=lim In n=In
实验一 粘度法测定聚合物的粘均分子量 线型聚合物溶液的基本特性之一，是粘度比较大，并且其粘度值与分子量有关， 因此可利用这一特性测定聚合物的分子量。粘度法尽管是一种相对的方法，但因其 仪器设备简单，操作方便，分子量适用范围大，又有相当好的实验精确度，所以成 为人们最常用的实验技术，在生产和科研中得到广泛的应用。 一、实验目的 掌握粘度法测定聚合物分子量的原理及实验技术。 二、基本原理 聚合物溶液与小分子溶液不同，甚至在极稀的情况下，仍具有较大的粘度。粘 度是分子运动时内摩擦力的量度，因溶液浓度增加，分子间相互作用力增加，运动 时阻力就增大。表示聚合物溶液粘度和浓度关系的经验公式很多，最常用的是哈金 斯（Huggins）公式 2 [ ] [ ] sp k c c = + --------------------------------------- (1) 在给定的体系中 k 是一个常数，它表征溶液中高分子间和高分子与溶剂分子间 的相互作用。另一个常用的式子是 2 [ ] [ ] ln r c c = − -------------------------------------- (2) 式中 k 与β均为常数，其中 k 称为哈金 斯参数。对于柔性链聚合物良溶剂体 系，k＝1/3，k+β= l/2。如果溶剂变劣， k 变大；如果聚合物有支化，随支化度 增高而显著增加。从（1）式和（2）式 看出，如果用 sp c 或 ln r c 对 c 作图并外 推到 c→0（即无限稀释），两条直线会 在纵坐标上交于一点，其共同截距即为 特性粘度 [η] ，如图 1-1 所 示 0 0 ln lim lim [ ] sp r c c c c → → = = ----------------------------------------(3) 图 1-1
通常式(1)和式(2)只是在了m=12-20范围内为 直线关系。当溶液浓度太高或分子量太大均得不到直 线,如图1-2所示。此时只能降低浓度再做一次 特性粘度[叫的大小受下列因素影响: (1)分子量:线型或轻度交联的聚合物分子量增大, [η]增大。 (2)分子形状:分子量相同时,支化分子的形状趋 于球形,[η较线型分子的小。 (3)溶剂特性:聚合物在良溶剂中,大分子较伸展, [较大,而在不良溶剂中,大分子较卷曲,[η]较小。 (4)温度:在良溶剂中,温度升高,对[叫影响不大, 而在不良溶剂中,若温度升高使溶剂变为良好,则n图12同一聚合物溶剂体系 增大。 不同分子量的试样/c 当聚合物的化学组成、溶剂、温度确定以后,[η c关系(1<2<3) 值只与聚合物的分子量有关。常用两参数的马克豪温(Mak- Houwink)经验公式 表示: []=KM 式中K、α需经绝对分子量测定方法订定后才可使用。对于大多数聚合物来说,a 值一般在0.5~1.0之间,在良溶剂中α值较大,接近0.8。溶剂能力减弱时,α值降 低。在θ溶液中,α=0.5。 这个经验公式已有大量的实验结果验证,许多人想从理论上来解释粘度与分子 量大小的关系。他们假定了两种极端的情况,第一种情况是认为溶液内的聚合物分 子线团卷得很紧,在流动时线团内的溶剂分子随着高分子一起流动,包含在线团内 的溶剂就像是聚合物分子的组成部分,可以近似地看作实心圆球,由于是在稀溶液 内线团与线团之间相距较远,可以认为这些球之间近似无相互作用。根据悬浮体理 论,实心圆球粒子在溶液中的特性粘度公式是 []=2.5× 设含有溶剂的线团的半径为R,质量m为M,其中M是分子量,N是阿佛加德罗 常数因为视为刚性圆球,故=4mR可近似用均方根末端距的三次方(G)来表 示,(h2是分子链头尾距离的平方的平均值,均方根就是其开方的值。)把V与m 值代入式(5)中得
通常式（1）和式（2）只是在了 r =1.2~2.0 范围内为 直线关系。当溶液浓度太高或分子量太大均得不到直 线，如图 1-2 所示。此时只能降低浓度再做一次。 特性粘度[η]的大小受下列因素影响： （1）分子量：线型或轻度交联的聚合物分子量增大， [η]增大。 （2）分子形状：分子量相同时，支化分子的形状趋 于球形，[η]较线型分子的小。 （3）溶剂特性：聚合物在良溶剂中，大分子较伸展， [η]较大，而在不良溶剂中，大分子较卷曲，[η]较小。 （4）温度：在良溶剂中，温度升高，对[η]影响不大， 而在不良溶剂中，若温度升高使溶剂变为良好，则[η] 增大。 当聚合物的化学组成、溶剂、温度确定以后，[η] 值只与聚合物的分子量有关。常用两参数的马克-豪温（Mark-Houwink）经验公式 表示： [ ] KM = ----------------------------------------- （4） 式中 K、α 需经绝对分子量测定方法订定后才可使用。对于大多数聚合物来说，α 值一般在 0.5~1.0 之间，在良溶剂中 α 值较大，接近 0.8。溶剂能力减弱时，α 值降 低。在 θ 溶液中，α = 0.5。 这个经验公式已有大量的实验结果验证，许多人想从理论上来解释粘度与分子 量大小的关系。他们假定了两种极端的情况，第一种情况是认为溶液内的聚合物分 子线团卷得很紧，在流动时线团内的溶剂分子随着高分子一起流动，包含在线团内 的溶剂就像是聚合物分子的组成部分，可以近似地看作实心圆球，由于是在稀溶液 内线团与线团之间相距较远，可以认为这些球之间近似无相互作用。根据悬浮体理 论，实心圆球粒子在溶液中的特性粘度公式是 [ ] 2.5 V m = --------------------------------------- (5) 设含有溶剂的线团的半径为 R，质量 m 为 M N ，其中 M 是分子量，N 是阿佛加德罗 常数。因为视为刚性圆球，故 4 3 3 V R = 可近似用均方根末端距的三次方 ( ) 3 2 2 0 h 来表 示，（ 2 0 h 是分子链头尾距离的平方的平均值，均方根就是其开方的值。）把 V 与 m 值代入式（5）中得 图 1-2
m=0(⑤)2=5下M点 式中Φ是普适常数:h2是均方末端距。由于h2是在线团卷得很紧的情况下的均方 末端距,在一定温度下,伍是一个常数,式(6)可写成 []=KM2 这说明在线团卷得很紧的情况下,聚合物溶液的特性 粘度与分子量的平方根成正比。第二种情况是假定线 团是松懈的,在流动时线团内溶剂是自由的。在实际 上,这第二种假设较接近反映大多数聚合物溶液的情 况。因为聚合物分子链在流动时,分子链段与溶剂间 不断互换位置,而且由于溶剂化作用分子链扩张,使 得聚合物分子在溶液中不像实心圆球,而更像一个卷图13高分子链的珠链模型 曲珠链(图1-3)。这种假定称为珠链模型。当珠链很疏松,溶剂可以自由从珠链的 空隙中流过。这种情况下可以推导出 []=kM 上述两种是极端的情况,即当线团很紧时,[∝M2,当线团很松时[∝M。 这说明聚合物溶液的特性粘度与分子量的关系要视聚合物分子在溶液里的形态而 定。聚合物分子在溶液里的形态是分子链段间和分子与溶剂间相互作用的反映 般说,聚合物溶液体系是处于两极端情况之间的,即分子链不很紧,也不很松,这 种情况下就得到较常用的式(4)。测定条件如使用的温度、溶剂、分子量范围都相 同时,K和a是两个常数,其数值可以从有关手册中或本书附录中查到 由以上的讨论可见,高分子链的伸展或卷曲与溶剂、温度有关,用扩张因子表 示高分子的卷曲形态 h2 高分子的θ溶液有许多特性:第二维利系数A2=0;扩张因子x=1:特性粘度 [n]最 Inle=KeM2 于
( ) 3 3 2 2 2 1 2 0 0 2 [ ] h h M M M = = ------------------------------------ (6) 式中 Φ 是普适常数； 2 0 h 是均方末端距。由于 2 0 h 是在线团卷得很紧的情况下的均方 末端距，在一定温度下， 2 0 h M 是一个常数，式（6）可写成 1 2 [ ] = KM ----------------------------------------------- (7) 这说明在线团卷得很紧的情况下，聚合物溶液的特性 粘度与分子量的平方根成正比。第二种情况是假定线 团是松懈的，在流动时线团内溶剂是自由的。在实际 上，这第二种假设较接近反映大多数聚合物溶液的情 况。因为聚合物分子链在流动时，分子链段与溶剂间 不断互换位置，而且由于溶剂化作用分子链扩张，使 得聚合物分子在溶液中不像实心圆球，而更像一个卷 曲珠链（图 1-3）。这种假定称为珠链模型。当珠链很疏松，溶剂可以自由从珠链的 空隙中流过。这种情况下可以推导出 [ ] = KM -------------------------------------------- (8) 上述两种是极端的情况，即当线团很紧时， 1 2 [ ] M ，当线团很松时 [ ] M 。 这说明聚合物溶液的特性粘度与分子量的关系要视聚合物分子在溶液里的形态而 定。聚合物分子在溶液里的形态是分子链段间和分子与溶剂间相互作用的反映。一 般说，聚合物溶液体系是处于两极端情况之间的，即分子链不很紧，也不很松，这 种情况下就得到较常用的式（4）。测定条件如使用的温度、溶剂、分子量范围都相 同时，K 和 α 是两个常数，其数值可以从有关手册中或本书附录中查到。 由以上的讨论可见，高分子链的伸展或卷曲与溶剂、温度有关，用扩张因子表 示高分子的卷曲形态： 1 ___ 2 2 ___ 2 h x h = 高分子的θ溶液有许多特性：第二维利系数 A2＝0；扩张因子 x＝1；特性粘度 [η]θ最小； 1 2 [ ] = K M 由于 图 1-3
M 所以 [nl=φ 可得 其中 Flory常数φ=2.86×1023(mol1) 因此 |=1518{2M =0600A 所以用已知分子量的高聚物在θ溶液中测定特性粘度[l,就可以计算高分子链的 无扰尺寸 三、仪器与样品 乌氏粘度计一支;计时用的停表一块:25m容量瓶2个:分析天平一台:恒温 槽装置一套(玻璃缸、电动搅拌器、调压器、加热器、继电器、接点温度计一支 50℃十分之一刻度的温度计一支等);3"玻璃砂芯漏斗一个;加压过滤器一套:50ml 针筒。聚苯乙烯样品:;环己烷 四、实验步骤 装配恒温槽及调节温度 温度的控制对实验的准确性有很大影响,要求准确到±0.05℃。水槽温度调节 到35℃±005℃,为有效地控制温度,应尽量将搅拌器、加热器放在一起,而粘度
3 ___ 2 2 h K M = 所以 3 ___ 2 2 [ ] h M = 可得 1 1 ___ 2 3 2 M h = 其中 Flory 常数φ＝2.86×1023（mol-1） 因此， 1 ___ 2 1 2 h M 1.518 [ ] 3 = (A) 1 1 ___ ___ 2 2 1 2 2 3 1 0.620 [ ] 6 S h M = = (A) 所以用已知分子量的高聚物在θ溶液中测定特性粘度 [ ] ，就可以计算高分子链的 无扰尺寸。 三、仪器与样品 乌氏粘度计一支；计时用的停表一块；25ml 容量瓶 2 个；分析天平一台；恒温 槽装置一套（玻璃缸、电动搅拌器、调压器、加热器、继电器、接点温度计一支， 50℃十分之一刻度的温度计一支等）；3 ＃玻璃砂芯漏斗一个；加压过滤器一套；50ml 针筒。聚苯乙烯样品；环己烷。 四、实验步骤 1．装配恒温槽及调节温度 温度的控制对实验的准确性有很大影响，要求准确到 0.05℃。水槽温度调节 到 35℃ 0.05℃，为有效地控制温度，应尽量将搅拌器、加热器放在一起，而粘度
计要放在较远的地方。 聚合物溶液的配制 用粘度法测聚合物分子量,选择高分子-溶剂体系时,常数K、a值必须是已知 的而且所用溶剂应该具有稳定、易得、易于纯化、挥发性小、毒性小等特点。为控 制测定过程中n在1.2~2.0之间,浓度一般为0001g/m~001g/ml。于测定前 数天,用25ml容量瓶把试样溶解好。 3.把配制好的溶液用干燥的3玻璃砂芯漏斗加压过滤到25mI容量瓶中 4.溶液流出时间的测定 把预先经严格洗净,检查过的洁净粘度计的B、C管,分别套上清洁的医用胶 管,垂直夹持于恒温槽中,然后用移液管吸取10m溶液自 A管注入,恒温15min后,用一只手捏住C上的胶管,用 b C 针筒从B管把液体缓慢地抽至G球,停止抽气,把连接B、 C管的胶管同时放开,让空气进入D球,B管溶液就会慢 慢下降,至弯月面降到刻度a时,按停表开始计时,弯月 面到刻度为b时,再按停表,记下流经a、b间的时间t 如此重复,取流出时间相差不超过02s的连续3次平均之。 b 但有时相邻两次之差虽不超过0.2s,而连续所得的数据是 递增或递减(表明溶液体系未达到平衡状态),这时应认为 所得的数据不可靠的,可能是温度不恒定,或浓度不均匀, 应继续测 5.稀释法测一系列溶液的流出时间 因液柱高度与A管内液面的高低无关。因而流出时间F 与A管内试液的体积没有关系,可以直接在粘度计内对溶 液进行一系列的稀释。用移液管加入溶剂5ml,此时粘度计 中溶液的浓度为起始浓度的2/3。加溶剂后,必须用针筒鼓 泡并抽上G球三次,使其浓度均匀,抽的时候一定要慢 图1-4乌氏粘度计 不能有气泡抽上去,待温度恒定才进行测定。同样方法依 次再加入溶剂5,10,15ml,使溶液浓度变为起始浓度的1/,1/3,1/4。分别进行测 定 6.纯溶剂的流经时间测定 倒出全部溶液,用溶剂洗涤数遍,粘度计的毛细管要用针筒抽洗。洗净后加入 溶剂,如上操作测定溶剂的流出时间,记作to 五、数据处理 .记录数据 实验恒温温度:纯溶剂 纯溶剂密度po 溶剂流出
计要放在较远的地方。 2．聚合物溶液的配制 用粘度法测聚合物分子量，选择高分子-溶剂体系时，常数 K、α 值必须是已知 的而且所用溶剂应该具有稳定、易得、易于纯化、挥发性小、毒性小等特点。为控 制测定过程中 r 在 1.2～2.0 之间，浓度一般为 0.001g／ml～0.01g／ml。于测定前 数天，用 25 ml 容量瓶把试样溶解好。 3．把配制好的溶液用干燥的 3 #玻璃砂芯漏斗加压过滤到 25 ml 容量瓶中。 4．溶液流出时间的测定 把预先经严格洗净，检查过的洁净粘度计的 B、C 管，分别套上清洁的医用胶 管，垂直夹持于恒温槽中，然后用移液管吸取 10ml 溶液自 A 管注入，恒温 15min 后，用一只手捏住 C 上的胶管，用 针筒从 B 管把液体缓慢地抽至 G 球，停止抽气，把连接 B、 C 管的胶管同时放开，让空气进入 D 球，B 管溶液就会慢 慢下降，至弯月面降到刻度 a 时，按停表开始计时，弯月 面到刻度为 b 时，再按停表，记下流经 a、b 间的时间 t1， 如此重复，取流出时间相差不超过 0.2s 的连续 3 次平均之。 但有时相邻两次之差虽不超过 0.2s，而连续所得的数据是 递增或递减（表明溶液体系未达到平衡状态），这时应认为 所得的数据不可靠的，可能是温度不恒定，或浓度不均匀， 应继续测。 5．稀释法测一系列溶液的流出时间 因液柱高度与 A 管内液面的高低无关。因而流出时间 与 A 管内试液的体积没有关系，可以直接在粘度计内对溶 液进行一系列的稀释。用移液管加入溶剂 5ml，此时粘度计 中溶液的浓度为起始浓度的 2/3。加溶剂后，必须用针筒鼓 泡并抽上 G 球三次，使其浓度均匀，抽的时候一定要慢， 不能有气泡抽上去，待温度恒定才进行测定。同样方法依 次再加入溶剂 5，10，15ml，使溶液浓度变为起始浓度的 1/2,1/3,1/4。分别进行测 定 6．纯溶剂的流经时间测定 倒出全部溶液，用溶剂洗涤数遍，粘度计的毛细管要用针筒抽洗。洗净后加入 溶剂，如上操作测定溶剂的流出时间，记作 t0。 五、数据处理 1．记录数据 实验恒温温度______；纯溶剂________；纯溶剂密度 ρ0_________；溶剂流出 图 1-4