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乌氏粘度计原理及其应用

时间:2012-11-17 13:45
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内容介绍

       当流体受外力作用产生流动时,在流动着的液体层之间存在着切向的内部摩擦力,如果要使液体通过管子,必须消耗一部分功来克服这种流动的阻力。在流速低时管子中的液体沿着与管壁平行的直线方向前进,最靠近管壁的液体实际上是静止的,与管壁距离愈远,流动的速度也愈大。 流层之间的切向力f与两层间的接触面积A和速度差
       Δv成正比,而与两层间的距离Δx成反比:
  式中,η是比例系数,称为液体的粘度系数,简称粘度。
  高聚物摩尔质量不仅反映了高聚物分子的大小,而且直接关系到它的物理性能,是个重要的基本参数。与一般的无机物或低分子的有机物不同,高聚物多是摩尔质量大小不同的大分子混合物,所以通常所测高聚物摩尔质量是一个统计平均值。
  测定高聚摩尔质量的方法很多,而不同方法所得平均摩尔质量也有所不同。比较起来,粘度法设备简单,操作方便,并有很好的实验精度,是常用的方法之一。用该法求得的摩尔质量成为粘均摩尔质量。

乌氏粘度计 - 常用名词的物理意义

  符号、名称与物理意义:
  η0: 纯溶剂的粘度,溶剂分子与溶剂分子间的内摩擦表现出来的粘度。
  η :溶液的粘度,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。
  ηr : 相对粘度,ηr=t/t0,溶液粘度对溶剂粘度的相对值。
  ηsp :增比粘度,ηsp= (η-η0) / η0 = (η / η0)-1 = ηr -1,反映了高分子与高分子之间,纯溶剂与高分子之间的内摩擦效应 。
  ηsp/C: 比浓粘度,单位浓度下所显示出的粘度 。
  [η] :特性粘数,反映了高分子与溶剂分子之间的内摩擦。

特性粘数与聚合物分子量的关系

  大量的实验证明,对于给定聚合物在给定的溶剂和温度下,特性粘数[η]的数值仅由给定聚合物的分子量所决定,[η]与给定聚合物的粘均分子量Mh的关系可以由Mark-Houwink方程表示:

其中:K —— 比例常数;α —— 扩张因子,与溶液中聚合物分子链的形态有关;Mη —— 粘均分子量。
  K、α与温度、聚合物种类和溶剂性质有关,K值受温度的影响较明显,而α值主要取决于聚合物分子链线团在溶剂中舒展的程度,一般介于0.5~1.0之间。在一定温度时,对给定的聚合物-溶剂体系,一定的分子量范围内K、α为一常数,[η]只与分子量大小有关。K、α值可从有关手册中查到,或采用几个标准试样由上式进行确定,标准试样的分子量由绝对方法(如渗透压和光散射法等)确定。特性粘数[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,特性粘度[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,特性粘度[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,特性粘度[η]较大,而在不良溶剂中,大分子较卷曲,特性粘度[η]较小。
  (4)温度:在良溶剂中,温度升高,对特性粘度[η]影响不大,而在不良溶剂中,若温度升高使溶剂变为良好,则特性粘度[η]增大。

乌氏粘度计的使用步骤

1)根据实验需要将恒温槽温度调节至25±0.05℃ 或30±0.05℃。
  2)配制聚合物溶液
  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hr在1.2~2.0之间,浓度一般为 0.001g/ml~0.01g/ml。于测定前几天,用100 ml容量瓶把待测聚合物试样溶解于溶剂中配成已知浓度的溶液。
  准确称取100-500mg待测聚合物放入100ml清洁干燥的容量瓶中,倒入约80ml甲苯(本例以甲苯为溶剂),使之溶解,待聚合物完全溶解之后,放入已调节好的恒温槽中,容量瓶也放入恒温槽中。再加溶剂至刻度,取出摇匀,用3号玻璃砂芯漏斗过滤到另一100ml容量瓶中,放入恒温槽恒温待用,容量瓶及玻璃砂芯漏斗,用后立即洗涤。玻璃砂芯漏斗要用含30%硝酸钠的硫酸溶液洗涤,再用蒸馏水抽滤,烘干待用。
  3)洗涤粘度计
  粘度计和待测液体是否清洁,是决定实验成功的关键之一。由于毛细管粘度计中毛细管的内径一般很小,容易被溶液中的灰尘和杂质所堵塞,一旦毛细管被堵塞,则溶液流经刻线a和b所需时间无法重复和准确测量,导致实验失败。若是新的粘度计,先用洗液浸泡,再用自来水洗三次,蒸馏水洗三次,烘干待用。对已用过的粘度计,则先用甲苯灌入粘度计中浸洗除去留在粘度计中的聚合物,尤其是毛细管部分要反复用溶剂清洗,洗毕,将甲苯溶液倒入回收瓶中,再用洗液、自来水、蒸馏水洗涤粘度计,最后烘干。
  4)测定溶剂的流出时间
  乌氏粘度计是气承悬柱式可稀释的粘度计,把预先经严格洗净,检查过的洁净粘度计垂直夹持于恒温槽中,使水面完全浸没小球M1。用移液管吸10ml甲苯,从A管注入E球中。于25℃恒温槽中恒温3分钟,然后进行流出时间t0的测定。用手捏住C管管口,使之不通气,在B管用洗耳球将溶剂从E球经毛细管、M2球吸入M1球,然后先松开洗耳球后,再松开C管,让C管通大气。此时液体即开始流回E球。此时操作者要集中精神,用眼睛水平地注视正在下降的液面,并用秒表准确地测出液面流经a线与b线之间所需的时间,并记录。重复上述操作三次,每次测定相差不大于0.2 s。取三次的平均值为t0,即为溶剂的流出时间。但有时相邻两次之差虽不超过0.2 s,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,应继续测定。
  5)溶液流出时间的测定
(a)测定t0后,将粘度计中的甲苯倒入回收瓶,并将粘度计烘干,用干净的移液管吸取已恒温好的被测溶液8ml,移入粘度计(注意尽量不要将溶液沾在管壁上),恒温3分钟,按前面的步骤,测定溶液(浓度c1)的流出时间t1。
(b)用移液管加入4ml预先恒温好的甲苯,对上述溶液进行稀释,稀释后的溶液浓度(c2)即为起始浓度c1的2/3。然后用同样的方法测定浓度为c2的溶液的流出时间t2。与此相同,依次加入甲苯4ml、4ml、4ml,使溶液浓度成为起始浓度的1/2、2/5、1/3,分别测定其流出时间并记录下来。注意每次加入纯试剂后,一定要混合均匀,每次稀释后都要将稀释液抽洗粘度计的E球、毛细管、M2球和M1球,使粘度计内各处溶液的浓度相等,且要等到恒温后再测定。
  6)粘度计洗涤
  测量完毕后,取出粘度计,将溶液倒入回收瓶,用纯溶剂反复清洗几次,烘干,并用热洗液装满,浸泡数小时后倒去洗液,再用自来水,蒸馏水冲洗,烘干备用。
  7)注意事项
(a).粘度计必须洁净,高聚物溶液中若有絮状物不能将它移入粘度计中。
(b).本实验溶液的稀释是直接在粘度计中进行的,因此每加入一次溶剂进行稀释时必须混合均匀,并抽洗毛细管、M1球和M2球。
(c).实验过程中恒温槽的温度要恒定,溶液每次稀释恒温后才能测量。
(d).粘度计要垂直放置。实验过程中不要振动粘度计。

数据处理
  
(1) 外推法作图计算分子量Mη
  以ηSP/c、lnηr/ c对浓度c作图,得两条直线,外推至c→0得截距。经换算,就得特性粘度[η],将[η]代入式,即可换算出聚合物的分子量Mη。
  (2) “一点法”计算聚合物的分子量
  在一个浓度下测定粘度比,再用公式即可算出其分子量。

 

 

乌氏粘度计

测量聚合物分子量的方法与适用分子量范围

方法名称

适用摩尔质量范围

平均摩尔质量类型

方法类型

粘度法

104~107

粘均

相对法

端基分析法

<3×104

数均

绝对法

沸点升高法

<3×104

数均

相对法

凝固点降低法

<5×103

数均

相对法

气相渗透压法(VPO)

<3×104

数均

相对法

膜渗透压法

2×104~1×106

数均

绝对法

光散射法

2×104~1×107

重均

绝对法

超速离心沉降速度法

1×104~1×107

各种平均

绝对法

超速离心沉降平衡法

1×104~1×106

重均、数均

绝对法

凝胶渗透色谱法

1×103~5×106

各种平均

相对法

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