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烏氏粘度計原理及其應用

內容介紹：

當流體受外力作用產生流動時，在流動著的液體層之間存在著切向的內部摩擦力，如果要使液體通過管子，必須消耗一部分功來克服這種流動的阻力。在流速低時管子中的液體沿著與管壁平行的直線方向前進，*靠近管壁的液體實際上是靜止的，與管壁距離愈遠，流動的速度也愈大。流層之間的切向力f與兩層間的接觸面積A和速度差
Δv成正比，而與兩層間的距離Δx成反比：
　　式中，η是比例系數，稱為液體的粘度系數，簡稱粘度。
　　高聚物摩爾質量不僅反映了高聚物分子的大小，而且直接關系到它的物理性能，是個重要的基本參數。與一般的無機物或低分子的有機物不同，高聚物多是摩爾質量大小不同的大分子混合物，所以通常所測高聚物摩爾質量是一個統計平均值。
　　測定高聚摩爾質量的方法很多，而不同方法所得平均摩爾質量也有所不同。比較起來，粘度法設備簡單，操作方便，并有很好的實驗精度，是常用的方法之一。用該法求得的摩爾質量成為粘均摩爾質量。

烏氏粘度計 - 常用名詞的物理意義

　　符號、名稱與物理意義：
　　η0：純溶劑的粘度，溶劑分子與溶劑分子間的內摩擦表現出來的粘度。
　　η ：溶液的粘度，溶劑分子與溶劑分子之間、高分子與高分子之間和高分子與溶劑分子之間三者內摩擦的綜合表現。
　　ηr ：相對粘度，ηr=t/t0，溶液粘度對溶劑粘度的相對值。
　　ηsp ：增比粘度，ηsp= (η-η0) / η0 = (η / η0)-1 = ηr -1，反映了高分子與高分子之間，純溶劑與高分子之間的內摩擦效應。
　　ηsp/C：比濃粘度，單位濃度下所顯示出的粘度。
　　[η] ：特性粘數，反映了高分子與溶劑分子之間的內摩擦。

特性粘數與聚合物分子量的關系

　　大量的實驗證明，對于給定聚合物在給定的溶劑和溫度下，特性粘數[η]的數值僅由給定聚合物的分子量所決定，[η]與給定聚合物的粘均分子量Mh的關系可以由Mark-Houwink方程表示：

其中：K —— 比例常數；α —— 擴張因子，與溶液中聚合物分子鏈的形態有關；Mη —— 粘均分子量。
　　K、α與溫度、聚合物種類和溶劑性質有關，K值受溫度的影響較明顯，而α值主要取決于聚合物分子鏈線團在溶劑中舒展的程度，一般介于0.5～1.0之間。在一定溫度時，對給定的聚合物-溶劑體系，一定的分子量范圍內K、α為一常數，[η]只與分子量大小有關。K、α值可從有關手冊中查到，或采用幾個標準試樣由上式進行確定，標準試樣的分子量由絕對方法（如滲透壓和光散射法等）確定。特性粘數[η]的大小受下列因素影響：

（1）分子量：線型或輕度交聯的聚合物分子量增大，特性粘度[η]增大。
　　（2）分子形狀：分子量相同時，支化分子的形狀趨于球形，特性粘度[η]較線型分子的小。
　　（3）溶劑特性：聚合物在良溶劑中，大分子較伸展，特性粘度[η]較大，而在不良溶劑中，大分子較卷曲，特性粘度[η]較小。
　　（4）溫度：在良溶劑中，溫度升高，對特性粘度[η]影響不大，而在不良溶劑中，若溫度升高使溶劑變為良好，則特性粘度[η]增大。

烏氏粘度計的使用步驟

1）根據實驗需要將恒溫槽溫度調節至25±0.05℃ 或30±0.05℃。
　　2）配制聚合物溶液
　　用粘度法測聚合物分子量，選擇高分子-溶劑體系時，常數K、α值必須是已知的而且所用溶劑應該具有穩定、易得、易于純化、揮發性小、毒性小等特點。為控制測定過程中hr在1.2～2.0之間，濃度一般為 0.001g／ml～0.01g／ml。于測定前幾天，用100 ml容量瓶把待測聚合物試樣溶解于溶劑中配成已知濃度的溶液。
　　準確稱取100-500mg待測聚合物放入100ml清潔干燥的容量瓶中，倒入約80ml甲苯（本例以甲苯為溶劑），使之溶解，待聚合物完全溶解之后，放入已調節好的恒溫槽中，容量瓶也放入恒溫槽中。再加溶劑至刻度，取出搖勻，用3號玻璃砂芯漏斗過濾到另一100ml容量瓶中，放入恒溫槽恒溫待用，容量瓶及玻璃砂芯漏斗，用后立即洗滌。玻璃砂芯漏斗要用含30%硝酸鈉的硫酸溶液洗滌，再用蒸餾水抽濾，烘干待用。
　　3）洗滌粘度計
　　粘度計和待測液體是否清潔，是決定實驗成功的關鍵之一。由于毛細管粘度計中毛細管的內徑一般很小，容易被溶液中的灰塵和雜質所堵塞，一旦毛細管被堵塞，則溶液流經刻線a和b所需時間無法重復和準確測量，導致實驗失敗。若是新的粘度計，先用洗液浸泡，再用自來水洗三次，蒸餾水洗三次，烘干待用。對已用過的粘度計，則先用甲苯灌入粘度計中浸洗除去留在粘度計中的聚合物，尤其是毛細管部分要反復用溶劑清洗，洗畢，將甲苯溶液倒入回收瓶中，再用洗液、自來水、蒸餾水洗滌粘度計，*后烘干。
　　4）測定溶劑的流出時間
　　烏氏粘度計是氣承懸柱式可稀釋的粘度計，把預先經嚴格洗凈，檢查過的潔凈粘度計垂直夾持于恒溫槽中，使水面完全浸沒小球M1。用移液管吸10ml甲苯，從A管注入E球中。于25℃恒溫槽中恒溫3分鐘，然后進行流出時間t0的測定。用手捏住C管管口，使之不通氣，在B管用洗耳球將溶劑從E球經毛細管、M2球吸入M1球，然后先松開洗耳球后，再松開C管，讓C管通大氣。此時液體即開始流回E球。此時操作者要集中精神，用眼睛水平地注視正在下降的液面，并用秒表準確地測出液面流經a線與b線之間所需的時間，并記錄。重復上述操作三次，每次測定相差不大于0.2 s。取三次的平均值為t0，即為溶劑的流出時間。但有時相鄰兩次之差雖不超過0.2 s，而連續所得的數據是遞增或遞減（表明溶液體系未達到平衡狀態），這時應認為所得的數據不可靠的，可能是溫度不恒定，或濃度不均勻，應繼續測定。
　　5）溶液流出時間的測定
（a）測定t0后，將粘度計中的甲苯倒入回收瓶，并將粘度計烘干，用干凈的移液管吸取已恒溫好的被測溶液8ml，移入粘度計（注意盡量不要將溶液沾在管壁上），恒溫3分鐘，按前面的步驟，測定溶液（濃度c1）的流出時間t1。
（b）用移液管加入4ml預先恒溫好的甲苯，對上述溶液進行稀釋，稀釋后的溶液濃度（c2）即為起始濃度c1的2/3。然后用同樣的方法測定濃度為c2的溶液的流出時間t2。與此相同，依次加入甲苯4ml、4ml、4ml，使溶液濃度成為起始濃度的1/2、2/5、1/3，分別測定其流出時間并記錄下來。注意每次加入純試劑后，一定要混合均勻，每次稀釋后都要將稀釋液抽洗粘度計的E球、毛細管、M2球和M1球，使粘度計內各處溶液的濃度相等，且要等到恒溫后再測定。
　　6）粘度計洗滌
　　測量完畢后，取出粘度計，將溶液倒入回收瓶，用純溶劑反復清洗幾次，烘干，并用熱洗液裝滿，浸泡數小時后倒去洗液，再用自來水，蒸餾水沖洗，烘干備用。
　　7）注意事項
(a).粘度計必須潔凈，高聚物溶液中若有絮狀物不能將它移入粘度計中。
(b).本實驗溶液的稀釋是直接在粘度計中進行的，因此每加入一次溶劑進行稀釋時必須混合均勻，并抽洗毛細管、M1球和M2球。
(c).實驗過程中恒溫槽的溫度要恒定，溶液每次稀釋恒溫后才能測量。
(d).粘度計要垂直放置。實驗過程中不要振動粘度計。

數據處理
　　（1）外推法作圖計算分子量Mη
　　以ηSP/c、lnηr/ c對濃度c作圖，得兩條直線，外推至c→0得截距。經換算，就得特性粘度[η]，將[η]代入式，即可換算出聚合物的分子量Mη。
　　（2） “一點法”計算聚合物的分子量
　　在一個濃度下測定粘度比，再用公式即可算出其分子量。