黏度法測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的改進(jìn)

宋奇奇，劉 穎，原 琳，劉青青，夏其英，梁士明，劉增欣，馬登學(xué)

(1.臨沂大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 臨沂 276005；2.臨沂大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 臨沂 276005)

黏度法測(cè)定聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量是化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生必做的基本操作類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因其具有很多的局限性并且實(shí)驗(yàn)誤差較大，所以對(duì)黏度法測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。通過(guò)改變操作方法，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，減小實(shí)驗(yàn)誤差是亟待解決的問(wèn)題[1]。

高聚物溶液的黏度與其相對(duì)分子質(zhì)量之間有一定的關(guān)系，利用黏度來(lái)測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的方法稱為黏度法。它是目前最常用的測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的方法。

當(dāng)高聚物的化學(xué)組成、溫度、溶劑確定以后，[η]值就只與高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)。常用兩參數(shù)的Mark-houwink經(jīng)驗(yàn)公式表示：

[η]=KMα

式中，K、α需經(jīng)絕對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定方法確定后才可以使用，但在確定的溫度下，對(duì)聚合物-溶液體系，式中的K、α是確定的常數(shù)[2]。

1 改進(jìn)方法

1.1 流經(jīng)a、b管時(shí)間測(cè)定的改進(jìn)

黏度法測(cè)定聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量使用烏氏黏度計(jì)進(jìn)行的如圖1所示。具體的操作方法是：把清洗好、檢查過(guò)的烏氏黏度計(jì)A、C管，分別套上清潔的醫(yī)用膠管，垂直夾持放入25℃的恒溫水槽中，使液面完全浸沒(méi)D球，然后用干凈的移液管移取已配制好的待測(cè)溶劑從A管注入，在恒溫槽中恒溫合適的時(shí)間后，用夾子封閉C管，然后用洗耳球通過(guò)B管將溶液向上吸取幾次，使黏度計(jì)各個(gè)管中的黏度均勻。用洗耳球從B管把液體緩慢地抽至最上面的球，停止抽氣，把C管放開(kāi)，使溶液慢慢下降，當(dāng)彎月面降到刻度a時(shí)，按停表開(kāi)始計(jì)時(shí)，彎月面到刻度b時(shí)，再按停表，記錄下流經(jīng)a、b間的時(shí)間，重復(fù)此操作，取流出時(shí)間相差不超過(guò)0.2s的連續(xù)3次平均值[3]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法雖然簡(jiǎn)單，但存在烏氏黏度計(jì)容易損壞、時(shí)間精度要求高、儀器烘干時(shí)間長(zhǎng)、受測(cè)試人員主觀因素影響較大等限制因素。

南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程的項(xiàng)尚林等人對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)定溶液流經(jīng)a、b間的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了如下改進(jìn)：利用具有攝像功能的數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等，當(dāng)溶液的彎月面在a線以上時(shí)開(kāi)始攝影，使溶液慢慢流下，此時(shí)攝像鏡頭與a線在同一水平線上，當(dāng)溶液的彎月面流過(guò)a線以后，將攝像鏡頭調(diào)到與b線在同一水平線上，待溶液流過(guò)b線以后停止攝影。在計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入視頻文件，然后將液面調(diào)至a線開(kāi)始記錄時(shí)間，當(dāng)液面到達(dá)b線時(shí)開(kāi)始記錄時(shí)間，兩次時(shí)間的差值就是所求時(shí)間[3]。

圖1 烏氏粘度計(jì)

此方法克服了實(shí)驗(yàn)受測(cè)試人員主觀因素影響較大的弊端，比較準(zhǔn)確的測(cè)出了溶液流經(jīng)a、b間的時(shí)間，排除了人為因素的干擾，使測(cè)量結(jié)果的精度大為提高。同時(shí)利用秒表測(cè)量a、b間的流出時(shí)間時(shí)要求測(cè)量3組數(shù)據(jù)且每個(gè)測(cè)試結(jié)果的誤差在0.2 s以內(nèi)[4]，這就使得實(shí)際測(cè)量往往會(huì)超過(guò)3次，利用攝像測(cè)得的每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間誤差很小，幾乎可以忽略不計(jì)，不需重復(fù)測(cè)量，這就使得測(cè)量效率有了較大的提高。

1.2 防止粘度計(jì)損壞的改進(jìn)

圖2 改進(jìn)后的烏氏粘度計(jì)

由于烏氏黏度計(jì)采用玻璃制成，使用時(shí)容易折斷碰壞，尤其是A管、B管和C管之間的玻璃連接管很容易因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而損壞，造成實(shí)驗(yàn)損耗特別大。湖北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的龔興厚[5]等人在進(jìn)行黏度法測(cè)定聚乙烯醇相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)針對(duì)烏氏黏度計(jì)容易損壞這一弊端進(jìn)行了如圖2所示的改進(jìn)：用一根較長(zhǎng)的橡皮管將烏氏黏度計(jì)的A管與洗耳球相連，這樣就避免了洗耳球與烏氏黏度計(jì)的直接接觸，同時(shí)也避免了操作者與烏氏黏度計(jì)的不必要接觸。此方法可以很大程度的減少因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而損壞烏氏黏度計(jì)的情況的發(fā)生，從而進(jìn)一步減少了實(shí)驗(yàn)的損耗。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟順序的改進(jìn)

傳統(tǒng)的的用烏氏黏度計(jì)測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)步驟順序是：測(cè)定溶劑通過(guò)的時(shí)間→烘干烏氏黏度計(jì)→測(cè)定溶液通過(guò)的時(shí)間→清洗儀器→烘干烏氏黏度計(jì)。這樣的實(shí)驗(yàn)順序有一定的好處，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要花時(shí)間清洗儀器，但因?yàn)闉跏橡ざ扔?jì)的管深很大，因此在烘干的過(guò)程中需要花費(fèi)大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度[6]。龔興厚、劉清亭、劉娜等人在用烏氏黏度計(jì)測(cè)定聚乙烯醇的實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行了如下改進(jìn):測(cè)定聚乙烯醇水溶液通過(guò)的時(shí)間→清洗儀器→測(cè)定溶劑(水)通過(guò)的時(shí)間→烘干儀器。這樣的實(shí)驗(yàn)順序較之前相比減少了一次烘干儀器的時(shí)間，測(cè)定完聚乙烯醇通過(guò)的時(shí)間后，用自來(lái)水沖洗烏氏黏度計(jì)然后再用蒸餾水沖洗后即可測(cè)定水通過(guò)的時(shí)間，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全沒(méi)有影響，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中清洗儀器相對(duì)簡(jiǎn)單而且所用的時(shí)間相對(duì)于烘干儀器所用的時(shí)間要少得多，這樣就可以很大程度的減少實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)的效率[7]。

1.4 消除氣泡的改進(jìn)

圖3 排除氣泡示意圖

在利用黏度法測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橐啻斡孟炊驅(qū)⑷芤何紾球測(cè)量溶液流經(jīng)a、b刻度的時(shí)間，所以溶液起泡的問(wèn)題一直困擾著操作者。氣泡不但有可能被洗耳球吸入到G球，甚至還有可能進(jìn)入洗耳球，從而嚴(yán)重干擾操作者判斷液面流經(jīng)a、b刻度的的時(shí)間，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。加入消泡劑來(lái)消泡也不可避免的會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[8]。龔興厚等人在用烏氏黏度計(jì)測(cè)定聚乙烯醇的實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)反復(fù)的摸索，針對(duì)氣泡影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性這一問(wèn)題進(jìn)行了如圖3的改進(jìn)：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需將烏氏黏度計(jì)的B管用夾子封閉后向一邊傾斜，如圖所示，然后用洗耳球?qū)管進(jìn)行吹氣，就可將烏氏黏度計(jì)左邊支管液面的氣泡吹入到右邊支管，而且氣泡在右邊支管中不會(huì)影響溶液通過(guò)a、b刻度的時(shí)間的判斷。他們等人通過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出上述的改進(jìn)方法完全消除了氣泡給實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的不良影響。而且這一改進(jìn)方法可以應(yīng)用到用烏氏黏度計(jì)測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的所有實(shí)驗(yàn)中[9]。

2 總結(jié)

在用黏度法測(cè)定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)秩序，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行，準(zhǔn)確度高的實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)還要考慮到各種因素可能帶來(lái)的影響，尋求簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)處理的方法[10]得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)誤差，找到實(shí)驗(yàn)誤差的來(lái)源，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)[11]。相信隨著創(chuàng)新精神的深入人心和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一定會(huì)有更嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方案和更精密實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，降低實(shí)驗(yàn)誤差[12]。