2.2 Определение молекулярной массы полимера вискозиметрическим методом (Работа № 2)

Цели работы. 1. Изучение зависимости вязкости раствора от концентра­ции полимера. 2. Определение молекулярной массы полимера.

Краткие теоретические положения. Молекулярную массу полимера нельзя определить классическими методами криоскопии и эбулиоскопии. Эти методы основаны на том, что разность температур замерзания или кипения между раствором и растворителем обратно пропорциональна молекулярной массе растворенного вещества. Молекулярная масса полимеров велика, а разность температур настолько мала, что ее трудно уловить.

Растворы высокомолекулярных соединений характеризуются высокой вязкостью даже при малых концентрациях. Измерение вязкости раствора обычно состоит в том, что сравнивают время истечения  данного объема рас­твора полимера через капилляр с соответствующим временем истечения ₀ для растворителя:

(14)

где  и ₀ – вязкость исследуемого раствора полимера и чистого раствори­теля, соответственно;  и ₀ – плотности соответственно раствора и растворите­ля.

Для разбавленного раствора полимера ( = ₀) уравнение (4.18) принима­ет вид

(15)

Отсюда

(16)

(17)

где [] – характеристическая вязкость.

Для нахождения характеристической вязкости [] пользуются графиче­ским методом (см. рисунок 3): по оси ординат откладывают значения _уд/c, определенные опытным путем для разбавленных растворов полимера, а по оси абс­цисс – соответствующие концентрации. Отрезок, отсекаемый полученной пря­мой на оси ординат, соответствует характеристической вязкости.

Характеристическая вязкость связана с молекулярной массой растворен­ного полимера уравнением:

(18)

где K и  – постоянные, зависящие от природы растворителя и полимера.

Для расчета степенное уравнение удобнее записать в логарифмической форме:

Рисунок 3 – График для определения характеристической вязкости

(19)

или

(20)

Взяв антилогарифм, определяют значение молекулярной массы полимера М.

Приборы и реактивы. 1. Вискозиметр. 2. Секундомер. 3. Термостат (стакан с водой). 4. Колбы или химические стаканы на 100 см³. 5. Раствор поли­мера (1г/100 см³) (например, поливинилового спирта). 6. Мерные пипетки на 10 см³, 15 см³ и 20 см³.

Порядок выполнения работы. В пять химических стаканов вносят ука­занные в таблице 3 количества исходного раствора полимера и воды.

Определение времени истечения производят в капиллярном вискозиметре типа ВПЖ–2м, представляющем собой U-образную трубку, в колено (1) кото­рого впаян капилляр (рисунок 4).

Рисунок 4 – Капиллярный вискозиметр типа ВПЖ-2м

На отводную трубку вискозиметра (6) надевают резиновую трубку. Далее, зажав пальцем колено (5) и перевернув вискозиметр, опускают колено (1) в ста­кан с жидкостью и засасывают ее с помощью груши до отметки М₂ резервуара, следя за тем, чтобы в жидкости не образовывалось пузырьков воздуха. В тот мо­мент, когда уровень жидкости достигнет отметки M₂ резервуара (3), вискозиметр вынимают из сосуда и быстро переворачивают в нормальное положение. Затем надевают на конец колена (1) резиновую трубку.

Вискозиметр устанавливают в термостат (стакан с жидкостью, температу­ру которой поддерживают постоянной) так, чтобы резервуар (2) был ниже уров­ня жидкости в термостате. После выдержки в термостате 10 минут при заданной температуре (25°С) засасывают жидкость в колено (1) примерно до одной трети высоты резервуара (2). Определяют время опускания мениска жидкости от от­метки М₁ до отметки M₂.

Измерение времени истечения производят три раза, чтобы расхождения в параллельных измерениях составляли не более 0,5 с.

Подобным образом определяют время истечения растворов полимера, на­чиная с самого разбавленного раствора. Переходя к раствору более высокой концентрации, нужно возможно более тщательно с помощью груши удалить из вискозиметра прежний раствор, а затем ополоснуть вискозиметр раствором следующей концентрации (при этом стараться не вспенивать раствор в виско­зиметре).

Исходные данные и результаты измерений вносят в таблицу 3.

Таблица 3 – Исходные данные, результаты измерений и расчетов

№	Объем исходного раствора полимера, см3	Объем воды, см3	Концен- трация с, г/100 см3	Время , с			ср, с	уд	уд/с
				1	2	3
1	0	40
2	10	30
3	20	20
4	30	10
5	40	0

Обработка экспериментальных данных.

1. Рассчитывают _уд, _уд/с. Результаты расчетов вносят в таблицу.

2. По данным таблицы 3 строят график зависимости _уд/с от с и определяют  как начальную ординату (см. рисунок 3).

3. Рассчитывают молекулярную массу полимера (для поливинилового спирта при 25С  = 0,67; К = 5,95).

Форма отчета. Отчет должен содержать название работы, описание ее це­ли, краткие теоретические положения, порядок выполнения работы, заполненную таблицу, график, расчет молекулярной массы полимера, вывод.

Контрольные вопросы

1 Какие соединения называются высокомолекулярными?

2 В чем заключается вискозиметрический метод анализа?

3 Что называется относительной, удельной и характеристической вяз­костью?

4 Как графически определить характеристическую вязкость?

5 Запишите уравнение, связывающее характеристическую вязкость и мо­лекулярную массу полимера.