VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Реологические свойства являются очень информативными и могут быть использованы для определения многих характеристик не только многокомпонентных растворов, но и для определения свойств индивидуального вещества. На примере раствора высокомолекулярного полимера – желатина – мы показали способ определения его молекулярной массы с помощью капиллярного вискозиметра.

Вискозиметры капиллярного типа применяются для определения вязкости материалов, обладающих относительно небольшой ее величиной: мясокостного бульона, крови и топленого жира, подсолнечных и соевых мисцелл, растворов мыла, миндального и арахисового масел, кондитерского жира.

Капиллярные вискозиметры не имеют недостатка, присущего ротационным вискозиметрам: в капилляре непрерывно подвергается сдвигу вновь поступающая жидкость, тогда как в ротационных вискозиметрах один и тот же испытуемый материал находится в зазоре вискозиметра в течение всего опыта. Одно время отрицали применимость капиллярных вискозиметров для определения реологических свойств материалов при сдвиге, ибо в капилляре происходит неоднородный или менее однородный, чем в ротационных вискозиметрах, сдвиг материала.

В капиллярных вискозиметрах задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала.

В основу определения молекулярной массы M_η полимеров положены, с одной стороны, уравнение зависимости вязкости раствора полимера с его концентрацией, которое в общем виде имеет вид

а с другой стороны, уравнение связи характеристической вязкости[η] растворов полимеров с молекулярной массой полимера (уравнение Куна – Марка – Хаувинка)

В этих уравнениях К, К₁, К₂ и α – константы, а η_р-ра и η_р-ля – вязкость раствора и растворителя соответственно, η_уд – удельная вязкость раствора. Константы К и α характерны для каждой пары полимер – растворитель, они имеются в справочной литературе.

Характеристическая вязкость есть предел, к которому стремится значение приведенной вязкости, равное удельной вязкости, деленной на концентрацию:

Зависимость от концентрации выражается прямой линией, экстраполяция которой к нулевой концентрации и дает характеристическую вязкость.

Удельной вязкостью раствора η_уд называют приращение вязкости растворителя, вызванное добавлением к растворителю полимера, отнесенное к вязкости чистого растворителя:

Относительная вязкость η_отн равна отношению вязкостей раствора и растворителя, находится по времени течения τ раствора и растворителя в одном и том же вискозиметре при одинаковой и температуре и при допущении, что плотности раствора малой концентрации и чистого растворителя равны:

Вискозиметрический метод определения молекулярной массы полимеров основан на законе течения жидкостей Пуайзеля.

Для оценки концентрационной зависимости вязкости разбавленных растворов полимеров приведенное выше общее уравнение связи вязкости растворов полимеров с их концентрацией Хаггинс предложил применить в виде:

где константу К_х называют константой Хаггинса. Эта константа в физике полимеров имеет важное значение, так как она позволяет рассчитать конформационные характеристики макромолекул в разбавленных растворах полимеров: степень набухания клубков макромолекул в растворе, величину сегмента Куна, характеризующего гибкость полимерных цепей, приведенное среднеквадратичное расстояние между концами цепи в клубке, исключенный объем и др.

Для измерений мы использовали:

Реактивы и препараты:желатин, дистиллированная вода. Приборы и посуда:стеклянный U – образный вискозиметр, секундомер, мерные колбы на 50 мл, стаканы 500 и 50 мл, мерные цилиндры на 50 мл и на 25 мл, воронка, стеклянная палочка.

Измерение вязкости при помощи вискозиметра Освальда (рис.1) основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара. Для набора исследуемой жидкости в вискозиметр на отводную трубку (3) надевают резиновый шланг, а в него вставляют резиновую грушу (или подключают к водяному насосу) и, перевернув вискозиметр, опускают колено 1 в сосуд с исследуемой жидкостью и засасывают ее до отметки М-2, одновременно следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха. В тот момент, когда уровень жидкости достигнет отметки М-2, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро перевертывают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны конца колена 1 избыток жидкости и надевают на него резиновую трубку. Вискозиметр устанавливают в термостат так, чтобы расширение (5) было ниже уровня жидкости в термостате. После выдержки в термостате не менее 15 мин при заданной температуре засасывают жидкость в колено 1, примерно до одной трети высоты расширения (5). Сообщают колено 1 с атмосферой и, включая секундомер, определяют время истечения (опускания мениска) жидкости от метки М-1 до метки М-2. Для получения точных результатов измерения проводят в 3-5 раз.

Рис.1 - вискозиметр Освальда.

Чистый и сухой вискозиметр закрепляем в штативе в вертикальном положении. Через широкую трубку вискозиметра заливаем чистый растворитель примерно на½ объема нижнего шарика.

Заполняем растворителем рабочий (верхний) шарик вискозиметра. Для этого закрываем указательным пальцем левой ру­ки широкую трубку вискозиметра, а правой рукой с помощью резиновой груши, присоединенной через резиновую трубку, слегка нагнетаем воздух для передавливания жидкости из нижнего шарика вискозиметра через ка­пилляр в верхний рабочий шарик.

Отнимаем палец от широкой трубки вискозиметра и даем растворителю свободно перетекать по капилляру из шариков. С помощью секундомера с точностью ± 0,1 секунды замеряем время течения жидкости от верхней до нижней метки на рабочем шарике вискозиметра. Это время необходимо для ориентировки при измерениях. После этого растворитель выливаем из вискозиметра и зали­ваем новую порцию его теперь уже для исследования.

Приступаем к точной фиксации времени течения растворителя с запи­сью результатов в рабочем журнале. Опыт с чистым растворителем повто­ряют несколько раз, форма записи результатов этих экспериментов и экспериментов с растворами полимеров следующая (табл. 1)

Таблица 1 - Время истечения растворов полимера разной концентрации

	Концентрация раствора, %	Время течения, с
	0,25	115,6
	0,5	160,3
	0,75	181
	1	195,3

Обработка результатов эксперимента.

Данные таблицы наблю­дений используем для оценки точности определения времени течения, на­хождения молекулярной массы полимера и константы Хаггинса.

Молекулярную массу полимера рассчитываем как описано в теоре­тической части настоящей работы по характеристической вязкости раство­ра. Для этого по результатам таблицы экспериментальных данных состав­ляется новая таблица с вычисленными значениями относительной, удель­ной и приведенной вязкости (значениями η_уд /С) (табл. 2).

Таблица 2 – Обработка результатов измерений

	Точная концентрация раствора, г/дл	τ, с
	0,25	115,6	1,56	0,63	2,52
	0,5	160,3	2,16	1,25	2,5
	0,75	181	2,44	1,55	2,07
	1	195,6	2,63	1,75	1,75

1. Расчет относительной вязкости:

1. Расчет удельной вязкости:

1. Расчет приведенной вязкости:

По результатам этой таблицы строим график зависимости приведен­ной вязкости раствора от его концентрации. В этих координатах на графике будет прямая линия, экстраполяция которой к «нулевой» концентрации дает значение характеристической вязкости, а по наклону прямой к оси абсцисс можно рассчитать константу Хаггинса.

 

tgα

 

Рис. 2 - График зависимости приведенной вязкости раствора от его концентрации.

1. По графику определяем значение характеристической вязкости:

[η] = 0,75

1. Рассчитываем константу Хаггинса:

1. По найденному значению характеристической вязкости рассчитывают молекулярную массу полимера:

а) по уравнению Штаудингера

г/моль

б) по уравнению Марка-Куна-Хаувинка

1455 г/моль

Вывод:

Концентрационная зависимость вязкости растворов полимеров дает ценную информацию о структурных особенностях исследуемых систем, межмолекулярных взаимодействиях, позволяет оценить молекулярную массу полимера.

Код для цитирования: Скопировать