Исследование зависимости вязкости растворов полимеров от концентрации. Определение молекулярной массы полимера

Министерство  образования и науки РФ 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования 

Ивановский  государственный химико-технологический  университет 

Факультет ОХиТ

Кафедра ТППиБТ 
 
 
 
 
 

Лабораторная  работа №1   

по курсу «Поверхностные явления и дисперсионные системы» 

  

«Исследование зависимости вязкости растворов полимеров  от концентрации. Определение  молекулярной массы  полимера» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент  гр. 4-29

Ивлев П. А.  

Проверил: Филиппов Д. В. 
 
 
 
 
 
 
 

Иваново

2011

Работа  №1. Исследование зависимости  вязкости растворов  полимеров от концентрации. 

Цель  работы:

- провести исследование зависимости полимера (карбоксимелцеллюлозы, КМЦ) от его концентрации при постоянной температуре;

- проверить применимость уравнения Эйнштейна к данной системе; 

Приборы и реактивы: капиллярный вискозиметр ВПЖ-2 или Оствальда, водный раствор карбоксиметилцеллюлозы, набор посуды для приготовления растворов. 

Установка:

 В данной работе для исследования зависимости вязкости растворов  применяется капиллярный  вискозиметра ВПЖ-2. Вискозиметр состоит из двух колен, в одно из которых впаяны капилляр 1 и полые шарики 2 с метками. Это колено впаяно в резервуар  3, который соединен с другим  коленом вискозиметра  4, представляющим собой широкую трубку. Через колено 4 в резервуар 3 вводят определенный  объем  исследуемой жидкости. 

Теоретическое введение:

Вязкость (η) – внутреннее трение между слоями данного вещества (жидкости  или газа),  движущимися  относительно  друг  друга.

    В  дисперсионной  среде  с  вязкостью  твердые частицы дисперсной фазы вследствие сил трения при сдвиге приобретают  дополнительное вращательное движение,  приводящее  к  рассеянию энергии, в результате которого вязкость дисперсной системы возрастает. Разбавленные  агрегативно  устойчивые  дисперсные  системы являются  ньютоновскими жидкостями, их вязкость η  линейно связана с объемной долей дисперсной фазы и не зависят от дисперсности:

    

(1)

    Для относительной  и удельной вязкости дисперсной системы

уравнение Эйнштейна соответственно принимает  вид:

 (2)

    и 

(3)

    Коэффициент при  в уравнении Эйнштейна зависит от формы частиц

дисперсной  фазы: для сферических частиц α = 2,5. Как правило, для частиц несферической  формы α > 2.5.

    Уравнение Эйнштейна предполагает, что система несжимаема, находится  в  режиме  ламинарного  течения,  скольжение  между  частицами  и жидкостью минимально, отсутствует взаимодействие между частицами.

    Данные  зависимости используются при определении  молекулярной  массы  полимеров,  что  обусловливает их  практическую значимость. Для растворов полимеров, имеющих палочкообразные макромолекулы с короткими и жесткими цепями, справедливо уравнение Штаудингера, согласно которому:

    

    Приведенная вязкость определяется по соотношению:

    Широкое распространение получило соотношение Марка-Куна-Хаувинка, связывающее  молекулярную массу  полимера характеристической вязкостью [η]:

 

Ход работы:

Выполнение  работы:

    Тщательно промываем вискозиметр дистиллированной водой. Из  исходной системы готовим 5..6 растворов различной концентрации. Первоначально измеряем время истечения растворителя, а затем приготовленных растворов. Измерения времени истечения следует проводить в порядке возрастания концентрации растворов. Время истечения каждого

    раствора  фиксируем 3..4 раза. 

    Для  исследуемых растворов по концентрации рассчитывают объемную долю дисперсной фазы . Объемная доля определяется как отношение объема дисперсной фазы Vд.ф. к объему дисперсной системы Vд.с.

    

,

    Для водных растворов ρд.с. ≈ 1, поэтому в данном случае:

    

где сi – концентрация раствора полимера, мас. %, ρд.ф. – плотность дисперсной фазы.

    Полученные  данные сводим в таблицу расчетно-экспериментальных данных: 
 
 
 
 
 

    Таблица №1

    Таблица расчетно-экспериментальных данных

 

    Расчетная часть:

    Все расчеты проведены с помощью табличного процессора MS Excel.

    Пример  расчета:

1. Определение константы вискозиметра :

    При истечении в вискозиметре одинаковых объемов жидкостей только под  действием силы тяжести выполняются  соотношения:

    

  или

    

 и 

    где – постоянная вискозиметра, которая определяется экспериментально по времени истечения жидкости, вязкость которой известна (обычно по растворителю).

    Разницей  в плотностях растворителя и разбавленной дисперсной системы можно пренебречь, т.е. ρ0 ≈ ρ, таким образом 

;

;

    Дальнейшие  расчеты приведен для опыта №4. 

2. Определение концентрации раствора КМЦ:

;

3. Определение объемной доли дисперсной фазы :

4. Определение вязкости КМЦ :

;

5. Определение удельной вязкости КМЦ :

 

    Графические зависимости:

    По  результатам расчетов строим графики зависимостей и :

      

 

    Вывод: мтмит 
 
 

Работа  №2. Определение молекулярной массы полимера. 

Цель  работы:

- провести исследование зависимости вязкости полимера от его концентрации, рассчитать молекулярную массу полимера. 

    Сведения  о приборах и реактивах, установке, теоретическом введении и выполнении работы: см. работу №1. 

Расчетная часть:

    Данные  работы соответствуют данным работы №1 (см. табл. №1). Для  раствора КМЦ  рассчитываем приведенную вязкость .

    Все расчеты проведены с помощью  табличного процессора MS Excel.

    Пример  расчета (для опыта №4): 

1. Определение приведенной вязкости КМЦ :

    По  результатам расчетов строим график зависимости , по которому,  путем  экстраполяции  на  нулевое значение  концентрации,  находим характеристическую вязкость  [η]. 

    Далее рассчитываем молекулярную массу полимера: 

, откуда

,

где ,

    Тогда