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

№	t, с	V р-ра КМЦ,мл	VH20,мл	Ci,масс.%	φi	η, Па с	ηуд.	ηприв.
1	120	0	10	0	0	9,70E-04	1,12E-16
2	180	1	9	0,1	8,62E-04	1,46E-03	0,5	5
3	234	2	8	0,2	1,72E-03	1,89E-03	0,95	4,75
4	287	3	7	0,3	2,59E-03	2,32E-03	1,391667	4,639
5	353	4	6	0,4	3,45E-03	2,85E-03	1,941667	4,854
6	435	5	5	0,5	4,31E-03	3,52E-03	2,625	5,25
7	667	7	3	0,7	6,03E-03	5,39E-03	4,558333	6,512

 

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