粘度法测定高聚物分子量实验的改进

第７卷第５期实验科学与技术・３７・粘度法测定高聚物分子量实验的改进项尚林，余人同，王庭慰，傅伟宁，张军，黄健（南京工业大学材料科学与工程学院，南京２１０００９）摘要：针对高分子材料与工程专业实验“粘度法测定高聚物分子量实验”存在的问题进行了改进，利用能够摄像的现代先进仪器设备代替传统的秒表测定高聚物溶液或溶剂在鸟氏粘度计中的流动时间。实践表明。改进后的实验与传统的实验方法相比具有许多优点：高聚物溶液流动时间测试结果更为准确，测试效率得到提高，能够摄像的实验器材来源广泛。关键词：粘度；高聚物分子量；摄像仪器；改进；优点中图分类号：０６—３３：Ｇ６４２．０文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２—４５５０（２００９）０５—００３７—０３ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒＭｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅＭｏｌｅｃｕｌａｒＷｅｉｇｈｔｏｆＰｏｌｙｍｅｒｂｙＭｅａｓｕｒｉｎｇｉｔｓＩｎｔｒｉｎｓｉｃＶｉｓｃｏｓｉｔｙＸＩＡＮＧＳｈａｎｇ—ｌｉｎ，ＹＵＲｅｎ—ｔｏｎｇ，ＷＡＮＧＴｉｎｇ・ｗｅｉ，ＦＵＷｅｉ—ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｕｎ，ＨＵＡＮＧＪｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｆｌａｗｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｏｆｐｏｌｙｍｅｒｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｔｓｉｎｔｒｉｎｓｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙｉｎｓｐｅｃｉａｌｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｍａｃｒｏｍｏｌｅｅｕｌｅｍａｔｅｒｉａｌｉｓａｍｅｌｉｏｒａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｎｅｗｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇｔｉｍｅｏｆｐｏｌｙ－ｍｅｔｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎＵｂｂｅｌｏｈｄｅｔｙｐｅｃａｐｉｌｌａｒｙｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｏｄｅｍｖｉｄｅｏｃａｍｅｒａｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｔｏｐｗａｔｃｈ．Ｔｈｅｐｒａｃ—ｒｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅａｍｅｌｉｏｒａｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｈａｓｍｏｒｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｏｅｓ．ｓｕｃｈ髓ｍｏｒｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｆｏｒｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇｔｉｍｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｍｏｒｅａｅｃｔｔｒａｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔ，ｈｉｇｈｅｒｔｅｓｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｉｎｓｐｉｒ－ｉｎｇｔｈｅｓｔｕｄｅｎ协’ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｌｃｏｎｓｃｉｏｕｓｎｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｒｉｎｓｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｏｆｐｏｌｙｍｅｒ；ｖｉｄｅｏｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ａｍｅｌｉｏｒａｔｉｎｇ；ａｄｖａｎｔａｇｅｓ１引言系。利用粘度来测定高聚物的分子量，这种方法称为粘度法。它是目前最常用的测定高聚物分子量的粘度法测定高聚物分子量实验工艺较为简单，方法之一。操作较方便，应用范围广泛，是国内高校高分子材在一定温度下，高分子溶液的特性粘度［田］料与工程专业本科生教学实验中广泛开设的专业实与高聚物分子量Ｍ之间存在有以下经验式：验…。作为一种测试高聚物分子量的重要手段，［７７］＝肼：（１）粘度法测定高聚物分子量在工业生产及科学研究中在一定温度下，对某一高聚物一溶剂体系，公的应用也较广泛【２。】。但笔者多年的实践教学和科式中Ｋ，ａ是常数；帆为粘均分子量，常见高聚研发现，该实验测定溶液流出时间一般通过秒表进物一溶剂体系的Ｋ，ｎ值都可以从有关手册中查行测定，受测试人员主观因素影响较大，且操作时到。如聚苯乙烯一甲苯体系体系在２５℃下的Ｋ＝间较长。因而很有必要对粘度法测定高聚物分子量１．７×１０－‘、ａ＝０．６９。由于足和“值的确定需其实验的实验方法进行改进。他方法配合，所以粘度法只是一种相对的方法。因２粘度法测定高聚物分子量的实验原理和此，从实验测得特性粘度就可以求出高聚物的粘均方法分子量。特性粘度［７７］的定义为溶液浓度无限稀释情况下的增比比浓粘度（叼。／Ｃ）或比浓对数相对２．１实验原理粘度（Ｉｎｎ，／Ｃ）。高聚物溶液的粘度与其分子量之间有一定的关［田］＝ｌｉ霉叼印／ｃ＝ｌｉｒａ且叼／ｃ（２）收稿日期：２００９—０２—１８；修改日期：２００９一０３—２０式中：％＝７１／７１。（叼，吼分别为溶液和纯溶剂在同作者简介：项尚林（１９７２一），男，讲师，硕士，主要从事一温度下的粘度）称为相对粘度，当用同一支粘度高分子材料的合成与改性方面的研究。计来测定粘度时，研一∥％（ｔ，ｔｏ分别为一定体积万方数据・３８・实验科学与技术２００９年１０月的稀溶液及纯溶剂用同一粘度计在同一温度下测得的流出时问）；ｒｈｐ称为增比粘度，其公式为：’７。＝（，７一ｒｉｏ）／ｒｉｏ＝ｒｉ，一ｌ高聚物溶液的粘度和浓度之间依赖关系有下列２个经验公式：叼。／Ｃ＝（叼）＋Ｋ’（田）２Ｃ（３）ｌｎｒｉ，／Ｃ＝（ｒｉ）－８（叩）２Ｃ（４）式（３）称为Ｈｕｇｇｉｍｓ（休金斯）经验公式，式（４）称为Ｋｒａｅｍｅｒ（克罗米尔）公式。从式（３）和式（４）可看出增比比浓粘度７７。。／Ｃ和比浓对数相对粘度ｌｎｒｉ，／Ｃ与浓度Ｃ成线性关系。因此以１７叩／Ｃ对Ｃ或ｌｎｒｉ，／Ｃ对Ｃ作图可得２条直线（见图１）。按式（２）的定义，将浓度Ｃ外推时，两条直线在Ｃ＝０处，即纵轴上应交于一点，此点的截距即是特性粘度［田］，然后根据式（１）即可求出高聚物的分子量。粘度法的分子量测定范围是２×１０４—１×１０６。测定的分子量是一种特殊的统计平均值，称为粘均分子量。相对浓度图１＿ｒｌ，ｐ／Ｃ和ｌＩｌ叼，／Ｃ与浓度Ｃ关系图２乌氏粘度计２．２实验方法粘度法的测定是用毛细管粘度计进行的，常用的是乌氏粘度计如图２所示。测定时以纯溶剂的液面经两条刻度线所需时间为流出时间ｔ。，以溶液的流出时间为ｔ。具体实验操作是：将乌氏粘度计垂直放入恒温水槽中，使液面完全浸没Ｄ球，用干燥洁净的移液管吸入已配好的溶液或溶剂从Ａ管中注入，在一定温度下恒温后，用夹子封闭Ｂ管。用吸耳球沿Ｃ管将溶液吸到ａ线以上，停止用吸耳球吸取，使溶液流下。该操作反复２次，目的是为了使粘度计的管子中，粘度均匀。打开Ｂ管，使溶液流下，利用停表测定液面流经ａ，ｂ两线问的时间，重复３次，时间误差应在０．２Ｓ之间，取其平均值作为ｔ或“。则相对粘度为叼，＝７７／＇１７０＝ｔ／ｔｏ；增比粘度为：万方数据ｒｉ肇＝叼，一ｌ溶液的浓度是已知的。在一定的温度下，对于固定的粘度计和溶剂，％是一个固定的数值，因此测定一组溶液的ｔ，可以得到一组与该溶液浓度Ｃ相应的７７。／Ｃ和ｌｎｒｉ，ＩＣ之值。只要将同一个高聚物样品配制不同浓度的稀溶液就可以求出相应数据，根据公式（２）一（４）作图就可以求出特性粘度［叩］口．７Ｊ。３实验方法的改进传统的测试方法存在受测试人员主观因素影响较大、操作时间较长的缺陷，笔者对传统测定ｔ或ｔ。的方法进行了如下改进：利用能够摄像的现代先进仪器设备，如摄像机、可摄影的数码相机、可摄影的手机、摄像头等，当溶液的液面在ａ线以上开始摄影，使溶液流下，此时摄像镜头与ａ线在同一水平线上，溶液的液面经过ａ线之后，将摄像镜头调至与ｂ线在同一水平线上，当溶液的液面经过ｂ线之后停止摄影。打开计算机ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统中的Ｗｉｎ—ｄｏｗｓＭｏｖｉｅＭａｋｅｒ软件，点击“导入视频”，导出摄影文件，在暂停状态下，利用按钮＠囝将液面调节至ａ线，记录时间，如图３所示；按同样步骤将液面调节至ｂ线，记录时间，如图４所示，２次时间的差值即为￡或ｔｏ。图３液面到达图４液面到达ａ线时的状态图ｂ线时的状态４改进后实验方法的优点４．１测试结果更为准确２种不同测试方法对溶液流出时间的影响如表１所示。表１测试方法对溶液流出时间的影响（下转第４ｌ页）第７卷第５期ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・４ｌ・的效应是一样的，都是高度不通透的。值得注意的是，本实验中弱电解质的盐（氯化铵、醋酸铵和草酸铵）都是能够引起溶血的，尽管它们需要的时间有快有慢。如何解释这一结果呢？实际上，应该引导学生从弱电解质的性质上去分析。众所周知，强电解质在溶液中是以完全电离的离子存在的，正如上面提到的各种钠盐。对于弱电解质的盐来说，虽然弱电解质可以电离出一部分离子，但在动态平衡下大部分是以分子形态存在的。它们实际上是归属于图１中所指的小的不带电荷的极性分子，它们可以透过细胞膜但其速度慢。本实验中与这种情况相似的还有有机分子甘油、丙酮和乙醇也能够引起溶血。它们引起溶血的快慢可以从分子是否为对称结构上去考虑。显然，对称的分子比不对称的分子容易透过细胞膜。本实验中所用的４结束语综上所述，将细胞生物学的理论教学和实验教学进行有机结合，把理论知识进行综合凝练应用到实验结果的分析中，对拓展学生分析问题的思路，提高分析问题的能力的提高是大有裨益的，同时也是大学生综合能力训练提高的必经环节。参考文献［１］杨汉民．细胞生物学实验［Ｍ］．２舨．北京：高等教育出版社，１９９７：５４－５５．［２］王金发，何炎明．细胞生物学实验教程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４：６７—６９．［３］ＡＪｂｅｒｔｓＢ，ＪｏｈｎｓｏｎｏｆｔｈｅＡ，ＬｅｗｉｓＪ，ｅｔａ１．ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｉｏｌｏｇｙＣｅｌｌ［Ｍ］．５ｔｈｅｄ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＧａｒｌａｎｄＰｕｂｌｉｓｈ－ｉｎｇ，Ｉｎｃ，２００８：６５３—６５３．葡萄糖是一种大的不带电荷的极性分子，通过脂双层的行为和细胞膜的行为是一致的，也是高度不通透的。通过上述实验以及对实验现象的引导和解释，不但加深了学生对教材知识的理解，也提高了学生分析问题的能力。［４］刘凌云，薛绍自，刘惠图．细胞生物学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２：４８—５５．［５］王金发．细胞生物学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３：１０６—１０８．［６］翟中和，王喜忠，丁明孝．细胞生物学［Ｍ］．３版．北京：高等教育出版社，２００７：１０４—１０８．ｑ矿、驴、矽、妒、妒、＿廖、西ｈ硒斗《矿＇驴、驴、＇勿、驴、口、够、《ｐ《矿１矿谚屯矿、驴、驴、＿驴、露、移、ａ争ｑ矿、霉、面ｈ趔卜硒ｈｄ卜《争ｑ矿ｑ穸、驴、喀ｈ西卜ｄ卜矗争卅矿叫穸、口、哆、ｄ争《争ｆ上接第３８页）从表１中可以看出，利用秒表测试和摄影测试得到的平均值尽管较为接近，但方差值相差较多。因为利用秒表受测试人员主观因素的影响，偶然因素影响较大，不同的人进行测试得到的结果就会不同；而摄影测试可以排除人为因素的干扰，使测试结果大为提高。４．２提高了测试效率利用秒表测试，要求测试３个数据结果，并且每次测试结果误差在０．２８之间，实际测量往往会超过３次，才能选出３个误差在０．２ｓ之间的数据。但从表１中可以看出，利用摄影测试每次得到的结果相差很小，误差几乎可以忽略不计，只要条件不变，一般只需测１次就可以了。因此测试效率得到了较大的提高。４．３激发学生创新热情在实验过程中，测试溶液或溶剂的流出时间ｔ或￡。可以利用能够摄像的现代先进仪器设备，如摄像机、可摄影的数码相机、可摄影的手机、摄像头等，尤其目前学生几乎人手一部手机，并且大多数手机都具有拍照、摄影功能，并且部分学生还拥［７］［５］［４］［１］韩哲文。高分子科学实验［Ｍ］．上海：华东理工大学出版社，２００５．［２］刘丛敏．测定聚酯切片特性粘度影响因素探讨［Ｊ］．河南化工，２００８，２５（８）：４７—４８．［３］游革新，赵耀明．一种新型共聚酯组成对其热性能、结晶度和特性粘度的影响［Ｊ］．武汉科技学院学报，２００８，１９（７）：３２—３７．有可摄影的数码相机、带摄像头的电脑等，因此测试时间的器材取材相当广泛。可以引导学生利用身边现有的先进技术设备对自己接触到的实验进行创新性的改进，调动学生进行专业实验的积极性，激发学生的创新热情，从而通过实验教学来提高学生的综合素质。参考文献陈曼华，陈朝辉，肖安．聚碳硅影二乙烯基苯粘度特性研究［Ｊ］．热固性树脂，２００４，１９（１）：８—９．郭百涛，王庭慰．聚天冬氨酸稀溶液的粘度特性表征［Ｊ］．南京工业大学学报，２００４，２６（６）：２１—２４．［６］梁燕，吕桂琴，张军，等．高分子溶液特性粘度测定的新方法［Ｊ］．化学学报，２００７，６５（９）：８５３—８５９，复旦大学高分子科学系．高分子实验技术［Ｍ］．上海：复旦大学出版社，１９９６．万方数据