烏氏粘度計(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上烏氏粘度計1概述在前面的第三章中，介紹了壓力型毛細管粘度計。本章將要介紹的烏氏粘度計（UbbeloHde Viscometer），是一種重力型的毛細管粘度計，是基于相對測量法的原理而設(shè)計的。也即依據(jù)液體在毛細管中的流出速度來測量液體的特性粘度（也稱為極限粘度）。與其他重力型粘度計相比，它是屬于懸掛液柱型粘度計。圖1為一個普通的三支管玻璃烏氏粘度計。它具有一根內(nèi)徑為R，長度為L的毛細管，毛細管上端有一個體積為V的小球，小球上下有刻線a和b。它是由奧氏粘度計改進而來的。為了便于說明烏氏粘度計的特點，我們將它與奧氏粘度計作一個比較。圖2所示為奧氏粘度計。從圖中可以看出，烏氏

2、粘度計與奧氏粘度計最大的區(qū)別是它多了一根支管C，而這就使兩者的測試性能完全不同。在實驗中由A管向B管抽溶液時，C管密閉；隨后將C管通大氣，這樣毛細管下端的液面下降。毛細管內(nèi)流下的液體形成了一個氣承懸液柱，出毛細管下端時，將沿管壁流下。這樣可以避免出口處產(chǎn)生湍流的可能，而且等效平均液柱高h（即為懸液柱的高度）同A管內(nèi)液面的高低無關(guān)。而對于奧氏粘度計，其等效平均液柱高h則是A、B兩管的液面差，顯然在液體從毛細管流出的過程中，h的值是不斷變化的。這樣測試的結(jié)果就還受到A管液面的影響。因此在稀釋法測定特性粘數(shù)的實驗中，烏氏粘度計特別方便。DDBCABAababL 圖1 烏氏粘度計 圖2 奧氏粘度計隨著

3、技術(shù)的改進，目前世界上已有不少國家可以生產(chǎn)自動烏氏粘度計。圖3是自動烏氏粘度計的示意圖。在a和b之間的測試架的一側(cè)裝有一對紅外發(fā)光管，另一側(cè)裝有一對光電接收管，當(dāng)毛細管的流體由于運動遮擋紅外光束時即會產(chǎn)生一電信號， 從而實現(xiàn)了自動分析，圖4為其工作的原理示意圖。圖3 自動烏氏粘度計測試架電源信號處理光 耦計算機光 耦電磁閥氣泵打印機圖4 自動烏氏粘度計工作原理示意圖2 測試原理與方法2.1基本原理 高分子溶液的粘度有以下幾種定義：（1） 粘度比（相對粘度） 粘度比用來表示。，其中，為純?nèi)軇┑恼扯?，是相同溫度下溶液的粘度。粘度比是一個無因次的量。對于低切變速度下的高分子溶液，其值一般大于1。顯然

4、，隨著溶液濃度的增加將增大。（2） 增比粘度（粘度相對增量） 增比粘度用表示，是相對于溶劑來說溶液粘度增加的分數(shù)： 增比粘度也是一個無因次的量。（3） 比濃粘度（粘數(shù)） 對高分子溶液，增比粘度往往隨溶液的濃度增加而增大，因此常用其與濃度之比來表征溶液的粘度，稱為比濃粘度，即 它表示當(dāng)溶液濃度為C時，單位濃度對增比粘度的貢獻。實驗證明，其數(shù)值亦隨濃度的變化而變化。比濃粘度的因次是濃度的倒數(shù)，一般用厘米3/克表示。比濃對數(shù)粘度（對數(shù)粘度）其定義是粘度比的自然對數(shù)與濃度之比，即 其值也是濃度的函數(shù)，因次與比濃粘度相同。（4） 特性粘度（極限粘度）因為比濃粘度和比濃對數(shù)粘度均隨溶液濃度而改變，故以其在

5、無限稀釋時的外推值作為溶液粘度的量度，用表示這種外推值，即 稱為特性粘度，又稱極限粘度，其值與濃度無關(guān)，其因次也是濃度的倒數(shù)。 上述粘度的測定原理如下：待測液體自A管加入，經(jīng)B管將液體吸至a線以上，使B管通大氣，任其自然流下，記錄液面流經(jīng)a及b線的時間t。這樣外加力就是高度為h的液體自身的重力，用P表示。假定液體流動時沒有發(fā)生湍流，即外加力P全部用以克服液體對流動的粘滯阻力。則根據(jù)牛頓粘度定律可導(dǎo)出如下的關(guān)系： （1）上式稱為泊肅葉（Poiseuille）定律。在實際的測定中，由于用同一支粘度計測定溶液與溶劑的流出時間，故V、l、R相等。上式可改寫為： （2）其中，。溶劑（標準溶液）的粘度為。

6、而溶液的相對粘度為 （3）液體在液柱高度相同高度時，壓力之比可以用密度比代替。即，則 （4）由于測粘度時，溶液粘度比較稀，溶液與溶劑二者密度相差極小，可近似認為：，將其代入式（8-4）得： （5）并且，很容易得到： （6）這樣，由純?nèi)軇┑牧鞒鰰r間和各種濃度的溶液的流出時間t，可求出各種濃度的、和之值。以和分別為縱坐標，C為橫坐標作圖，得到兩條直線。分別外推至處，其截距就是特性粘數(shù)（見圖5）。圖5 和對C作圖2.2影響因素1 動能的修正 粘度計中外加力除了用以驅(qū)動液體流動以外，同時也可使液體得到動能。這部分能量的消耗須予以改正，尤其當(dāng)流速比較大時。經(jīng)改正后的式（8-1）變成： （7）是液體的密度

7、，m是一個與儀器的幾何形狀有關(guān)的常數(shù)，其值接近于1。等式右邊第二項就是動能的改正項。顯然，g是重力加速度。對于烏氏粘度計，流動中的液柱高度是不變的，所以等效平均液柱高h是一個恒定值。這樣，式（2）可改寫成： （8）為簡化上式，令，于是 （9）A、 B是儀器常數(shù)，其值與液體的濃度和粘度無關(guān)。稱為運動粘度（或比密粘度），其單位是澌（Stokes），1澌=1厘米2秒-1。而稱為動力粘度，單位是帕斯卡秒。動能修正方法一般有實驗法和計算法兩種。（1）實驗方法測量兩種粘度已知的標準液的流動時間及，由和得到 ，（2）計算方法直接由式計算得到B值，其中m取0.5-1的某值，據(jù)文獻報導(dǎo)，有采用0.49，0.56

8、，0.58，0.6，0.8，0.9，0.95的，對于重力型粘度計（毛細管端口為喇叭形），多數(shù)采用0.5-0.6的值。儀器常數(shù)A、B固然可以求，但畢竟比較麻煩。為了簡化計算，在設(shè)計粘度計時，通過調(diào)節(jié)儀器的幾何形狀以增加液體在毛細管中的流動時間，使動能改正項盡可能的小一些，以求其與第一項At相比可以忽略不計。例如，當(dāng)需要測定的溶液粘度較小時，應(yīng)選用毛細管長度較長的烏氏粘度計，以增加液體在毛細管中的流動時間，減小動能修整項的影響。2與濃度的依賴關(guān)系表達溶液粘度的濃度依賴性的方程式很多，但都是從經(jīng)驗得出的。用的最多的也是最原始的公式是 （10）式中是一個與濃度無關(guān)的常數(shù)。此式可以改寫成 （11）上式是

9、一個關(guān)于濃度C的線形方程。大多數(shù)聚合物在較稀的濃度范圍內(nèi)的溶液粘度與濃度的關(guān)系都符合上式。若，可按Taylor級數(shù)展開，即 將此式代入上式，略去高次項，得 上式包括以下三種情況：（1） 若，且令，則上式可以改寫成： （12）此式稱為Kraemer方程式，是一個關(guān)于濃度C的線性方程。對C作圖斜率為負值，。用對C作圖外推可得到共同的截距（如圖5所示）。（2）若，對C的圖不呈線性，當(dāng)濃度較高時，曲線將向下彎曲。曲線切線的斜率，切線與線在處相交，兩者的截距不相等，式（12）的截距將大于式（11）的截距，如圖8-6所示。圖8-6中實線是曲線，點線是曲線，而虛線是濃度不太稀時曲線的切線，即實驗所得的曲線。

10、圖6 ，時 和的濃度依賴性（3），對C的圖也不呈線性，在較高的濃度范圍，曲線將向上彎曲。曲線切線的斜率，切線與線在處相交，式（12）的截距將小于式（11）的截距，如圖8-7所示。圖7 ， 時和的濃度依賴性當(dāng)出現(xiàn)上面（2）（3）的情況時，不能簡單依據(jù)基本原理中的方程式來計算截距。從上面的推導(dǎo)可以看出，推導(dǎo)時用了兩次近似處理，而推導(dǎo)時關(guān)系式只用了一次近似處理，所以當(dāng)溶液不太稀時建議可用此截距作為特性粘度。總的說來，為了避免實驗誤差，用烏氏粘度計測量時，溶液的濃度應(yīng)該小一些。2.3實驗裝置與方法1實驗裝置常用的烏氏粘度計通常包括以下幾個組成部分：1、 恒溫槽 由于粘度與溫度的關(guān)系非常密切，一切粘度測

11、量都需要在恒溫條件下進行。用于烏氏粘度計的恒溫槽必須具備下列條件：（1） 足夠高的控溫精度及溫均勻性；（2） 槽壁要透明，至少有觀察窗，以便計時觀察、讀取溫度及檢查粘度計的垂直狀態(tài)等；（3） 槽體應(yīng)足夠深，使置于其中的粘度計上下都有大約2cm以上的余量2、 溫度計通常采用水銀溫度計、數(shù)字溫度計或其他液體溫度計測溫，分度值通常為0.1-0.01°C。高精度的粘度測量則需要用（鉑）電阻溫度計配以精密測溫電橋進行測溫。3、 計時器機械秒表及電子秒表使用最普遍，也可采用其他電動或電子計時器。4、 烏氏粘度計國外的毛細管粘度測量已普遍實行自動測量，即實驗操作、計時、清洗、吹干自動化，以提高測量

12、精度及工作效率。在我國，目前如圖8-1所示的三管玻璃烏氏粘度計在小型的實驗室中仍較常見。近年來，測量自動化也在逐步推廣。目前，國內(nèi)較著名的自動粘度測定儀生產(chǎn)廠商為南京的艾迪爾科技有限公司。他們的NCY系列自動粘度測定儀性能已基本接近德國的LAUDA和日本大和公司這兩家世界著名的粘度計生產(chǎn)廠的產(chǎn)品。2操作步驟及注意事項取待測的供試液沿烏氏粘度計的A管內(nèi)壁流入D球。將粘度計垂直固定于恒溫水浴中。水浴溫度應(yīng)為25±0.05，使水浴的液面高于緩沖球（B管的上端小球），放置15分鐘，將B管和C管各接一根乳膠管，夾住C管的膠管，自B管管口處抽氣；使供試液液面緩緩升高至緩沖球的中部，先放開B管口，

13、再放開C管口，使供試液在管內(nèi)自然下落，用秒表準確記錄液面自測定線a下降至測定線b處的流出時間，重復(fù)測定兩次，兩次相差不得超過0.1秒，取兩次的平均值為供試液的流出時間（T）。 注意事項：1) 恒溫水浴的溫度對粘度測定影響很大，要求水浴溫度波動在±0.05之內(nèi),同時恒溫水浴槽內(nèi)各位置的水溫應(yīng)均勻一致。2) 烏氏粘度計的毛細管必須用清潔液浸泡并用水洗凈，于105烘干后方可使用。3) 烏氏粘度計必須垂直固定于恒溫水浴中。否則影響流速，造成測定結(jié)果的誤差。4) 在每次稀釋后，必須使粘度計內(nèi)液體混合均勻。其方法是夾住C管的膠管，自B管納氣，使粘度計D球中液體混合均勻，然后再抽D球中的液體沖洗粘

14、度計的緩沖球、測定球（B管上a與b線間的小球）、毛細管2-3次即可。對于自動烏氏粘度計，則隨產(chǎn)品均附帶有控制測定的軟件包。只要按照測量要求進行參數(shù)設(shè)定即可進行自動分析，十分簡便。3 應(yīng)用研究3.1分子量測定烏氏粘度計主要用來測量高分子溶液的特性粘度。在實際的應(yīng)用中，由于特性粘度與高分子的粘均分子量有密切的關(guān)系，因而特性粘數(shù)也就成了一個很重要的分子量表征參數(shù)。由經(jīng)驗可知，特性粘度在聚合物、溶劑和溫度確定以后，僅由試樣的分子量M決定。和M的關(guān)系式如下： （13）這即是Mark-Houwink方程式。式中的K和是與分子量無關(guān)的常數(shù)。這樣，只要知道K和的值，即可根據(jù)所測得的值計算試樣的分子量。K和值事

15、先可以通過實驗來測定。K和與高分子的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及高分子與溶劑的相互作用、溫度等有關(guān)。所以，在測定時，必須首先確定聚合物、溶劑和溫度，其中任何一個因素改變都會引起K和值的變化。一般采用的方法是制備若干個分子量較為均一的聚合物樣品，然后分別測定每個樣品的分子量和極限粘度。分子量可以用任何一種絕對方法進行測得。由式（13），兩邊取對數(shù)，得。從實驗中得到各個標樣的對作圖，應(yīng)得一直線，其斜率為，而截距為K。對于多數(shù)的柔性高分子，值為0.5-0.8之間。對于多分散的試樣，粘度法測得的分子量也是一種統(tǒng)計平均值，稱為粘均分子量，用表示。即 3.2聚合物在溶液中形態(tài)的判斷聚合物在不同的溶劑中，由于擴張程度不同

16、，使其特性粘數(shù)的值也不同，彼此相差可達5倍之多。因此根據(jù)不同溶劑中的特性粘度值，我們可以初步判斷該聚合物在溶劑中的構(gòu)象。尤其是對一些生物高分子，這一現(xiàn)象十分顯著。例如聚L谷氨酸芐酯在二甲基甲酰胺（DMF）中呈螺旋狀，此時，。而在二氯乙酸（DCA）中卻呈無規(guī)線團狀，如圖8-8所示。這種螺旋形態(tài)和無規(guī)線團形態(tài)之間的相互變遷叫做螺旋線團轉(zhuǎn)變。對于在DMF中的雙對數(shù)圖，當(dāng)M低于時，線向上彎曲，值減小。這一結(jié)果證明，聚合物溶液的粘度行為的確與其在溶液中的形態(tài)有密切的關(guān)系。利用這一關(guān)系，我們可以初步判斷聚合物在溶劑中的形態(tài)，這對于聚合物的研究很有意義。圖 8 聚L-谷氨酸-芐酯溶液的-M雙對數(shù)圖。T=25

17、。3.3聚合物合成進行程度的判據(jù)當(dāng)采用溶液聚合的方法來合成聚合物時，隨著聚合物的聚合度不斷增大溶液的濃度也會隨之增大。因此在聚合物溶液合成的實驗過程中，可在不同的階段取樣，用烏氏粘度計測定溶液的運動粘度，用作反應(yīng)聚合程度的一個判據(jù)。如前所述，運動粘度的定義為（忽略動能修正）： （14）對于指定的毛細管，儀器常數(shù)是固定不變的，可以用標樣來測定。表1給出了A與毛細管幾何尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系，可以用作參考。表1 粘度計常數(shù)A與毛細管幾何尺寸的對應(yīng)關(guān)系粘度計的大概常數(shù)毛細管粘度范圍（A）內(nèi)徑（mm）長度（mm）cSt0.0050.47-0.5185-951-50.010.56-0.6085-952-10

18、0.030.75-0.7985-956-300.050.85-0.8985-9510-500.11.07-1.1385-9520-1000.31.40-1.4685-9560-3000.51.61-1.6785-95100-5001.01.92-1.9885-95200-10003.02.63-2.7185-95600-30005.03.01-3.1185-951000-500010.03.58-3.6685-952000-100001cSt=10-6m2/s這樣，在測定流出時間t后，就能很方便的求出溶液的運動粘度，進而作為反應(yīng)進行程度的參考參數(shù)。3.4聚合反應(yīng)動力學(xué)研究對于一個雙分子（A和B）自由基聚合反應(yīng)，其表觀反應(yīng)速率常數(shù)是正比于擴散系數(shù)D的。根據(jù)Smoluchowski方