如何测定特性黏度

（一）测定原理

液体的流动是因受外力作用，物质分子进行不可逆位移的过程。液体分子间存在相互作用力，因此当高聚物液体流动时，聚合物分子间就产生内摩擦力，表现为液体有黏度特性。

根据牛顿（Newton）黏性流动定律，当两层流动液体面间（设面积为A）由于分子间内摩擦力产生流动梯度时，如图7-10所示，液体因流动产生黏性阻力，两层流动液体面间的剪切应力T为：

图7-10 牛顿黏性流动定律

式中 ——剪应力（单位面积上所受的内摩擦力），N/m²

——速度梯度（垂直于流体运动方向的速度变化率），^s-1＜para-h1＞η——比例系数，称为黏度，Pa·s（N·s/m²）

在乌氏黏度计毛细管中，假设促使聚合物稀溶液流动的力全部用于克服内摩擦力f，则：

式中 R、L——黏度计毛细管的半径，长度，m

p——毛细管两端的压力差，Pa

——t（s）秒内流出液体的体积V（L）

令：

则：

式中 η——聚合物稀溶液的黏度

η₀——溶剂的黏度

t₀——1.00mol/L的氯化钠溶液的流经时间，s

t——试样溶液的流经时间，s

根据经验式（Huggins方程式和Kraemer方程式）：

则：

式中 η_sp——增比黏度，η_sp=η_r-1

η_r——黏度比（相对黏度），η_r=η/η₀

[η]——极限黏数（也叫特性黏数/特定黏度），单位mL/g，其物理意义为聚合物溶液的黏数在无限稀释情况下的极限值

c——溶液的浓度，%

对于大部分柔性高分子-良溶剂体系的稀溶液，用对c和对c作图，c→0时外推所得截距重合为一点，即[η]的值，也称为高分子的特定黏数。

操作原理：按规定条件制备试样浓度为0.0005～0.001g/mL，其氯化钠浓度为c（NaCl）=1.00mo1/L的溶液，用气承悬液柱式乌氏黏度计分别测定缓冲溶剂和试样溶液的流经时间，根据测得的值计算特性黏数。本方法为稀释测定法，适用于特定黏数为700～1500mL/g的试样。

（二）仪器及试剂

乌氏黏度计：Fisher13-614型；恒温水槽：控温精度±0.1℃；电子天平：称量精度0.0001g；秒表：分度值0.01s；移液管：容积5mL、10mL、50mL；容量瓶：容积25mL、50mL、100mL、200mL；烧杯：250mL、500mL；洗耳球；玻璃砂芯漏斗：G₀型；聚丙烯酰胺样品；氯化钠溶液：将氯化钠用蒸馏水配制成c（NaCl）=1.00mol/L和c（NaCl）=2.00moI/L的溶液；去离子水或纯净水；铬酸洗液。

缓冲溶液含量：a.柠檬酸（含一个结晶水）：1.335g；b.磷酸氢二钠：26.6g；c.氯化钠：116.9g；d.去离子水加至1L。

（三）测定方法

（1）试样溶液的配制

① 粉状聚丙烯酰胺。在100mL容量瓶中称入0.05～0.1g的粉状试样，准确至0.0001g。加入约48mL的蒸馏水，经常摇动容量瓶。待试样溶解后，用移液管准确加入50mL浓度2.00moI/L的氯化钠溶液，放在（30±0.05）℃水浴中。恒温后，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，用干燥的玻璃砂芯漏斗过滤，即得试样浓度约0.0005～0.001g/mL、氯化钠浓度为1.00moI/L的试样溶液，放在恒温水浴中备用。

② 胶状聚丙烯酰胺。在已准确称重的100mL烧杯中，称入固含量为8%～30%的胶状试样0.66～1.25g，精确至0.0001g。加入50mL蒸馏水，搅拌溶解后，转移入200mL容量瓶中。加入100mL浓度为2.00mol/L的氯化钠溶液，放在恒温水浴中。恒温后，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，用干燥的玻璃砂心漏斗过滤，即得试样浓度约为0.0005～0.001g/mL、氯化钠浓度为1.00moI/L的试样溶液，放在恒温水浴中备用。

（2）试验样品溶液的稀释

准备五个100mL容量瓶。称取4份不同质量（4、6、8、10g）的试样溶液分别装入4个容量瓶中。用移液管在5个容量瓶中分别加50mL缓冲溶液并摇匀。然后用去离子水分别加至100mL刻度并摇匀。

（3）黏度计的清洗和干燥

在使用黏度计前后以及在测定中出现读数相差大于0.2s又无其他原因时，应按如下步骤清洗黏度计：a.自来水冲洗；b.铬酸洗液清洗；c.蒸馏水冲洗。将洗净的黏度计置于烘箱内干燥。(www.xing528.com)

（4）黏度计的安装

将恒温水浴的温度调节在（30±0.05）℃；检查黏度计后，用铁夹小心固定黏度计，放入30℃恒温水槽，最少恒温10min。黏度计应保持垂直，恒温水面应浸没毛细管以上的两个球，并高过缓冲球2cm，且温度保持恒定。在黏度计的管Ⅱ、管Ⅲ的管口接上乳胶管，如图7-11所示。

图7-11 乌氏黏度计及测定过程参考图

（5）测定溶液流出的时间

第一步：用移液管自容量瓶中移取10mL的试样溶液，从Ⅰ管注入黏度计中，并避免溶液挂在管壁上；待溶液自然流下后，静止10s，并恒温10min；用夹子夹住Ⅲ管上的乳胶管，用洗耳球从Ⅱ管吸取溶液至a刻线上方的小球体积一半为止。松开洗耳球，放开Ⅲ管的夹子，空气进入Ⅲ管后，溶液自由落下，立即水平地注视球中液面的下降。用秒表分别记下液面流经a线和b线的时间，即可计算溶液流出时间。先测量初始浓度（用_ρ0表示，单位：g/mL，以下出现_ρ0的单位均相同）的试样溶液的流经时间t₁。重复测定三次以上，误差不超过0.2s并取平均值。

第二步：用移液管从锥形瓶中吸取5mL已经恒温的1.00mo1/L的氯化钠溶液，由管1加入黏度计。紧闭管Ⅲ上的乳胶管，用洗耳球从管Ⅱ打气鼓泡3～5次，使之与原来的10mL溶液混合均匀，并使溶液吸上、压下3次以上，此时溶液的浓度为2/3ρ₀。按上述吸液和放液方法测得流经时间t₂。用同样的操作方法再分别加入5mL、10mL和10mL已经恒温的1.00mo1/L的氯化钠溶液，使溶液浓度分别为原始溶液的1/2ρ₀、1/3ρ₀、1/4ρ₀，测定各自的流出时间（t₃、t₄、t₅）。

第三步：洗净黏度计，干燥后，用同样的操作方法加入干燥的玻璃砂心漏斗过滤的、浓度为1.00mol/L的氯化钠溶液5mL。恒温10min后，按第一步方法测得流经量时间t₀。

（四）结果计算

特性黏度[η]用图解技术来确定。

按式（7-29）计算试样溶液的增比黏度：

式中 t——试样溶液的流经时间

t₀——1.00mol/L的氯化钠溶液的流经时间

η、η₀、η_sp、η_r含义同前。

用t₀、t₁、t₂、t₃、t₄和t₅按式（7-29）分别计算各浓度下的η_r和η_sp由对应的相对浓度（各点的实际浓度ρ与初始浓度ρ₀的比值，用c′表示，分别为1、2/3、1/2、1/3和1/4），分别计算各点的lnη_r/c′和η_sp/c′，计算结果填入表7-5。

表7-5 黏度测试过程记录表

将表7-5数据录入计算机的EXCEL软件中并作图，以η_sp/c′和lnη_r/c′为纵坐标，c′为横坐标。作图拟合公式后用外推法得到曲线上直线部分在坐标上的截距 A，读出特性黏数。若图上的两条直线不能在纵轴上交于一点时，取两截距的平均值（如图7-12所示）。代入式（7-32）即为所求特性黏度：

图7-12 η_sp^/c′或lnη_r^/c′与c′的关系图

式中 [η]——特性黏度

ρ₀——试样溶液的初始浓度，g/mL

ρ₀按式（7-33）计算：

式中 m——试样质量，g

w_s——试样固含量，%

V——配制的试样溶液体积，mL

（五）注意事项

① 本方法为稀释法，适用于特性黏数的精确测定，一点法适用于特性黏数的一般测定。

② 黏度计型号选择时参考：应使浓度为1.00mol/L的氯化钠水溶液在30℃下的流经时间在100～130s范围内。型号通常有4-0.55和4-0.57两种，其中4表示定量球6的容积（单位mL）：0.55和0.57表示毛细管内径（单位mm）。

③ 按本方法配制的试样溶液适用于特性黏数约700～1500mL/g的稀释法测定，用一点法测定时，需将试样浓度降低一倍。

④ 不论哪种试样，用稀释法时，各点的相对粘度应在1.2～2.5范围内，用一点法时，试样溶液的相对黏度应在1.3～1.5范围内。

⑤ 一般在0.1%～2%的浓度范围内研究聚丙烯酰胺溶液的黏度，在更低的浓度下，黏度和浓度有近似的对数关系。

⑥ 稀释法中各种溶液的流出时间：t₁：是试样溶液的流出时间；t₀：浓度为1.00mol/L，5mL的氯化钠溶液的流经时间（一点法和稀释法都需要有这个时间，且都用t₀表示）；

t₂、t₃、t₄、t₅：是稀释法中不同体积1.00mo1/L的氯化钠溶液的流出时间。

⑦ 在奥氏和乌氏黏度之间没有什么关系式。测量需要始终用同一种方法。相对分子质量越高，对切变就越敏感。100万以上相对分子质量级别的聚合物在快速搅拌和震动时，就会以一定速率降解。可以发现，在通过一根毛细管黏度计后黏度就下降了。

⑧ PAM因离子化会使黏度升高，通过加入溶解盐如氯化钠可以部分恢复。