XÁC ĐỊNH TRỌNG LƯỢNG PHÂN tử POLIMER BẰNG PHƯƠNG PHÁP đo độ NHỚT

Môn : Hóa lý
Polymer
Giảng viên hướng dẫn: GV La Thị Thái Hà
Lớp Hóa lý Polymer
Trường Đại học Bách Khoa TP HCM
Ngày thuyết trình : 17/4/2018

1


Báo cáo tiểu luận
XÁC ĐỊNH TRỌNG LƯỢNG PHÂN
TỬ POLIME BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐO ĐỘ NHỚT


2


I.Tổng quan
II.Cơ sở lý thuyết
III.Dụng cụ đo
IV.Ví dụ


I. Tổng quan về phương pháp đo
độ nhớt
Trọng lượng phân tử polime có thể xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau
dựa vào sự phụ thuộc của một đặc trưng vật lí nào đó của hợp chất polime vào
phân tử khối của nó. Các đặc trưng đó có thể là áp suất thẩm thấu, độ phân tán
ánh sáng, độ nhớt, độ giảm nhiệt độ đông đặc, độ tăng nhiệt độ sôi v.v... Nhiều

nhà sản xuất hiện nay coi độ nhớt (viscometers) như một phần quan trọng của
chương trình nghiên cứu, phát triển, và kiểm soát quá trình của họ.
Phương pháp đo độ nhớt là phương pháp đơn giản, đáng tin cậy để phân tích một
số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất sản phẩm .
Đây là phương pháp cổ điển nhưng rất phổ biến cho đến ngày nay do dễ sử dụng,
được xây dựng bởi Staudinger và Heuer từ năm 1930
Phương pháp đo độ nhớt cho phép đánh giá phân tử khối trong khoảng tương đối
rộng (M = ), tuy nhiên phương pháp này không hoàn toàn chính xác.
Trước hết ta hãy xét một số định nghĩa chung về độ nhớt như: độ nhớt tương đối,
độ nhớt riêng, độ nhớt rút gọn và độ nhớt đặc trưng


II.Cơ sở lý thuyết của
phương pháp đo độ nhớt
Nếu gọi η0 là độ nhớt của dung môi, và η là độ nhớt của dung dịch
polyme. Khi đó độ nhớt tương đối của dung dịch polymer sẽ là:

ηrel=η/η0
Einstein đưa ra phương trình cho độ nhớt của hệ phân tán hai cấu tử:

ηrel=1+kφ
Trong đó:
k là hằng số
φ là tỉ lệ thể tích chất phân tán so với thể tích chung của hệ
thống
Phương trình trên có thể viết dưới dạng:

ηrel-1=kφ=ηsp
với ηsp là độ nhớt riêng.

Phương trình Einstein cho kết quả tốt với các hạt hình cầu của dung dịch thật và
dung dịch keo nhưng lại không phù hợp kết quả thực nghiệm với dung dịch các
chất có phân tử duỗi dài.
Staudingher đã giả định rằng các đại phân tử trong dung dịch có dạng thẳng cứng
và đề xuất rằng độ nhớt riêng được xác định không phải bằng thể tích thật của
dung dịch mà bởi thể tích hiệu dụng của nó V=


Trong đó:
N là số phân tử trong dung dịch
V là thể tích dung dịch

Thay

N=

vào công thức trên được:
Trong đó:
m là khối lượng phân tử polyme.
M là phân tử khối của polyme.
NA là số Avogadrô.

Với =c


Trong phạm vi một dãy đồng đẳng thiết diện như nhau (π.=const) nên
trọng lượng phân tử sẽ tăng tỉ lệ với độ dài của nó tức là l=k’.M. Như
vậy:

Trong đó

k’’

Thay giá trị φ vào phương trình Einstein ta được phương trình Staudinger:

ηsp=k.k”.M.c=.M.c (=k.k”)


Phương trình Staudinger có thể viết lại như sau:

=
Đại lượng được gọi là độ nhớt thu gọn
Bằng cách xác định ứng với một vài nồng độ rồi ngoại suy đồ thị
tới C=0 để tìm độ nhớt đặc trưng.

]=( =Km.M
Từ độ nhớt đặc trưng mới xác định trọng lượng phân tử.


Giả thiết của Staudinger về dạng duỗi thẳng của đại phân
tử trong dung dịch chỉ đúng với các mạch cứng. Các đại
phân tử mềm dẻo thường cuộn lại trong dung dịch và ma
sát nội (độ nhớt) phụ thuộc rất lớn vào các cuộn này. Vì
vậy dù thay độ nhớt thu gọn bằng độ nhớt đặc trưng (có
nghĩa là dung dịch được pha rất loãng tới mức các đại
phân tử không tương tác với nhau) cũng không thể tính
chính xác trọng lượng phân tử của bất kì phân tử polyme
nào.

Trên thực tế người ta sử dụng phương trình Staudinger
tổng quát: (Phương trình Mark– Houwink–Sakurada)
Trong đó:α là hằng số tính đến mức độ cuộn lại của các
phân tử trong dung dịch
là hằng số đặc trưng cho từng dãy đồng đẳng polyme và
dung môi
Với những phân tử cứng như những thanh thẳng có α=1.
•  
Với những phân tử mềm dẻo có dạng gần hình cầu thì
α=0,5.
Kết quả nghiên cứu chi tiết cho thấy các phân tử cao su có
α=0,64-0,67, còn các phân tử xenlulo cứng hơn có α=0,81.
Phân tử nitroxenlulo cứng hơn nữa nên trong dung dịch
axeton α~1. Khi trọng lượng phân tử giảm xuống, khả
năng cuộn lại của đại phân tử giảm đi, do đó giá trị α tiến
dần tới 1.


Muốn xác định độ nhớt đặc trưng cần biết thời gian
chảy qua mao quản của nhớt kế ở nhiệt độ xác định
của cùng một lượng dung dịch () và dung môi ()
Trên cơ sở thời gian chảy và , gọi:
Độ nhớt tương đối là:
=
Độ nhớt riêng là:
= = -1
Độ nhớt thu gọn:
Độ nhớt cố hữu:
=

Độ nhớt đặc trưng được xác định từ đường Huggins và
đường Kraemer. Đường Huggins biểu diễn sự phụ thuộc
của độ nhớt rút gọn vào nồng độ, còn đường Kraemer biểu
diễn sự phụ thuộc của độ nhớt cố hữu vào nồng độ.

•  

Ngoại suy 2 đường này về tung độ góc sẽ được độ nhớt
đặc trưng



III.Dụng cụ đo
độ nhớt
1)Nhớt kế


Cách tiến hành
-Đo thời gian chảy (bằng giây) một thể tích bằng nhau của dung môi
nguyên chất và của dung dịch polyme t qua mao quản của nhớt kế ở
nhiệt độ nhất định
-Sử dụng công thức để tính độ nhớt và trọng lượng phân tử


Ưu nhược điểm


• 2)Máy đo đô nhớt trục quay( giới thiệu thêm)

• Ngun lý
Độ nhớt chất lỏng được đo bằng cách cho trục xylanh
quay ở một tốc
độ chọn trước và ở một moment quay cần thiết để
thắng lực cản độ nhớt của chất lỏng cần đo


IV.Ví dụ về phương pháp đo độ nhớt
a) Xác định phân tử khối Polystyren (atactic) ở nhiệt độ
25°C bằng nhớt kế Ostwald
- Chuẩn bị dung dịch polystyren trong toluen với các nồng độ 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1
(g/100ml)
− Tráng nhớt kế bằng toluen.
− Dùng ống đong lấy 7 ml toluen cho vào nhánh phải (nhánh không có mao quản)
của nhớt kế, dùng quả bóp cao su đẩy toluen qua nhánh có mao quản lên quá
mức A một ít, rồi tháo quả bóp cao su cho toluen chảy tự nhiên và dùng đồng hồ
bấm giây đo thời gian toluen chảy từ vạch A đến vạch B. Đo lại 4 ÷ 5 lần, lấy
giá trị trung bình (chú ý thời gian mỗi lần đo không được khác nhau quá 0,2
giây). Giá trị đo được là thời gian to
− Tiến hành đo các dung dịch từ loãng đến đặc (không cần tráng nhớt kế) như đã
làm ở trên, mỗi dung dịch phải đo 4 ÷ 5 lần để lấy giá trị t trung bình.


Bảng số liệu
Số
TT

Nồng độ C(g/100ml)

5
6

Dung môi toluen
Dung môi toluen
0,2 polystyren trong toluen
0,2 polystyren trong toluen
0,4 polystyren trong toluen
0,4
trong toluen
0,6polystyren
polystyrentrong
toluen
0,6polystyren
polystyrentrong
0,8
trong toluen
1 polystyren trong toluen
0,8

6

1 polystyren trong toluen

1
1
2
2
3

3
4
4
5

Thời gian chảy
(giây)

ηrel
(=)

ηsp
(=ηrel-1)

Dựa vào các kết quả ở bảng trên xây dựng đồ thị − C xác định độ nhớt đặc
trưng [η]
và tính phân tử khối polystyren theo công thức [η] = KMα với K = 8.6 x 10-3 và
a = 0.74


Đồ thị − C


b) Xác định phân tử khối Polystyren (atactic) trong benzene
bằng nhớt kế Ubbelohde

• 0.1 g atactic polystyrene chưa biết khối lượng phân tử pha vào
100 ml benzene. Hằng số Mark-Houwink cho hệ thống này là
a = 0.73 and K = 11.5 10-3. Để đo khối lượng phân tử cần đo độ
nhớt của cả dung môi và dung dịch. Kết quả đo thời gian chảy

bằng nhớt kế Ubbelohde:
Dung môi benzene: 100 giây
Dung dịch polystyrene : 160 giây


•• Độ
  nhớt được tính như sau:
ηrel = t / t0 = 160 / 100 = 1.6
ηsp = ηrel- 1 = 0.6
ηrg = ηsp / C = = 600 ml/g
• Giả sử nồng độ tiến về 0 ta có [η] ≈ 6.0 102 ml/g, Khối lượng phân tử
có thể được tính bằng công thức Mark-Houwink :
[η] = K Ma
 600 = 11.5 10-3 M0.73 ⇒ M =  2.9106 g/mol