实验二十六 粘度法测定多糖聚合物壳聚糖的相对分子质量

实验二十七 粘度法测定多糖聚合物——壳聚糖的相对分子质量
1 实验目的
(1) 测定壳聚糖的相对分子量。

(2) 掌握用乌贝路德(Ubbelohde)粘度计测定高聚物分子量的基本原理。

2 实验原理
分子量是表征化合物特性的基本参数之一。

但高聚物分子量大小不一，参差不齐，一般在103～107之间，所以通常所测高聚物的分子量是平均分子量。

测定高聚分子量的方法很多，对线型高聚物，各方法适用的范围如表4.1所示。

表4.1 测定高聚分子量相应的分析方法
分析测定方法
高聚分子量(M r )
端基分析
<3×104 沸点升高，凝固点降低，等温蒸馏
<3×104 渗透压 104～106 光散射
104～107 超离心沉降及扩散
104～107 粘度法
104～107
其中粘度法设备简单，操作方便，有相当好的实验精度，但粘度法不是测分子量的绝对方法，因为此法中所用的特性粘度与分子量的经验方程是要用其它方法来确定的，高聚物不同，溶剂不同，分子量范围不同，就要用不同的经验方程式。

高聚物在稀溶液中的粘度，主要反映了液体在流动时存在着内摩擦。

高聚物溶液的粘度η表示溶剂分子与溶剂分子之间、高分子与高分子之间和高分子与溶剂分子之间三者内摩擦的综合表现，其值一般比纯溶剂粘度η0大得多。

纯溶剂粘度η0的物理意义为溶剂分子与溶剂分子间的内摩擦表现出来的粘度。

相对于纯溶剂，其溶液粘度增加的分数，称为增比粘度ηsp ，即
110
00-=-=-=
r sp ηηη
ηηηη （1） 式中ηr 称为相对粘度，其物理意义为溶液粘度与纯溶剂粘度的比值。

ηr 也是整个溶液的行
为，ηsp 则意味着已扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应。

对于高分子溶液，增比粘度ηsp 往往随溶液的浓度C 的增加而增加。

为了便于比较，将单位浓度下所显示出的增比粘度，即ηsp /C 称为比浓粘度。

为了进一步消除高聚物分子之间的内摩擦效应，必须将溶液浓度无限稀释，使得每个高聚物分子彼此远离，其相互干扰可以忽略不计。

这时溶液所呈现出的粘度行为最能反映高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦。

因而这一理论上定义的极限粘度称为特性粘度，记作［η］。

在无限稀释条件下 ，特性粘度［η］可以使用如下表达式
(2)
因此我们获得［η］的方法有二种:一种是以ηSP /C 对C 作图，外推到C →0的截距值;另一种是以lnηr /C 对C 作图，也外推到C →0的截距值，如图4.1所示，两根线应会合于一点，这也可校核实验的可靠性。

一般这两根直线的方程表达式为下列形式:
(3)
如果高聚物分子的分子量愈大，则它与溶剂间的接触表面也愈大，摩擦就大，表现出的特性粘度也大。

特性粘度[ ]和分子量之间的经验关系式为:
(4)
式中, M 为相对平均分子量; K 为比例常数; α是与分子形状有关的经验参数。

K 和α值与温度、聚合物、溶剂性质有关，也和分子量大小有关。

K 值受温度的影响较明显，而α值主要取决于高分子线团在某温度下，某溶剂中舒展的程度，其数值介于0.5～1之间。

K 与α的数值可通过其它绝对方法确定，例如渗透压法、光散射法等，从粘度法只能测定得［η］。

测定粘度的方法主要有毛细管法、转筒法和落球法。

在测定高聚物分子的特性粘度时，以毛细管流出法的粘度计最为方便。

若液体在毛细管粘度计中，因重力作用流出时，可通过公式（5）计算粘度。

(5)
式中，η为液体的粘度; ρ为液体的密度; L 为毛细管的长度;r 为毛细管的半径; t 为流出的时间; h 为流过毛细管液体的平均液柱高度;V 为流经毛细管的液体体积; m 为毛细管末端校正的参数(一般在r/L <<1时，可以取m =1)。

对于某一只指定的粘度计而言，(5)式可以写成下式
(6)
式中，B <1，当流出的时间t 在2min 左右(大于100s)，该项(亦称动能校正项)可以从略。

又因通常测定是在稀溶液中进行(C <1×10-2g·cm -3)
，所以溶液的密度和溶剂的密度近似相
等，因此可将ηr 写成:
(7)
式中，t 为溶液的流出时间;t 0为纯溶剂的流出时间。

所以通过溶剂和溶液在毛细管中的流出时间，从(11-7)式求得ηr ，再由图4.1求得［η］。

恒温水浴槽、毛细管粘度计
3 仪器药品
乌贝路德粘度计1只;恒温槽 1套; 移液管(10mL) 2只;移液管(5mL) 1只;秒表 1只;洗耳球 1只;容量瓶（50mL ）1个;锥形瓶 （100mL ）2个;烧杯（50mL ）1个;螺旋夹 1只;橡皮管(约5cm 长) 2根;壳聚糖;溶剂（0.1mol/L 乙酸和0.2mol/L 氯化钠按2：1配制）。

4 实验步骤
把壳聚糖样品干燥恒重，精确称取0.05-0.06g （称量精度0.005g ）,用0.1mol 乙酸-0.2mol 氯化钠溶剂配成50mL 样品溶液，此样品溶液的浓度为C 1，此溶液经3号砂芯漏斗过滤后，待用。

本实验用的乌贝路德粘度计，又叫气承悬柱式粘度计。

它的最大优点是可以在粘度计里逐渐稀释从而节省许多操作手续，其构造如图4.2所示。

(1）先用洗液将粘度计洗净，再用自来水、蒸馏水分别冲洗几次，每次都要注意反复流洗毛细管部分，洗好后烘干备用。

(2）调节恒温槽温度至(30.0±0.1)℃，在粘度计的B 管和C 管上都套上橡皮管，然后将其垂直放入恒温槽，使水面完全浸没G 球。

(3) 溶剂流出时间的测定。

精密量取溶剂10mL ，移入乌氏粘度计侧管（粗管），将粘度计垂直固定于恒温水浴中保温10min 以上，使管内溶液的温度与水浴温度达到平衡。

在另外2根支管口各接1根乳胶管，将侧管上面的乳胶管用夹子夹住，用吸耳球自中间乳胶管口吸气，使样品溶液渐渐上升，直到刻度线a 以上，此时先放开夹子，再移走吸球，使样品溶液在毛细管内自然下落，用秒表准确测量并记录溶液下降时通过刻度线a 和刻度线b 之间的时间T 0。

(4)溶液流出时间的测定
精密量取中间部分滤液10mL ，移入乌氏粘度计侧管（粗管），将粘度计垂直固定于恒温水浴中保温10min 以上，使管内溶液的温度与水浴温度达到平衡。

在另外2根支管口各
图
接1根乳胶管，将侧管上面的乳胶管用夹子夹住，用吸耳球自中间乳胶管口吸气，使样品溶液渐渐上升，直到刻度线a 以上，此时先放开夹子，再移走吸球，使样品溶液在毛细管内自然下落，用秒表准确测量并记录溶液下降时通过刻度线a 和刻度线b 之间的时间（T 1）；然后精确量取2.5mL 溶剂小心加入到粘度计中，将样品溶液摇匀稀释，此时的溶液浓度为C 2，用同样的方法测定其流经刻度线a 和b 之间的时间（T 2）。

再依次精确量取溶剂2.5mL 和5.0mL ，分次加入到粘度计中稀释，浓度分别为C 3和C 4，并分别测定T 3和T 4.
稀释后溶液的浓度分别为：C 2=4/5C 1；C 3=2/3C 1；C 4=1/2C 1 。

对应于各浓度的相对粘度[r η]为：[1r η]=T 1/T 0；[2r η]=T 2/T 0；[3r η]=T 3/T 0；[4r η]=T 4/T 0 。

增比粘度sp η=r η-1，比浓粘度为sp η/C 。

依次计算，得到4个比浓粘度，并对浓度作图，可得一条直线，将此直线外推至与纵坐标相交，所得截距即为[η]。

按公式[η]=KM α计算即可求得壳聚糖的粘均分子量。

式中K 、
α（按脱乙酰度选定
K 和α
分别为1.424×10-3ｍＬ／ｇ，0.96。

5 数据处理
(1) 将所测的实验数据及计算结果填入下表中。

-3
(2) 作ηSP /C —C 及ln ηr /C —C 图，并外推到C →0由截距求出［η］。

(3) 将［η］代入公式(4)，计算聚丙烯酰胺的相对分子量。

6 注意事项
(1) 粘度计必须洁净，高聚物溶液中若有絮状物不能将它移入粘度计中。

(2) 本实验溶液的稀释是直接在粘度计中进行的，因此每加入一次溶剂进行稀释时必须混合均匀，并抽洗E 球和G 球。

(3) 实验过程中恒温槽的温度要恒定，溶液每次稀释恒温后才能测量。

(4) 粘度计要垂直放置。

实验过程中不要振动粘度计。

粘度计固紧，以免定时不要夹太夹断中间支管 7思考题
(1) 乌贝路德粘度计中支管C 有何作用？除去支管C 是否可测定粘度?
(2) 粘度计的毛管太粗或太细有什么缺点?
(3) 为什么用［η］来求算高聚物的分子量?它和纯溶剂粘度有无区别? (4) 乌贝路德粘度计为什么一定要垂直？。