高分子物理实验教材.docx
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高分子物理实验教材
高分子物理实验
实验一粘度法测定聚合物的分子量……………………………
（1）
实验二聚合物熔融指数的测定…………………………………（6）
实验三偏光显微镜法观察聚合物结晶形态…………………（10）
实验四密度法测定聚乙烯的结晶度…………………………（14）
实验五膨胀计法测定聚合物的玻璃化温度…………………（16）
实验六聚合物的差热分析及应用……………………………（19）
前言
高分子科学既是基础科学也是实验科学。
实际上高分子科学就是在大量的实验基础上发展起来。
尤其是聚合物加工成型作为高分子科学中重要的分支，我校又以其作为高分子材料与工程专业的专业方向，实验技术在高分子材料的研究和教学中尤为重要。
高分子物理实验是一门综合性极强的实验课，涉及多种学科领域和相应测试方法及仪器，其实验目的一方面是学生掌握高分子物理理论知识，另一方面进一步扩大学生的知识面，帮助学生了解实验方法和仪器结构及性能，分析实验操作过程中具体影响因素，提高解决实际问题的能力。
本实验讲义主要根据教学大纲和对学生实验要求进行编写。
在实验水平上，即介绍高分子科学的传统实验方法，也尽可能介绍一些有关的新技术。
对近年来高分子科学、特别是高分子物理领域涌现的许多新方法、新技术，由于实验条件和教学时数的限制，只好舍弃。
实验一粘度法测定聚合物的分子量
粘度法是测定聚合物分子量的相对方法。
高聚物分子量对高聚物的力学性能、溶解性、流动性均有极大影响。
由于粘度法具有设备简单、操作方便、分子量适用范围广、实验精度高等优点，在聚合物的生产及科研中得到十分广泛的应用。
本实验是采用乌氏粘度计测定甲苯溶液中聚苯乙烯粘度，进而测定求出PS试样分子量。
一、实验目的要求
1、掌握粘度法测定聚合物分子量的实验基本方法。
2、了解粘度法测定聚合物分子量的基本原理。
3、通过测定特性粘度，能够计算PS的分子量。
二、实验原理
1、粘性液体的牛顿型流动
粘性流体在流动过程中，由于分子间的相互作用，产生了阻碍运动的
内摩擦力，粘度就是这种内摩擦力的表现。
即粘度可以表征粘性液体在流动过程中所受阻力的大小。
按照牛顿的粘性流动定律，当两层流动液体间由于粘性液体分子间的内摩擦力在其相邻各流层之间产生流动速度梯度是（
），液体对流动的粘性阻力是：
（1-1）
该式即为牛顿流体定律。
式中，η—液体粘度，单位（Pa·s）；A—平行板面积；F—外力。
符合牛顿流体定律的液体称为牛顿型液体。
高分子稀溶液在毛细管中的流动基本属于牛顿型流动。
在测定聚合物的特性粘度[η]时，以毛细管粘度计最为方便。
2、泊肃叶定律
高分子溶液在均匀压力p（即重力ρgh）作用下，流经半径为R、长度为L的均匀毛细管，根据牛顿粘性定律，可以导出泊肃叶公式：
（1-2）
式中，g—重力加速度；ρ—流体的密度；V—液出体积；t—流出时间。
由于液体在毛细管内流动存在位能，除克服部分内摩擦力外，还会使其获得动能，结果导致实测值偏低。
因此，须对泊肃叶公式作必要的修正：
（1-3）
式中，m—毛细管两端液体流动有关常数。
若令
；
，式（1-3）可简化为：
（1-4）
3、聚合物溶液粘度的测定
采用乌氏粘度计测定聚合物溶液的粘度时，常用到以下两个参数：
（1）相对粘度
（1-5）
（2）增比粘度
（1-6）
式中，η—聚合物溶液粘度；η0—纯溶剂粘度。
整合式（1-4）和式（1-5），即有：
（1-7）
在实验中，如果仪器设计得当和溶剂选择合适，可以忽略动能改正影响，式（1-7）还可简化为：
（1-8）
又因为在实验中，通常在极稀溶液中进行，所以ρ≈ρ0，因此，式（1-5）和式（1-6）可改写成：
（1-9）
（1-10）
式中，t和t0分别是聚合物溶液和纯溶剂的流出时间。
显然，在一定温度下测定纯溶剂和不同浓度的聚合物溶液流出的时间，即可求出各种浓度下的
和
。
粘度除与分子量有关外，对溶液浓度有很大的依赖性。
能够反映这种依赖性的经验公式很多，其中最常用的有两个：
（1-11）
（1-12）
式中，C—溶液浓度；k′和β均为常数。
如果用
或
对c作图（图1-2），并外推到
，两条直线在纵坐标上交于一点，其截距即是[
]。
用公式为表示为：
（1-13）
式中，[
]—聚合物溶液的特性粘度。
图1-2
对c和
对c关系图
4、聚合物溶液的特性粘度与分子量的关系
溶液体系确定之后，在一定温度下，聚合物溶液的特性粘度值域聚合物的分子量有关。
这种关系满足Mar-Houwink方程，即：
（1-14）
式中，K，α均为常数，其值与聚合物、溶剂、温度和分子量分布范围有关。
聚苯乙烯在25℃，甲苯作溶剂时，K=9.2×10-3，α=0.72。
由此可以计算聚合物的平均分子量。
三、仪器药品
1、仪器
恒温槽一套、乌氏粘度计、砂芯漏斗、针筒、容量瓶、移液管、精密温度计等。
2、药品
聚苯乙烯，工业级；甲苯，分析纯。
四、实验步骤
1、粘度计和玻璃仪器的洗涤
（1）粘度计先用经砂芯漏斗虑过的水洗涤，洗去小球G、E中的沙粒灰尘，把水甩干。
（2）由A管倒入经过滤的新配制的洗液，灌满后用小烧杯盖住，防止尘粒落入。
放置约2h后把洗液倒出，先用滤过的自来水冲洗，再用滤过的蒸馏水冲洗几次，倒挂干燥或放入烘箱烘干。
（3）移液管、容量瓶应用虑过的洗液和水洗净烘干备用。
（4）对于放过聚合物溶液的粘度计和其它仪器，应先用熔剂浸泡，然后用水和洗液洗净。
否则，有机物会将洗液中的K2Cr2O7还原，使洗液失效。
聚合物也会被碳化，使仪器堵塞，不易洗净。
在用洗液浸泡以前，仪器中的水应尽量弄干，否则，将冲稀洗液，降低其去污效果。
2、聚合物溶液配制
在分析天平上称取0.2g~0.3g（精确到0.01mg）聚苯乙烯，小心加入25ml容量瓶中，加入略少于25ml的甲苯（不必过滤），置于恒温槽中（控温25℃±0.1℃），待恒温后，用砂芯漏斗虑入另一只25ml容量瓶中，并通过砂芯漏斗加入甲苯至刻度。
恒温待用。
3、溶剂流出时间t0的测定
（1）在精确控温25℃±0.1℃的条件下，将粘度计放入恒温槽中，使粘度计和水溶液面保持垂直，水面浸没G球。
固定好粘度计，在B，C两管上小心接上乳胶管。
（2）一起装置符合要求后，用移液管吸取10ml溶剂放入粘度计A管中，
保温几分钟，用夹子夹紧C管的乳胶管。
（3）用针管在B管的乳胶管上将溶液抽吸至G球的一半处，停止抽吸，移去针管，松开C管通向大气，使空气进入D球。
（4）水平观察G球中液面的下降。
当液面降至a线处，按下秒表，记下流经ab刻度的时间，即为t0。
重复三次，误差不超过0.2s，取三次平均值为t0。
（5）溶剂倒入回收瓶中，粘度计烘干待用。
4、溶液流出时间t的测定
（1）粘度计烘干放置冷却后，按上面同样的要求和方法测定溶液的流出时间。
用另一支10ml移液管精确吸取10ml溶液注入A管中，同样重复三次测得流出时间t1。
（2）再用吸溶剂的移液管向粘度计中移入5ml溶剂，这是，粘度计中溶液浓度是原来的2/3，并用针筒抽吸几次，使其混匀。
用同样方法测得t2。
此后分别再加入5ml、10ml、10ml溶剂，测得t3，t4，t5。
奥氏乌氏
图1-2粘度计结构对比
5、结果处理
（1）实验数据填入下表：
流出时间（s）
一
二
三
平均
t0
t1
c=c0
t2
c=2/3c0
t3
c=1/2c0
t4
c=1/3c0
t5
c=1/4c0
（2）作图
假定溶液的初始浓度
，则依次分加溶剂5ml、5ml、10ml和10ml后的溶液相对浓度分别为2/3，1/2，1/3，1/4（以c′表示）。
以
和
分别对c′作图，外推至c′=0所得截距为A，即有：
（1-15）
式中，c0—实际起始浓度（g/ml）。
作图时，横坐标可取24格处作为相对浓度1，则16格、12格、8格、6格处的相对浓度分别是2/3、1/2、1/3和1/4。
（3）分子量计算
根据已知的K和α，按
公式计算分子量。
五、注意事项
1、乌氏粘度计上的A、B、C三支管中，B、C两管特别细，极易折断，因此，拿粘度计时必须拿住A管。
特别是在安装、固定和取出时，更应该小心谨慎。
2、洗涤用水、溶剂和洗液必须事先过滤，以防灰尘杂质等带入粘度计阻塞毛细管。
3、在配制溶液、量取溶液和溶剂都须在同一温度下进行。
六、思考题
1、影响粘度计法测定聚合物分子量精确性的因素有哪些？
2、粘度计C管的作用是什么？
3、
中的K和α值在什么条件下是常数？
如何通过实验方法测得？
4、粘度计法测定聚合物分子量有哪些优点？
实验二聚合物熔融指数的测定
一、概述
热塑性塑料的流动性测定指的是在拟定温度条件下，被测高聚物在高温加热炉内城完全熔融状态，在拟定砝码负荷下，通过一定直径的小孔进行挤出实验的工艺过程。
流动速率可以用来表征高分子材料在熔融状态的流动性、粘度等重要物理性能。
本实验的目的是：
要求学生能够理解熔体流动速率仪基本工作原理；掌握流动速率计算方法；熟悉流动速率仪操作方法、应用范围及注意事项。
二、原料及主要仪器设备
1、原料：
LDPE或PS或ABS
2、主要仪器设备
（1）XNR–400A熔体流动速率仪1台
（2）配套工具1套
（3）天平1台
（4）真空干燥箱或红外灯干燥箱1台
三、实验步骤及操作方法
1、实验前务必参考该仪器使用说明。
2、根据待测物料性质拟定测定温度、负荷等参数。
本实验温度、负荷的选择原则是测试温度必须高于所测材料的流动温度，但不能过高，否则易使材料受热分解。
负荷的选择要考虑熔体粘度的大小，粘度大的试样应取较大的荷重；而粘度小的试样随取较小的荷重。
温度及荷重选择可参考表一“各种塑料熔融指数测定的标准条件（ASMD—1238）”。
本实验选择180℃、190℃、200℃，在2160克（21.18N）荷重下测定聚乙烯的熔融指数。
先使温度稳定在180℃，以后再逐步改变温度。
3、确定试样的加入量与切样的时间间隔。
本实验切取样条时间的选择方法是当圆筒内试样达到规定温度时，就可以加上负荷，熔体通过毛细管而流出，用锐利的刀刃在规定时间内切割流出的样条，每个切割段所需时间与熔体流出速度有一定关系，见表二。
用时间来控制取样速度，可使测试数据误差较小，提高精确度。
本实验确定间隔1~2分钟切割—次。
4、粉状、粒状、条状或模压块物料务必事先在红外灯干燥箱或80℃真空干燥数小时。
5、根据熔融指数和毛细管直径大小，确定试样重量，见表三。
6、接通电源，指示灯亮，炉体开始加热。
等到设定温度后应该等待稳定后可将压料杆置于炉体内预热10分钟。
7、取出压料杆，迅速加入试样，压实，开始计时（数显和秒表均可）。
8、式样预热6~8分钟后，选定负荷砝码压在压料杆顶部，开始挤出物料。
切去料头约15厘米，间隔连续切取至少五个切割段，务必舍弃含有气泡段，取五个无气泡的切割段分别称量。
9、取样完毕，趁热将余料全部挤出，开始仔细清洗赘物，可用少许乙醇擦洗，直至料筒、压料杆和毛细管清亮为止。
10、实验完毕，停止加热，关闭电源，各种物件放回原处。
图2-1XNR–400A熔体流动速率仪构造图
四、实验结果处理
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