Методология вискозиметрических измерений

Измерение вязкости разбавленных полимерных растворов основано на оценке времени истечения определенного количества жидкости через капилляр заданного размера. Расчет вязкости основан на законе Пуазейля для объема жидкости Q, протекшего через цилиндрический капилляр длиной / и радиусом г при разности давления Ар = р₂ — р_] на концах капилляра в течение времени t:

Если капилляр расположен вертикально, разность давлений создается гидростатическим давлением вытекающей жидкости Ар = рgl, где р — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения. С учетом этого Следовательно,.

лг⁴я где К = — постоянная вискозиметра.

При исследовании разбавленных растворов полимеров обычно определяют не абсолютную, а относительную вязкость г|_0Т1| = —, где ц — вязкость По раствора, г)₀ — вязкость растворителя. Данная безразмерная величина показывает, во сколько раз возрастает вязкость системы при растворении полимера. При условии, что плотности разбавленного раствора и чистого растворителя сопоставимы между собой (р ~ р₀),.

где t и t₀ — время истечения строго определенного объема раствора и растворителя соответственно.

Относительный прирост вязкости вследствие растворения полимера описывается удельной вязкостью

Для оценки вклада полимерной компоненты в общий прирост вязкости раствора удельную вязкость нормируют на концентрацию полимера С. Данную величину называют приведенной вязкостью'.

Очевидно, что размерность приведенной вязкости обратна размерности концентрации.

Таким образом, экспериментально вискозиметрические измерения сводятся к определению времен истечения раствора данной концентрации и чистого растворителя.

Рис. 2.17. Схема простейшего капиллярного вискозиметра.

Принципиальная схема простейшего капиллярного вискозиметра показана на рис. 2.17. Вискозиметр представляет собой стеклянный капилляр с резервуаром посередине. При проведении измерений вискозиметр заполняют исследуемой жидкостью выше метки 1. Жидкость свободно течет по капилляру под действием силы тяжести. При этом фиксируют время истечения объема жидкости между метками 1 и 2. Измеряя время истечения полимерного раствора t известной концентрации С и чистого растворителя f₀, рассчитывают приведенную вязкость по уравнению (2.52).

Проведя серию измерений вязкости растворов полимеров с различными концентрациями, строят зависимость приведенной вязкости от концентрации раствора. Для недиссоциирующих полимеров эта зависимость прямолинейна (рис. 2.18) и описывается эмпирическим уравнением Хаггинса:

Рис. 2.18. Зависимость приведенной вязкости т|_пр от концентрации раствора С.

где K_h — безразмерная константа Хаггинса.

Согласно уравнению Хаггинса экстраполяция прямой на нулевую концентрацию дает характеристическую вязкость раствора | р | = Нт г|_|ф, а тангенс угла наклона прямой равен Х_/г|г||² (рис. 2.18). Как константа Хаггинса K_h, так и характеристическая вязкость [р] служат мерой термодинамического качества растворителя. Для полимерных клубков в хорошем растворителе K_h лежит в пределах 0,2—0,3, в (c)-растворителе K_h — 0,5 и в плохом растворителе K_h > 0,5. Физический смысл характеристической вязкости рассмотрен ниже.