黏度的測定及其應(yīng)用

1、實(shí)驗(yàn)名稱: 黏度的測定及其應(yīng)用易菊珍 副教授現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù) 實(shí)驗(yàn)背景 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)測量 數(shù)據(jù)處理 誤差分析實(shí)驗(yàn)安全廢物處理 實(shí)驗(yàn)要求 問題討論 實(shí)驗(yàn)評價(jià) 參考文獻(xiàn) 題外數(shù)語補(bǔ)充理論知識(shí)掌握操作技能理論聯(lián)系實(shí)際分析解決問題實(shí)驗(yàn)態(tài)度黏度的測定及應(yīng)用1. 流動(dòng)現(xiàn)象與流體2. 流體的分類3. 什么是黏度4. 黏度影響因素5. 黏度的測定方法 6. 高分子分子量 實(shí)驗(yàn)背景1、什么是流體通俗地講: 能夠流動(dòng)的物質(zhì)（液體和氣體）力學(xué)術(shù)語：在任何微小的剪切力作用力下都能夠連續(xù)變形的物質(zhì) 特征：流動(dòng)性，變形性。流體機(jī)械：泵（液體）；鼓風(fēng)機(jī)（氣體）舉例說明生活中有哪些流體? 實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景牛頓流

2、體：空氣、水等小分子液體和溶液生活中的非牛頓流體：聚合物流體，生物體，食品黏度指數(shù)的含義：“W”表示多級機(jī)油，遇熱變稠，遇冷變稀，減少引擎進(jìn)行的阻力和磨損。非牛頓流體的湍流減阻:消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景雷諾（O.Reynolds，18421912）牛頓（I. Newton，16431727）英國劍橋雙杰 流動(dòng)現(xiàn)象雷諾興趣廣泛，一生著述很多，近70篇論文都有很深遠(yuǎn)的影響。他在流體力學(xué)方面最重要的貢獻(xiàn)：1883年發(fā)現(xiàn)液流兩種流態(tài)：層流和紊流， 提出以雷諾數(shù)判別流態(tài)。雷諾：O.Osborne Reynolds (18421912) 英國力

3、學(xué)家、物理學(xué)家和工程師，杰出實(shí)驗(yàn)科學(xué)家 1867年-劍橋大學(xué)王后學(xué)院畢業(yè) 1868年-曼徹斯特歐文學(xué)院工程學(xué)教授 1877年-皇家學(xué)會(huì)會(huì)員 1888年-獲皇家勛章 1905年-因健康原因退休DBAC墨水流線玻璃管(a)層流(b)過渡流(c)湍流雷諾實(shí)驗(yàn)：層流和湍流實(shí)驗(yàn)背景（1）開啟電流開關(guān)向水箱充水，使水箱保持溢流。（2）微微開啟下游閥門D，使水箱水位穩(wěn)定，打開顏色水開關(guān)C，則紅色水流入管道，觀察到：紅色水液層有條不紊地呈直線運(yùn)動(dòng)， 紅色水和管道中液體水相互不混摻-層流（3）下游閥門D再打開一點(diǎn)，管道中流速增大, 紅顏色水射出后，完全破裂，形成漩渦，擴(kuò)散至全管，使管中水流變成紅色水-湍流管徑d

4、流速u密度 黏度判斷依據(jù)：表征流體運(yùn)動(dòng)中慣性作用和黏性作用相對大小的無因次數(shù)雷諾數(shù): Re2000; Re 4000實(shí)驗(yàn)背景粘性：阻滯流動(dòng)的性質(zhì)-根源是分子間作用力 關(guān)于雷諾數(shù)流休流動(dòng)形態(tài)有層流和湍（紊）流兩種,前者流動(dòng)層之間彼此平行互不混雜;后者流體質(zhì)點(diǎn)互相混雜彼此穿插呈紊亂的流動(dòng).由于雷諾數(shù)實(shí)質(zhì)上是慣性力與粘性力之比,當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí),說明慣性力在流動(dòng)中占據(jù)優(yōu)勢,此時(shí)的流動(dòng)可能是紊流;當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí),說明粘性力在流動(dòng)中占根據(jù)優(yōu)勢,此時(shí)的流動(dòng)可能是層流.雷諾數(shù)是無因次數(shù)（沒有單位的物理量）實(shí)驗(yàn)背景中文名： 艾薩克牛頓外文名： Isaac Newton國籍： 英國出生地： 英國林肯郡伍爾索普村出

5、生日期：1643年1月4日逝世日期：1727年3月31日職業(yè)：物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家畢業(yè)院校：劍橋大學(xué)主要成就：提出萬有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律， 與萊布尼茨共同發(fā)明微積分，發(fā)明反射式望遠(yuǎn)鏡和光的色散原理，被譽(yù)為“近代物理學(xué)之父”代表作品：自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理光學(xué)智商：290 流體的黏性實(shí)驗(yàn) （層流）牛頓粘性定律F -動(dòng)力粘度，簡稱粘度，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來，是促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的切應(yīng)力。當(dāng)速度梯度等于零時(shí)，即當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運(yùn)動(dòng)(流層間沒有相對運(yùn)動(dòng))時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零，流體的黏性作用表現(xiàn)不出來。 = 0時(shí)，流體沒有黏性-理想流體（粘性為零的流體，實(shí)際上并不存在)流體的切應(yīng)力

6、與剪切變形速率成正比， = / = 常數(shù) -牛頓流體切應(yīng)力:粘性力實(shí)驗(yàn)背景2. 流體分類:1、賓漢塑形流體（d）： 00，n=1, =Const2、假塑性流體（c）： 0=0，n1 5、理想流體： 0=0，=0流體空氣、水等小分子液體和溶液屬于牛頓流體。 = / = 常數(shù)賓漢塑形流體：外界應(yīng)力超過一定值時(shí)，流體才能流動(dòng)。例如牙膏，油漆假塑性流體：剪切變稀的流體，如高分子濃溶液和熔體等。膨脹流體：剪切變稠的流體，一般是多相混合體系，如泥沙，瀝青等。實(shí)驗(yàn)背景 Bingham: 美國科學(xué)家 18781945 賓漢是流變學(xué)的奠基人 研究了油漆、水泥等材料的流變特性，提出了油漆是一種塑性材料而不是黏性流

7、體。在外力作用下，雖然產(chǎn)生較顯著變形而不被破壞的材料，稱為塑性材料。相反在外力作用下，發(fā)生微小變形即被破壞的材料，稱為脆性材料。實(shí)際的流體都是粘性流體，指粘性效應(yīng)不可忽略的流體。實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景 本實(shí)驗(yàn)中的聚乙烯醇的水溶液屬于什么流體？其流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流？思考一下！黏度與流體有關(guān), 流體包括液體和氣體 雷諾實(shí)驗(yàn):兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)牛頓實(shí)驗(yàn): 流體具有黏性本實(shí)驗(yàn)中從毛細(xì)管(d =0.55mm)流出的高分子稀溶液可以看作牛頓流體，屬于層流?！傲黧w”小結(jié)實(shí)驗(yàn)背景相對粘度增比粘度比濃粘度比濃對數(shù)粘度特性粘度或特性粘數(shù)3、什么是粘度 黏度：全稱是“動(dòng)力黏度”, 反映了外力作用下發(fā)生變形（流動(dòng)）的流

8、體因抵抗變形而產(chǎn)生的相鄰兩流體層間的內(nèi)摩擦力。實(shí)驗(yàn)背景4、影響?zhàn)ざ鹊囊蛩?常壓，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計(jì) 高壓，流體黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。 液體的黏性隨溫度升高而減小 （分子吸引力 ） 氣體的黏性隨溫度升高而增大。（分子動(dòng)量交換）溫 度:壓 強(qiáng)：相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。流體種類：結(jié)論:液體和氣體的黏性隨溫度的變化不同包括溶液的組成，分子結(jié)構(gòu)等。實(shí)驗(yàn)背景（1）泊肅葉法：通過測定在恒定壓強(qiáng)差作用下，流經(jīng)一毛細(xì)管的液體流量來求； （2）轉(zhuǎn)筒法：在兩同軸圓筒間充以待測液體，外筒作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，測內(nèi)筒受到的粘滯力矩；（3）阻尼法：測定扭擺、彈簧振子等在液體中運(yùn)動(dòng)周期或振幅的改變；（

9、4）落球法：通過測量小球在液體中下落的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來求。實(shí)驗(yàn)背景5、液體黏度的測定方法各種流變儀及原理德國哈克轉(zhuǎn)矩流變儀HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀Polylab Rheocord系統(tǒng)(RC)是一種多功能流變學(xué)測試系統(tǒng)，基本原理是被測試樣品抵抗混合的阻力與樣品粘度成正比，轉(zhuǎn)矩流變儀通過作用在轉(zhuǎn)子或螺桿上的反作用扭矩測得這種阻力。（聚合物加工）德國高特福的毛細(xì)管流變儀流變儀，即用于測定聚合物熔體，聚合物溶液、懸浮液、乳液、涂料、油墨和食品等流變性質(zhì)的儀器。分為旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀、轉(zhuǎn)矩流變儀和界面流變儀。英國馬爾文旋轉(zhuǎn)流變儀 1.毛細(xì)管流變儀：計(jì)算出在不同剪切速率下熔體的剪切粘度。2.界面流變儀：目前這

10、種流變儀有振蕩液滴、振蕩剪切等幾種原理;是流變測試中最難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的一個(gè)領(lǐng)域;還沒有一種特別好而又通用的方法。3.轉(zhuǎn)矩流變儀實(shí)際上是在實(shí)驗(yàn)型擠出機(jī)的基礎(chǔ)上，配合不同模塊，模擬高聚物材料在加工過程中的一些參數(shù)，主要用于與實(shí)際生產(chǎn)接近的研究領(lǐng)域。4.旋轉(zhuǎn)流變儀：有兩種，控制應(yīng)力型和控制應(yīng)變型A：控制應(yīng)力型:使用最多，如奧地利PhysicaMCR系列、美國TA的AR系列、德國Haake、英國Malven，都是這一類型的流變儀;其中Physica的馬達(dá)屬于同步直流馬達(dá)，這種馬達(dá)相對響應(yīng)速度快，控制應(yīng)變能力強(qiáng);其他廠家使用的屬于托杯馬達(dá)，托杯馬達(dá)屬于異步交流馬達(dá)，這種馬達(dá)響應(yīng)速度相對較慢。這一類型的流變

11、儀，采用馬達(dá)帶動(dòng)夾具給樣品施加應(yīng)力，賣儀器網(wǎng)同時(shí)用光學(xué)解碼器測量產(chǎn)生的應(yīng)變或轉(zhuǎn)速。B：控制應(yīng)變型：目前只有ARES屬于單純的控制應(yīng)變型流變儀，這種流變儀直流馬達(dá)安裝在底部，通過夾具給樣品施加應(yīng)變，樣品上部通過夾具連接倒扭矩傳感器上，測量產(chǎn)生的應(yīng)力;這種流變儀只能做單純的控制應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。四種流變儀的原理實(shí)驗(yàn)背景 同一毛細(xì)管h1 = h2 d=0.55mm,1、泊肅葉法 測黏度（測流出時(shí)間）1 = 2 特性黏度:反映了在稀溶液范圍內(nèi)高聚物分子與溶劑分子之間的內(nèi)摩擦作用的大小6. 黏度的應(yīng)用：測定高聚物的分子量 K, （0.51）是與聚合物、溫度，溶劑有關(guān)的常數(shù) 在確定條件下，用一系列分子量已知的標(biāo)準(zhǔn)

12、樣品校訂粘度與M的關(guān)系，再根據(jù)這種關(guān)系有溶液的粘度計(jì)算聚合物的M，因此M是一個(gè)相對統(tǒng)計(jì)平均值。粘度法是一種相對的方法，適用于分子量在104107范圍的聚合物，該法設(shè)備簡單、操作方便，又有較高的實(shí)驗(yàn)精度。實(shí)驗(yàn)背景高聚物的分子量 高分子化合物：單體經(jīng)聚合反應(yīng)由許多重復(fù)單元以共價(jià)鍵相連接，相對分子質(zhì)量在104以上的化合物。物質(zhì)的力學(xué)性能與加工性能都與分子量有關(guān)。 數(shù)均（數(shù)量的平均）就是以數(shù)量為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，或者說平均每個(gè)高分子鏈的質(zhì)量就是數(shù)均分子量重均（重量的平均）就是以重量m為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，或者說單位重量上平均到的分子量實(shí)驗(yàn)背景 = -1 = 1=0.51粘均：稀溶液粘度法測得的平均分子量=0.51統(tǒng)計(jì)平

13、均值。實(shí)驗(yàn)背景粘度的測定及應(yīng)用明確黏度的物理本質(zhì)，了解其定義、量剛及其換算；了解黏度與物質(zhì)摩爾質(zhì)量的關(guān)系、影響?zhàn)ざ鹊囊蛩兀▋?nèi)因和外因）2. 了解黏度測定在高分子、生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、材料科學(xué)與工程和實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用3. 測定聚乙烯醇的相對平均摩爾質(zhì)量；掌握烏氏黏度計(jì)的使用方法 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?同一毛細(xì)管h1 = h2 d=0.55mm,泊肅葉法 測黏度；由粘度計(jì)算分子量1 = 2 Mark-Houwink方程 實(shí)驗(yàn)原理5g/L溶液溶劑恒溫裝置, 移液裝置, 烏什黏度計(jì),秒表實(shí)驗(yàn)儀器和試劑 實(shí)驗(yàn)測量溶液的配制：聚乙烯醇水溶液（5 gL-1）恒溫槽準(zhǔn)備: 30.000.05測定5種濃度溶液及溶劑的流出時(shí)間測

14、量完畢，要將黏度計(jì)及移液管洗干凈，并放進(jìn)烘箱干燥。實(shí)驗(yàn)流程1. 溶液的配制：聚乙烯醇水溶液（5 gL-1）實(shí)驗(yàn)操作容量瓶的使用六忌： 忌用容量瓶進(jìn)行溶解（體積不準(zhǔn)確） 忌直接往容量瓶倒液（灑到外面） 忌加水超過刻度線 忌讀數(shù)仰視或俯視 忌不洗滌玻璃棒和燒杯 忌標(biāo)準(zhǔn)液存放于容量瓶（容量瓶是量器不是容器）5g/L溶液溶劑2. 恒溫槽準(zhǔn)備: 30.000.05設(shè)定在30固定粘度計(jì)和溶劑瓶 黏度計(jì)保持垂直狀態(tài)黏度計(jì)G球浸沒黏度計(jì)勿被夾子 夾破3. 測定5g/L溶液的流出時(shí)間三次，取平均值。 t1, t2, t3左手拿洗耳球，右手拿移液管d =0.55mm1. 溶液混合均勻？2. 黏度計(jì)保持垂直？3.

15、洗耳球抽提液體時(shí)，氣泡進(jìn)入體系？1、每種溶液的兩次流出時(shí)間誤差超過0.4秒的原因？ 4. 同理測定稀釋后的4種溶液的流出時(shí)間。 5. 測量溶液完畢，將黏度計(jì)洗干凈，再測定溶劑的流出時(shí)間。 6. 所有測量完畢，將黏度計(jì)及移液管洗干凈，放回烘箱干燥.殘留高分子干燥后會(huì)堵塞毛細(xì)管, 無法洗干凈! 數(shù)據(jù)處理M 有的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中，沒有提供聚乙烯醇的k,的文獻(xiàn)值。學(xué)生如何計(jì)算誤差呢？學(xué)生自己查找的文獻(xiàn)值，五花八門，選擇性地采用，有利于自己的誤差小，容易得高分。培養(yǎng)投機(jī)鉆營分子？ 本實(shí)驗(yàn)中：T=25時(shí) K=6.6610-2 ml/g =0.64溶液濃度的計(jì)算烏氏粘度計(jì)中氣泡是否完全排除流出時(shí)間的記錄至

16、少三次（是否精確到0.1s）粘度計(jì)算中有效數(shù)字的位數(shù)數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)校正與線性擬合，與作圖軟件所得結(jié)果的比較計(jì)算所得的分子量是否在合適的范圍內(nèi)？其他因素，如記錄錯(cuò)誤等。 誤差分析容量瓶的使用：6忌 （加水過刻度）移液的操作：左手拿洗耳球，右手拿移液管 （50%以上的學(xué)生拿反）烏什黏度計(jì)的使用：關(guān)注黏度計(jì)的固定(5%黏度計(jì)被夾子 夾破；5%黏度計(jì)被攪拌器碰破）關(guān)注黏度計(jì)毛細(xì)管的清洗（20%黏度計(jì)堵塞）；注意PVA廢液的回收 實(shí)驗(yàn)安全溶液和溶劑：PVA的水溶液 無毒無味無污染如果實(shí)驗(yàn)后將PVA溶液直接倒入下水道，低溫時(shí)會(huì)析出而堵塞下水道。實(shí)驗(yàn)完成以后需要將PVA溶液倒入回收桶，密封放置，交由專業(yè)公司

17、再處理 廢物處理 實(shí)驗(yàn)前-預(yù)習(xí)全面 實(shí)驗(yàn)中-操作和數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)后-撰寫報(bào)告做物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一種研究方法，一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，需認(rèn)真對待。（態(tài)度決定一切） 實(shí)驗(yàn)要求 實(shí)驗(yàn)前：預(yù)習(xí)要全面實(shí)驗(yàn)涉及的理論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)安全實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，安全操作注意事項(xiàng) 實(shí)驗(yàn)教材，查閱文獻(xiàn) 撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)流程 提出疑問、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)用自己組織的語言撰寫報(bào)告，不得逐字逐句抄寫實(shí)驗(yàn)教材！ 實(shí)驗(yàn)中：獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)記錄，科學(xué)性，規(guī)范性，嚴(yán)謹(jǐn)性 實(shí)驗(yàn)裝置使用，實(shí)驗(yàn)條件，參數(shù)優(yōu)化 實(shí)驗(yàn)操作,手腦協(xié)調(diào),手腦并用,觀察及記錄 數(shù)據(jù)列表，需自行設(shè)計(jì)，規(guī)范性 實(shí)驗(yàn)失敗，需重做 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，數(shù)據(jù)需經(jīng)指導(dǎo)老師審閱 儀器設(shè)

18、備整理，水電氣，門窗。 安全衛(wèi)生，化學(xué)廢棄物收集訓(xùn)練科學(xué)思維，形成科學(xué)的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，過程管理與指導(dǎo)！ 實(shí)驗(yàn)后：認(rèn)真撰寫報(bào)告數(shù)據(jù)分析與處理，誤差分析，必須詳細(xì)，十分重要！圖表，規(guī)范制作物理量，單位，有效數(shù)字實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，用自己組織的語言撰寫實(shí)驗(yàn)討論，查閱文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)思考講誠信，不抄襲，培養(yǎng)自己將來從事科學(xué)研究和工程技術(shù)開發(fā)的論文書寫基礎(chǔ) 問題討論1. 影響毛細(xì)管法測定液體黏度的因素是什么？2. 使用奧氏黏度計(jì)時(shí)，加入的標(biāo)準(zhǔn)液體與被測液體的體積為什么要相同？3. 粘度法測定高分子的分子量有什么優(yōu)點(diǎn)和局限性？4. 粘度法測定分子量對溶液濃度有什么要求？太濃或太稀有什么影響？5. 論述黏度與溫度、壓力、溶液

19、組成的關(guān)系，黏度與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。如何測定牙膏、果凍等半固體的粘度？本實(shí)驗(yàn)可如何改進(jìn)？ 同一毛細(xì)管h1 = h2 1 = 2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)？密度的測定計(jì)時(shí)的誤差 實(shí)驗(yàn)評價(jià) 評價(jià)原則 評價(jià)要素 評價(jià)細(xì)則 評價(jià)原則教與學(xué)，成效評估。公開，公正，公平，科學(xué)。過程、結(jié)果、態(tài)度，與學(xué)習(xí)目標(biāo)一致。促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、個(gè)體成長、創(chuàng)新與進(jìn)步。 評價(jià)要素實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程，質(zhì)疑，態(tài)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)處理安全衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告回答思考題 評價(jià)細(xì)則分子量-實(shí)驗(yàn)結(jié)果粘度的測定實(shí)驗(yàn)評分細(xì)則1. 陳六平，鄒世春主編. 現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2007，255-2562. 楊海洋，朱平平，任峰等. 粘度法研究高分子溶液行為的

20、實(shí)驗(yàn)改進(jìn). 化學(xué)通報(bào). 1999, (5): 47-493. 李曉東. 粘度法測高分子化合物相對分子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論. 大學(xué)化學(xué). 2001, 16(6): 48-504. 何曼君，陳維孝，董西俠編.高分子物理. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1988. 5. 吳德志，徐東亮，吳耀楚. 粘度測定原理與應(yīng)用. 中國儀器儀表. 2002, 6: 40-43. 參考文獻(xiàn)6. 田榮芝,包福助. 血液粘度測定的臨床應(yīng)用. 黑龍江醫(yī)藥. 1980, 3: 18-20.7. 閏淑蓮,夏穎,石晨,王橋. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)粘度法測定高聚物分子量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào). 2012, 156-157. 8. 毛兵，張春梅，柳彩霞，徐惠儉，潘廣勤. 石油樹脂相對分子量及其分布測試方法概述. 塑料制造. 2012,11:73-759.李建，畢松梅.一點(diǎn)法分析殼聚糖特性粘度偏差值的研究.安徽工程科技學(xué)院學(xué)