黏度的测定及其应用

实验名称:黏度的测定及其应用易菊珍副教授[e-mail]现代化学实验与技术实验背景实验目的实验原理实验测量数据处理误差分析实验安全废物处理实验要求问题讨论实验评价参考文献题外数语补充理论知识掌握操作技能理论联系实际分析解决问题实验态度黏度的测定及应用1.流动现象与流体2.流体的分类3.什么是黏度4.黏度影响因素5.黏度的测定方法6.高分子分子量实验背景1、什么是流体•通俗地讲:能够流动的物质（液体和气体）•力学术语：在任何微小的剪切力作用力下都能够连续变形的物质特征：流动性，变形性。•流体机械：泵（液体）；鼓风机（气体）举例说明生活中有哪些流体?实验背景实验背景牛顿流体：空气、水等小分子液体和溶液生活中的非牛顿流体：聚合物流体，生物体，食品黏度指数的含义：“W”表示多级机油，遇热变稠，遇冷变稀，减少引擎进行的阻力和磨损。非牛顿流体的湍流减阻:消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上实验背景实验背景雷诺（O.Reynolds，1842－1912）牛顿（I.Newton，1643－1727）英国剑桥双杰流动现象•雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近70篇论文都有很深远的影响。•他在流体力学方面最重要的贡献：1883年—发现液流两种流态：层流和紊流，提出以雷诺数判别流态。雷诺：O.OsborneReynolds(1842～1912)•英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家1867年-剑桥大学王后学院毕业1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授1877年-皇家学会会员1888年-获皇家勋章1905年-因健康原因退休DBAC墨水流线玻璃管(a)层流(b)过渡流(c)湍流雷诺实验：层流和湍流实验背景（1）开启电流开关向水箱充水，使水箱保持溢流。（2）微微开启下游阀门D，使水箱水位稳定，打开颜色水开关C，则红色水流入管道，观察到：红色水液层有条不紊地呈直线运动，红色水和管道中液体水相互不混掺----层流（3）下游阀门D再打开一点，管道中流速增大,红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水流变成红色水----湍流duRe管径d流速u密度ρ黏度η判断依据：表征流体运动中惯性作用和黏性作用相对大小的无因次数雷诺数:Re≤2000;Re≥4000实验背景粘性：阻滞流动的性质---根源是分子间作用力关于雷诺数流休流动形态有层流和湍（紊）流两种,前者流动层之间彼此平行互不混杂;后者流体质点互相混杂彼此穿插呈紊乱的流动.由于雷诺数实质上是惯性力与粘性力之比,当雷诺数较大时,说明惯性力在流动中占据优势,此时的流动可能是紊流;当雷诺数较小时,说明粘性力在流动中占根据优势,此时的流动可能是层流.雷诺数是无因次数（没有单位的物理量）实验背景中文名：艾萨克·牛顿外文名：IsaacNewton国籍：英国出生地：英国林肯郡伍尔索普村出生日期：1643年1月4日逝世日期：1727年3月31日职业：物理学家、数学家毕业院校：剑桥大学主要成就：提出万有引力定律、牛顿运动定律，与莱布尼茨共同发明微积分，发明反射式望远镜和光的色散原理，被誉为“近代物理学之父”代表作品：《自然哲学的数学原理》《光学》智商：290流体的黏性实验（层流）牛顿粘性定律zuAfddfzuAfddFμ---动力粘度，简称粘度，只有在运动时才显现出来，是促使流体流动产生单位速度梯度的切应力。当速度梯度等于零时，即当流体处于静止状态或以相同速度运动(流层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，流体的黏性作用表现不出来。μ=0时，流体没有黏性----理想流体（粘性为零的流体，实际上并不存在)流体的切应力τ与剪切变形速率γ成正比，μ=/γ=常数-----牛顿流体切应力:粘性力实验背景2.流体分类:ndydu)(01、宾汉塑形流体（d）：00，n=1,=Const2、假塑性流体（c）：0=0，n13、牛顿流体（a）：0=0，n=1,=Const4、膨胀流体（b）：0=0，n15、理想流体：0=0，=0流体空气、水等小分子液体和溶液属于牛顿流体。=/γ=常数宾汉塑形流体：外界应力超过一定值时，流体才能流动。例如牙膏，油漆假塑性流体：剪切变稀的流体，如高分子浓溶液和熔体等。膨胀流体：剪切变稠的流体，一般是多相混合体系，如泥沙，沥青等。实验背景Bingham:美国科学家1878～1945宾汉是流变学的奠基人研究了油漆、水泥等材料的流变特性，提出了油漆是一种塑性材料而不是黏性流体。在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。相反在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料，称为脆性材料。实际的流体都是粘性流体，指粘性效应不可忽略的流体。实验背景实验背景本实验中的聚乙烯醇的水溶液属于什么流体？其流动状态是层流还是湍流？思考一下！黏度与流体有关,流体包括液体和气体雷诺实验:两种稳定的流动状态牛顿实验:流体具有黏性本实验中从毛细管(d=0.55mm)流出的高分子稀溶液可以看作牛顿流体，属于层流。“流体”小结实验背景相对粘度0r增比粘度100rspccrsp1比浓粘度比浓对数粘度ccrsp)1ln(ln特性粘度或特性粘数ccrcspclnlimlim003、什么是粘度黏度：全称是“动力黏度”,反映了外力作用下发生变形（流动）的流体因抵抗变形而产生的相邻两流体层间的内摩擦力。实验背景4、影响黏度的因素常压，压强对流体的黏性影响很小，可忽略不计高压，流体黏性随压强升高而增大。液体的黏性随温度升高而减小（分子吸引力↓）气体的黏性随温度升高而增大。（分子动量交换↑）温度:压强：相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。流体种类：结论:液体和气体的黏性随温度的变化不同包括溶液的组成，分子结构等。实验背景（1）泊肃叶法：通过测定在恒定压强差作用下，流经一毛细管的液体流量来求；（2）转筒法：在两同轴圆筒间充以待测液体，外筒作匀速转动，测内筒受到的粘滞力矩；（3）阻尼法：测定扭摆、弹簧振子等在液体中运动周期或振幅的改变；（4）落球法：通过测量小球在液体中下落的运动状态来求。实验背景5、液体黏度的测定方法各种流变仪及原理德国哈克转矩流变仪HAAKE转矩流变仪PolylabRheocord系统(RC)是一种多功能流变学测试系统，基本原理是被测试样品抵抗混合的阻力与样品粘度成正比，转矩流变仪通过作用在转子或螺杆上的反作用扭矩测得这种阻力。（聚合物加工）德国高特福的毛细管流变仪流变仪，即用于测定聚合物熔体，聚合物溶液、悬浮液、乳液、涂料、油墨和食品等流变性质的仪器。分为旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。英国马尔文旋转流变仪1.毛细管流变仪：计算出在不同剪切速率下熔体的剪切粘度。2.界面流变仪：目前这种流变仪有振荡液滴、振荡剪切等几种原理;是流变测试中最难以准确实现的一个领域;还没有一种特别好而又通用的方法。3.转矩流变仪实际上是在实验型挤出机的基础上，配合不同模块，模拟高聚物材料在加工过程中的一些参数，主要用于与实际生产接近的研究领域。4.旋转流变仪：有两种，控制应力型和控制应变型A：控制应力型:使用最多，如奥地利PhysicaMCR系列、美国TA的AR系列、德国Haake、英国Malven，都是这一类型的流变仪;其中Physica的马达属于同步直流马达，这种马达相对响应速度快，控制应变能力强;其他厂家使用的属于托杯马达，托杯马达属于异步交流马达，这种马达响应速度相对较慢。这一类型的流变仪，采用马达带动夹具给样品施加应力，卖仪器网同时用光学解码器测量产生的应变或转速。B：控制应变型：目前只有ARES属于单纯的控制应变型流变仪，这种流变仪直流马达安装在底部，通过夹具给样品施加应变，样品上部通过夹具连接倒扭矩传感器上，测量产生的应力;这种流变仪只能做单纯的控制应变实验。四种流变仪的原理实验背景Vltpr48221121tptp同一毛细管221121tth1=h2d=0.55mm,1、泊肃叶法测黏度（测流出时间）ρ1=ρ22121tt特性黏度:反映了在稀溶液范围内高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦作用的大小][limsp0cc6.黏度的应用：测定高聚物的分子量MΚ][K,α（0.5~1）是与聚合物、温度，溶剂有关的常数在确定条件下，用一系列分子量已知的标准样品校订粘度η与Mη的关系，再根据这种关系有溶液的粘度η计算聚合物的Mη，因此Mη是一个相对统计平均值。粘度法是一种相对的方法，适用于分子量在104～107范围的聚合物，该法设备简单、操作方便，又有较高的实验精度。实验背景高聚物的分子量高分子化合物：单体经聚合反应由许多重复单元以共价键相连接，相对分子质量在104以上的化合物。物质的力学性能与加工性能都与分子量有关。iiinnmM数均（数量的平均）就是以数量为统计权重，或者说平均每个高分子链的质量就是数均分子量iiiiiiiiwMWwMwM重均（重量的平均）就是以重量m为统计权重，或者说单位重量上平均到的分子量实验背景aiiiMWM/1wnMMM=-1=1nMMwM=0.5~1粘均：稀溶液粘度法测得的平均分子量kM=0.5~1统计平均值。实验背景粘度的测定及应用•明确黏度的物理本质，了解其定义、量刚及其换算；了解黏度与物质摩尔质量的关系、影响黏度的因素（内因和外因）•2.了解黏度测定在高分子、生物医学、药学、材料科学与工程和实际生产中的应用•3.测定聚乙烯醇的相对平均摩尔质量；掌握乌氏黏度计的使用方法实验目的Vltpr48221121tptp同一毛细管221121tth1=h2d=0.55mm,泊肃叶法测黏度；由粘度计算分子量ρ1=ρ22121tt][limsp0ccMΚ][Mark-Houwink方程实验原理5g/L溶液溶剂恒温装置,移液装置,乌什黏度计,秒表实验仪器和试剂实验测量溶液的配制：聚乙烯醇水溶液（5gL-1）恒温槽准备:30.000.05℃测定5种浓度溶液及溶剂的流出时间测量完毕，要将黏度计及移液管洗干净，并放进烘箱干燥。实验流程1.溶液的配制：聚乙烯醇水溶液（5gL-1）实验操作容量瓶的使用六忌：忌用容量瓶进行溶解（体积不准确）忌直接往容量瓶倒液（洒到外面）忌加水超过刻度线忌读数仰视或俯视忌不洗涤玻璃棒和烧杯忌标准液存放于容量瓶（容量瓶是量器不是容器）5g/L溶液溶剂2.恒温槽准备:30.000.05℃恒温槽乌氏粘度计锥形瓶设定在30℃固定粘度计和溶剂瓶黏度计保持垂直状态黏度计G球浸没黏度计勿被夹子夹破3.测定5g/L溶液的流出时间三次，取平均值。t1,t2,t3左手拿洗耳球，右手拿移液管d=0.55mm恒温槽乌氏粘度计锥形瓶1.溶液混合均匀？2.黏度计保持垂直？3.洗耳球抽提液体时，气泡进入体系？1、每种溶液的两次流出时间误差超过0.4秒的原因？4.同理测定稀释后的4种溶液的流出时间。表1聚乙烯醇水溶液黏度实验结果记录与数据处理表溶剂V/mL0551010'c/gL-112/31/21/31/4321,,ttt/s/ts5.测量溶液完毕，将黏度计洗干净，再测定溶剂的流出时间。6.所有测量完毕，将黏度计及移液管洗干净，放回烘箱干燥.残留高分子干燥后会堵塞毛细管,无法洗干净!MΚ][数据处理表1聚乙烯醇水溶液黏度实验结果记录与数据处理表溶剂V/mL0551010'c/gL-112/31/21/31/4321,,ttt/s/ts0rtt/'lnrcLg-1'spc/Lg-1Mη有的物理化学实验教材中，没有提供聚乙烯醇的k,的文献值。学生如何计算误差呢？学生自己查找的文献值，五花八门，选择性地采用，有利于自己的误差小，容易得高分。培养投