Lovis2000M 聚丙烯腈特性粘度测量

前言

聚丙烯腈，化学式为(C3H3N)n，是一种高分子化合物，由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到。大分子链中的丙烯腈单元是接头-尾方式相连的。利用 Lovis 2000 M/ME 测试高分子聚合物溶液特性粘度是聚合物化学中表征聚合物溶解特性的一种常用分析方法。这项技术是基于这样一个事实：将聚合物溶解在溶剂中会增加溶剂的粘度。

粘度的增加取决于温度、聚合物和溶剂的类型、聚合物的浓度、聚合度和摩尔质量。将纯溶剂的粘度与聚合物溶液(溶解在溶剂中的聚合物)的粘度建立关系，得到相对粘度(relative viscosity)，相对粘度是后续计算增比粘度(specific viscosity)，黏数(reduced viscosity)，比浓对数粘度(Inherent Viscosity)，特性粘度(Intrinsic Viscosity)和 K 值(平均聚合度)的基础参数。本应用通过测试约 0.3g/100ml 浓度聚丙烯腈干膜及原液-DMF 溶液的特性粘度，考察仪器测试结果的稳定性/ 重复性。

1 Product 样品

Sample Type 样品性质：1.聚丙烯腈干膜(透明或淡黄色薄膜，溶于 DMF)-样品 A,样品 B(不同生产批次) 2.聚丙烯腈原液(深黄色粘稠液体或半固体，状态取决于环境温度)-样品 A

2 测试需求

测试约 0.3g/100ml 浓度聚丙烯腈干膜及原液-DMF 溶液的特性粘度，考察仪器测试结果的稳定性/重复性。特性粘度公式如下，仪器会自动根据测得的增比粘度(specific viscosity)自动计算得出特性粘度值，特性黏度基于客户经验公式，如下：

3 使用仪器

Lovis 2000 M 是一种微量样品落球黏度计，可根据 Hoeppler 落球原理测量滚球滚过透明或不透明溶液的时间，用于测量低黏度液体的黏度。使用 Lovis 2000 M 可以测量聚合物及其他物质的动力黏度、运动黏度、特性黏度、平均聚合度及摩尔质量。

4 测试原理

为了计算相对粘度，将溶剂的粘度与聚合物溶液的粘度设为关系式。由于两种溶液都必须用同样的毛细管/球组合来测量，所以校正常数和球密度是相等的。根据纯溶剂和溶解在溶剂中的聚合物的密度差可忽略的假设，它们也被看作是相等的。因此，这些项可以被抵消，相对粘度仅由溶剂和聚合物溶液的运行时间比计算(如下图)，进而可得到样品的特性粘度。

仪器测量溶剂和单浓度的聚合物溶液，通过下列公式计算特性粘度： - Billmeyer - Deb-Chatterjee - Solomon-Ciuta 此外，如果已知斜率 K 值，同样可以使用 Huggins, Kraemer,Maron, Martin and Schulz-Blaschke 公式计算特性粘度，所有公式均为仪器内置，自动计算并给出最终结果。仪器具备自定义公式功能，可以将客户自定义经验公式内置在仪器中，仪器会根据公式自动计算结果，并显示在测量界面。

5 主要配件及洗液

万分之一天平，3ml 一次性注射器，100ml 及 50ml 容量瓶，烘箱，洁净干燥小烧杯 ɸ1.59mm 玻璃毛细管，1.5mm 不锈钢小球 DMF(N,N-二甲基甲酰胺),硫氰酸钠：分析纯

6 仪器测试条件

Lovis2000M: 流动注射器进样，手动角度 45°，测试周期：3 次，变差系数：0.35%，测量距离：长，测试温度 25℃，温度平衡 15S，先进的帕尔贴控温功能保证了在实际设定温度下的测量精度(温度准确度：0.02 °C)。聚合物溶剂管理信息：DMF，测试条件和聚合物溶液一致(以上测试条件)，下落时间(长)16.754s

7 样品测试过程

样品准备工作： DMF 溶液的配制：用电子天平称取硫氰酸钠 0.81g，溶解在 DMF 里，100mL 的容量瓶定容。试样准备：用电子天平称取 0.1500g 的测试完转化率的干燥聚合物试样(干膜)/聚丙烯腈(原液)，移入到 50mL 的容量瓶中。容量瓶加入 30mL 左右的 DMF 溶液，塞好容量瓶塞，放入恒温 100℃的烘箱中，直至聚合物完全溶解。

将容量瓶取出，室温恒温 20min，再加入 DMF 溶液至刻度线，摇匀，测试前容量瓶内样品颠倒 10 次混匀。测试前仪器预热 30min 测试前仪器 45°测试角水平校正，通过并执行样品测试：将摇匀后的样品转移至洁净干燥的小烧杯中，为了防止溶剂挥发，用 3ml 一次性注射器快速吸取待测样品，注射至毛细管中，为避免不必要的重复测量，进样过程中确保样品及整个进样过程无气泡，为保证测量结果的可靠性，每个样品重复测量 5 次。测试结束：用注射器注射 DMF 清洗毛细管，仪器内置空气泵吹干。

8 测试结果

9 讨论通过样品重复测量 5 次的实验结果来看：特性黏度极差及特性黏度的 RSD 均显示了仪器优异的稳定性及最终结果的重复性。仪器采用流通式进样方式或者搭配带有自动清洗及干燥的自动进样器，会最大限度减少样品与环境，人接触时间，避免样品交叉污染，在保证样品测试稳定性及重复性的前提条件下，最大限度提高测试效率及通量。

样品测试前必须在测试温度一致的水浴中恒温 30 分钟后再定容，由于聚合物和溶剂的性质原因，聚合物溶液在较高的环境温度下会产生溶胀效应，导致定容体积产生变化，定容温度尽量和环境温度及测量温度保持一致，过高的温差直接会导致浓度产生变化，这是由于溶剂膨胀导致最终浓度不准确。本次试验由于成都实验室条件有限，不能严格控制定容温度(没有水浴)，只能尽量控制环境温度，但可能会导致定容浓度存在一定偏差。

浓度差异会导致相对黏度及增比黏度的偏差，进而导致特性黏度偏差。聚丙烯腈原液如果按照薄膜的同样测试条件(称样 0.15g 左右)定容后，明显看到容量瓶中溶液颜色没有薄膜定容后的溶液颜色深，初步考虑是由于两者样品工艺不同导致单位质量中样品分子量分布及密度不同，因此实际定容后浓度不一样。可以依据薄膜最终特性粘度反推出原液初始的称样量，这样即可控制所有样品测试条件的一致性。乌氏黏度计和本实验方法间细微差异可以通过严格控制样品制备并将两者的测试结果建立补偿关系，即可得出更精准的测试结果。本实验方法不存在人为操作误差，无需人为读秒，因此测试结果的重复性和稳定性要高于乌氏粘度计。

水平校正角度需要和测试角度一致;聚合物溶液和溶剂的测试均使用同一毛细管-球组合。 DMF 对眼、皮肤和呼吸道有刺激作用。测试过程尽量减小样品与环境，人接触时间，防止样品挥发导致测试结果波动以及测试人员伤害。

10 结论

在尽量避免秤样误差，浓度梯度，溶剂挥发，定容体积膨胀等人为误差前提下，Lovis2000M 单机可保证整个测量过程操作简便，快捷，避免样品挥发与人接触，同时测量结果稳定可靠，满足客户对测试结果稳定性的要求。软件的聚合物溶剂管理功能可以节约每次测试溶剂的时间，将测试效率提高至最大，若搭配高通量进样器，测试结果稳定性及效率远超于常规毛细管粘度计法，最大限度消除了人为，环境的影响。