提供两个相同的未知聚合物样品:一个是粉末样品使之易于溶解;另一个是大颗粒样品用于测定聚合物的密度.
由溶解度鉴别聚合物 将0.5克的聚合物粉末试样放在一个小试管(13×100毫米)中,并添加10毫升本实验所需要的溶剂.在必要的时候,可把试管放在盛热水的烧杯中使溶液加热.除乙酸乙酯和甲苯之外的所有溶剂最好都用电热水浴,而这两种挥发性的可燃物质应在通风橱里用加热板来加热.
在必要时用一根细玻璃棒搅摔溶液,如果在溶剂的沸点加热五分钟后两相仍然保留,或者如热溶液冷却到室温时分出两相,这两种情况都认为溶解度试验是负的,由实验提供的所有聚合物样品都列入表1-2中.这个流程图可用作指导.当流程图中的线指向右边时,聚合物是可溶的或说实验是正的,当图上的线指向左边时,得到的结果相反.
确定鉴别的证据可从下列试验之一找到:
1.所有氯化的聚合物的伯尔斯坦(Beilstein)试验结果为正.加热一根清洁的铜丝直至炽热,把铜丝的热端插入粉末状的聚合物样品中,再把它放回火苗中去,绿色的火焰就说明聚合物中含有氯.
2.当把溶液放在冰水浴中冷却时,明胶溶液将凝胶化,而聚乙烯醇溶液和聚乙烯基吡咯酮溶液却不会.
3.聚丙烯将漂浮在苯乙烯单体中,而聚乙烯则不能.
4.把聚苯乙烯放在刮勺的背部并放入煤气灯火苗中,聚苯乙烯燃烧的火焰带有明显的黑烟,而在同样的情况下聚甲基丙烯酸甲酯燃烧是完全的,氯化聚丙烯是自熄性的,即只有当它与火焰接触时它才能燃烧.
密度测定 为了计算溶度参数必须知道聚合物的密度.实验中使用的密度测定方法的成功根据两个重要的原理:(1)当把一个固体放在一种密度相同的不相溶的介质中时,它将保持悬浮,如同这个固体处于无重力场中一样.(2)当两种不同密度的互溶的液体混合时,它们的混合物体积是加和的,混合物的密度是各液体密度和它们的体积分数乘积之和:
dm=φ1d1+φ2d2 (1-6)
式中dm是混合物的密度,φ和d是组分1和2的体积分数和密度.实验中所用的液体的密度和分子量列于表1-3中.
表1-3 在室温下常用溶剂的密度和分子量近似值
溶剂 | 密度(克/毫升) | 分子量 |
正庚烷 甲醇 水 水杨酸甲酯 甲酸 二氯甲烷 四氯化碳 二溴乙烷 |
0.68 0.79 1.00 1.18 1.20 1.33 1.60 2.17 |
100 32 18 152 46 85 154 188 |
水和甲醇的结合使得体积加和的假设成了问题.当水和甲醇混合后,约有5%的体积收缩.如果不考虑这种收缩,混合物的表观密度将会因此而偏低.当需要高的准确度时,混合溶剂的体积必须测定,聚合物的表观密度必须乘上各个体积之和与混合物真实体积的比值.
进行每一次测定时,把少量大颗粒的聚合物样品加到装有已知密度液体的13×100毫米试管中试验,顺序列于表1-4中.
路线A用于不溶于水的聚合物,而路线B可用于水溶性聚合物.流程图是这样设计的:指向右边表示样品的密度比液体密度小,它是漂浮起来的;而指向左边表示样品密度比液体大,它是下沉的.可以用该路线一端指出的适当的混合溶剂来准确地测定样品的密度.
虽然有的样品密度比液体本身密度稍高,但由于液体的表面张力能够悬浮样品,因而导致错误的结论,因此,在纯液体中漂浮的每种样品都应猛烈地摇动,以保证没有一个该沉下的粒子漂浮起来,用混合溶剂测定的每个样品也应先放入密度较小的液体,然后添加密度较大的液体直到聚合物开始上升.在表1-4中,对于所有的混合物都把密度较低的液体写到前边.
下列步骤用来从混合液体测定密度.把几小块聚合物放在一个13×100毫米试管中,试管放在一个小烧杯中,测定其总重量.添加2克左右密度较小的液体并重新称重.此时聚合物样品应停留在试管底部.一边滴加另一种液体一边摇动试管直到聚合物自由悬浮为止,重新称重.可由三次称重得到的数据和表1-3中提供的数据来计算聚合物的密度.
溶度参数的测定 实验中溶度参数将应用讨论中叙述的混合溶剂原理来测定.没有强氢键的,溶度参数差别最大的两种溶剂是庚烷(7.3)和丁内酯(15.5),可情它们是不相溶的.可以与丁内酯混溶的一种中间溶剂二甲苯(8.8),可选作一般通用.
聚合物与溶剂的混合物至少应加热十分钟,以保证不溶是由于热力学原因而不是动力学的原因,并且应冷却每一个聚合物溶液,以确定聚合物在室温是否仍然可溶,在此之前都不能认为这个聚合物是不溶的.
如果指定的聚合物样品在丁内酯中是可溶的,而在二甲苯中却是不溶的,则在一个放稳的小试管里称量粉末状聚合物样品,加入2克左右丁内酯后,再称重.在完全溶解并将溶液冷至室温以后,滴加二甲苯直到聚合物刚析出,然后再称出混合物重量.可由方程算出溶度参数的下限.
对于不溶于水的聚合物,可以用丁内酯和水体系来测定其溶度参数上限.最后,将其溶度参数上限和下限的平均值作为该聚合物的溶度参数.
如果指定的聚合物溶于二甲苯而不溶于丁内酯,则把样品溶于二甲苯中再添加丁内酯,直到聚合物恰好析出为止,这样可以测出其溶度参数上限.而其溶度参数的下限可以用二甲苯-庚烷体系测定.
在实验中将不测定水溶性聚合物的溶度参数上限.然而在作实验报告时,可以把水的溶度参数(23.4)看作水溶性聚合物的溶度参数上限.
将指定的聚合物样品的溶度参数实验值,与根据测定的聚合物密度和克分子吸引常数所计算的溶度参数进行比较.
仪器 从表1-2所列的聚合物中选出一种聚合物的粉末试样和大颗粒试样,几个13×100毫米试管,一个250毫升烧杯,一个蒸气浴或热水浴,一块加热板,一根搅拌棒,50毫升盛溶剂的烧杯,一根医用滴管,铜丝和一个钢勺.
化学试剂 乙酸,乙酸戊酯,丁内酯,四氯化碳,氯仿,甲酚,环己酮,N,N-二甲基甲酰胺,乙酸乙酯,1,2-二溴乙烷,甲酸,戊烷,冰,甲醇,二氯甲烷,水杨酸甲酯,苯乙烯,甲苯,二甲苯,水.