Физикохимия растворов полимеров и композиционных полимерных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Казанский национальный исследовательский  

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

ФИЗИКОХИМИЯ РАСТВОРОВ 

ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ 

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 
 
 

Методические указания 

 
 
 
 

 
 

 
 
 
 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

УДК 678.01.002.6(07)
ББК Г713.6я7

Ф50

 

Печатаются по решению методической комиссии  

института полимеров 

 

Рецензенты: 

канд. хим. наук, проф. С. А. Богданова 
канд. техн. наук, доц. И. З. Файзуллин 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Составители: 

доц. А. А. Коноплева 

ассист. А. Р. Гатауллин 

проф. Ю. Г. Галяметдинов 

 
 

Ф50

Физикохимия растворов полимеров и композиционных полимерных 
материалов : методические указания / сост.: А. А. Коноплева, 
А. Р. Гатауллин, Ю. Г. Галяметдинов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 68 с.

 

Содержат рекомендации по выполнению лабораторных работ по дис-

циплине «Физикохимия композиционных полимерных материалов». 

Предназначены для магистрантов направления 18.04.01 «Химическая 

технология» программы подготовки «Физико-химические основы инноваци-
онных технологий надмолекулярно-организованных систем». 

Подготовлены на кафедре физической и коллоидной химии. 
 
 

 

УДК 678.01.002.6(07)
ББК Г713.6я7

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Введение ...................................................................................................... 4 

Лабораторная работа 1. Изучение концентрационной  
зависимости вязкости растворов полимеров ........................................... 6 

Лабораторная работа 2. Определение молекулярной массы  
полимера .................................................................................................... 15 

Лабораторная работа 3. Фракционирование полимеров 
по молекулярной массе ............................................................................ 24 

Лабораторная работа 4. Эффективная вязкость растворов  
полимеров .................................................................................................. 30 

Лабораторная работа 5. Исследование кинетики набухания  
ограниченно набухающего полимера (полимерного композита) ........ 35 

Лабораторная работа 6. Определение изоэлектрической точки  
полиамфолитов ......................................................................................... 42 

Лабораторная работа 7. Определение обменной емкости  
катионита ................................................................................................... 50 

Лабораторная работа 8. Влияние концентрации  
полиакриламидных флокулянтов на кинетику процесса  
седиментации дисперсных систем .......................................................... 56 

Библиографический список ..................................................................... 66 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Методические указания по выполнению лабораторных работ 

способствуют выполнению задач, стоящих при изучении дисциплины 
«Физикохимия композиционных полимерных материалов» по маги-
стерской программе «Физико-химические основы инновационных 
технологий надмолекулярно-организованных систем».  

Методические указания направлены на выполнение лаборатор-

ных работ, посвященных исследованию растворов полимеров, их при-
веденной и характеристической вязкости (лаб. раб. 1), определению 
молекулярной массы полимера (лаб. раб. 2) и фракционированию по-
лимеров по молекулярной массе (лаб. раб. 3); эффективной (структур-
ной) вязкости растворов полимеров (лаб. раб. 4). При  исследовании 
кинетики набухания полимерных композитов (лаб. раб. 5) магистрант 
должен убедиться в том, что полимерный композит отличается от не-
наполненного полимера степенью и константой скорости набухания. 

В лабораторной работе 6 рассматриваются полимерные амфо-

терные полиэлектролиты, применяемые в качестве структурообразова-
телей, а также флокулянтов и коагулянтов. Особенность строения по-
лиамфолита дает возможность определить его изоэлектрическое со-
стояние в определенной области pH, в которой макромолекулы пред-
ставляют собой цвиттерионы. Приводятся два варианта выполнения 
этой работы. 

Лабораторная работа 7 «Определение обменной емкости катио-

нита» посвящена полимерным композитам, способным обмениваться 
ионами из раствора. Полимерные иониты широко используются для 
очистки (деминерализации) воды, получении химически чистых реак-
тивов, при крашении и др. 

В лабораторной работе 8 магистранты должны исследовать 

влияние полимерного флокулянта на кинетику процесса седиментации 
дисперсных систем. Эта работа очень важна в понимании промыш-
ленных процессов очистки природных и сточных вод, осаждения и 
концентрирования шламов в процессах угле- и рудообогащения и др. 

В лабораторных работах четко ставятся цели, приводятся вопро-

сы для самостоятельной проработки теоретического материала, дается 
краткое теоретическое введение, содержащее сведения для выполнения 
лабораторной работы, подробно описан эксперимент и приводятся 
вопросы для самоконтроля полученных знаний. Выполнение лабора-

торных работ способствует развитию творческого мышления студентов, 
формирует у магистрантов специальных знаний и компетенций 
для выполнения научно-исследовательской и инновационной деятельности. 

 

Сдача лабораторной работы заключается в предоставлении отчета 
о проведенном исследовании, и ее защите. Отчет должен иметь 
следующую структуру: 

1) номер лабораторной работы; название лабораторной работы; 
2) цель работы; 
3) краткий конспект по теории к лабораторной работе; 
4) описание установок, материалов, реактивов; 
5) методика выполнения работы; 
6) обработка результатов исследования (таблицы, графики, подробные 
расчеты); 

7) анализ результатов исследования, выводы по работе. 
 
 
 
 
 
Составители методических указаний выражают благодарность 
сотрудникам кафедры физической и коллоидной химии, принимавшим 
участие в создании вышеприведенных лабораторных работ: 
профессору В. П. Барабанову, профессору А. Я. Третьяковой, профес-
сору С. В. Крупину, профессору Х. М. Ярошевской, доценту Д. М. Тор-
суеву, профессору В. Е. Проскуриной. 

 

 
 

Лабораторная работа 1 

 

ИЗУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ 

ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ 

 

Цель работы: измерить время истечения растворов полимера 

различной концентрации в неполярном и полярном растворителях, 
построить зависимость приведенной вязкости растворов полимера от 
концентрации, определить предельные числа вязкости в неполярном и 
полярном растворителях. 

Приборы и реактивы: термостат, вискозиметр, пипетки на 5 и 

20 мл, исходный раствор полимера известной концентрации, раство-
ритель, резиновая груша. 

Вопросы для подготовки к коллоквиуму: растворение полимеров; 

вязкость растворов полимеров; приведенная вязкость и ее зависимость 
от концентрации полимера в растворе; уравнение Хаггинса; характе-
ристическая вязкость; зависимость приведенной вязкости от концен-
трации для растворов полиэлектролитов и уравнения, описывающие 
эту зависимость. 
 
 

Теоретическое введение 

 

Процессы взаимодействия полимеров с низкомолекулярными 

жидкостями имеют большое значение при синтезе полимеров, их пе-
реработке в изделия и в условиях эксплуатации этих изделий в раз-
личных жидких средах. При растворении полимеров в низкомолеку-
лярных жидкостях прежде всего следует учитывать химическую при-
роду взаимодействующих компонентов. 

При взаимодействии полимера с низкомолекулярной жидкостью 

могут образовываться истинные (гомогенные) растворы или коллоид-
ные системы (латексы). Истинные растворы обладают следующими 
признаками: наличие сродства между компонентами, самопроизволь-
ное образование, термодинамическая устойчивая однофазность, отсут-
ствие поверхностей раздела, обратимость. 

Вследствие огромной разницы в размерах молекул высокомоле-

кулярных соединений и растворителя растворение полимеров имеет 
свои специфические особенности, к которым относятся явление набу-

хания, предшествующее растворению; длительность установления 
равновесия и высокая вязкость даже разбавленных растворов. 

В любом истинном растворе, если он не бесконечно разбавлен, в 

результате взаимодействия молекул растворенного вещества друг с 
другом образуются ассоциаты, обратимо разрушающиеся под влияни-
ем теплового движения. Полимер может быть диспергирован до моле-
кул только при очень большом разбавлении. 

Высокомолекулярные соединения так же, как и низкомоле-

кулярные вещества можно разделить на электролиты и неэлектролиты. 
Полимеры, содержащие в своем составе функциональные группы, 
способные диссоциировать при растворении, называют полиэлектро-
литами. Для них характерно, что в одной макромолекуле возникает 
большое число периодически повторяющихся зарядов. В зависимости 
от природы функциональных групп различают поликислоты, полиос-
нования, полиамфолиты. 

При растворении компонента происходит уменьшение хи-

мического потенциала (Δµi<0). Причем, чем больше абсолютные зна-
чения Δµi и ΔG, тем больше термодинамическое сродство между ком-
понентами, тем лучше будет идти процесс взаимодействия (растворе-
ния) компонентов. 

Характерным свойством растворов высокомолекулярных соеди-

нений является высокая вязкость, которая значительно выше вязкости 
растворов низкомолекулярных веществ и коллоидных систем тех же 
концентраций. Для количественной оценки вязкости разбавленных 
растворов полимеров часто пользуются не абсолютными значениями 
коэффициента вязкости, а так называемой относительной вязкостью 
раствора ηотн, т.е. отношением вязкости раствора η к вязкости раство-
рителя η0: 

ηотн  η

η 

                                                          

Приращение вязкости, вызванное добавлением к растворителю 

полимера, отнесенное к вязкости чистого растворителя, называется 
удельной вязкостью раствора: 

ηуд  

η  η 

η 

 ηотн                                            

а отношение удельной вязкости к концентрации – приведенной вязко-
стью, или числом вязкости: 

ηприв  

ηуд
С                                                          

В сообщении Международного союза теоретической и приклад-

ной химии о номенклатуре в области высокомолекулярных соедине-
ний рекомендовано наименование «число вязкости», однако у нас 
в стране чаще пользуются термином «приведенная вязкость». 

Зависимость значения приведенной вязкости от концентрации 

полимера для вытянутых цепей выражается уравнением Штаудингера: 

ηуд                                                            

где Км – константа для каждого полимер-гомологического ряда; М – 
молекулярная масса растворенного полимера. 

После преобразования этого уравнения получаем 

ηуд
                                                              

т.е. приведенная вязкость не зависит от концентрации (рис. 1, прямая 1). 
 

 

 

Рис. 1. Зависимость числа вязкости от концентрации  

в неполярных растворителях: 1 – взаимодействие 

 между макромолекулами в растворе отсутствует;  

2 – в растворе существует взаимодействие макромолекул  

друг с другом 

Однако уравнение (4) оказалось неточным. Во-первых, коэффи-

циент КМ не всегда является постоянной величиной и в ряде случаев 
зависит от молекулярной массы полимера. Во-вторых, уравнение 
Штаудингера неправильно отражает концентрационную зависимость 
приведенной вязкости. 

Опытные данные показывают, что приведенная вязкость зависит 

от концентрации: зависимость 

 уд
С        графически изображается 

прямой линией с определенным углом наклона (рис. 1, прямая 2). Это 
связано с наличием взаимодействия макромолекул с молекулами рас-
творителя (гидродинамическое взаимодействие). В этом случае зави-
симость числа вязкости от концентрации выражается уравнением Хаг-
гинса: 

ηуд
                                                         

где k´ – постоянная, зависящая от взаимодействия полимера с раство-
рителем. Уравнение (6) является частным случаем более общего урав-
нения 

   
                        , где     – постоянная, отражаю-

щая взаимодействие макромолекул полимера друг с другом. 

Тангенс угла наклона прямой 

 уд
С        (см. рис. 1) равен угло-

вому коэффициенту уравнения Хаггинса tgβ = k´[η]2, откуда можно 
определить константу Хаггинса    

    

     . 

В уравнении (6) величина [η], называемая характеристической 

вязкостью, или предельным числом вязкости, представляет собой вели-
чину приведенной вязкости при бесконечно большом разбавлении: 

       

   

 уд
С                                                   

Характеристическая вязкость имеет размерность, обратную кон-

центрации (мл/г, дл/г), поскольку ηуд – величина безразмерная. Вели-
чина [η] связана с объемом макромолекулярного клубка. 

Концентрационная зависимость приведенной вязкости опреде-

ляется природой высокомолекулярного соединения. У полиэлектроли-
тов в полярном растворителе наблюдается увеличение чисел вязкости 
в зависимости от разбавления – полиэлектролитный эффект, который 
заключается в разворачивании полимерных цепей за счет возрастания 

электростатического отталкивания одноименно заряженных участков 
полииона. 

Возрастание приведенной вязкости по мере разбавления – один 

из признаков, по которому полиэлектролиты были выделены в особый 
класс соединений. 

Существует несколько теорий, объясняющих явление полиэлек-

тролитного набухания. 

В первых теориях (Качальского и Лифсона) не учитывалось экра-

нирование электростатических взаимодействий, обусловленное образо-
ванием дебай-гюккелевской атмосферы противоионов вокруг заряжен-
ных групп цепи. Предполагалось равномерное распределение противо-
ионов в объеме разбавленного раствора, тогда как заряды сосредоточе-
ны в малых дискретных областях, занятых макромолекулами. Это пред-
положение оказалось неверным, так как на самом деле противоионы не 
распределены равномерно по объему раствора, а удерживаются элек-
тростатическим полем макромолекулярного клубка. 

В дальнейшем учитывалось ослабление энергии взаимодействия 

между зарядами цепи за счет образования облака противоионов вокруг 
полииона, однако функция распределения расстояния между концами 
заряженной цепи принималась за гауссову функцию, что при расчете 
приводило к «вытягиванию» цепочки в жесткую палочку. Такие расчеты 
полностью расходились с опытом. 

Лучше всего с опытными данными согласуется теория Птицына 
О.Б., в которой при расчете электростатической энергии заряженного 
клубка принимается во внимание реальное распределение проти-
воионов внутри этого клубка, а также реальная функция распределения 
с учетом взаимодействий дальнего порядка. 

Разворачивание полимерных цепей и связанное с этим увеличение 
объема макромолекулярного клубка по мере разбавления приводит 
к аномалиям концентрационных кривых приведенной вязкости 
для полиэлектролитов. В частности, с разбавлением их растворов приведенная 
вязкость нелинейно возрастает вместо того, чтобы убывать 
по закону Хаггинса (рис. 2). 

Зависимость числа вязкости от концентрации для растворов по-

лиэлектролитов подчиняется уравнению Фуосса: 

 уд
С  
А

  В С

                                               

где А – предельное число вязкости ионогенного полимера в полярном 
растворителе, зависит от состава полимера и его молекулярной массы, 
а В характеризует электростатическое взаимодействие полииона с 
простыми ионами. Чтобы найти значение А, представим уравнение (8) 
в виде 

С
 уд

  

А   В

А  С                                                    

Это уравнение прямой линии в координатах 

 

 уд         (рис. 3). От-

резок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/А. 
 

Рис. 2. Зависимость числа вязко-

сти полиэлектролита 

от концентрации в полярных 

растворителях

Рис. 3. Зависимость 

 

 уд от   

Уравнение Фуосса описывает тот интервал концентраций, в ко-

тором изменение числа вязкости происходит в результате полиэлек-
тролитного набухания (рис. 2). Вязкостная кривая, в ряде случаев от-
ражающая два различных по своей природе процесса, может быть раз-
бита на два участка. Правая ветвь (2) отвечает такой области концен-
траций раствора, при которой еще не проявляются полиэлектролитные 
свойства и уменьшение числа вязкости объясняется разрушением ас-
социатов. 

Левая ветвь (1) кривой отвечает состоянию ионизированной 

макромолекулы. В точке минимума происходит «уравновешивание» 
процессов ассоциации и полиэлектролитного набухания. Полностью