凝膠滲透色譜法測定聚合物的分子量分布

1、凝膠滲透色譜法測定聚合物的分子量分布合成聚合物一般是由不同分子量的同系物組成的混合物，具有兩個特點：分子量大和同 系物的分子量具有多分散性。目前在表示某一聚合物分子量時一般同時給出其平均分子量和 分子量分布。分子量分布是指聚合物中各同系物的含量與其分子量間的關(guān)系，可以用聚合物的分子量分布曲線來描述。 聚合物的物理性能與其分子量和分子量分布密切相關(guān)，因此對聚合物的分子量和分子量分布進行測定具有重要的科學和實際意義。同時，由于聚合物的分子量和分子量分布是有聚合過程的機理所決定，通過聚合物的分子量和分子量分布與聚合時間的關(guān)系可以研究聚合機理和聚合動力學。測定聚合物分子量的方法有多種，如粘度法、端基分

2、析法、超離心沉降法、動態(tài) /靜態(tài)光散射法和凝膠色譜法( GPC對等；測定聚合物分子量 分布的方法主要有三種：(1) 利用聚合物溶解度的分子量依賴性，將試樣分成分子量不同的級分，從而得到試樣的分子量分布，例如沉淀分級法和梯度淋洗分級法。(2) 利用聚合物分子鏈在溶液中的分子運動性質(zhì)得出分子量分布.例如：超速離心沉降 法。(3) 利用聚合物體積的分子量依賴性得到分子量分布，例如：體積排除色譜法(或稱為 凝膠色譜法)。凝膠色譜法具有快速、精確、重復性好等優(yōu)點，目前成為科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域測定聚合 物分子量和分子量分布的主要方法。一、實驗目的和要求1、 了解凝膠滲透色譜的測量原理，初步掌握GPC勺進樣、

3、淋洗、接收、檢測等操作技 術(shù)。2、掌握分子量分布曲線的分析方法，得到樣品的數(shù)均分子量、重均分子量和多分散性 指數(shù)。二、實驗裝置與原理1、分離機理GPC液相色譜的一個分支，其分離部件是一個以多孔性凝膠作為載體的色譜柱，凝膠的表面與內(nèi)部含有大量彼此貫穿的大小不等的空洞。色譜柱總面積Vt由載體骨架體積 Vg、載體內(nèi)部孔洞體積 Vi和載體粒間體積V0組成。GPC勺分離機理通常用“空間排斥效應”解 釋。待測聚合物試樣以一定速度流經(jīng)充滿溶劑的色譜柱，溶質(zhì)分子向填料孔洞滲透， 滲透幾率與分子尺寸有關(guān)，分為以下三種情況：（1）高分子尺寸大于填料所有孔洞孔徑，高分子只能存在于凝膠顆粒之間的空隙中，淋洗體積Ve=

4、V0為定值；（2）高分子尺寸小于填料所有孔洞孔徑，高分子可在所有凝膠孔洞之間填充，淋洗體積Ve=V0+Vi為定值；（3）高分子尺寸介于前兩種之間，較大分子滲入孔洞的幾率比較小分子滲入的幾率要小，在柱內(nèi)流經(jīng)的路程要短，因而在柱中停留的時間也短，從而達到了分離的目的。當聚合物溶液流經(jīng)色譜柱時，較大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能從粒子間的間隙通過，速率較快；而較小的分子可以進入粒子中的小孔，通過的速率要慢得多。 經(jīng)過一定長度的色譜柱， 分子根據(jù)相對分子質(zhì)量被分開，相對分子質(zhì)量大的在前面 （即淋洗時間短），相對分子質(zhì)量小的在后面 （即 淋洗時間長）。自試樣進柱到被淋洗出來，所接受到的淋出液總體積稱

5、為該試樣的淋出體積。 當儀器和實驗條件確定后，溶質(zhì)的淋出體積與其分子量有關(guān)，分子量愈大，其淋出體積愈小。分子的淋出體積為：Ve=V0+KVi （K為分配系數(shù)0三KM 1,分子量越大越趨于 1）（1）對于上述第（1）種情況K=0,第（2）種情況K=1,第（3）種情況0<K<1。綜上所述， 對于分子尺寸與凝膠孔洞直徑相匹配的溶質(zhì)分子來說，都可以在V0至V0+Vi淋洗體積之間按照分子量由大到小一次被淋洗出來。2. 檢測機理除了將分子量不同的分子分離開來，還需要測定其含量和分子量。實驗中用示差折光儀測定淋出液的折光指數(shù)與純?nèi)軇┑恼酃庵笖?shù)之差 n,而在稀溶液范圍內(nèi) n與淋出組分的相對濃度 c

6、成正比，則以 n對淋出體積（或時間）作圖可表征不同分子的濃度。圖 1為 折光指數(shù)之差 n （濃度響應）對淋出體積（或時間）作圖得到的GPCf圖示意圖。圖1折光指數(shù)之差 n對淋出體積作圖得到的 GPC意譜圖。3. 校正曲線用已知相對分子質(zhì)量的單分散標準聚合物預先做一條淋洗體積或淋洗時間和相對分子 質(zhì)量對應關(guān)系曲線，該線稱為“校正曲線”。聚合物中幾乎找不到單分散的標準樣，一般用窄分布的試樣代替。 在相同的測試條件下， 做一系列的GP據(jù)準譜圖，對應不同相對分子質(zhì) 量樣品的保留時間，以lgM對t作圖，所得曲線即為“校正曲線”；用一組已知分子量的單分散性聚合物標準試樣，以它們的峰值位置的 ve對lg M

7、作圖，可得GP破正曲線（如圖 2）。圖2. GPC校正曲線示意圖。由圖2可見，當lgM>a與lgM<b時，曲線與縱軸平行，說明此時的淋洗體積與試樣分子量無關(guān)。V0+ViV0是凝膠選擇性滲透分離的有效范圍，即為標定曲線的直線部分，一般在這部分分子量與淋洗體積的關(guān)系可用簡單的線性方程表示：lg M=A+BVe （2）式子中A、B為常數(shù)，與聚合物、溶劑、溫度、填料及儀器有關(guān)，其數(shù)值可由校正曲線得到。對于不同類型的高分子，在分子量相同時其分子尺寸并不一定相同。用PS作為標準樣品得到的校正曲線不能直接應用于其他類型的聚合物。而許多聚合物不易獲得再分布的標準樣品進行標定，因此希望能借助于某一聚

8、合物的標準樣品在某種條件下測得的標準曲線，通過轉(zhuǎn)換關(guān)系在相同條件下用于其它類型的聚合物試樣。這種校正曲線稱為普適校正曲線。根據(jù)Flory流體力學體積理論，對于柔性鏈當下式成立時兩種高分子具有相同的流體力學體積，則有下式成立："1州二尻海會（3）再將Mark-Houwink方程回二瓦M 代入上式可得:IgM? = 也務(wù)+芝色IgM】 1+ Kg 1+6(4)由此，如已知在測定條件下兩種聚合物的K、a值，就可以根據(jù)標樣的淋出體積與分子量的關(guān)系換算出試樣的淋出體積與分子量的關(guān)系，只要知道某一淋出體積的分子量M1,就可算出同一淋出體積下其它聚合物的分子量M2。4. 柱效率和分離度與其他色譜分

9、析方法相同，實際的分離過程非理想，同分子量試樣在GPC±的譜圖有一定分布，即使對于分子量完全均一的試樣，其在GPC勺圖譜上也有一個分布。 采用柱效率和分離度能全面反映色譜柱性能的好壞。色譜柱的效率是采用“理論塔板數(shù)”N進行描述的。測定N的方法使用一種分子量均一的純物質(zhì)，如鄰二氯苯、苯甲醇、乙睛和苯等作GPOI定,得到色譜峰如圖3所示。An*W7圖3.柱效率和分離度示意圖。從途中得到峰頂位置淋出體積 VR峰底寬W按照下式計算N:(5)N=16(VR/W)2對于相同長度的色譜柱，N值越大意味著柱子效率越高。GPCi子性能的好壞不僅看柱子的效率，還要注意柱子的分辨能力，一般采用分離度表示:

10、(6)R=2(V2-V1)/(W1+W2)如圖3所示的完全分離情形，此時 R應大于或等于1,當R小于1時分離是不完全的。為了相對比較色譜柱的分離能力，定義比分離度Rs,它表示分子量相差10倍時的組分分離度，定義為：Rs=2(V2-V1)/(W1+W2)(lg Mw1-lg Mw2)( 7)三、主要儀器設(shè)備1. 儀器Waters 1515 Isocratic HPLC型凝膠色譜儀(帶有示差折光檢測裝置，B型號色譜管x2),如圖4所示。凝膠色譜儀主要由輸液系統(tǒng)、進樣器、色譜柱(可分離分子量范圍2X1022 X 106)、示差折光儀檢測器、記錄系統(tǒng)等組成。圖 4. Waters 1515 Isocr

11、atic HPLC型凝膠色譜儀2. 試劑質(zhì)量分數(shù)為3%。的聚苯乙烯溶液試樣、一系列不同分子量的窄分布聚苯乙烯溶液、四氫 吠喃。四、操作方法和實驗步驟1. 調(diào)試運行儀器：選擇匹配的色譜柱，在實驗條件下測定校正曲線(一般是40。C)。這一步一般有任課老師事先準備。2. 配制試樣溶液：使用純化后的分析純?nèi)軇┡渲圃嚇尤芤?，濃?%°。使用分析純?nèi)軇?，需?jīng)過分子篩過濾，配置好溶液需靜置一天。這一步一般有任課老師事先準備。3. 用注射器吸取四氫吠喃，進行沖洗，重復幾次。然后吸取5mL試樣溶液，排除注射器 內(nèi)的空氣，將針尖擦干。將六通閥扳到“準備”位置，將注射器插入進樣口，調(diào)整軟件及儀器到準備進樣

12、狀態(tài)，將試樣液緩緩注入，而后迅速將六通閥扳到“進樣”位置。將注射器拔出，并用四氫吠喃清 洗。抽取試樣時注意趕走內(nèi)部的空氣；試樣注入至調(diào)節(jié)六通閥至INJECT的過程中注射器嚴禁抽取或拔出。在注入試樣時，進樣速度不宜過快。速度過快，可能導致定量環(huán)內(nèi)靠近壁面 的液體難以被趕出，而影響進樣的量；稍慢可以使定量環(huán)內(nèi)部的液體被完全平推出去。4. 獲取數(shù)據(jù)。5. 實驗完成后，用純化后的分析純?nèi)軇┝鬟^清洗色譜柱。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和實驗結(jié)果分析處理實驗參數(shù)：色譜柱：內(nèi)部溫度：外加熱器溫度： 流量:進樣體積：mLGPCa都配有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時給出GPC圖（如圖5）和各種平均分子量和多分散系數(shù)。m布未坷樣梧尉色漕圖itn 4 00 eoo g ioo 1200 uoo woo w（nfrW圖5. GPC儀器給出寬分布未知樣色譜圖。切片面積對淋出體積