凝膠滲透色譜法測(cè)定分子量(講義)

1、實(shí)驗(yàn)六 凝膠滲透色譜法測(cè)定分子量 聚合物分子量具有多分散性，即聚合物的分子量存在分布。不同的聚合方法、聚合工藝會(huì)使聚合物具有不同的分子量和分子量分布。分子量對(duì)聚合物的性能有十分密切的關(guān)系。而分子量分布的影響也不可忽視。當(dāng)今高分子材料已向高性能化發(fā)展，類似分子量分布等高一層次的高分子結(jié)構(gòu)的問題，越來越引起人們的重視。自高分子材料問世以來，人們不斷探索分子量分布的測(cè)定方法。直到60年代凝膠滲透色譜誕生。成為迄今為止最為有效的分子量分布的測(cè)定方法。三十多年來，凝膠滲透色譜技術(shù)得到了很大的發(fā)展，表現(xiàn)在色譜柱體積減小而分離效率提高；檢測(cè)器精度提高。在線分子量檢測(cè)技術(shù)得到應(yīng)用；并隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理

2、得快速、精確、信息量增加也更趨明顯。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 了解凝膠滲透色譜的原理；2 了解凝膠滲透色譜的儀器的構(gòu)造和凝膠滲透色譜的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；3 測(cè)定聚苯乙烯樣品的分子量分布。二、實(shí)驗(yàn)原理：凝膠滲透色譜（Gel Permeation Chromatography.簡(jiǎn)稱GPC）也稱為體積排除色譜（Size Exclution Chromatograph.簡(jiǎn)稱SEC）是一種液體（液相）色譜。和各種類型的色譜一樣，GPC/SEC的作用也是分離，其分離對(duì)象是同一聚合物中不同分子量的高分子組分。當(dāng)樣品中不同分子量的高分子組分的分子量和含量被確定，也就找到了聚合物的分子量分布，然后可以很方便地對(duì)分子量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，

3、得到各種平均值。一般認(rèn)為，GPC/SEC是根據(jù)溶質(zhì)體積的大小，在色譜中體積排除效應(yīng)即滲透能力的差異進(jìn)行分離。高分子在溶液中的體積決定于分子量、高分子鏈的柔順性、支化、溶劑和溫度，當(dāng)高分子鏈的結(jié)構(gòu)、溶劑和溫度確定后，高分子的體積主要依賴于分子量。凝膠滲透色譜的固定相是多孔性微球，可由交聯(lián)度很高的聚苯乙烯、聚丙烯酸酰胺、葡萄糖和瓊脂糖的凝膠以及多孔硅膠、多孔玻璃等來制備。色譜的淋洗液是聚合物的溶劑。當(dāng)聚合物溶液進(jìn)入色譜后，溶質(zhì)高分子向固定相的微孔中滲透。由于微孔尺寸與高分子的體積相當(dāng)，高分子的滲透幾率取決于高分子的體積，體積越小滲透幾率越大，隨著淋洗液流動(dòng)它在色譜中走過的路程就越長(zhǎng)，用色譜術(shù)語就是

4、淋洗體積或保留體積增大。反之，高分子體積增大，淋洗體積減小，因而達(dá)到依高分子體積進(jìn)行分離的目的?；谶@種分離機(jī)理，GPC/SEC的淋洗體積是有極限的。當(dāng)高分子體積增大到已完全不能向微孔滲透，淋洗體積趨于最小值，為固定相微球在色譜中的粒間體積。反之，當(dāng)高分子體積減小到對(duì)微孔的滲透幾率達(dá)到最大時(shí)，淋洗體積趨于最大值，為固定相的總體積與粒間體積之和，因此只有高分子的體積居兩者之間，色譜才會(huì)有良好的分離作用。對(duì)一般色譜分辨率和分離效率的評(píng)定指標(biāo)，在凝膠滲透色譜中也延用。色譜需要檢測(cè)淋出液中的含量，因聚合物的特點(diǎn)，GPC/SEC最常用的是示差折光指數(shù)檢測(cè)器。其原理是利用溶液中溶劑（淋洗液）和聚合物的折光

5、指數(shù)具有加和性，而溶液折光指數(shù)隨聚合物濃度的變化量值一般為常數(shù)，因此可以用溶液和純?nèi)軇┱酃庵笖?shù)之差（示差折光指數(shù)）作為聚合物濃度的響應(yīng)值。對(duì)于帶有紫外線吸收基團(tuán)（如苯環(huán)）聚合物，也可以用紫外吸收檢測(cè)器，其原理是根據(jù)比兒定律吸光度與濃度成正比，用吸光度作為濃度的響應(yīng)值。圖6-1是GPC/SEC的構(gòu)造示意圖，淋洗液通過輸液泵成為流速恒定的流動(dòng)相，進(jìn)入緊密裝填多孔性微球的色譜柱，中間經(jīng)過一個(gè)可將溶液樣品送往體系的進(jìn)樣裝置。聚合物樣品進(jìn)樣后，淋洗液帶動(dòng)溶液樣品進(jìn)入色譜柱并開始分離，隨著淋洗液的不斷洗提，被分離的高分子組分陸續(xù)從色譜柱中淋出。濃度檢測(cè)器不斷檢測(cè)淋洗液中高分子組分的濃度響應(yīng)，數(shù)據(jù)被記錄最后

6、得到一張完整的GPC/SEC淋洗曲線。如圖6-2。圖6-1 GPC/SEC的構(gòu)造圖6-2 GPC/SEC淋洗曲線和“切割法”淋洗曲線表示GPC/SEC對(duì)聚合物樣品依高分子體積進(jìn)行分離的結(jié)果，并不是分子量分布曲線。好在實(shí)驗(yàn)證明淋洗體積和聚合物分子量有如下關(guān)系：lnM=ABVe 或 logM=ABV (1) 式中M為高分子組分的分子量，A、B（或A、B）與高分子鏈結(jié)構(gòu)、支化以及溶劑溫度等影響高分子在溶液中的體積的因素有關(guān)，也與色譜的固定相、 體積和操作條件等儀器因素有關(guān)，因此（1）式稱為GPC/SEC的標(biāo)定（校正）關(guān)系。（1）式的適用性還限制在色譜固定相滲透極限以內(nèi)，也就是說分子量過高或太低都會(huì)使

7、標(biāo)定關(guān)系偏離線性。一般需要用一組已知分子量的窄分布的聚合物標(biāo)準(zhǔn)樣品（標(biāo)樣）對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，得到在指定實(shí)驗(yàn)條件，適用于結(jié)構(gòu)和標(biāo)樣相同的聚合物的標(biāo)定關(guān)系。GPC/SEC的數(shù)據(jù)處理，一般采納用“切割法。在譜圖中確定基線后，基線和淋洗曲線所包圍的面積是被分離后的整個(gè)聚合物，依橫坐標(biāo)對(duì)這塊面積等距離切割。切割的含義是把聚合物樣品看成由若干個(gè)具有不同淋洗體積的高分子組分所組成，每個(gè)切割塊的歸一化面積（面積分?jǐn)?shù)）是高分子組分的含量，切割塊的淋洗體積通過標(biāo)定關(guān)系可確定組分的分子量，所有切割塊的歸一化面積和相應(yīng)的分子量列表或作圖，得到完整的聚合物樣品的分子量分布結(jié)果。因?yàn)榍懈钍堑染嚯x的，所以用切割塊的歸一化高度

8、就可以表示組分的含量。切割密度會(huì)影響結(jié)果的精度，當(dāng)然越高越好，但一般認(rèn)為，一個(gè)聚合物樣品切割成20塊以上，對(duì)分子量分布描述的誤差已經(jīng)小于GPC/SEC方法本身的誤差，當(dāng)用計(jì)算機(jī)記錄、處理數(shù)據(jù)時(shí)，可設(shè)定切割成近百塊。用分子量分布數(shù)據(jù)，很容易計(jì)算各種平均分子量，以和為例： （2） （3）式中，Hi是切割塊的高度。 實(shí)際上GPC/SEC的標(biāo)定是困難的，因?yàn)榫酆衔飿?biāo)樣來之不易。商品標(biāo)樣品種不多且價(jià)格昂貴，一般只用聚苯乙烯標(biāo)樣，但聚苯乙烯的標(biāo)定關(guān)系并不適合其他聚合物。研究者從分離機(jī)理和高分子體積與分子量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了GPC/SEC的普適校正關(guān)系： M=Au-BuVe 或logM=Au、-Bu、Ve （4

9、）式中是高分子組分的特性粘數(shù)，Au、Bu（或Au、Bu）為常數(shù)，與（1）式不同這兩個(gè)常數(shù)不再和高分子鏈結(jié)構(gòu)、支化有關(guān)，（4）式中為僅與儀器、實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)而對(duì)大部分聚合物普適的校正關(guān)系。可用Mark-Houwink方程代人，通過手冊(cè)查找常數(shù)K、。但是，不少聚合物在GPC/SEC常用溶劑和實(shí)驗(yàn)溫度下的K、值并沒有報(bào)導(dǎo)，即使能夠查到，其準(zhǔn)確性也很難判斷，因此利用普適校正關(guān)系還是受到很大的限制。 GPC/SEC的分子量在線檢測(cè)技術(shù)，從根本上解決了分子量標(biāo)定問題。目前技術(shù)比較成熟的是光散射和特性粘數(shù)檢測(cè)順，前者檢測(cè)淋洗液的瑞利比，直接得到高分子組分的分子量；后者則檢測(cè)淋洗液的特性粘數(shù)，利用普適校正關(guān)系來

10、確定組分的分子量。此外，利用分子量響應(yīng)檢測(cè)器，還能得有關(guān)高分子結(jié)構(gòu)的其他信息，使凝膠滲透色譜的作用進(jìn)一步加強(qiáng)。三、儀器與試劑:1、組合式GPC/SEC儀（美國(guó)Waters公司），分析天平、13mm微孔過濾器；2、淋洗液（溶劑）：四氫呋喃（AR），重蒸后用0.45m孔徑的微孔濾膜過濾；3、被測(cè)樣品：懸浮聚合的聚苯乙烯；4、標(biāo)準(zhǔn)樣品：分子量窄分布的聚苯乙烯；5、器皿：配樣瓶，注射針筒。四、實(shí)驗(yàn)步驟:1、 樣品配制選取十個(gè)不同分子量的標(biāo)樣， 按分子量順序1、3、5、7、9和2、4、6、8、10分為兩組，每組標(biāo)樣分別稱取約2mg混在一個(gè)配樣瓶中，用針筒注入約2ml溶劑，溶解后用裝有0.45m孔徑的微孔

11、濾膜的過濾器過濾；在配樣瓶中稱取約4mg被測(cè)樣品，注入約2ml溶劑，溶解后過濾。2、 儀器觀摩了解GPC/SEC儀各組成部分的作用和大致結(jié)構(gòu)，了解實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)。接通儀器電源，設(shè)定淋洗液流速為1.0ml/min、柱溫和檢測(cè)溫度為30。了解數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作過程，但本實(shí)驗(yàn)將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)僅用作記錄儀，數(shù)據(jù)處理由人工完成，以便加深對(duì)分子量分布的概念和GPC/SEC的認(rèn)識(shí)。3、 GPC/SEC的標(biāo)定待儀器基線穩(wěn)定后，用進(jìn)樣針筒先后將兩個(gè)混合標(biāo)樣溶液進(jìn)樣，進(jìn)樣量為100l，等待色譜淋洗，最后得到完整的淋洗曲線。從兩張淋洗曲線確定共十個(gè)標(biāo)樣的淋洗體積。4、 樣品測(cè)定同上法，將樣品溶液進(jìn)樣，得到淋洗曲線后，確定基線，用“切割法”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，切割塊數(shù)應(yīng)在20以上。五、數(shù)據(jù)處理：1、 GPC/SEC的標(biāo)定標(biāo)樣濃度淋洗液流速色譜柱柱溫進(jìn)樣量標(biāo)樣序號(hào) 分子量 淋洗體積 1 2 作logM-Ve圖得GPC/SEC標(biāo)定關(guān)系2、 樣品測(cè)定樣品濃度淋洗液流速色譜柱柱溫進(jìn)樣量切割塊號(hào)I Vei Hi Mi HiMi Hi/Mi123計(jì)算、和，根據(jù)（2）、（