X8凝膠滲透色譜法測(cè)定聚合物的分子量分布

1、X8凝膠滲透色譜法測(cè)定聚合物的分子量大小凝膠滲透色譜（gelpermeationchromatography,GPC）是利用高分子溶液通過(guò)填充有特種凝膠的柱子把聚合物分子按尺寸大小進(jìn)行分離的方法。GPC是液相色譜，能用于測(cè)定聚合物的分子量及分子量分布，也能用于測(cè)定聚合物內(nèi)小分子物質(zhì)、聚合物支化度及共聚物組成等，以及作為聚合物的分離和分級(jí)手段。聚合物的分子量及分子量分布是聚合物性能的重要參數(shù)之一，它對(duì)聚合物的物理機(jī)械性能影響很大。通過(guò)GPC法可實(shí)現(xiàn)對(duì)分子量及其分布的快速自動(dòng)測(cè)定。因此，GPC至今已成為聚合物材料一種必不可少的分析手段。1目的要求a）了解凝膠滲透色譜法（GPC）的基本原理，初步掌握

2、GPC的進(jìn)樣、淋洗、接收、檢測(cè)等基本操作及數(shù)據(jù)處理方法。b）掌握GPC法測(cè)定聚合物的分子量及分子量分布。2實(shí)驗(yàn)原理2.1 分離機(jī)理GPC的工作原理有各種說(shuō)法，比較流行的是體積排除理論，因此GPC技術(shù)又稱為體積排除色譜（sizeexclusionchromatography,SEC）。GPC法是利用不同尺寸的聚合物分子在多孔填料中孔內(nèi)外分布不同而進(jìn)行分離分級(jí)的。在GPC分離的核心部件色譜柱內(nèi)裝有多孔性填料（成為凝膠或多孔微球），其孔徑大小有一定的分布，并與待分離的聚合物分子尺寸可相比擬。當(dāng)被分析的樣品隨著淋洗溶劑（流動(dòng)相）進(jìn)入色譜柱后，體積很大的分子不能滲透到凝膠孔穴中而受到排阻，最先流出色譜柱

3、；中等體積的分子可以滲透凝膠的一些大孔，而不能進(jìn)入小孔，產(chǎn)生部分滲透作用，比體積大的分子流出色譜柱的時(shí)間稍后；較小的分子能全部深入凝膠內(nèi)部的孔穴中，而最后流出色譜柱。因此，聚合物淋出體積與其分子量有關(guān)，分子量越大，淋出體積越小。色譜柱總面積Vt包3部分VtVgVoVi式中，Vg為填料的骨架體積；Vo為填料微粒緊密堆積后的粒間空隙；Vi為填料孔洞的體積；（V。M）是聚合物分子可利用的空間。由于聚合物分子在填料孔內(nèi)、外分布不同，故實(shí)際可利用的空間為VVoKVi式中，K為分布系數(shù)，其數(shù)值0WKW1,與聚合物分子尺寸大小和在填料孔內(nèi)、外的濃度比有關(guān)。當(dāng)聚合物分子完全排除時(shí)，K=0;在完全滲透時(shí)，K=1

4、。尺寸大?。ǚ肿恿浚┎煌姆肿佑胁煌腒值，因此有不同的淋出體積Ve。當(dāng)K=0是，VeV0,此處所對(duì)應(yīng)的聚合物分子量，是該色譜柱的滲透極限（PL）,聚合物分子量超過(guò)PL值時(shí)，只能在V。以前被淋洗出來(lái)，沒(méi)有分離效果。2.2 檢測(cè)機(jī)理除了將分子量不同的分子分離開來(lái)，還需要測(cè)定其含量和分子量。實(shí)驗(yàn)中用示差折光儀測(cè)定淋出液的折光指數(shù)與純?nèi)軇┑恼酃庵笖?shù)之差A(yù)n,而在稀溶液范圍內(nèi)An與淋出組分的相對(duì)濃度Ac成正比，則以An對(duì)淋出體積（或時(shí)間）作圖可表征不同分子的濃度。圖1為折光指數(shù)之差A(yù)n（濃度響應(yīng)）對(duì)淋出體積（或時(shí)間）作圖得到的GPC譜圖示意圖。圖1折光指數(shù)之差A(yù)n對(duì)淋出體積作圖得到的GPC示意譜圖。2

5、.3 校正曲線用已知相對(duì)分子質(zhì)量的單分散標(biāo)準(zhǔn)聚合物預(yù)先做一條淋洗體積或淋洗時(shí)間和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)樣，一般用窄分布的試樣代替。在相同的測(cè)試條件下，做一系列的GPC標(biāo)準(zhǔn)譜圖，對(duì)應(yīng)不同相對(duì)分子質(zhì)量樣品的保留時(shí)間，以lgM對(duì)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(biāo)準(zhǔn)試樣，以它們的峰值位置的Ve對(duì)lgM作圖，可得GPC校正曲線（如圖2）。圖2.GPC校正曲線示意圖。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)lgM>a與lgMvb時(shí)，曲線與縱軸平行，說(shuō)明此時(shí)的淋洗體積與試樣分子量無(wú)關(guān)。VoMVo是凝膠選擇性滲透分離的有效范圍，即為標(biāo)定曲線

6、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(jiǎn)單的線性方程表示：lgMABVe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(duì)于不同類型的高分子，在分子量相同日其分子尺寸并不一定相同。用PS（聚苯乙烯）作為標(biāo)準(zhǔn)樣品得到的校正曲線不能直接應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行標(biāo)定，因此希望能借助于某一聚合物的標(biāo)準(zhǔn)樣品在某種條件下測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過(guò)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(xué)體積理論，對(duì)于柔性鏈當(dāng)下式成立時(shí)兩種高分子具有相同的流體力學(xué)體積，則有下式成立：lMi

7、2M2再將Mark-Houwink方程M三支加代入上式可得：/孩口=答+肱11+6K飛1+%由此，如已知在測(cè)定條件下兩種聚合物的K、“值，就可以根據(jù)標(biāo)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。2.4 柱效率和分離度與其他色譜分析方法相同，實(shí)際的分離過(guò)程非理想，同分子量試樣在GPC上的譜圖有一定分布，即使對(duì)于分子量完全均一的試樣，其在GPC的圖譜上也有一個(gè)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(jìn)行描述的。測(cè)定N的方法使用一種分子量均一的純物質(zhì)，如鄰二

8、氯苯、苯甲醇、乙睛和苯等作GPC測(cè)定，得到色譜峰如圖3所示。TWf*-Wg-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(jì)算N:N16(Vr/W)2對(duì)于相同長(zhǎng)度的色譜柱，N值越大意味著柱子效率越高。GPC柱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R表示：R2(V2V1)/(叫W2)如圖3所示的完全分離情形，此時(shí)R應(yīng)大于或等于1,當(dāng)R小于1時(shí)分離是不完全的。為了相對(duì)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(shí)的組分分離度，定義為：Rs2(V2V1)/(W1W2)(lgMw1IgMw2)3材料、試劑和儀器設(shè)備3.1

9、材料聚苯乙烯（PS）3.2 試劑Ja）濃度為10mg/mL的聚苯乙烯溶液試樣；b）一系列不同分子量的窄分布聚苯乙烯溶液；c）四氫吠喃。3.3 儀器設(shè)備Waters1515IsocraticHPLC型凝膠色譜儀（帶有示差折光檢測(cè)裝置）。凝膠色譜儀主要由輸液系統(tǒng)、進(jìn)樣器、色譜柱（可分離分子量范圍2X1022X106）、示差折光儀檢測(cè)器、記錄系統(tǒng)等組成。4操作方法4.1 調(diào)試運(yùn)行儀器選擇匹配的色譜柱，在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定校正曲線（一般是35C）。這一步一般由任課老師事先準(zhǔn)備。4.2 配制試樣溶液使用純化后的分析純?nèi)軇┡渲圃嚇尤芤?，濃?0mg/mL。使用分析純?nèi)軇?，需?jīng)過(guò)分子篩過(guò)濾，配置好溶液需靜置一天

10、。這一步一般由任課老師事先準(zhǔn)備。4.3 儀器狀態(tài)調(diào)整a）根據(jù)說(shuō)明書要求，對(duì)儀器進(jìn)行Purge排氣沖洗排液操作；4.4 樣品測(cè)試a）創(chuàng)建項(xiàng)目；b）創(chuàng)建儀器測(cè)定方法（主要設(shè)定流速、柱溫和檢測(cè)器溫度），并保存；c）平衡系統(tǒng)：選擇之前建立的測(cè)定方法，平衡系統(tǒng)，直至基線平穩(wěn)，停止平衡；d）進(jìn)樣：用四氫吠喃沖洗微量進(jìn)樣器，并吸取超過(guò)20uL的樣品；e）單擊采集欄的（MakeSingleInjection）:輸入相關(guān)信息后，確認(rèn)進(jìn)樣口處于Load位置，按Inject,然后注入適量樣品溶液，注意避免引入氣泡，等電腦屏幕上出現(xiàn)提示畫面時(shí)，將進(jìn)樣口扳至Inject位置，這時(shí)提示畫面消失，數(shù)據(jù)采集開始，將進(jìn)樣口扳回

11、Load位置，拔出注射器。放回保護(hù)陣和蓋好蓋子。4.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線制備a）點(diǎn)擊命令欄中的"FindData",選擇顯示"Channel”面板；b）選擇所要處理的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“AlferSample”;c）點(diǎn)擊"Component”輸入樣品信息，點(diǎn)擊OK,選擇Save,然后Exit。d）點(diǎn)擊“處理方法向?qū)А保鶕?jù)軟件提示設(shè)定參數(shù)。e）保存處理方法。f）選擇需要處理的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊右鍵，在右鍵菜單中選擇Process,使用剛建立保存的方法進(jìn)行處理，點(diǎn)擊“校正曲線”圖標(biāo)即可瀏覽校正曲線及相關(guān)系數(shù)。4.6 處理樣品數(shù)據(jù)a）在Channel面板中選擇所要處理的數(shù)據(jù)，右鍵單擊選擇Review;b）選才OOpenmethod,選擇之前建立的處理方法，點(diǎn)擊Open;c）點(diǎn)擊”處理方法向?qū)А?選擇EditExistingProcessingParameterandKeeptheCalibration，然后點(diǎn)擊OK。d）選擇合適的積分參數(shù)，按照軟件提示進(jìn)行操作。4.7 打印報(bào)告a）單擊命令欄的“FindData”，在“Result”下選擇已處理好需要打印的樣品名，按“打印預(yù)覽”按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇"Broodunkownuniversal”報(bào)告格式，按"Prin