凝膠滲透色譜法測定分子量(講義)

1、實驗六 凝膠滲透色譜法測定分子量 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、聚合工藝會使聚合物具有不同的分子量和分子量分布。分子量對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；檢測器精度提高。在線分子量檢測技術(shù)得到應(yīng)用；并隨著計算機的發(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、實驗?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驗技術(shù)；3 測定聚苯乙烯樣品的分子量分布。二、實驗原理：凝膠滲透色譜（Gel Permeation Chromatography.簡稱GPC）也稱為體積排除色譜（Size Exclution Chromatograph.簡稱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分子量進行統(tǒng)計，

3、得到各種平均值。一般認為，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，隨著淋洗液流動它在色譜中走過的路程就越長，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，因而達到依高分子體積進行分離的目的?；谶@種分離機理，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微孔的滲透幾率達到最大時，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，色譜才會有良好的分離作用。對一般色譜分辨率和分離效率的評定指標(biāo)，在凝膠滲透色譜中也延用。色譜需要檢測淋出液中的含量，因聚合物的特點，GPC/SEC最常用的是示差折光指數(shù)檢測器。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。對于帶有紫外線吸收基團（如苯環(huán)）聚合物，也可以用紫外吸收檢測器，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相，進入緊密裝填多孔性微球的色譜柱，中間經(jīng)過一個可將溶液樣品送往體系的進樣裝置。聚合物樣品進樣后，淋洗液帶動溶液樣品進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。濃度檢測器不斷檢測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對聚合物樣品依高分子體積進行分離的結(jié)果，并不是分子量分布曲線。好在實驗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）對儀器進行標(biāo)定，得到在指定實驗條件，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聚合物，依橫坐標(biāo)對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具有不同淋洗體積的高分子組分所組成，每個切割塊的歸一化面積（面積分數(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。因為切割是等距離的，所以用切割塊的歸一化高度

8、就可以表示組分的含量。切割密度會影響結(jié)果的精度，當(dāng)然越高越好，但一般認為，一個聚合物樣品切割成20塊以上，對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)用計算機記錄、處理數(shù)據(jù)時，可設(shè)定切割成近百塊。用分子量分布數(shù)據(jù)，很容易計算各種平均分子量，以和為例： （2） （3）式中，Hi是切割塊的高度。 實際上GPC/SEC的標(biāo)定是困難的，因為聚合物標(biāo)樣來之不易。商品標(biāo)樣品種不多且價格昂貴，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、實驗條件有關(guān)而對大部分聚合物普適的校正關(guān)系?？捎肕ark-Houwink方程代人，通過手冊查找常數(shù)K、。但是，不少聚合物在GPC/SEC常用溶劑和實驗溫度下的K、值并沒有報導(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)檢測順，前者檢測淋洗液的瑞利比，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一步加強。三、儀器與試劑:1、組合式GPC/SEC儀（美國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、實驗步驟:1、 樣品配制選取十個不同分子量的標(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)，了解實驗操作要點。接通儀器電源，設(shè)定淋洗液流速為1.0ml/min、柱溫和檢測溫度為30。了解數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作過程，但本實驗將數(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，以便加深對分子量分布的概念和GPC/SEC的認識。3、 GPC/SEC的標(biāo)定待儀器基線穩(wěn)定后，用進樣針筒先后將兩個混合標(biāo)樣溶液進樣，進樣量為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標(biāo)樣的淋洗體積。4、 樣品測定同上法，將樣品溶液進樣，得到淋洗曲線后，確定基線，用“切割法”進行數(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樣量標(biāo)樣序號 分子量 淋洗體積 1 2 作logM-Ve圖得GPC/SEC標(biāo)定關(guān)系2、 樣品測定樣品濃度淋洗液流速色譜柱柱溫進樣量切割塊號I Vei Hi Mi HiMi Hi/Mi123計算、和，根據(jù)（2）、（