凝膠滲透色譜(2014)

1、凝膠滲透色譜聚合物近代測試講課：講課：9-11、9-18（4學時學時）實驗：材料樓實驗：材料樓416416（8學時）學時）1. Questions and Discuss 1. Questions and Discuss 問題與討論問題與討論1 1） What is chromatography, and what is it for?What is chromatography, and what is it for? 色譜的起源與應用色譜的起源與應用2.2.）Do you know Liquid Chromatography or Gas Do you know Liquid Chroma

2、tography or Gas Chromatography?Chromatography? 你是否接觸過液相色譜和氣相色譜？你是否接觸過液相色譜和氣相色譜？3 3）For polymer, what need to be separated?For polymer, what need to be separated? 對于高聚物有什么是需要分離的？對于高聚物有什么是需要分離的？19531953年年-WheatonWheaton和和Bauman-Bauman- 用多孔樹脂按分子量大小分離了苷、多元醇和其它非離子物用多孔樹脂按分子量大小分離了苷、多元醇和其它非離子物質(zhì)，觀察到質(zhì)，觀察到分子尺寸

3、排除現(xiàn)象分子尺寸排除現(xiàn)象。 19591959年年-PorathPorath和和FlodinFlodin 用葡聚糖凝膠分離了水溶液中不同分子量的樣品。用葡聚糖凝膠分離了水溶液中不同分子量的樣品。 19621962年年-J.C.MooreJ.C.Moore 將連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀接在分離柱后，并以體積計將連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀接在分離柱后，并以體積計量方式作圖，制成了快速且自動化的高聚物分子量及分子量量方式作圖，制成了快速且自動化的高聚物分子量及分子量分布的測定儀，創(chuàng)立了凝膠滲透色譜技術。分布的測定儀，創(chuàng)立了凝膠滲透色譜技術。 研發(fā)歷程：凝膠滲透色譜凝膠滲透色譜GPC-Gel Perme

4、ation Chromatography也稱作也稱作體體積積排斥色排斥色譜譜SEC-Size Exclusion Chromatography以溶以溶劑劑作流作流動動相，流相，流經(jīng)經(jīng)多孔填料作多孔填料作為為分離介分離介質(zhì)質(zhì)的液相色的液相色譜譜法。法。2 2 凝膠滲透色譜的原理凝膠滲透色譜的原理以多孔樹脂為固定相以多孔樹脂為固定相Vg載體骨架體積載體骨架體積Vi載體孔洞體積載體孔洞體積V0載體粒間體積載體粒間體積淋出體積淋出體積Ve=V0+KVi分配系數(shù)分配系數(shù)0K10K1V V0 0和和VgVg對分離沒有貢獻，應盡量減小，對分離沒有貢獻，應盡量減小，ViVi越大分離效果越好越大分離效果越好用溶

5、劑推動聚合物樣品流過固定相用溶劑推動聚合物樣品流過固定相產(chǎn)生大小分子順序流出的分離產(chǎn)生大小分子順序流出的分離凝膠滲透色譜柱是如何工作的凝膠滲透色譜柱是如何工作的流出級份的保留時間（洗脫體積）流出級份的保留時間（洗脫體積）提供其分子量（尺寸）的信息。提供其分子量（尺寸）的信息。從檢測器信號強度得到各流出級分從檢測器信號強度得到各流出級分的濃度。的濃度。由由示差檢測器示差檢測器連續(xù)記錄連續(xù)記錄流出樣品的濃度流出樣品的濃度用已知分子量的標樣標定出流出用已知分子量的標樣標定出流出時間和分子量的關系，時間和分子量的關系，再對未知樣各流出級份的時間（再對未知樣各流出級份的時間（分子量）和強度進行統(tǒng)計計算得

6、分子量）和強度進行統(tǒng)計計算得到分子量分布。到分子量分布。聚合物在色譜柱中的分離是基于分子聚合物在色譜柱中的分離是基于分子在溶劑中表現(xiàn)出的體積而不是分子量在溶劑中表現(xiàn)出的體積而不是分子量 溶劑化體積溶劑化體積InOutSR緩沖柱色譜柱溶劑輸送系統(tǒng)在線脫氣放空閥加熱廢液管兒示差折光檢測器恒溫區(qū)廢液溶劑進樣閥柱溫箱預熱板3. 3. 凝膠滲透色譜儀凝膠滲透色譜儀為GPC加熱的理由降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的想的GPCGPC狀態(tài)（如狀態(tài)（如Polyethylene Polyethylene Terphthalate Terphthalate m

7、-Cresol + 0.05 m LiBr/100 m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C C）盡量減輕分子間的弱相互作用（樣品分子間、樣盡量減輕分子間的弱相互作用（樣品分子間、樣品和溶劑分子間、填料和樣品分子間等）品和溶劑分子間、填料和樣品分子間等）使難于溶解的樣品得以溶解（如聚烯烴使難于溶解的樣品得以溶解（如聚烯烴PEPPPEPP、工程塑料工程塑料PPSPPS等）等）使使GPCGPC檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境進樣閥GPC色譜柱廢液廢液管柱溫箱檢測器1檢測器2檢測器3連接管在同一個溫控區(qū)集成了進樣閥、色譜柱、檢測器，保證溫度在同一個溫控區(qū)集成了進樣

8、閥、色譜柱、檢測器，保證溫度的一致性和穩(wěn)定性的一致性和穩(wěn)定性一體化溫控區(qū)的示意圖一體化溫控區(qū)的示意圖Temp.(Deg C)18.519.019.520.0MV-1.000.001.002.00Minutes51015202530354045505560657075實驗室溫度波動對實驗室溫度波動對RI檢測器基線的影響檢測器基線的影響Mobil Phase Methanol 0.25/mL minuteDetector Temp 35 CNo Column Heater UsedRoom TemperatureRI BaselineWaters G2000高溫凝膠色譜儀高溫凝膠色譜儀多檢測器集成

9、的 GPC 系統(tǒng)l紫外檢測器（濃度型）紫外檢測器（濃度型）l粘度檢測器（分子量型）粘度檢測器（分子量型）l多角激光光散射檢測器（分子量型）多角激光光散射檢測器（分子量型）l紅外接口（特征基團型為測量短鏈支化）紅外接口（特征基團型為測量短鏈支化）聚合物的分子結(jié)構分子量分布分子量分布增加分子量PD = Mw / Mn 增加濃度聚合物的各種平均分子量 Mn：用滲析計測出(Osmometry)Mw：用光散射計測出(Light Scattering)Mv：用粘度計測出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速離心法測出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：為多分散性(Polydispersi

10、ty) MnMvMwMzMz+1用用GPC測得的分子量分布可以計算出各種不同測得的分子量分布可以計算出各種不同種平均分子量，可對應于其他儀器所測的值。種平均分子量，可對應于其他儀器所測的值。標樣與待測樣品不同種類標樣與待測樣品不同種類4. 4. 存在問題及解決辦法存在問題及解決辦法以同類聚合物的標準樣品可繪制出標準曲線，給以同類聚合物的標準樣品可繪制出標準曲線，給出淋出體積與分子量的關系。出淋出體積與分子量的關系。不同種類的聚合物，在溶劑中受到的作用不同，不同種類的聚合物，在溶劑中受到的作用不同，所以即使相同的分子量也會有不同的溶劑化體積所以即使相同的分子量也會有不同的溶劑化體積 采用標樣的校

11、正曲線，只能得到與標樣分子溶劑采用標樣的校正曲線，只能得到與標樣分子溶劑化體積相同的相對分子量化體積相同的相對分子量討論：討論：請給出你的解決辦法請給出你的解決辦法5. 5. 對測試結(jié)果產(chǎn)生影響的因素對測試結(jié)果產(chǎn)生影響的因素輸液系統(tǒng)輸液系統(tǒng)樣品制備樣品制備進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)柱溫變化柱溫變化色譜柱結(jié)構與性能色譜柱結(jié)構與性能檢測器的影響檢測器的影響流動相的種類流動相的種類溶劑輸送系統(tǒng)高流速精度是獲得重現(xiàn)性GPC結(jié)果的基礎微小的流速誤差會導致分子量計算的很大誤差使用參考峰(Flow Markers)的技術可校正流速誤差固態(tài)固態(tài) ( (半結(jié)晶半結(jié)晶) )液態(tài)液態(tài) ( (稀溶液稀溶液) )樣品制備的影響樣

12、品制備的影響用淋洗液制樣，使聚合物在分析的整個過用淋洗液制樣，使聚合物在分析的整個過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且使溶劑峰最小程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且使溶劑峰最小溶解必須使聚合物鏈打開成最放松的狀態(tài)溶解必須使聚合物鏈打開成最放松的狀態(tài)允許充分的時間讓鏈展開允許充分的時間讓鏈展開有些聚合物需要大于有些聚合物需要大于3 3小時小時分子量及結(jié)晶度愈大，所需真正溶解的時分子量及結(jié)晶度愈大，所需真正溶解的時間就俞多間就俞多某些結(jié)晶的聚合物需要加熱某些結(jié)晶的聚合物需要加熱樣品制備的影響樣品濃度與分子量相關（分子量越大，濃度越低）樣品濃度與分子量相關（分子量越大，濃度越低）除非該樣品可能會有剪切效應發(fā)生，聚合物溶液必

13、除非該樣品可能會有剪切效應發(fā)生，聚合物溶液必須過濾須過濾為了增加樣品的溶解，可輕微擾動（不要劇烈搖動為了增加樣品的溶解，可輕微擾動（不要劇烈搖動或用超聲）或用超聲）窄分布標樣不必過濾，高分子量標樣也不要劇烈搖窄分布標樣不必過濾，高分子量標樣也不要劇烈搖動動可使用在線過濾器，但是不推薦使用保護柱可使用在線過濾器，但是不推薦使用保護柱 Sample PE-150C-2h Sample PE-150C-4h Sample PE-160C-2h Sample PE-160C-4h Sample PE-170C-2h Sample PE-170C-4h Minutes16.017.018.019.020

14、.021.022.023.024.025.0150 C170 C樣品制備的影響進樣系統(tǒng)的影響40 40 瓶位樣品盤瓶位樣品盤2ml 2ml 玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋優(yōu)先進樣的樣品緩慢攪拌優(yōu)先進樣的樣品緩慢攪拌雙溫區(qū)設計是降解風險降至最低雙溫區(qū)設計是降解風險降至最低 進樣點熱區(qū)溫區(qū)50 100 200 溫度 (C)-20 -10 0 10 20 瓶位Carousel Motion進樣點Agitated自動進樣器自動進樣器柱溫對分辨率影響Column : PLgel 5um MIXED-C300 x7.5mmEluent : DMFFlow rate :1.0ml/minPEO/P

15、EG standards990,000 252,00086,00018,0004,800200增加溫度 : 降低操作壓力改善分辨率, 尤其是對于高分子量色譜柱結(jié)構與性能的影響色譜柱結(jié)構與性能的影響 在在THFTHF中包含胺類基團的聚合物經(jīng)常中包含胺類基團的聚合物經(jīng)常會和色譜柱填料發(fā)生作用，造成保留時間會和色譜柱填料發(fā)生作用，造成保留時間延長延長 在溶劑中添加少量的三乙胺降低相互在溶劑中添加少量的三乙胺降低相互作用的影響就可使色譜圖恢復正常作用的影響就可使色譜圖恢復正常 在例子中一個含胺的紫外穩(wěn)定劑，在用在例子中一個含胺的紫外穩(wěn)定劑，在用四氫呋喃分析時加入四氫呋喃分析時加入 5% 5% 三乙胺，

16、譜圖明三乙胺，譜圖明顯得到改善顯得到改善Sample:Hostavin N30Column:2xPLgel 3m MIXED-EFlow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: PL-ELS 1000Eluent Modification in Organic GPC - AcidsSample:Acrylic copolymerColumn:3xPlgel 5m MIXED-C Flow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: DRI Some acidic samples contain

17、ing polar components can be dissolved in THF but when analysed in that solvent show interactions with the packing material Addition of a small amount of acetic acid reduces these interactions by reducing the ionic character of the polymers In this example a acrylic co-polymer showing ionic exclusion

18、 could be analysed in THF with 5% acetic acidColumn Conditioning in Organic GPC Some samples, especially polar resins (e.g. phenol formaldehyde) can interact with packing materials on first injection Subsequent injections result in a changing peak profile as the number of interacting sites is reduce

19、d Eventually the peak shape stabilises This is called column conditioning To condition the column, multiple sample injections can be made to block interacting sitesEluent: THFColumn:ResiPoreFlow rate: 1.0ml/minInjection volume: 20lDetector: DRI MIXED bed columns give extended range over individual p

20、ore size Manufactured to give no discontinuities Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume色譜柱對數(shù)據(jù)的影響色譜柱對數(shù)據(jù)的影響 聚合物色譜中的檢測器濃度響應值正比于濃度C實例：示差(refractometer)檢測器 N = (dn/dc) C紫外檢測器蒸發(fā)光散射檢測器使用單一濃度型檢測器的體積排除分離模式色譜被稱作 傳統(tǒng)GPC“絕對”分子量分布的測定RI/V 檢測器結(jié)合使用 VI的響應值正比于 C H / M = C H，大分子的尺寸；流體力學體積 = VI / RI，特征粘度(intrinsic viscosity) 普適校正的假設：具有同樣大小(H)的大分子應有同樣的洗脫體積，即依賴性在給定的流動相、色譜柱組及溫度下，H = H(V)是通用的Log H246810Elution volume V, mL16182022242628RI/V 檢測器結(jié)合使用，第一步：用任何任何 窄分布標樣(化學結(jié)構不重要)建立普適校