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1、凝胶渗透色谱 聚合物近代测试 讲课 9 11 9 18 4学时 实验 材料楼416 8学时 1 QuestionsandDiscuss问题与讨论 1 Whatischromatography andwhatisitfor 色谱的起源与应用2 DoyouknowLiquidChromatographyorGasChromatography 你是否接触过液相色谱和气相色谱 3 Forpolymer whatneedtobeseparated 对于高聚物有什么是需要分离的 1953年 Wheaton和Bauman 用多孔树脂按分子量大小分离了苷 多元醇和其它非离子物质 观察到分子尺寸排除现象 195
2、9年 Porath和Flodin 用葡聚糖凝胶分离了水溶液中不同分子量的样品 1962年 J C Moore 将连续式高灵敏度的示差折光仪接在分离柱后 并以体积计量方式作图 制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪 创立了凝胶渗透色谱技术 研发历程 凝胶渗透色谱GPC GelPermeationChromatography也称作体积排斥色谱SEC SizeExclusionChromatography以溶剂作流动相 流经多孔填料作为分离介质的液相色谱法 2凝胶渗透色谱的原理 以多孔树脂为固定相 Vg载体骨架体积 Vi载体孔洞体积 V0载体粒间体积 淋出体积Ve V0 KVi 分配系
3、数0 K 1 V0和Vg对分离没有贡献 应尽量减小 Vi越大分离效果越好 用溶剂推动聚合物样品流过固定相 产生大小分子顺序流出的分离 凝胶渗透色谱柱是如何工作的 流出级份的保留时间 洗脱体积 提供其分子量 尺寸 的信息 从检测器信号强度得到各流出级分的浓度 由示差检测器连续记录流出样品的浓度 用已知分子量的标样标定出流出时间和分子量的关系 再对未知样各流出级份的时间 分子量 和强度进行统计计算得到分子量分布 聚合物在色谱柱中的分离是基于分子在溶剂中表现出的体积而不是分子量 溶剂化体积 In Out S R 缓冲柱 色谱柱 溶剂输送系统 在线脱气 放空阀 加热废液管儿 示差折光检测器恒温区 废液
4、 溶剂 典型分离式GPC系统示意图 进样阀 柱温箱 预热板 3 凝胶渗透色谱仪 为GPC加热的理由 降低流动相黏度 使得谱柱内部溶剂处于接近理想的GPC状态 如Polyethylene Terphthalate m Cresol 0 05mLiBr 100 C 尽量减轻分子间的弱相互作用 样品分子间 样品和溶剂分子间 填料和样品分子间等 使难于溶解的样品得以溶解 如聚烯烃PE PP 工程塑料PPS等 使GPC检测处在一个温度稳定的环境 在同一个温控区集成了进样阀 色谱柱 检测器 保证温度的一致性和稳定性 一体化温控区的示意图 Temp DegC 18 5 19 0 19 5 20 0 MV 1
5、 00 0 00 1 00 2 00 Minutes 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 实验室温度波动对RI检测器基线的影响 MobilPhase Methanol 0 25 mLminuteDetectorTemp35CNoColumnHeaterUsed RoomTemperature RIBaseline WatersG2000高温凝胶色谱仪 多检测器集成的GPC系统 紫外检测器 浓度型 粘度检测器 分子量型 多角激光光散射检测器 分子量型 红外接口 特征基团型为测量短链支化 聚合物的分子结构 分子量分布 增加分子量 PD Mw Mn
6、 增加浓度 聚合物的各种平均分子量 Mn 用渗析计测出 Osmometry Mw 用光散射计测出 LightScattering Mv 用粘度计测出 Viscometry Mz及Mz 1 用超速离心法测出 Ultracentrifuge Mw Mn 为多分散性 Polydispersity Mn Mv Mw Mz Mz 1 用GPC测得的分子量分布可以计算出各种不同种平均分子量 可对应于其他仪器所测的值 标样与待测样品不同种类 4 存在问题及解决办法 以同类聚合物的标准样品可绘制出标准曲线 给出淋出体积与分子量的关系 不同种类的聚合物 在溶剂中受到的作用不同 所以即使相同的分子量也会有不同的溶
7、剂化体积采用标样的校正曲线 只能得到与标样分子溶剂化体积相同的相对分子量 讨论 请给出你的解决办法 5 对测试结果产生影响的因素 输液系统样品制备进样系统柱温变化色谱柱结构与性能检测器的影响流动相的种类 溶剂输送系统 高流速精度是获得重现性GPC结果的基础微小的流速误差会导致分子量计算的很大误差使用参考峰 FlowMarkers 的技术可校正流速误差 固态 半结晶 液态 稀溶液 样品制备的影响 样品制备的影响 用淋洗液制样 使聚合物在分析的整个过程中处于稳定状态 并且使溶剂峰最小溶解必须使聚合物链打开成最放松的状态允许充分的时间让链展开有些聚合物需要大于3小时分子量及结晶度愈大 所需真正溶解的
8、时间就俞多某些结晶的聚合物需要加热 样品制备的影响 样品浓度与分子量相关 分子量越大 浓度越低 除非该样品可能会有剪切效应发生 聚合物溶液必须过滤为了增加样品的溶解 可轻微扰动 不要剧烈摇动或用超声 窄分布标样不必过滤 高分子量标样也不要剧烈摇动可使用在线过滤器 但是不推荐使用保护柱 SamplePE 150C 2h SamplePE 150C 4h SamplePE 160C 2h SamplePE 160C 4h SamplePE 170C 2h SamplePE 170C 4h 样品制备的影响 进样系统的影响 40瓶位样品盘2ml玻璃瓶卷边压紧铝瓶盖优先进样的样品缓慢搅拌双温区设计是降解
9、风险降至最低 进样点 50 100 200 温度 C 20 10 0 10 20 瓶位 CarouselMotion 进样点 Agitated 自动进样器 柱温对分辨率影响 Column PLgel5umMIXED C300 x7 5mmEluent DMFFlowrate 1 0ml min PEO PEGstandards990 000252 00086 00018 0004 800200 增加温度 降低操作压力改善分辨率 尤其是对于高分子量 色谱柱结构与性能的影响 在THF中包含胺类基团的聚合物经常会和色谱柱填料发生作用 造成保留时间延长在溶剂中添加少量的三乙胺降低相互作用的影响就可使色
10、谱图恢复正常在例子中一个含胺的紫外稳定剂 在用四氢呋喃分析时加入5 三乙胺 谱图明显得到改善 Sample HostavinN30Column 2xPLgel3 mMIXED EFlowrate 1 0ml minInjectionvolume 20 lDetector PL ELS1000 EluentModificationinOrganicGPC Acids Sample AcryliccopolymerColumn 3xPlgel5 mMIXED CFlowrate 1 0ml minInjectionvolume 20 lDetector DRI Someacidicsamplesc
11、ontainingpolarcomponentscanbedissolvedinTHFbutwhenanalysedinthatsolventshowinteractionswiththepackingmaterialAdditionofasmallamountofaceticacidreducestheseinteractionsbyreducingtheioniccharacterofthepolymersInthisexampleaacrylicco polymershowingionicexclusioncouldbeanalysedinTHFwith5 aceticacid Colu
12、mnConditioninginOrganicGPC Somesamples especiallypolarresins e g phenolformaldehyde caninteractwithpackingmaterialsonfirstinjectionSubsequentinjectionsresultinachangingpeakprofileasthenumberofinteractingsitesisreducedEventuallythepeakshapestabilisesThisiscalledcolumnconditioningTo condition thecolum
13、n multiplesampleinjectionscanbemadetoblockinteractingsites Eluent THFColumn ResiPoreFlowrate 1 0ml minInjectionvolume 20 lDetector DRI MIXEDbedcolumnsgiveextendedrangeoverindividualporesizeManufacturedtogivenodiscontinuities CombineindividualporesizecolumnstoextendrangeCancausepeakshapevariationduet
14、omismatchinporevolume 色谱柱对数据的影响 聚合物色谱中的检测器 浓度响应值正比于浓度C实例 示差 refractometer 检测器 N dn dc C紫外检测器蒸发光散射检测器使用单一浓度型检测器的体积排除分离模式色谱被称作传统GPC 绝对 分子量分布的测定 RI V检测器结合使用VI的响应值正比于C H M C H 大分子的尺寸 流体力学体积 VI RI 特征粘度 intrinsicviscosity 普适校正的假设 具有同样大小 H 的大分子应有同样的洗脱体积 即依赖性在给定的流动相 色谱柱组及温度下 H H V 是通用的 LogH 2 4 6 8 10 Eluti
15、onvolumeV mL 16 18 20 22 24 26 28 RI V检测器结合使用 第一步 用任何窄分布标样 化学结构不重要 建立普适校正曲线 ST VI RI foreachstandardH MST ST foreachstandardPolynomialfittoLogH universalcalibrationcurve 绝对 分子量分布的测定 绝对 分子量分布的测定 RI V检测器结合使用第二步 用聚合物分布每一切片 i 计算 绝对 分子量 i VIi RiiMi Hi i GPC中的大分子结构形态 大分子的结构形态 支化 可通过粘度理论曲线得到 Log 对LogM粘度理论曲
16、线也被称为Mark Houwink曲线 可由下列方程式描述 Log LogK LogMK及 可随M变化 GPC中的大分子结构形态 支化降低了大分子的尺寸 对于同样分子量的大分子来说 branch linear支化指数表示了支化程度的特性g branch linear 1支化聚合物的支化指数 g g SCBg LCB GPC中的大分子结构形态 线性聚合物有线性的MH曲线 Log lin LogKlin linLogM具有短链支化 short chainbranches 的聚合物同样具有线性的曲线但是 KSCB Klin 并且 SCB ling SCB 1 常数 不依赖于M 线性粘度理论曲线用Mark Houwink方程式描述 多检测器的比较 溶剂特性 各种样品所对应的溶剂条件 PolyisobutylenePolybutyleneChlorinatedRubberPolybutadienePolyisoprenePolydimethylsiloxaneChlorinatedPolyethylenePolyethylene EthylacrylatePolyethylene Vinylac
