凝膠色譜測定聚合物相對分子質量及其分布
發布時間：2020-09-13作者：lht來源：點擊： 次
在凝膠色譜技術應用之前, 許多經典方法都可以測定高聚物的相對分子質量, 如端基測定法、滲透壓法、粘度法等, 但在測定時都有局限。在相對分子質量分布 (多分散性指數) 成為人們關注的熱點后, 經典方法卻不能同時測定聚合物的相對分子質量分布。凝膠 (滲透) 色譜 (GPC) 的應用改善了測試條件, 并提供了可以同時測定聚合物的相對分子質量及其分布的方法, 使其成為測定高分子相對分子質量及其分布最常用、快速和有效的技術。而GPC與多檢測器的連用技術使得現在的凝膠色譜方法能夠提供更豐富的聚合物的結構信息。
1 凝膠色譜分離機理
GPC也可稱為體積排阻色譜 (SEC) , 是一種用溶劑作流動相, 多孔性填料或凝膠作為分離介質的柱色譜。接上不同的檢測器, GPC可以同時測定聚合物的各種相對分子質量及其分布。試樣在色譜柱中按分子尺寸大小被分離后, 經柱出口處的檢測器檢測分離后各組分的濃度, 由此得到試樣的色譜圖。如果需要同時測定高聚物的相對分子質量及其分布, 則需在色譜柱的出口處放置2個檢測器, 一個檢測濃度, 一個檢測相對分子質量。2個檢測器的訊號同時輸入記錄儀可以得到反映相對分子質量分布的色譜圖。濃度檢測器最常用的是示差折光檢測器, 紫外吸收檢測器和紅外吸收檢測器相對分子質量檢測器有激光光散射檢測器和自動粘度計。在測定速度、可操作性、工作效率等諸多方面, 凝膠色譜法都具有與經典方法無可比擬的優勢, 且其結果與經典方法測定的有良好的一致性。
2 GPC的標定方法
GPC需要通過標定曲線計算聚合物相對分子質量, 所以標定曲線的準確與否直接影響分析結果。檢測方法可大致分為兩大類, 即間接測定法和直接測定法[1]。
間接法是由淋洗體積 (V) 與聚合物相對分子質量 (M) 間的關系 (lg M-V) , 來間接測定聚合物相對分子質量及其分布。主要有以下幾種標定方法:窄分布標樣校正法、漸進試差法、普適校正法、無擾均方末端距標定法及有擾均方末端距標定法[2]。直接法可分為粘度法、光散射法。
2.1 窄分布標樣校正法
2.2 漸進試差法
漸進試差法也可稱為寬分布標樣校正法。這種方法不需要窄分布樣品, 其標樣可為2～3個不同相對分子質量的寬分布標樣 (平均相對分子質量精確測量, 為已知) 。采用數學處理方法得到漸進試差法的校正曲線。
漸進試差法的優點是不需要窄分布標樣, 實驗操作方便, 但不能確定凝膠柱的排斥和滲透極限, 只適用于線性校正曲線, 得到的校正曲線也只是近似的。
2.3 普適校正法
GPC反映的是淋洗體積與高聚物流體力學體積間的關系。根據Einstein粘度關系:
只要知道2種高聚物在實驗條件下的參數K1, α1, K2, α2的值, 就可由第一種高聚物的校正曲線依上式得到第二種高聚物的校正曲線。
實驗證明該法對線性和無規線團形狀的高分子的普適性較好, 對長支鏈高分子或棒狀剛性高分子的普適性還有待進一步研究。
此法的優點是只要用一種高聚物 (一般用窄分布聚苯乙烯) 作標準曲線就可以測定其他類型的聚合物, 但先決條件是2種高聚物的K和α值必須已知, 否則仍無法進行定量計算。
2.4 無擾和有擾均方末端距標定法
高分子具有鏈狀結構, 鏈的卷曲程度可以用高分子鏈兩端的直線距離即末端距 (h) 來衡量。是一個統計平均值通常用它的平方的平均表示, 稱為均方末端距。由于與高聚物分子體積密切相關, 如不考慮高聚物和溶劑之間的相互作用, 此時均方末端距稱為是無擾均方末端距;若考慮高分子溶液中高分子鏈和溶劑之間的相互作用, 此時的末端距則為有擾均方末端距。
但末端距受到溶劑、溫度、壓力以及GPC分離條件等因素的影響, 高分子鏈兩端的統計平均距離很難反映末端距的真實情況。因此在實際使用中受到限制。
2.5 粘度法
用自動粘度檢測器測定柱后流出液的特性粘度[η]。依照Mark-Houwink方程, 以Waters150C使用的單毛細管粘度檢測器為例[3]。流體通過毛細管的壓差ΔP與流體粘度η成正比:
其中, L為毛細管長度, r為毛細管內徑, F為流體流速。
當毛細管形狀和流速一定時, 溶液和溶劑的壓差比ΔPi/ΔPo等于它們的粘度比ηi/ηo。所以GPC中任意級分流出液的[η]I, 可用下式表示:
GPC流出液的濃度是很低的, 符合Ci※0的條件。式中的Ci可以通過濃度型檢測器檢測出。
粘度法是多檢測GPC技術中常用的檢測方法, 而且發展出了多種粘度檢測技術, 如上面提到的Waters的單毛細管, 還有Dupont的雙毛細管[4]和Viscotek的四毛細管技術[5]。但這類檢測器在使用時對流體流速和粘度劑溫度的要求都很高。
2.6 光散射法
此法可以直接測定淋出液中聚合物的重均分子質量, 是一種測定絕對相對分子質量的方法[6]。此法使用的儀器為小角激光光散射檢測器 (LALLS) , 工作原理是當光通過高分子溶液時, 會產生瑞利散射, 散射光強及其對散射角θ (即入射光與散射光測量方向的夾角) 和溶液濃度 (C) 的依賴性與聚合物的相對分子質量、分子尺寸、分子形態有關, 因此可用光散射的方法研究高分子溶液的相對分子質量的參數。以瑞利比Rθ來描述散射光:
I, I0分別代表入射光和散射光強度;r′為觀察點與散射中心的距離。LALLS法與一般光散射方法相比, 其特點是可以在θ※0和C※0的條件下測定, 使計算大大簡化。Rθ與溶質的重均相對分子質量Mw的關系為:
K′, A2為儀器常數;當測定溶液摩爾濃度C※0時, 上式可簡化為K′C/Rθ=1/Mw, C可以通過濃度型檢測器測得。
激光光散射檢測技術已成為現今測定絕對相對分子質量廣泛使用的方法之一。
3 應用舉例
凝膠色譜技術首先在生物和制藥領域得到廣泛應用, 李靜等就曾利用GPC測定了木素磺酸鹽和磺化堿木素、堿木素和硫酸鹽木素的相對分子質量及其分布[7,8];也有人利用GPC對生物組織樣品中的微量多環芳烴進行了測定[9];Gilaspie等采用加SEC/RI/DV雙檢測器連用對具代表性的多聚糖高分子, 如葡聚糖、生麥糊精、淀粉、角叉 (菜) 膠、玻璃 (糖醛) 酸和甲殼胺進行了詳細地研究, 了解在各種條件下它們的相對分子質量及其分布情況和降解程度與途徑[10]。
近幾十年來, 凝膠色譜在其他分析領域內也得到了長足的發展。嵇培軍曾利用高溫凝膠色譜對超高相對分子質量聚乙烯 (UHMWPE) 的相對分子質量及其分布做過詳細地研究[11,12], 建立了真實的聚乙烯 (PE) 校準曲線, 比較了用真實校準曲線測定結果與其他校準方法測定結果間的差異。試驗證明用真實校準曲線得到的UHMWPE相對分子質量及其分布結果更為準確;試驗也考察了溫度等因素對測定結果的影響。此外, 嵇培軍還利用凝膠色譜對SBS型膠束的動力學行為和降解行為進行了研究[13,14]。
李凌波等將凝膠色譜技術應用于環境監測, 檢測了環境中的苯系物[15～17]。凝膠色譜在塑料的研發和制造中的應用也越來越受到重視, 張廷芹等都曾做過此方面的研究, 他們先后對不同牌號的PE和聚丙烯的相對分子質量和相對分子質量分布進行了測定[18]。
現今多檢測器聯用技術也成為GPC/SEC滲透色譜發展的方向多檢測器聯用使GPC/SEC技術可獲得較之單檢測器更為豐富的信息。對線性均聚物可獲得重均相對分子質量及其分布、均方旋轉半徑、特性粘數分布等參數;對支化高分子可獲得有關支化和支化分布的有關信息;對多組分高分子可直接獲得Mw, Mn以及組成分布等信息。文獻報道的多檢測器聯用GPC技術有[19]: (1) 雙檢測器聯用技術, 包括示差折光指數-小角激光光散射 (RI-LALLS) ;示差折光指數-直角激光光散射 (RI-RALLS) , 示差折光指數-多角激光光散射 (RI-MALLS) , 示差折光指數-毛細管粘度計 (RI-IV) 。 (2) 三檢測器聯用技術有RI-LS-DV, RI-LS-UV (IR) , RI-DV-UV (IR) 等。 (3) 多檢測器聯用技術有RI-LS-DV-UV (IR) 等。
Haney介紹了SEC與差示粘度計DV/RI的聯用技術。通過對聚苯乙烯 (PS) 、聚氯乙烯 (PVC) 、聚丁二烯 (PBD) 、環氧樹脂 (EP) 和聚合物抗氧劑譜圖的研究, 表明雙檢測器連用技術不僅可用于普適標定, 而且還可以不必考慮所測高分子是否符合普適標定就可測定任何高分子的特性粘數分布 (IVD) [20]。Wang等采用SEC/DV檢測器測量丙烯酸類高分子的真實相對分子質量和支化信息, 其結果與用LALLS得到的數據完全吻合, 并比較Mw相同的不同高分子的特性粘數, 驗證了丙烯酸系列線性結構高分子的特性粘數較支化結構的丙烯酸高[21]。Yau等認為當使用SEC/LS/DV三檢測器時其優勢遠大于每種檢測器的簡單加和, 可提供可信的MHS方程指數、長鏈支化分布和高分子結構差異等信息[22]。采用這種檢測技術表征了線性的和含有高度支化的磷酸環氧多元醇, 結果表明線性結構的磷酸環氧多元醇從端羥基反應通過鏈伸展固化產生了比高度支化結構剛性小的材料, 改善了熱固性涂層的柔性;該工作表明多檢測GPC不僅可用于理論研究, 還能對實際應用起非常重要的作用。
黃懌等用GPC-IR/RALLS/VISCO對多種類型的高聚物試樣進行了表征和理論研究, 其中包括Mark-Houwink方程指數α隨相對分子質量的變化、二嵌段共聚物在良溶劑中的粘度行為和分子尺寸理論、Flory特征比C∝與分子鏈結構的關系、氘化PS與非氘化PS的溶液性質比較和超支化分子的研究[23]
4 結論
GPC技術使人們在更大的程度上了解了自然界中的聚合物, 并在人工合成聚合物方面取得了長足的進步。許多和GPC相關的技術應用和先進的檢測方法的發展, 將提供給人們更豐富的關于聚合物結構和分子狀態的信息。
