试验4体积排除色谱OK!

1、实验四 体积排除色谱(SEC)法测定聚合物的分子H及分子H分布分子量的多分散性是高聚物的基本特征之一。聚合物的性能与其分子量和分子量分布密切相关。体积排除色谱( size exclusion chromatography , SEC)是液相色谱 的一个分支，已成为测定聚合物分子量分布和结构的最有效手段。其还可测定聚合 物的支化度，共聚物及共混物的组成。采用制备型的色谱仪，可将聚合物按分子量 的大小分级，制备窄分布试样，供进一步分析和测定其结构。该方法的优点是：快 捷、简便、重视性好、进样量少、自动化程度高。体积排除色谱在一段 时期内常称为凝胶渗透色谱(gel permeation chroma

2、tography , GPC)、凝胶过滤色谱(gel filtration chromatography , GFC)、凝胶 色谱。从分离机理看，使用体积排除色谱较为确切。一、实验目的：1 .了解SEC法测定高聚物分子量及分子量分布的原理；2 .掌握 Waters- 510型仪器的操作技术；3 .掌握SEC数据处理方法。二、基本原理：体积排除色谱(SEC)分离机理认为在多孔载体(其孔径大小有一定的分布， 并与待分离的聚合物分子尺寸可比拟的凝胶或多孔微球)充填的色谱柱里引入聚合 物溶液，用溶剂淋洗，体系是处于扩散平衡的状态。聚合物分子在柱内流动过程中，不同大小的分子向载体孔洞渗透的程度不同，大分

3、子能渗透进去的孔洞数目比小分 子少，有些孔洞即使大小分子都能渗透进去，但大分子能渗透的深度浅。溶质分子 的体积越小渗透进去的几率越大，随着溶剂流动，它在柱中保留的时间越长。如果 分子的尺寸超过载体孔的尺寸时，则完全不能渗透进孔里，只能随着溶剂从载体的 粒间空隙中流过，最先淋出。当具有一定分子量分布的高聚物溶液从柱中通过时， 较小的分子在柱中保留的时间比大分子保留的时间要长，于是整个样品即按分子尺 寸由大到小的顺序依次流出。色谱柱总体积为 Vt,载体骨架体积为 Vg,载体中孔洞总体积为Vi,载体粒间体积为Vo,则Vt = Vg+ V°+ ViVo和Vi之和构成柱内的空间。溶剂分子体积远

4、小于孔的尺寸，在柱内的整个空间（V0+ Vi）活动；高分子的体积若比孔的尺寸大，载体中任何孔均不能进入，只能在载体粒间流过，其淋出体积是V。；高分子的体积若足够小，如同溶剂分子尺寸，所有的载体孔均可以进出，其淋出体积为（V0 + Vi）;高分子的体积是中等大小的尺寸，它只能在载体孔 Vi的一部分孔中进出，其淋出体积Ve为Ve= V0 + KViK为分配系数，其数值 0 < K < I,与聚合物分子尺寸大小和在填料孔内、外的浓度 比有关。当聚合物分子完全排除时，K= 0;在完全渗透时，K = 1 （见图4-1）。当K10T 为。保就和=0时，Ve= V0；,此处所对应的聚合物 分子量

5、是该色谱柱的渗透极限（PL），商品SEC仪器的PL常用聚苯乙烯的分子 量表示。聚合物分子量超过 PL值时，只 能在V0以前被淋洗出来，没有分离效 果。图 4-1 M IV0和Vg对分离作用没有贡献，应设 法减小；Vi是分离的基础，其值越大柱 子分离效果越好。制备孔容大，能承受 压力，粒度小，又分布均匀，外形规则 （球形）的多孔载体，让其尽可能紧密 装填以提高分离能力。柱效的高低，常 采用理论塔板数N和分离度R来作定性的描述。测定 N的方法可以用小分子物质作出色谱图，从图上求得流出体积Ve和峰宽W,以下式计算N值：N= （4Ve/W） 2, N值越大，意味着柱子的效率越高。“I”、“2”代表分子

6、量不同的两种标准样品，Ve,l、Ve,2、Wi, W2为其淋出体积和、2 Ve,2 -Ve,i_峰宽，分离度 R的计算为R=，若R> 1,则完全分离。Wi W2上面阐述的SEC分离机理只有在流速很低，溶剂粘度很小，没有吸附，扩散处 于平衡的特殊条件下成立，否则会得出不合理的结果。实验测定聚合物 SEC谱图，所得各个级份的分子量测定，有直接法和间接法。直接法是指SEC仪和粘度计或光散射仪联用； 而最常用的间接法则用一系列分子量 已知的单分散的（分子量比较均一）标准样品，求得其各自的淋出体积 Ve,作出logM 对Ve校正曲线（图4-1 ）。logM = A- BVe （1）当logM &g

7、t; logM a时，曲线与纵轴平行，表明此时的流出体积（V°）和样品的分子是无关，V0即为柱中填料的粒间体积，Ma就是这种填料的渗透极限。当 logMvlogMa时，Ve对M的依赖变得非常退钝，没有实用价值。在 logMa和logM d点之间 为一直线，即式（1）表达的校正曲线。式中 A、B为常数，与仪器参数、填料和实 验温度、流速、溶剂等操作条件有关，B是曲线斜率，是柱子性能的重要参数，B 数值越小，柱子的分辨率越高。上述订定的校准曲线只能用于与标准物质化学结构相同的高聚物，若待分析样品的结构不同于标准物质，需用普适校准线。SEC法是按分子尺寸大小分离的，即淋出体积与分子线团体积

8、有关，利用Flory的粘度公式：3i I- '1 lM =R3MR为分子线团等效球体半径。dM是体积量纲，称为流体力学体积。众多的实验中 得出4M的对数与Ve有线性关系。这种关系对绝大多数的高聚物具有普适性。普 适校准曲线为i''/ C、log n】M =A - B Ve (2)因为在相同的淋洗体积时，有rlM 1= r2M2 ( 3)式中下标1和2分别代表标样和试样。它们的 Mark - Houwink方程分别为i =KiM12 = k2m 2 -21，k,因此可得M2 = XM1C2+ (4)卜1K1：1 .1,、或log M 2 =log log M 1 ( 5)

9、：2 1 K2：2 . 1将(5)式代入，即得待测试样的标准曲线方程1Ki >11:T . 1log M 2 =log 一 A BVe = A - B Ve:1 . 1 K2: 2 . 1: 2 . 1K1、K2、a 1、a 2可以从手册查到，从而由第一种聚合物的M-Ve校正曲线，换算成第二种聚合物的 M-Ve曲线，即从聚苯乙稀标样作出的 M-Ve校正曲线，可以换算 成各种聚合物的校正曲线。三、仪器与样品Waters 510液相色谱仪、聚苯乙烯样品、四氢吠喃溶剂。四、实验步骤1 .流动相的准备：重蒸四氢吠喃，经5砂芯漏斗过滤后备用。2. 溶液配制：分别配制5ml的聚苯乙烯标样及待测样品的

10、溶液（浓度为0.05-0.3%）, 溶解后，经5*砂芯漏斗过滤备用。3. Waters-500型液相色谱仪的启动：（1）将经过脱气的四氢吠喃倒人色谱仪的溶剂瓶，色谱仪出口接上回收瓶。（2） 打开泵（Waters-510），从小到大调节流量，最后流速稳定在1.0ml/min。（3）打开示差折光检测器（Waters-410），同时按下示差检测器面板上的 “ 2ND FUNC ” 和“ PURGE”键，使淋洗液回流通过参比池；进样前再按下“ CLEAR”键，使流 路切换回原位。（4）打开计算机，联机记录。4 .进样：待记录的基线稳定后，将进样器把手扳到“ LOAD ”位（动作要迅速）， 用进样注射器

11、吸取样品 50 l,并注入进样器（注意排除气泡）。这时将进样器把手 扳到“INJECT ”位（动作要迅速），即进样完成，同时应作进样记录。一样品测试 完成（不再出峰时），可按前面步骤再进其他样品。5.试验结束，应清洗进样器，再依次关机。五记录及数据处理1 . GPC谱图的归一化处理如果仪器和测试条件不变，那么实验得到的谱图可作为试样之间分子量分布的一种直观比较。一般地，应将原始谱图进行“归一化”后再比较。所谓“归一化”，就是把原始谱图的纵坐标转换为重量分数，以便于比较不同的实验结果和简化计算。具体作法：确定色谱图的基线后，把色谱峰下的淋出体积等分为20个计算点。记下这些计算点处的总坐标高度Hi （它正比于被测试样的重量浓度）。把所有的Hi加和后得到2 Hi （它正比于被测试样的总浓度）。那么，Hi/2 Hi就等于各计算点处 的组分点总试样的重量分数，以Hi/二H对Ve （或logM ）作图就得归一化的 GPC图。2 .计算M w、M n、M叽及分散度d令 Wi= Hi/ 2 Hi/ . V1一 一_ Wi. _ c 一、M按定义有：MwHlMjWj； Mn=fi ; M 听=（£可叫F; d =甘计算所需的Mi值可由校正曲