X8凝胶渗透色谱法测定聚合物的分子量分布

1、X8凝胶渗透色谱法测定聚合物的分子量大小凝胶渗透色谱（gelpermeationchromatography,GPC）是利用高分子溶液通过填充有特种凝胶的柱子把聚合物分子按尺寸大小进行分离的方法。GPC是液相色谱，能用于测定聚合物的分子量及分子量分布，也能用于测定聚合物内小分子物质、聚合物支化度及共聚物组成等，以及作为聚合物的分离和分级手段。聚合物的分子量及分子量分布是聚合物性能的重要参数之一，它对聚合物的物理机械性能影响很大。通过GPC法可实现对分子量及其分布的快速自动测定。因此，GPC至今已成为聚合物材料一种必不可少的分析手段。1目的要求a）了解凝胶渗透色谱法（GPC）的基本原理，初步掌握

2、GPC的进样、淋洗、接收、检测等基本操作及数据处理方法。b）掌握GPC法测定聚合物的分子量及分子量分布。2实验原理2.1 分离机理GPC的工作原理有各种说法，比较流行的是体积排除理论，因此GPC技术又称为体积排除色谱（sizeexclusionchromatography,SEC）。GPC法是利用不同尺寸的聚合物分子在多孔填料中孔内外分布不同而进行分离分级的。在GPC分离的核心部件色谱柱内装有多孔性填料（成为凝胶或多孔微球），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相比拟。当被分析的样品随着淋洗溶剂（流动相）进入色谱柱后，体积很大的分子不能渗透到凝胶孔穴中而受到排阻，最先流出色谱柱

3、；中等体积的分子可以渗透凝胶的一些大孔，而不能进入小孔，产生部分渗透作用，比体积大的分子流出色谱柱的时间稍后；较小的分子能全部深入凝胶内部的孔穴中，而最后流出色谱柱。因此，聚合物淋出体积与其分子量有关，分子量越大，淋出体积越小。色谱柱总面积Vt包3部分VtVgVoVi式中，Vg为填料的骨架体积；Vo为填料微粒紧密堆积后的粒间空隙；Vi为填料孔洞的体积；（V。M）是聚合物分子可利用的空间。由于聚合物分子在填料孔内、外分布不同，故实际可利用的空间为VVoKVi式中，K为分布系数，其数值0WKW1,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

4、。尺寸大小（分子量）不同的分子有不同的K值，因此有不同的淋出体积Ve。当K=0是，VeV0,此处所对应的聚合物分子量，是该色谱柱的渗透极限（PL）,聚合物分子量超过PL值时，只能在V。以前被淋洗出来，没有分离效果。2.2 检测机理除了将分子量不同的分子分离开来，还需要测定其含量和分子量。实验中用示差折光仪测定淋出液的折光指数与纯溶剂的折光指数之差An,而在稀溶液范围内An与淋出组分的相对浓度Ac成正比，则以An对淋出体积（或时间）作图可表征不同分子的浓度。图1为折光指数之差An（浓度响应）对淋出体积（或时间）作图得到的GPC谱图示意图。图1折光指数之差An对淋出体积作图得到的GPC示意谱图。2

5、.3 校正曲线用已知相对分子质量的单分散标准聚合物预先做一条淋洗体积或淋洗时间和相对分子质量对应关系曲线，该线称为“校正曲线”。聚合物中几乎找不到单分散的标准样，一般用窄分布的试样代替。在相同的测试条件下，做一系列的GPC标准谱图，对应不同相对分子质量样品的保留时间，以lgM对t作图，所得曲线即为“校正曲线”；用一组已知分子量的单分散性聚合物标准试样，以它们的峰值位置的Ve对lgM作图，可得GPC校正曲线（如图2）。图2.GPC校正曲线示意图。由图2可见，当lgM>a与lgMvb时，曲线与纵轴平行，说明此时的淋洗体积与试样分子量无关。VoMVo是凝胶选择性渗透分离的有效范围，即为标定曲线

6、的直线部分，一般在这部分分子量与淋洗体积的关系可用简单的线性方程表示：lgMABVe式子中A、B为常数，与聚合物、溶剂、温度、填料及仪器有关，其数值可由校正曲线得到。对于不同类型的高分子，在分子量相同日其分子尺寸并不一定相同。用PS（聚苯乙烯）作为标准样品得到的校正曲线不能直接应用于其他类型的聚合物。而许多聚合物不易获得再分布的标准样品进行标定，因此希望能借助于某一聚合物的标准样品在某种条件下测得的标准曲线，通过转换关系在相同条件下用于其它类型的聚合物试样。这种校正曲线称为普适校正曲线。根据Flory流体力学体积理论，对于柔性链当下式成立时两种高分子具有相同的流体力学体积，则有下式成立：lMi

7、2M2再将Mark-Houwink方程M三支加代入上式可得：/孩口=答+肱11+6K飞1+%由此，如已知在测定条件下两种聚合物的K、“值，就可以根据标样的淋出体积与分子量的关系换算出试样的淋出体积与分子量的关系，只要知道某一淋出体积的分子量M1,就可算出同一淋出体积下其它聚合物的分子量M2。2.4 柱效率和分离度与其他色谱分析方法相同，实际的分离过程非理想，同分子量试样在GPC上的谱图有一定分布，即使对于分子量完全均一的试样，其在GPC的图谱上也有一个分布。采用柱效率和分离度能全面反映色谱柱性能的好坏。色谱柱的效率是采用“理论塔板数”N进行描述的。测定N的方法使用一种分子量均一的纯物质，如邻二

8、氯苯、苯甲醇、乙睛和苯等作GPC测定，得到色谱峰如图3所示。TWf*-Wg-图3.柱效率和分离度示意图。从途中得到峰顶位置淋出体积VR,峰底宽W,按照下式计算N:N16(Vr/W)2对于相同长度的色谱柱，N值越大意味着柱子效率越高。GPC柱子性能的好坏不仅看柱子的效率，还要注意柱子的分辨能力，一般采用分离度R表示：R2(V2V1)/(叫W2)如图3所示的完全分离情形，此时R应大于或等于1,当R小于1时分离是不完全的。为了相对比较色谱柱的分离能力，定义比分离度Rs,它表示分子量相差10倍时的组分分离度，定义为：Rs2(V2V1)/(W1W2)(lgMw1IgMw2)3材料、试剂和仪器设备3.1

9、材料聚苯乙烯（PS）3.2 试剂Ja）浓度为10mg/mL的聚苯乙烯溶液试样；b）一系列不同分子量的窄分布聚苯乙烯溶液；c）四氢吠喃。3.3 仪器设备Waters1515IsocraticHPLC型凝胶色谱仪（带有示差折光检测装置）。凝胶色谱仪主要由输液系统、进样器、色谱柱（可分离分子量范围2X1022X106）、示差折光仪检测器、记录系统等组成。4操作方法4.1 调试运行仪器选择匹配的色谱柱，在实验条件下测定校正曲线（一般是35C）。这一步一般由任课老师事先准备。4.2 配制试样溶液使用纯化后的分析纯溶剂配制试样溶液，浓度10mg/mL。使用分析纯溶剂，需经过分子筛过滤，配置好溶液需静置一天

10、。这一步一般由任课老师事先准备。4.3 仪器状态调整a）根据说明书要求，对仪器进行Purge排气冲洗排液操作；4.4 样品测试a）创建项目；b）创建仪器测定方法（主要设定流速、柱温和检测器温度），并保存；c）平衡系统：选择之前建立的测定方法，平衡系统，直至基线平稳，停止平衡；d）进样：用四氢吠喃冲洗微量进样器，并吸取超过20uL的样品；e）单击采集栏的（MakeSingleInjection）:输入相关信息后，确认进样口处于Load位置，按Inject,然后注入适量样品溶液，注意避免引入气泡，等电脑屏幕上出现提示画面时，将进样口扳至Inject位置，这时提示画面消失，数据采集开始，将进样口扳回

11、Load位置，拔出注射器。放回保护阵和盖好盖子。4.5 标准曲线制备a）点击命令栏中的"FindData",选择显示"Channel”面板；b）选择所要处理的数据，点击“AlferSample”;c）点击"Component”输入样品信息，点击OK,选择Save,然后Exit。d）点击“处理方法向导”，根据软件提示设定参数。e）保存处理方法。f）选择需要处理的数据，点击右键，在右键菜单中选择Process,使用刚建立保存的方法进行处理，点击“校正曲线”图标即可浏览校正曲线及相关系数。4.6 处理样品数据a）在Channel面板中选择所要处理的数据，右键单击选择Review;b）选才OOpenmethod,选择之前建立的处理方法，点击Open;c）点击”处理方法向导”,选择EditExistingProcessingParameterandKeeptheCalibration，然后点击OK。d）选择合适的积分参数，按照软件提示进行操作。4.7 打印报告a）单击命令栏的“FindData”，在“Result”下选择已处理好需要打印的样品名，按“打印预览”按钮，在出现的对话框中选择"Broodunkownuniversal”报告格式，按"Prin