第11章 GPC法-2(一次课)

1、第第11章凝胶渗透色谱法章凝胶渗透色谱法(GPC) 0 0、聚合物分子量简介、聚合物分子量简介1 1、GPCGPC引言引言2 2、凝胶渗透色谱法的基本原理、凝胶渗透色谱法的基本原理3 3、凝胶色谱仪、凝胶色谱仪4 4、载体和色谱柱、载体和色谱柱5 5、GPCGPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用6 6、GPCGPC在聚合物中的应用实例在聚合物中的应用实例7 7、GPCGPC联用技术联用技术 一、分子量大一、分子量大 分子量大是高分子的根本性质分子量大是高分子的根本性质高分子的许多特殊性质都与分子量大有关，如：高分子的许多特殊性质都与分子量大有关，如：高分子的

2、溶液性质：难溶，甚至不溶，溶解过程往高分子的溶液性质：难溶，甚至不溶，溶解过程往 往要经过溶胀阶段。往要经过溶胀阶段。溶液粘度比同浓度的小分子高得多。溶液粘度比同浓度的小分子高得多。分子之间的作用力大分子之间的作用力大,只有液态和固态只有液态和固态,不能汽化不能汽化 固体聚合物具有一定的力学强度固体聚合物具有一定的力学强度,可抽丝、能制膜可抽丝、能制膜 。0、分子量简介、分子量简介 二、分子量具有多分散性（二、分子量具有多分散性（Polydispersity） 高分子不是由单一分子量的化合物所组成，即使是一高分子不是由单一分子量的化合物所组成，即使是一 种种“纯粹纯粹”的高分子，也是由化学组成

3、相同、分子量的高分子，也是由化学组成相同、分子量不不 等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。 这种高分子的分子量不均一这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差即分子量大小不一、参差 不齐）的特性，就称为分子量的多分散性。不齐）的特性，就称为分子量的多分散性。 一般测得的高分子的分子量都是平均分子量。聚合物一般测得的高分子的分子量都是平均分子量。聚合物 的平均分子量相同，但分散性不一定相同。的平均分子量相同，但分散性不一定相同。0、分子量简介、分子量简介 三、平均分子量的表示方法三、平均分子量的表示方法 （1）数均分子量（）数均分子量（Numbe

4、r-averagemolecularweight）按聚合物中含有的分子数目统计平均的分子量，按聚合物中含有的分子数目统计平均的分子量，高分子样高分子样品中所有分子的总重量除以其分子品中所有分子的总重量除以其分子(摩尔摩尔)总数总数式中，式中，Wi，Ni，Mi分别为分别为i-聚体的重量、分子数、分子量聚体的重量、分子数、分子量i=1数均分子量是通过依数性方法数均分子量是通过依数性方法(冰点降低法、沸点升高法、冰点降低法、沸点升高法、渗透压法、蒸汽压法渗透压法、蒸汽压法)和端基滴定法测定。和端基滴定法测定。0、分子量简介、分子量简介 （2）重均分子量（）重均分子量（ Weight-average

5、molecular weight）是按照聚合物的重量进行统计平均的分子量，是按照聚合物的重量进行统计平均的分子量， i-聚体的聚体的分子量乘以其重量除以其重量的加和。分子量乘以其重量除以其重量的加和。 测定方法：光散射法测定方法：光散射法三、平均分子量的表示方法三、平均分子量的表示方法 0、分子量简介、分子量简介 （3）Z均分子量（均分子量（Z-average molecular weight ） 按照按照Z值统计平均的分子量值统计平均的分子量 三、平均分子量的表示方法三、平均分子量的表示方法 0、分子量简介、分子量简介 三种分子量可用通式表示：三种分子量可用通式表示： 三、平均分子量的表示方

6、法三、平均分子量的表示方法 0、分子量简介、分子量简介 （4）粘均分子量（）粘均分子量（Viscosity- average molecular weight）对于一定的聚合物溶剂体系，其对于一定的聚合物溶剂体系，其特性粘度特性粘度和分子量的关系和分子量的关系如下：如下： Mark-Houwink方程方程（K,方程）方程）K, 是与聚合物、溶剂有关的常数是与聚合物、溶剂有关的常数一般，一般， 值在值在0.51之间，故之间，故 三、平均分子量的表示方法三、平均分子量的表示方法 0、分子量简介、分子量简介相对粘度：相对粘度：增比粘度：增比粘度： 比浓粘度：比浓粘度：比浓对数粘度：比浓对数粘度：特性

7、粘度特性粘度： 0r0100rspCspCrlnCCrCspClnlimlim00 常用的粘度概念：常用的粘度概念：溶剂粘度溶剂粘度溶液粘度溶液粘度 举例：设一聚合物样品，其中分子量为举例：设一聚合物样品，其中分子量为104的分子有的分子有10 mol, 分子分子量为量为105的分子有的分子有5mol，求分子量。，求分子量。 0、分子量简介、分子量简介定义定义：色谱法色谱法 (chromatography)，是一种物，是一种物理或物理化学的分离、分析方法。理或物理化学的分离、分析方法。原理原理：利用物质在：利用物质在固定相固定相和和流动相流动相中的中的分配系分配系数不同数不同，使混合物中的各组

8、分分离。使混合物中的各组分分离。以前学过的分离方法有：以前学过的分离方法有：1.1.沉淀法：沉淀法：是利用物质是利用物质溶解度的不同溶解度的不同而进行分离而进行分离。2. 2. 蒸馏法：蒸馏法：是利用有机物是利用有机物沸点的差异沸点的差异进行分离。进行分离。3. 3. 萃取法：萃取法：是利用组分在水相和有机相（互不相溶）中的是利用组分在水相和有机相（互不相溶）中的分配分配 系数不同进行系数不同进行而分离而分离。 一、引言一、引言 1创立：创立：1906年，俄国植物学家年，俄国植物学家Tsweet 植物色素分离植物色素分离见图示见图示 2现状：一种重要的现状：一种重要的分离、分析技术分离、分析技

9、术 分离混合物各组分并加以分析分离混合物各组分并加以分析,还可以进还可以进行制备。行制备。 固定相固定相除了固体，还可以是液体除了固体，还可以是液体 流动流动相相液体或气体液体或气体 色谱柱色谱柱各种材质和尺寸各种材质和尺寸 被分离组分被分离组分不再仅局限于有色物质不再仅局限于有色物质跳转跳转碳酸钙碳酸钙（固定相）（固定相）色素混合液色素混合液石油醚石油醚(流动相）流动相）色谱柱色谱柱1906年，Tsweet发现色谱分离现象植物色素分离图示植物色素分离图示返回返回一、引言一、引言凝胶色谱法是一种新型的液体色谱凝胶色谱法是一种新型的液体色谱 (Gel Permeation Chromatogra

10、phy 简称简称 GPC) 别名：体积排除色谱别名：体积排除色谱(Size Exclusion Chromatography(Size Exclusion Chromatography，SECSEC) ) 凝胶过滤色谱凝胶过滤色谱(Gel Filtration Chromatography(Gel Filtration Chromatography，GFCGFC) ) 19641964年由年由J. C. MooreJ. C. Moore首先研究成功首先研究成功在总结前人经验的基础上，结合大网状结构离子交换树脂制在总结前人经验的基础上，结合大网状结构离子交换树脂制备的经验，将高交联度聚苯乙烯凝胶

11、用作柱填料，同时配以连续备的经验，将高交联度聚苯乙烯凝胶用作柱填料，同时配以连续式高灵敏度的示差折光仪，制成了快速且自动化的高聚物分子量式高灵敏度的示差折光仪，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，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱及分子量分布的测定仪，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技术。技术。 一、引言一、引言 主要特点主要特点 操作简便快捷、进样量小、操作简便快捷、进样量小、 数据可靠且重现性好、自动化程度高等。数据可靠且重现性好、自动化程度高等。 应用领域应用领域 应用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、应用于聚合物分子量及其分布、聚合物的支化度、共聚物及共混物的

12、组成、聚合物分级及其结构分析、共聚物及共混物的组成、聚合物分级及其结构分析、高聚物中微量添加剂的分析等。高聚物中微量添加剂的分析等。二、凝胶渗透色谱法的基本原理二、凝胶渗透色谱法的基本原理 当被分析的试样随着淋洗溶剂引入柱子后，溶质分子即当被分析的试样随着淋洗溶剂引入柱子后，溶质分子即向填料内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的孔外，还向填料内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的孔外，还能进入较小的孔；较大分子则只能进入较大的孔；而比最大能进入较小的孔；较大分子则只能进入较大的孔；而比最大的孔还要大的分子就只能留在填料颗粒之间的空隙中。因此，的孔还要大的分子就只能留在填料颗粒之间的空隙中。因此

13、，随着溶剂的淋洗，大小不同的分子就得到分离，较大的分子随着溶剂的淋洗，大小不同的分子就得到分离，较大的分子先被淋洗出来，较小的分子较晚被淋洗出来。先被淋洗出来，较小的分子较晚被淋洗出来。 二、凝胶渗透色谱法的基本原理二、凝胶渗透色谱法的基本原理VtV0ViVgVt: 色谱柱总体积色谱柱总体积 V0: 载体的粒间体积载体的粒间体积Vi: 载体内部的空洞体积载体内部的空洞体积 Vg: 载体的骨架体积载体的骨架体积体积排除机理体积排除机理高分子：高分子：1) 1) 体积比孔洞尺寸大，淋出体积即为体积比孔洞尺寸大，淋出体积即为V V0 0; ; 2) 2) 体积远小于所有孔洞体积，淋出体积即为体积远小

14、于所有孔洞体积，淋出体积即为V V0 0 +V +Vi i ; ; 3) 3) 体积中等，淋出体积则大于体积中等，淋出体积则大于V V0 0，小于，小于V V0 0 +V +Vi i. .二、凝胶渗透色谱法的基本原理二、凝胶渗透色谱法的基本原理 溶质分子的体积越小，其淋出体积越大。溶质分子的体积越小，其淋出体积越大。这种解释不考虑溶质与载体之间的吸附效应以这种解释不考虑溶质与载体之间的吸附效应以及在流动相和固定相之间的分配效应，其淋出及在流动相和固定相之间的分配效应，其淋出体积仅仅由溶质分子尺寸和载体的孔尺寸决定，体积仅仅由溶质分子尺寸和载体的孔尺寸决定，分离完全时由于体积排除效应所至，故称为

15、分离完全时由于体积排除效应所至，故称为体体积排除机理。积排除机理。三、凝胶渗透色谱仪三、凝胶渗透色谱仪 GPCGPC仪器主要由仪器主要由输液系统输液系统（柱塞泵）、（柱塞泵）、进样器进样器、色谱柱色谱柱、检检测系统测系统（示差折光检测器、（示差折光检测器、UVUV、FTIRFTIR、激光光散射、粘度等）、激光光散射、粘度等）及及数据采集与处理系统数据采集与处理系统。 三、凝胶渗透色谱仪三、凝胶渗透色谱仪美国美国Waters 1515型凝胶渗透色谱仪型凝胶渗透色谱仪四、载体和色谱柱四、载体和色谱柱GPC 仪器对载体的要求：仪器对载体的要求： 1.良好的化学稳定性和热稳定性良好的化学稳定性和热稳定

16、性2.有一定的机械强度有一定的机械强度 3.不易变形不易变形4.流动阻力小流动阻力小 5. 对试样没有吸附作用对试样没有吸附作用 6.分离范围越大越好（取决于孔径分布分离范围越大越好（取决于孔径分布)等等 7.载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密， 色谱柱分离效率愈高。色谱柱分离效率愈高。载体是载体是GPC产生分离作用的关键产生分离作用的关键!四、载体和色谱柱四、载体和色谱柱GPC载体的种类：载体的种类：1.交联聚苯乙烯凝胶：适用有机溶剂，可耐高温。交联聚苯乙烯凝胶：适用有机溶剂，可耐高温。2.多孔性玻璃、多孔氧化铝：适用水和有机溶剂。多孔性玻璃、多孔氧化

17、铝：适用水和有机溶剂。3.软质填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝软质填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝 胶：适用乙醇、丙酮一类极性溶剂。胶：适用乙醇、丙酮一类极性溶剂。4.无机硅胶：适用水和有机溶剂。无机硅胶：适用水和有机溶剂。5.木质素凝胶等。木质素凝胶等。四、载体和色谱柱四、载体和色谱柱GPC载体的形状：载体的形状：四、载体和色谱柱四、载体和色谱柱色谱柱：一根不锈钢空心细管色谱柱：一根不锈钢空心细管五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用 对于对于GPCGPC来说，只要选择与溶液浓度由线性关系的来说，只要选择与溶液浓度由线性关系的某种物理性

18、质，即可通过对其测量以测定溶液的浓度。某种物理性质，即可通过对其测量以测定溶液的浓度。 常用的方法：常用的方法：示差折射仪示差折射仪。测定出淋出液的折光指。测定出淋出液的折光指数与纯溶剂的折光指数之差，以表征溶液的浓度。数与纯溶剂的折光指数之差，以表征溶液的浓度。 此外还有此外还有UVUV和和IRIR等各种类型的浓度检测器。等各种类型的浓度检测器。5.1 GPC谱图谱图 n溶液溶液c1n1+c2n2 （ c1+c2=1） nn溶液溶液n1c2(n2n1) c1、n1、c2、n2分别为溶剂与溶质的浓度分数及折光分别为溶剂与溶质的浓度分数及折光指数指数五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应

19、用在测定聚合物分子量及其分布中的应用Ve 换算成分子量换算成分子量M，即为，即为分子量分布曲线。分子量分布曲线。 虽然从谱图已能直观地了解虽然从谱图已能直观地了解分子量分布的某些信息，分子量分布的某些信息，但要定但要定量地得到分子量及分子量分布的量地得到分子量及分子量分布的数据，还要做一些数据处理。数据，还要做一些数据处理。 5.1 GPC谱图谱图检测器信号检测器信号H：比例于淋出液的浓度；比例于淋出液的浓度；保留体积（淋出体积）：保留体积（淋出体积）：分子尺寸的大小；分子尺寸的大小；根据根据GPCGPC分离机理，保留体积分离机理，保留体积( (或淋出体积或淋出体积)V)Ve e与分子量之间与

20、分子量之间有线性关系：有线性关系： log MABVe式中：式中：A A和和B B为常数，其值与溶质、溶剂、温度、载体及仪器结构有关，可为常数，其值与溶质、溶剂、温度、载体及仪器结构有关，可由分子量淋出体积曲线的直线段的截距和斜率求出。由分子量淋出体积曲线的直线段的截距和斜率求出。首先测定一组分子量不同的单分散或窄分布样品的淋出体积和分子量的首先测定一组分子量不同的单分散或窄分布样品的淋出体积和分子量的GPCGPC谱图（图谱图（图7-157-15），然后以），然后以logMlogM对对V Ve e作图，得到反作图，得到反S S形工作曲线（图形工作曲线（图7-167-16）。工作曲线中间的直线部

21、分就是校正（标定）曲线。工作曲线中间的直线部分就是校正（标定）曲线。5.2 分子量淋出体积校正曲线分子量淋出体积校正曲线五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用 实际上，对大多数聚合物很难获得窄分布标准样实际上，对大多数聚合物很难获得窄分布标准样品，由容易获得的阴离子聚合的聚苯乙烯品，由容易获得的阴离子聚合的聚苯乙烯( (M Mw w/ /M Mn n 1.1)1.1)测得的校准曲线，也不能直接用于其他高分子，测得的校准曲线，也不能直接用于其他高分子，因为不同高分子尽管分子量相同，但体积却不一样。因为不同高分子尽管分子量相同，但体积却不一样。因而必须寻

22、找一个分子结构参数代替分子量，希望用因而必须寻找一个分子结构参数代替分子量，希望用这一参数求出的标定关系对所有高分子普遍适用，称这一参数求出的标定关系对所有高分子普遍适用，称为为普适校正普适校正。5.3 分子量淋出体积普适校正曲线分子量淋出体积普适校正曲线五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用根据爱因斯坦（根据爱因斯坦（EinsteinEinstein）公式）公式 特性粘数；特性粘数； N NA A阿伏加德罗常数；阿伏加德罗常数；V Vh h流体力学体积流体力学体积具有体积的量纲，可当作流体力学体积。具有体积的量纲，可当作流体力学体积。不同高分子的流

23、体力学体积相同，大不同高分子的流体力学体积相同，大量实验事实已证明。量实验事实已证明。流体力学体积：流体力学体积：在聚合物溶液中，高分子链卷曲缠绕成无规线团在聚合物溶液中，高分子链卷曲缠绕成无规线团状，在流动时，其分子链间总是裹挟着一定量的溶剂分子，所表状，在流动时，其分子链间总是裹挟着一定量的溶剂分子，所表现出的体积称之为流体力学体积。现出的体积称之为流体力学体积。5.3 分子量淋出体积普适校正曲线分子量淋出体积普适校正曲线五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用若已知一种聚合物的若已知一种聚合物的M M1 1，只须简单计算，就能得到同一保，只须简单

24、计算，就能得到同一保留体积的另一种聚合物的留体积的另一种聚合物的M M2 2。 根据马克公式有根据马克公式有 式中式中K K、对每一特对每一特定高分子溶剂体系是常定高分子溶剂体系是常数。将此两式代入上式，数。将此两式代入上式，并整理后得到并整理后得到 5.3 分子量淋出体积普适校正曲线分子量淋出体积普适校正曲线五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用5.4.1 单分散试样单分散试样 单分散试样分子量均一，不存在分布和平均值问题，可单分散试样分子量均一，不存在分布和平均值问题，可以根据以根据GPC谱图求出谱图求出Ve值，根据标定曲线求得其分子量值，根据标

25、定曲线求得其分子量5.4 GPC数据处理数据处理五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用许多聚合物的许多聚合物的GPCGPC谱图是对称的（图谱图是对称的（图7-197-19），近似于高斯），近似于高斯分布，可以用正态分布函数来处理，由以下公式计算分子量分布，可以用正态分布函数来处理，由以下公式计算分子量： 式中：式中： M Mp p：峰值分子量，从图中：峰值分子量，从图中V Vp p通过校准曲通过校准曲 线求得；线求得； ：校准偏差，等于峰宽：校准偏差，等于峰宽W W的四分之一；的四分之一； B B：校准曲线的斜率。：校准曲线的斜率。 5.4.2 多分

26、散试样多分散试样5.4 GPC数据处理数据处理五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用 对于单分散样品，对于单分散样品，GPCGPC谱图理应是一条谱线，但实际上却是谱图理应是一条谱线，但实际上却是一个窄峰。峰加宽效应来源于多流路效应、纵向分子扩散、高一个窄峰。峰加宽效应来源于多流路效应、纵向分子扩散、高分子在凝胶孔洞中的扩散，以及凝胶对试样的吸附作用。加宽分子在凝胶孔洞中的扩散，以及凝胶对试样的吸附作用。加宽效应使高分子的效应使高分子的GPCGPC谱图比实际的分子量分布要宽。谱图比实际的分子量分布要宽。 一种简单的改正方法是把分子量计算值做数值上的修正

27、：一种简单的改正方法是把分子量计算值做数值上的修正： 式中式中 改正前的表观值改正前的表观值 其中其中0 0为用小分子化合物为用小分子化合物( (常用亚甲基蓝等常用亚甲基蓝等) )测定得到的标测定得到的标准偏差，准偏差，B B：校准曲线的斜率。：校准曲线的斜率。 G改正因子，改正因子， 5.4.3 加宽效应的修正加宽效应的修正5.4 GPC数据处理数据处理五、五、GPC在测定聚合物分子量及其分布中的应用在测定聚合物分子量及其分布中的应用 将谱峰下的将谱峰下的V Ve e分成若干等分，归一分成若干等分，归一化处理，可得各点的重量分数：化处理，可得各点的重量分数：W Wi i5.4.4 离散型或不对称谱图离散型或不对称谱图5.4 GPC数据处理数据处理五、五、GPC在测定聚合物