凝胶渗透法课件

GPC测定聚合物分子量及分子量分布

云南大学材料系肖雪春一、实验目的：1、了解凝胶渗透色谱法测定高聚物分子量及分子量分布的原理。2、了解美国Agilent1100凝胶渗透色谱的仪器构造和凝胶渗透色谱的实验的技术。3、掌握凝胶渗透色谱法数据处理方法。二、实验原理：（一）、高聚物的分子量

高聚物的分子量有两个特点：一个是它的分子量比小分子大得多，二是分子量都不是均一的，具有多分散性，即聚合物的相对分子质量存在分布。由于高聚物分子量的分散性，因此，高聚物不像小分子一样有唯一确定的分子量值，它的分子量只有统计的意义，通过各种实验测定出来的分子量只是某种统计的平均值。从统计的角度来说有：平均分子量＝（统计单元的权重╳该单元的分子量）的总和。假若有一种高聚物试样，共有nmol分子，其总质量为w，其中分子量大小不等的各组分的分子量为Mi、物质的量（mol）为ni和质量为wi。1、数均分子量是以分子的数量ni为统计单元，统计的权重就是该分子所占的数量分数Ni，则有2、重均分子量以分子的质量wi作为统计单元，统计的权重就是该分子的质量分数Wi，则有：4、粘均分子量这里的α指的是Mark-Houwink方程中当α＝－1，<≤<==α＝1，5、分子量分布以多分散系数来表征高聚物的分子量分布，用d表示，其可用以下表示：（二）、高聚物分子量及分布的测定方法测定方法适用分子量范围平均分子量测定方法适用分子量范围平均分子量端基分析3×104以下数均分子量超速离心沉降速度法1×104～1×107各种平均分子量沸点升高3×104以下数均分子量超速离心沉降平衡法1×104～1×106重均、Z均分子量冰点降低3×104以下数均分子量粘度法1×104～1×107粘均分子量气相渗透法3×104以下数均分子量凝胶渗透色谱法1×103～5×106各种平均分子量及分布膜渗透2×104～2×106数均分子量飞行时间质谱法1×104～1×106各种平均分子量光散射1×104～1×107重均分子量（三）、CPC的工作原理

GPC是一种特殊的液相色谱，所用仪器实际上就是一台高效液相色谱（HPLC）仪，主要配置有输液泵、进样器、色谱柱、浓度检测器和计算机数据处理系统。

与HPLC最明显的差别在于二者所用色谱柱的种类（性质）不同：HPLC根据被分离物质中各种分子与色谱柱中的填料之间的亲和力不同而得到分离，GPC的分离对象是同一聚合物中不同相对分子质量的高分子组分。×－比填料最大孔还大的分子·－能进入填料较小孔的分子〇－能进入填料较中等孔的分子三、实验设备和材料1、GPC仪：GPC仪主要由输液系统、进样器、色谱柱、浓度检测器、分子量检测器及一些附属电子仪器组成，构造示意图如下图所示。(1)、浓度检测器：浓度检测器不断检测淋洗液中高分子级分的浓度。常用的浓度检测器为示差折光仪，其浓度响应是淋洗液的折光指数与纯溶剂（淋洗溶剂）的折光指数之差，由于在稀溶液范围内，与溶液浓度成正比，所以直接反映了淋洗液的浓度即各级分的含量。⑵、相对分子质量检测器检测方法有两种，即间接法和直接法。间接法：即体积指示法。由于凝胶色谱法是按分子大小分离，对给定色谱柱来说，一定大小的分子必然在一定体积时淋出，如果用已知相对分子质量的标样标定好色谱线得一系列相对分子质量与淋出体积的关系，对未知样品只要淋出体积，用上述的相对分子质量与淋出体积的关系即可得出该样品的相对分子质量。直接法：目前已采用的有自动粘度计和小角激光散射光度计（LALLS）作为凝胶色谱的相对分子质量检测器，能直接测定淋出液的重均分子质量，无需标定曲线，是真正的绝对方法。(3)、柱的填料填料要求具有高分辨率，良好的化学稳定性和热稳定性，一定的机械强度，不易变形，流动阻力小，对试样没有吸附作用，分离范围愈大愈好。填料可分为有机高分子填料和无机填料。有机高分子填料：交联聚苯乙烯凝胶，交联聚乙酸乙烯酯凝胶，交联聚甲基丙烯酸酯凝胶，交联聚丙烯酰胺凝胶，交联葡聚糖凝胶及交联琼酯糖凝胶等。这类填料是溶胀型的。无机填料：多孔性硅胶，多孔性玻璃珠等。这类填料不会溶胀或收缩，但可能会出现吸附效应，使用时应予注意。(4)、溶剂的选择A、必须能溶解样品、润湿填料，且要防止吸附作用。B、溶剂的粘度要适当，不能太高C、溶剂应与检测器相匹配，不破坏填料，不腐蚀仪器，且沸点应比使用温度高25~50℃。最常用的有机溶剂有四氢呋喃、1，2，4－三氯苯、邻－二氯苯、甲苯等。2、其它设备：配样瓶、注射针筒、过滤器3、实验材料：四氢呋喃溶剂、悬浮聚合的聚苯乙烯、窄相对分子质量分布的聚苯乙烯。四、实验步骤1、流动相的准备：重蒸四氢呋喃溶剂，经过滤后备用2、样品溶液配制

向色谱柱配备的三个标样配样瓶（红、蓝、绿色三个）中注入约2mL溶剂溶解标样，后用过滤器过滤。在配备的样品配样瓶中，注入约2mL溶剂，溶解后过滤。3、Agilent1100GPC仪的启动⑴、将过滤过溶剂倒入GPC仪的溶剂瓶，GPC仪出口接上回收瓶。⑵、启动GPC仪，先打开电脑，从下到上依次打开仪器的各个模块，运行Bootpserver程序。待模块自检完成后，双击instrumentonline图标。⑶、待出现相应图标后，启动泵，打开Purge阀对仪器进行排气。直到管线内无气泡为止。⑷、单击Pump图标，出现参数设定菜单，对流速、柱温、流动相的实际体积、瓶体积、进样方式等参数进行设置。⑸、待参数设置完成后，从instrument菜单选择Systemon.4、进样：待仪器的基线稳定后，从Method菜单选择“Runmethod”，进样。将进样器把手扳到“LOAD”位(动作要迅速)，用进样注射器吸取样品20μl，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，同时应用进样记录。一样品测试完成（不再出峰时），可按前面步骤再进其它样品。5、实验结束，清洗进样器，用适当的溶剂冲洗系统10分钟，然后关泵。退出化学工作站，关闭电脑，然后再关闭GPC仪器各模块的电源开关。6、通过分析软件，对已知的窄相对分子质量分布的聚苯乙烯的GPC色谱图进行分析得出GPC的校准曲线，然后，利用校准曲线对悬浮聚合的聚苯乙烯进行分析计算，得出结果。五、记录及数据处理从实验得到的色谱图一般纵坐标是浓度检测器讯号，横坐标是淋出体积，一个典型的高聚物的色谱图如下图所示。根据根据GPC分离原理，高聚物试样经色谱柱分离后将按分子量从大到小从柱出口淋洗出来，M1>M2>M3>M4。实验证明在多孔填料的渗透极限范围内Ve和M有如下关系：lgM=A+BVe式中A、B为与聚合物、溶剂、温度、填料及仪器有关的常数。通过使用一组单分散性分子量不同的试样作为标准样品，分别测定它们的淋出体积Ve和分子量，做lgM对Ve直线图，可求得特性常数A和B。这一直线就是GPC的校正曲线。待测聚合物被淋洗通过GPC柱时，根据其淋出体积，就可以从校正曲线上算得相应的分子量。

GPC校准曲线有了校正曲线，即可根据Ve读得相应的分子量。普适校准曲线事实上，仅有一般的“校准曲线”还是不够的。用GPC测定某种聚合物的分子量时，需先用该种聚合物的标样测定校正曲线。使用聚苯乙烯标准样品所得的校准曲线只适用于聚苯乙烯试样的测定，而对其它高聚物通常并不适用，但是除了聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等少数聚合物的标样以外，大多数的聚合物的标样不易获得，多数时候只能借用聚苯乙烯的校正曲线，因此，人们努力探索建立所谓的“普适校准曲线”，把聚苯乙烯标样的校准曲线用到其它高聚物的测定中。本实验数据处理步骤（1）打开电脑上“instrumentoffline”分析软件，进入数据分析画面"DataAnalysis"。（2）从DATA\GPC_DEMO子目录调入数据文件001-0101，此数据含有使用示差折光检测器检测的聚苯乙烯标样混合物。（3）通过GPC|GPC-Settings...检查并修改GPC设置,如果GPC-Settings是灰的不能使用，请先选择ActivateGPC来激活GPC软件。注：创建新的CalibrationTable时请务必选Default.cal。这相当于一个模板。另外，选择报告中是要计算指定分子量的百分比分布（MassFractionatM[D]）还是指定百分比时的分子量值（MolarMassatM[%]）。（4）从GPC菜单选择“CalculateGPC-Results“GPC-Addon软件将打开并已经设置好基线，缺省的default.cal校正曲线用于产生分子量数据。（６）现在我们可以根据峰保留时间和已知的摩尔质量产生校正表：A、单击Window＞Calibration菜单，然后在GPC-Addon软件屏幕菜单栏使用File＞New产生新的空白校正文件。B、选中以激活elugram窗口，在最左侧第一个峰X轴下右键单击并选择findmaximum。软件会自动找到该峰的保留时间。按照表１输入相应摩尔质量并选择Addtocalibration添加到校正表。（７）对于峰2到4重复此步骤。.（８）切换回化学工作站并调入下一个校正文件(002-0201)，从GPC菜单选择计算GPC结果“CalculateGPC-Results”。（９）在GPCAddon软件的Elugram窗口，我们继续在X轴下面左数第一个峰的位置下单击右键，并选择findmaximum找最大，从表1输入相应摩尔质量并选择“Addtocalibration”添加到校正表。（１０）对于峰2到4重复此步骤。.（１１）切换回化学工作站并调入下一个校正文件(003-0301)，重复步骤（８）到（１０）。（１２）当所有12个校正标准都已经添加到校正表中后，选中以激活Calibration校正窗口，使用“PSSPoly5"来拟合数据并从菜单中选择File>SaveAs以“ps_thf.cal”作为文件名。2、分析实际样品（1）切换到化学工作站并进入数据分析画面"DataAnalysis"。（2）从DATA\GPC_DEMO子目录调入数据文件049-0401（假设此数据文件为实际分析样品且设置了正确的积分设置），此数据是以示差折光检测器检测的聚苯乙烯宽标标样。（3）通过GPC>GPC-Settings...检查并修改GPC设置。注意，这时，我们要选择刚刚建立的校正曲线ps_thf.cal而不再是Default.cal。点击…Browse,选择刚刚做好的标准曲线文件ps-thf.CAL，（4）从GPC菜单选择“CalculateGPC-Results