一、高聚物分子量的重要性
高聚物的许多加工和使用性能与其分子量和分子量分布有着密切关系,使用准确和快速的分离测定方法对其分子量和分子量分布,组成结果进行测定,对控制聚合工艺工程,改进产品质量,制订合成条件提供很好的依据。
二、分子量测定的传统方法
在GPC未出现之前,高分子聚合物的分子量测定多用柱上淋洗,溶解分级,超离心沉淀等经典方法,但这些分级方法都十分的费时,而且溶剂消耗量很大,操作手续繁杂,少的需要一周,多则一个月。这些经典方法的分离基础都是在不同温度,不同溶剂,沉淀体系中多次反复平衡过程,要求很长的平衡时间。
这些经典方法又分为直接法和间接法。直接法是不断改变溶剂强度的方法,把聚合物分离为不同分子量级别,然后测定各级分的分子量和相对含量。间接法比如离心沉降速度法,在离心力场作用下,测定高分子溶液的沉降系数分布,然后根据沉降系数与分子量的关系来换算得到分子量分布。
三、GPC的发展及应用
1964年,J.C.MOORE发表了第一篇有关凝胶色谱法测定高聚物分子量分布的重要文章,接着发展迅速,凝胶色谱就完全取代了经典分子量分布测定方法。
凝胶渗透色谱的分离特点:高分子聚合物在流经GPC柱子时,如上图,被按分子尺寸由大到小的顺序分离,被淋洗液淋出,淋洗体积就是分子量大小的量度。GPC现在常用还是相对测定的方法,若GPC连接了激光光散射检测就能直接测定分子量。但常规的用得较多的还是相对测定的方法,之前我们讲过分子尺寸大小与淋洗体积有关系,我们可以建立M与Ve或者logM与Ve的曲线关系,但这需要校正。校正的方法有分为直接校正法和间接校正法。间接校正法有分为宽分布标准校正法,普适校正法,渐近法等,确定淋洗体积Ve的对应关系,并对GPC的淋洗曲线作峰加宽的改正才能得到平均分子量。直接校正法需要精确已知的窄分布的高分子聚合物标样,还要求标样具备与被测物有相同的结构组成和性质。但我们需要测定高分子物质很不容易找到相应的标样,那怎么办呢?为了克服直接校正的局限性,我们往往就用了普适校正法,采用流体力学体积([η]˙M)的通用校正方法,但是我们必须知道在相同的溶剂,相同的温度等条件下,Mark-Hou-Wink 方程[η]=K*Ma中K和a值,大多数可以在有关的手册中查到。
由普适校正可知,在相同条件下,同意保留时间淋出的试样与标准的流体力学体积相等,
即([η]u˙Mu)=([η]s˙Ms)
式中u未知样,s标样
因为([η]=KMa),故Ku*Mua+1=Ku*Mua+1
可得lgMu=(1+as)/(1+au)*lgMs+(1/1+au)*lg(Ks/Ku)
亦可得:lg[η]uMu=lgMs+(as +1)*lg(Ms)
从普适校正曲线查处lgMs而酸的lgMu,因[η]u已测得,故lg[η]uMu可知。
又因为lg[η]uMu=lgKu+(au+1)lgMu式子为一次函数,上面已经得到了lgMu及lg[η]u*Mu数据,故Ku和au可以作图得到,故能计算得到未知样品的分子量分布。
这是很多在用的常规的GPC,使用的普适校正,但往往没有找到合适的标准样品,标准样品也很贵,很难得到,用常见的PS,PMMA,PEG作为标样,再使用其K和a值代入计算,也是一个相对值,结果和理论值有一些出入,特别是Mw和Mv值不理想。
现在的GPC随着技术的发展,waters已经商品化有超高效凝胶色谱,沃特世 ACQUITY APC™ (Advanced Polymer Chromatography)超高效聚合物色谱系统是基于体积排阻色谱分离基本原理的突破性技术产品,以前所未有的分析速度大大的减少了分析时间和溶剂的用量。计算机软硬件的发展,多检测器的技术成熟,多检测器检测分析高分子分子量也成为趋势,MS检测器可以直接测定其分子量,使一种方法,但价格很高,要求最严,但粘度检测器的联用,使我们能得到Mv,很实用,LALS,MALLS光散射检测器的联用,使我们能很容易的得到其旋转半径和绝对分子量Mw。多检测器的使用,我们得到更多的信息,也让我们知道高分子聚合物的支链结构等信息。对了解高聚物的性质更具有了指导意义。
四、GPC多检测的应用
agilent收购的瓦里安收购之前的PL公司的GPC推出的Cirrus Multi Detector 系统,可以处理多种信号包括浓度(RI or UV),粘度(VI),LS等信号。可以分析得到Rg,绝对分子量,支化度等信息。
wyatt,怀雅特的激光光散射很有名,也推出有18角度激光光散射凝胶色谱系统,其特点是在了GPC系统上应用了18角度激光光散射仪(MALS)。可用于表征天然高分子、合成高分子以及蛋白:(1)高分子绝对分子量及其分子量分布;(2)均方根半径及其分布;(3)高分子溶液构象;(4)支化高分子表征。(1)绝对分子量直接测定,无需标样校正;无需建立标准曲线;(2)检测系统中分别配备经典18角度激光光散射仪和示差折光仪(dndc仪);如有需要可以兼容UV/DAD等其它检测器
适用多检测可以得到的信息如上图,其优势有:不需要柱子校准,在分子量和浓度知道的前提下,使用一个标准计算检测器常数 (Kls) ,对未知样品,直接由光散射测定每一切片的分子量,从多检测器GPC实验中,光散射和粘度的结合能够提供最多的信息,从粘度计中得出IV, 从光散射检测器得出分子量, 分支从 IV 或Rg得出,从三检测器中得出的分子量比光散射检测器中更准确, as a correction for the shape factor can be applied based on the IV value
分布较宽或是多峰分布的样品,皆可通过测量分子量及分子旋转半径得到分子形状的数据。
ri3 ∞ Mi→log ri = k + 1/3 log Mi球形分子
ri2 ∞ Mi→log ri = k + 1/2 log Mi无规则线团状分子
ri1 ∞ Mi→log ri = k + 1/1 log Mi棒状分子
将log ri, log Mi作图,有直线的斜率可以获知分子的形状,如图所示:
由LS测得的分枝状和长链形的高分子(PS)的旋转半径和分子量对照图。由图中可看出,虽然其分子量相同,但分布明显不同。图为rg对 Mw做图。
Malvern收购的Viscotek凝胶渗透色谱产品系列也采用了多重检测器GPC/SEC系统及检测器,Viscotek TDAmax科研级多检测器凝胶色谱系统GPC/SEC,Viscotek 多检测器凝胶色谱系统结合Viscotek公司独创的专利四毛细管粘度计和小角度光散射检测器(70),结合传统的视差折光指数器,PDA检测器和紫外检测器,表征 自然/合成高分子,蛋白质的绝对分子量及其分布,分子尺寸(Rh和Rg),大分子的结构,构象,缔合,共聚物组成,及其溶液的特征粘度和折光指数增量dn/dc。在石油,化工生产,聚合物,生物,医药研发领域得到广泛的应用。
2013年7月25日,英国,马尔文——Viscotek SEC-MALS 20的推出,为凝胶渗透/体积排阻色谱法(GPC/ SEC)带来了新的标准和更多选择,此外Viscotek SEC-MALS 20还扩展了了马尔文仪器光散射检测器系列。体积排阻色谱SEC和多角光散射检测器MALS的结合可以测量所有蛋白质、大分子和聚合物分子的绝对分子量。现在Malvern的Viscotek系列凝胶色谱产品具有丰富的配置方案,每一种类型的光散射检测 —— 小角度检测器、直角检测器或者多角检测器都具有无与伦比的卓越性能,这种全方位、无死角的覆盖使得马尔文可以为每一种GPC/SEC系统提供相应的技术。号称检测器技术的延伸使得马尔文成为唯一一个能够提供所有光散射检测器的生产商。
Viscotek SEC-MALS 20探测器在Malvern建立的OmniSEC软件工作站上运行。它兼容市面上任何SEC仪器,既可以可作为一个独立的仪器,也可以与Malvern的多探测器系统Viscotek GPC/ SEC兼容使用。