GPC凝胶渗透色谱理论和应用

GPC、NMR测定超支化聚合物理论及运用

GPC凝胶渗透色谱

凝胶渗透色谱自20世纪60年代问世以来，在高聚物分子量及分子量分布测试中得到了广泛的应用。以往有关GPC在聚丙烯腈共聚物分析方面的工作，一般采用普适校正法[ ]和渐进法[2]对凝胶色谱柱进行校正。普适校正法和渐进法需要一系列的标样，而聚丙烯腈的标样系列很难得到。如果制备聚丙烯腈共聚物标样则需要耗费大量的时间和精力。宽分布校正法[卜I]可以采用单一宽分布标样对色谱柱进行标定，这种方法在分析难以制备标样的共聚物时，显示出很大的优越性。Purdon[6]认为，宽分布校正法只有在标样与待测样品分子量相近时结果较为准确，而标样与待测样品分子量相差较大时结果误差很大。在本试验中应用宽分布校正法时，比较了扣除色谱峰扩展效应前后的测试结果，数据表明，在应用宽分布校正法校正色谱柱时，必须扣除色谱峰扩展效应的影响才能得到较为准确的结果。Purdon的测试结果不准确，是因为没有扣除色谱峰扩展效应。本法在生产线上聚丙烯腈分子量监测中得到了实际应用，结果满意。

GPC凝胶渗透色谱（缩写：Gel Permeation Chromatog-raphy ），又称为尺寸排阻色谱（Size Exclusion Chromatography,简称SEC），它是基于体积排阻的分离机理，通过具有分子筛性质的固定相，用来分离相对分子质量较小的物质，并且还可以分析分子体积不同、具有相同化学性质的高分子同系物。

凝胶渗透色谱(Gel Permeation Chromatography、GPC)1964年，由J.C.Moore首先研究成功。不仅可用于小分子物质的分离和鉴定，而且可以用来分析化学性质相同分子体积不同的高分子同系物。

一．原理部分

分离原理：

让被测量的高聚物溶液通过一根内装不同孔径的色谱柱，柱中可供分子通行的路径有粒子间的间隙（较大）和粒子内的通孔（较小）。当聚合物溶液流经色谱柱时，较大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱，分子根据相对分子质量被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。自试样进柱到被淋洗出来，所接受到的淋出液总体积称为该试样的淋出体积。 当仪器和实验条件确定后，溶质的淋出体积与其分子量有关，分子量愈大，其淋出体积愈小。

（1） 体积排除

（2） 限性扩散

（3） 流动分离

校正原理

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”。通过校正曲线，就能从GPC 谱图上计算各种所需相对分子质量与相对分子质量分布的信息。聚合物中能够制得标准样的聚合物种类并不多，没有标准样的聚合物就不可能有校正曲线，使用GPC 方法也不可能得到聚合物的相对分子质量和相对分子质量分布。对于这种可以使用普适校正原理。 普适校正原理

由于GPC 对聚合物的分离是基于分子流体力学体积，即对于相同的分子流体力学体积，在同一个保留时间流出，即流体力学体积相同。

两种柔性链的流体力学体积相同：

[]1η1M =[]2η2M

1K 1M 1α +1=2K 2M 2α +1

两边取对数：lg 1K +(1α +1)lg 1M =lg 2K +(2α+1)lg 2M

即如果已知标准样和被测高聚物的k 、α值，就可以由已知相对分子质量的标准样品1M 标定待测样品的相对分子质量2M

二．实验部分

一、 实验目的

1. 掌握凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography ，GPC ）的工作原理。

2. 掌握凝胶渗透色谱仪的基本操作及数据处理方法。

3. 利用凝胶渗透色谱仪测定聚合物的分子量及其分布，熟悉GPC 在活性聚合研究中的应用。

二、 实验原理

GPC 是一种特殊的液相色谱，所用仪器与高效液相色谱仪类似，GPC 的分离是利用体积排除机理，装填的是多孔性凝胶或微粒，孔径大小与待分离的聚合物分子相似，体积大的高分子化合物不能进入凝胶孔，最先从凝胶粒间流出，淋出体积（时间）最小，高聚物依分子量从大到小依次淋出。

GPC 的实验方法是先利用同一组分已知分子量的单分散性聚合物标准试样，在与未知试样相同的条件下得到一系列GPC 谱图。以峰位置V e 对lgM 作图，得到校正曲线，根据未知样的V e 得到对应的分子量。由于大多数的聚合物标样不易获得，通常情况下可以借用聚苯乙烯的校正曲线，此时得到的分子量仅有相对意义。

从聚合物的GPC 曲线的形状（对称、不对称、单峰、双峰等）可以粗略地得知该聚合物样品的分子量分布情况，GPC 峰的峰宽则可大致反映聚合物的多分散度。通过计算处理，可以得到聚合物的数均分子量n M 、粘均分子量v M 、重均分子量w M 和z-均分子量z M ，进而得到聚合物的多分散系数d ，由此可以获得关于聚合物的多种定性信息。

三、 实验药品及仪器

凝胶渗透色谱仪，真空线，手套操作箱，安培管，玻璃注射器，离心机。 新蒸四氢呋喃（用钠和二苯基甲酮回流至深蓝色，新蒸使用），精制苯乙烯，偶氮二异丁腈（AIBN ），二硫代苯甲酸2 氰基异丙酯(CPDB)，液氮，甲醇。

四、 实验步骤及现象

实验获得的聚苯乙烯GPC 曲线见附图。从图上可以得到聚苯乙烯测试样品的以下几个

方面信息:

GPC图的纵坐标表示色谱图的峰高，是检测器的响应信号，是由于样品比溶剂的折光率大，这种差别经过RID转化后，转化为电信号的的强度，单位为毫伏mv。横坐标为出峰时间，单位为min。

图中正立的峰是聚合物样品的峰，图上显示数值是其峰的积分面积为32129。图上出现的第一个倒立的峰是溶剂的峰，其形成原因是由于折光率小于溶剂的折光率。其他峰可能是相对分子量较小的测试样品的峰。在GPC图中，出峰顺序是依据物质的分子量，由大到小先后出峰。

六、思考题

1. GPC在何种条件下获得的是相对分子量？在何种条件下可获得绝对分子量？答：仅当测试校正曲线所用的标准试样与待测物为同一种聚合物，且测试所用的条件完全一致时，GPC才能得到高聚物的绝对分子量；当聚合物标样不易获得，校正曲线参照的是其他物质，例如聚苯乙烯的校正曲线时，只能得到相对分子量。

2. 下列图（A）为作GPC校正曲线时某聚合物标样的GPC曲线，图（B）为相隔一段时间后测得的某聚合物样品的GPC曲线，比较两曲线，你能发现什么问题？如何解决？

答：通过比较两曲线，可以发现测定聚合物样品时GPC曲线的溶剂峰（图中箭头所指）相比测定校正曲线时发生了偏离，流出时间由32.6min变为32.9min，会导致待测样品过早流出，所测得的相对分子量比实际值偏大。解决办法是从新测试聚合物标样的校正曲线，然后再测试聚合物的GPC曲线，以获得较为准确