第2章 凝胶渗透色谱

泵系统:包括一个溶剂贮存器、一套脱气装
置和一个高压泵。它的工作是使流动相(溶 剂)以恒定的流速流入色谱柱。泵的工作状 况好坏直接影响着最终数据的准确性。越 是精密的仪器，要求泵的工作状态越稳定。 要求流量的误差应该低于0.01mL／min。 进样系统:凝胶色谱仪都配备有一个阀环和 一个隔膜进样器，对于粘度较大的试样， 常可通过阀环来进样。
填料（根据所使用的溶剂选择填料，对填料最 基本的要求是填料不能被溶剂溶解）：交联 聚苯乙烯凝胶（适用于有机溶剂，可耐高 温）、交联聚乙酸乙烯酯凝胶（最高100℃， 适用于乙醇、丙酮一类极性溶剂）多孔硅球 （适用于水和有机溶剂）、多孔玻璃、多孔 氧化铝（适用于水和有机溶剂） 柱子：玻璃、不锈钢
溶剂： 选用原则： (a)所用的有机溶剂必须很好地溶解试样。 (b)所用的有机溶剂能够很好地将凝胶溶胀(这
提高而提高，例如，抗张强度、冲击强度、 弹性模量、硬度、抗应力开裂、粘合强度随 之提高。为此我们期望聚合物材料有较高的 分子量。另一方面，太高的分子量又给材料 加工造成困难。兼顾到材料的使用性能与加 工性能两方面的要求，高分子的分子量大小 应控制在一定范围之内。
分子量分布的表示方法
⑴分子量分布曲线 图给出两种宽窄不同的聚合物分子量分布示意图，图中 标出各平均分子量的大概位置。
相对分子质量检测器：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 分子尺寸大小来分离的，对给定的色谱柱而 言，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准物质标定好 色谱柱，得到一系列的相对分子质量与淋洗 体积的关系，对未知样品只要测得淋洗体积， 用上述的相对分子质量与淋洗体积的关系， 即可求出该试样的相对分子质量。
二十世纪60年代J.C.Moore在总结了前人经验的基 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。 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。 (聚合物在分离柱上按分子流体力学体积大小被分离 开）

常用溶剂：
检测器：
检测器可分为浓度检测器和相对分子质量 检测器。 浓度检测器:浓度检测器是连续地检测色 谱柱淋出各级分的含量。包括示差折光检测 器、紫外吸收检测器、红外吸收检测器。
示差折光检测器：通过连续地测定淋出液的
折光指数的变化来测定样品的浓度，只要被 测样品与淋洗剂折光指数不同均能检测。它 是一种通用型的，也是凝胶色谱中必备的一 种检测器。 紫外吸收检测器：常用检测共聚物组分及相 对分子质量分布，它是非通用型检测器，仅 能用于检测具有紫外吸收的样品。
式中，K为仪器常数
式中，N为阿伏加德罗常量。 λ为入射光的波长。n为 溶液的折光指数。A2为第二维里系数，需要测定。 当测定溶液的浓度c→0时，可忽略：
加热系统:有些GPC中有加热系统．用于调试高温
下溶解的材料。 色谱柱:这是核心部分。色谱柱的装填技术性较强, 要逐步加入，并压实，再加，不能有死体积。目 前最新的技术是直接在柱中聚合,得到交联凝胶， 做色谱柱。 柱的大小： 一般情况下，凝胶色谱法中采用 的色谱柱的内径均比其他几种色谱法用的柱的内 径更大。最常用的凝胶色谱柱的内径在10mm左 右，柱长为800-2000mm，根据需要可由几根柱 串联起来使用。但是，在高效凝胶色谱法中，所 用的柱子的内径则常要细一些，而在循环色谱法 中，则要采用更长一些的柱子。
第2章 凝胶渗透色谱
高分子是由数目庞大的小分子聚合得到的高
分子量的化合物。单体一般是气体、液体， 即使是固体，其机械强度和韧性很低，然而， 当它们聚合成高聚物后，其机械强度可以和 木材、水泥甚至钢铁相比，弹性、韧性接近 棉、毛。正是因为它的极高的分子量使其物 理性能同小分子有质的差别．
聚合物材料的性能在一定范围内随分子量的
M n ＜M ＜ M W ＜ M Z 。 图中可以看出，
⑵多分散系数d 聚合物分子量分布可用多分散系数d来表示：
d MW M n
分子量分布的重要性在于它更加清晰而细致地表明聚合 物分子量的多分散性，便于人们讨论材料性能与微观结构的 关系。 分子量分布窄， M W / M n ＝1的体系称单分散体系；反之 M W / M n＞1或偏离1越远的体系，为多分散体系。
体积排斥理论
GPC法的这一分离原理可用体积排除理论说明。 设色谱柱总体积 V 由三部分组成：
t
Vt V0 Vi V g
（8-35）
其中： Vo为凝胶颗粒粒间体积， V i 为凝胶内部孔洞体积， V g为凝胶骨架体积。 Vo 和 V i 之和构成柱内的空间体积。 根据上述分离原理，测量时，最大的分子（比任何孔 洞的尺寸都大）只通过粒间体积 Vo 就流出，称其淋出体积 为 Vo ；最小的分子（比任何孔洞的尺寸都小）的淋出体积 等于 Vo Vi ；中等尺寸的分子的淋出体积应等于：
直接检测相对分子质量的方法：自动粘度检测 法和小角激光散射光度计检测法。 自动粘度检测法：一种是间隙式，测定一定 体积的淋出液(即GPC中的每一级分)流经毛 细管粘度计的流出时间；另一种是连续式， 测定柱后淋出液流经毛细管粘度计时在毛细 管两端所产生的压力差。流体通过毛细管的 压力差与流体粘度成正比。
式中A、B是常数， V e 是淋出体积。
以lnM对 V e 作图得到的曲线称校正曲线，
淋出体积可通过定量收集瓶连续收集淋洗液而得知。
普适校正法:
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。 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。 依照聚合物链的等效流体力学球的模型，Einstein的粘度关系式为： [η]=2.5NV/M 两种柔性链的流体力学体积相同： [η]1M1=[η]2M2 [η] =kMα (Mark-Houwink equation) k1M1α1+1=k1M2α2+1 两边取对数：lgk1+(α1+1)lgM1=lgk2+(α2+1)lgM2 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M1标定待测样品的相对分子质量M2。
GPC法
测得平 均分子 量的类 型
Mn
Mn
Mn
Mn
Mn Mn MWMFra bibliotekMZ MW
M
适用分 <3× 子量范 104 围
2×10 ＜3×104 ＜104 <104 4～106
103～ 107
103～ 102 108 ～ 106
102～ 107
2.1★基本原理
凝胶渗透色谱[GPC（Gel Permeation Chromatography）] 也称作体积排斥色谱(Size Exclusion Chromatography)
Agilent 1100
凝胶尺寸：5μ m /20μ m 测量分子量范围：200～40M 流量范围：0.001～10.0ml/min，0.001ml/min可 调 泵压范围：0～40Mpa(最大流速为5ml/min时) 0～20Mpa(最大流速为10ml/min时) 进样体积范围：0.1～100μ l 柱温范围： 10℃～80℃ 灵敏度：5.0×10-9RIU 漂移：200×10-9RIU/h
Ve V0 KVi
式中：K 称分配系数， 大小不等的分子有不同 的分配系数，因而可以 分离。
凝胶渗透色谱仪按分子尺寸分离大分 子原理
（2）GPC谱图
为了测量聚合物分子量分布，不仅要把大小不同的分 子分离开来，还要知道各级分的含量。级分的含量与淋洗 液的浓度有关，通常用示差折光检测仪测量淋出液的折光 指数与纯溶剂的折光指数之差△n表征溶液的浓度。
(1)分离原理
测量时将被测聚合物稀溶液试样从色谱柱上方加入，然后 用溶剂连续洗提。洗提溶液进入色谱柱后，小分子量的 大分子将向凝胶填料表面和内部的孔洞深处扩散，流程 长，在色谱柱内停留时间长；大分子量的大分子，如果 体积比孔洞尺寸大，就不能进入孔洞，只能从凝胶粒间 流过，在柱中停留时间短；中等尺寸的大分子，可能进 入一部分尺寸大的孔洞，而不能进入小尺寸孔洞，停留 时间介于两者之间。 根据这一原理，流出溶液中大分子量分子首先流出，小分 子量分子最后流出，分子量从大到小排列，采用示差折 光检测仪就可测出试样分子量分布情况。
纵坐标是折光指数之差△n，表示级 分的含量； 横坐标是淋出体积，表征分子尺寸的 大小。
GPC谱图反映的是聚合物分子量分布。
根据GPC谱图还可以计算试样的平 均分子量 M n 和 M W 。
凝胶渗透色谱仪绘出的GPC谱图
(3)凝胶渗透色谱的数据处理
由凝胶色谱图计算样品的相对分子质量分布的关键 是必须把凝胶色谱曲线中的淋洗体积V转换成相对 分子质量M，这种相对分子质量的对数值与淋洗体 积之间的关系曲线（lgM-V曲线)称为相对分子质量 校正曲线。该曲线测量的精度直接影响到凝胶色谱 测定的相对分子质量分布精度，因此相对分子质量 校正曲线的确立为凝胶色谱中极为关键的一环。 采用小角激光检测器后，便可直接求得相对分子质 量而不必采用校正曲线。
2.2仪器
(1)仪器结构 一般由泵系统、进样系统、凝胶色谱柱、 检测系统和数据采集与处理系统组成。
Waters 凝胶色谱仪GPC（Waters 2695）
技术参数 1.流速（ml/min） : 0.00-10 2.流速精度：0.075% 3.最高耐压（psi）: 6000 4.温度范围：室温以上5℃－60℃ 5.控温精度：0.1℃ 6.噪音：≤±1.5X10－9RIU