凝胶色谱GPC实验步骤
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一、实验目的:
1. 掌握PL—120型号凝胶渗透色谱(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。
二、基本原理:
分子量的多分散性是高聚物的基本特征之一。聚合物的性能与其分子量和分子量分布密切相关。凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography,GPC)是液相色谱的一个分支,已成为测定聚合物分子量分布和结构的最有效手段。其还可测定聚合物的支化度,共聚物及共混物的组成。采用制备型的色谱仪,可将聚合物按分子量的大小分级,制备窄分布试样,供进一步分析和测定其结构。该方法的优点是:快捷、简便、重视性好、进样量少、自动化程度高。
凝胶色谱的分离机理众说不一,有体积排除、限制扩散、与流动分离等各种解释。实验证明,体积排除的分离机理起主要作用。因此,这一技术又被赋予另一个名称:体积排除色谱(size exclusion chromatography,SEC)
、
图1. GPC分离过程示意图
圆球表示颗粒;黑点表示溶质分子
在凝胶色谱中会有三种情况,一是分子很小,能进入分子筛全部的内孔隙;二是分子很大,完全不能进入凝胶的任何内孔隙;三是分子大小适中,能进入凝胶的内孔隙中孔径大小相应的部分。大、中、小三类分子彼此间较易分开,但每种凝胶分离范围之外的分子,在不改变凝胶种类的情况下是很难分离的。对于分子大小不同,但同属于凝胶分离范围内各种分子,在凝胶床中的分布情况是不同的:分子较大的只能进入孔径较大的那一部分凝胶孔隙内,而分子较小的可进入
较多的凝胶颗粒内,这样分子较大的在凝胶床内移动距离较短,分子较小的移动距离较长。于是分子较大的先通过凝胶床而分子较小的后通过凝胶床,这样就利用分子筛可将分子量不同的物质分离。另外,凝胶本身具有三维网状结构,大的分子在通过这种网状结构上的孔隙时阻力较大,小分子通过时阻力较小。分子量大小不同的多种成份在通过凝胶床时,按照分子量大小排队,凝胶表现分子筛效应。
GPC色谱柱装填的是多孔性凝胶(如最常用的高度交联聚苯乙烯凝胶)或多孔微球(如多孔硅胶和多孔玻璃球),它们的孔径大小有一定的分布,并与待分离的聚合物分子尺寸可相比拟。GPC仪工作流程图如2图所示。
图2.GPC仪工作流程图
色谱柱总体积为V t,载体骨架体积为V g,载体中孔洞总体积为V i,载体粒间体积为V0,则
V t=V g+V0+V i
V0和V i之和构成柱内的空间。溶剂分子体积远小于孔的尺寸,在柱内的整个空间(V0+V i)活动;高分子的体积若比孔的尺寸大,载体中任何孔均不能进入,只能在载体粒间流过,其淋出体积是V0;高分子的体积若足够小,如同溶剂分子尺寸,所有的载体孔均可以进出,其淋出体积为(V0+V i);高分子的体积是中等大小的尺寸,它只能在载体孔V i的一部分孔中进出,其淋出体积V e为V e=V0+KV i
K为分配系数,其数值0≤K≤l,与聚合物分子尺寸大小和在填料孔内、外的浓度比有关。当聚合物分子完全排除时,K=0;在完全渗透时,K=1(见图4-3)。当K=0时,V e=V0;此处所对应的聚合物分子量是该色谱柱的渗透极限(PL),商品GPC仪器的PL常用聚苯乙烯的分子量表示。聚合物分子量超过PL 值时,只能在V0以前被淋洗出来,没有分离效果。
V0和V g对分离作用没有贡献,应设法减小;V i是分离的基础,其值越大柱子分离效果越好。制备孔容大,能承受压力,粒度小,又分布均匀,外形规则(球
形)的多孔载体,让其尽可能紧密装填以提高分离能力。柱效的高低,常采用理论塔板数N 和分离度R 来作定性的描述。测定N 的方法可以用小分子物质作出色谱图,从图上求得流出体积V e 和峰宽W ,以下式计算N 值:N =(4V e /W )2,N 值越大,意味着柱子的效率越高。“l ”、“2”代表分子量不同的两种标准样
品,V e,1、V e,2、W 1,W 2为其淋出体积和峰宽,分离度R 的计算为()
,2,1122e e V V R W W -=+,若R ≥1,则完全分离。
上面阐述的GPC 分离机理只有在流速很低,溶剂粘度很小,没有吸附,扩散处于平衡的特殊条件下成立,否则会得出不合理的结果。
实验测定聚合物GPC 谱图,所得各个级份的分子量测定,有直接法和间接法。直接法是指GPC 仪和粘度计或光散射仪联用;而最常用的间接法则用一系列分子量已知的单分散的(分子量比较均一)标准样品,求得其各自的淋出体积V e ,作出logM 对V e 校正曲线(图4-3)。
logM =A -BV e -----------------------------------------(1)
当logM >logM a 时,曲线与纵轴平行,表明此时的流出体积(V 0)和样品的分子量是无关,V 0即为柱中填料的粒间体积,M a 就是这种填料的渗透极限。当logM <logM a 时,V e 对M 的依赖变得非常迟钝,没有实用价值。在logM a 和logM d 点之间为一直线,即式(1)表达的校正曲线。式中A 、B 为常数,与仪器参数、填料和实验温度、流速、溶剂等操作条件有关,B 是曲线斜率,是柱子性能的重要参数,B 数值越小,柱子的分辨率越高。
上述订定的校准曲线只能用于与标准物质化学结构相同的高聚物,若待分析样品的结构不同于标准物质,需用普适校准线。GPC 法是按分子尺寸大小分离的,即淋出体积与分子线团体积有关,利用Flory 的粘度公式:
[]3'
R M ηφ= []'3M R ηφ= R 为分子线团等效球体半径。[η]M 是体积量纲,称为流体力学体积。众多的实验中得出[η]M 的对数与V e 有线性关系。这种关系对绝大多数的高聚物具有普适性。普适校准曲线为
''log[]e M A BV η=- --------------------------------- (2)
因为在相同的淋洗体积时,有
[η]1M 1=[η]2M 2 ------------------------------------- (3) 式中下标1和2分别代表标样和试样。它们的Mark -Houwink 方程分别为
1111[]K M αη=
2222[]K M αη=
因此可得 12211111212K M M K ααα+++⎛⎫=⨯ ⎪⎝⎭
------------------------------ (4) 或 112122211log log log 11
K M M K ααα+=+++ ------------------- (5) 将(1)式代入(5),即得待测试样的标准曲线方程
11121222111log log 111e
e K M A BV A B V K ααααα++''=+-=-+++
K 1、K 2、α1、α2可以从手册查到,从而由第一种聚合物的M-V e 校正曲线,换算成第二种聚合物的M-V e 曲线,即从聚丙稀标样作出的M-V e 校正曲线,可以换算成各种聚合物的校正曲线。
有了校正曲线,即可根据Ve 读得相应的分子量。一种聚合物的GPC 校正曲线不能用于另一种聚合物,因而用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。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,因此测得的分子量M 值有误差,只具有相对意义。
用GPC 方法不但可以得到分子量分布,还可以根据GPC 谱图求算平均分子量和多分散系数,特别是当今的GPC 仪都配有数据处理系统,可与GPC 谱图同时给出各种平均分子量和多分散系数,无需人工处理。
三、仪器与样品