凝胶色谱GPC实验步骤

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