第2章 凝胶渗透色谱

聚合物材料的性能在一定范围内随相对 分子质量的提高而提高，例如，拉伸强度、 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 料有较高的相对分子质量。另一方面，太高 的相对分子质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，高分子的相对分子质量大小应控制在一 定范围之内。
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。
单分散性标祥校正法: 选用一系列与被测试样同类型的不同相对分子质量的单 分散性(d＜1．1)标样，用其他方法精确地测定其平均相对 分子质量，然后与被测样品同样条件下进行GPC分析。每个 窄分布标样的峰值淋洗体积与其平均相对分子质量相对应， 表征这种关系的方程称校正曲线方程，一般写作 :
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。
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：
(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，小相对分子质 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；大相对分子质量的大分子， 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，流出溶液中大相 对分子质量分子首先流出，小相对分子 质量分子最后流出，相对分子质量从大 到小排列，采用示差折光检测仪就可测 出试样相对分子质量分布情况。
聚合物和低相对分子质量化合物不同，没有一个固定的相 对分子质量，而是不同相对分子质量同系物的混合体系。因此 聚合物相对分子质量是一个平均值，有一个分布的概念。这种 相对分子质量的不均一性，称作聚合物的多分散性。相对分子 质量分布与聚合物的物理机械性能和加工过程，如模塑、成膜 、纺丝等都有密切的关系。 ⑴相对分子质量分布曲线
加热系统:有些GPC中有加热系统．用于高温下溶解的材料。 色谱柱:这是核心部分。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。
n
聚合物平均相对分子质量及其分布对材料物理力学性能 及加工性能有重要影响，相对而言，平均相对分子质量大小 对材料力学性能影响较大些，而相对分子质量分布对材料加 工流动性影响较大。
测定高分子材料平均相对分子质量的方法及适用范围
端基 分析 膜渗透 压法 蒸气压法 （VPO） 沸点 上升 法 冰点下 光散射 降法 法 黏度 法 超速 离心 沉降 法
[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。
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，特
别是软性凝胶，其孔径大小与所用溶剂的吸留量呈一定函 数关系，故更应注意。 (c)溶剂必须与凝胶性质类似，从而使凝胶能够 被该溶剂很好地润湿并防止试样在柱上吸附。 (d)应考虑溶剂与所用的检测器是否匹配。在凝 胶色谱中，示差折光检测器应用最为广泛。因而，三氯苯、 甲苯和间苯酚等溶剂也获得了广泛的应用，因为使用它们 为溶剂时，示差折光检测器能够很好地工作，且它们也能 很好地溶解许多高分子聚合物。不过，若采用紫外检测器 时．这些溶剂却难以适用，因为它们在紫外区常有强的吸 收. (e)希望所用溶剂的粘度较小，否则会使分离速 度太慢，并使分离效果变差。
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。示差折光检测器是一种高度稳定和灵敏的液相色谱和 凝胶渗透色谱检测器，它可与输液泵，色谱柱，进样器等组 成凝胶渗透色谱仪或高速液相色谱仪系统，也可以配置适当 的进样系统作为单独的分析仪器使用。可用于检测在紫外光 范围内吸光度不高的化合物，如聚合物、糖、有机酸和甘油 三酸酯。
GPC法的这一分离原理可用体积排除理论说明。
体积排斥理论
设色谱柱总体积
Vt 由三部分组成：
Vt V0 Vi Vg
其中： Vo 为凝胶颗粒粒间体积， V i 为凝胶内部孔洞体积， Vg 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： Ve V0 KVi
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 的高相对分子质量的化合物。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 相对分子质量使其物理性能同小分子有质的 差别。
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。 色谱柱装填: 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。
M n＜ M ＜ MW ＜ M Z 。 图中可以看出，
⑵多分散系数d 聚合物相对分子质量分布可用多分散系数d来表示：
d MW M n
相对分子质量分布的重要性在于它更加清晰而细致地表 明聚合物相对分子质量的多分散性，便于人们讨论材料性能 与微观结构的关系。 相对分子质量分布窄，MW / M ＝1的体系称单分散 n 体系；反之 M W / M ＞1或偏离1越远的体系，为多分散体系。
示差检测器是连续检测样品流路与参比流路间液体折光指数
差值的检测器，是根据折射原理设计的。光源通过聚光镜和 夹缝在光栏前成像，并作为检测池的入射光，出射光照在反 射镜上，光被反射，又入射到检测池上，出射光在经过透射 镜照到双光敏电阻上形成夹缝像。双光敏电阻是测量电桥的 两个桥臂，当参比池和测量池流过相同的溶剂时，使照在双 光敏电阻的光量相同，此时桥路平衡，输出为零。当测量池 中流过被测样品时，引起折射率变化使照在双光电阻上的光 束发生偏转，使双光敏电阻阻值发生变化，此时由电桥输出 讯号，即反映了样品浓度的变化情况。
方法
GPC法
测得平 均相对 分子质 量的类 型
Mn
wenku.baidu.com
Mn
Mn
M n M n MW M
MZ
Mn MW
M
适用相 <3× 对分子 104 质量范 围
2×104 ＜3×104 ～106
＜104
<104
103～ 107
103～ 108
102～ 102～ 106 107
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) 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 动化的高聚物相对分子质量及相对分子质量分布的 测定仪，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技 术。聚合物在分离柱上按分子流体力学体积大小被 分离开。
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：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；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。
小角激光散射光度计检测法：小角激光散射光度计 (LALLS)作为凝胶色谱的相对分子质量检测器，能 直接测定出流出物中组分的相对分子质量，而不需 要求助于校正曲线，是测定相对分子质量的真正的 绝对测定法。
工作原理：当光通过高分子溶液时，会产生瑞利散 射，散射光强度及散射角θ(入射光与散射光测量 方向的夹角)和溶液浓度c、聚合物的相对分子质量、 分子尺寸、分子形态有关。因此，可用光散射的方 法研究高分子溶液的相对分子质量等参数。采用瑞 利比Rθ来描述散射光：
（I0和I分别为入射光和散射光强度；r为观察点与散 射中心的距离） Rθ和溶质的重均相对分子质量Mw的关系为：
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。
相对分子质量检测器：间接法和直接法。 间接法----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。
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。
（2）GPC谱图
为了测量聚合物相对分子质量分布，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。
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谱图反映聚合物相对分子质量 分布。 根据GPC谱图还可以计算试样的平 均相对分子质量 M n 和 MW 。
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。
泵系统:包括一个溶剂贮存器、一套脱气装臵和一个 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。
ln M A BVe
式中A、B是常数， Ve 是淋出体积。 以lnM对 Ve 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。 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。
A点称为排斥极限，凡是相 对分子质量比此点相对分子 质量大的分子均被排斥在凝 胶孔外；B点称为渗透极限， 凡是相对分子质量小于此值 的分子都可以渗透入全部孔 隙。