实验七凝胶渗透色谱法测定聚合物分子质量及其分布

实验七
一、实验目的
凝胶渗透色谱法测定聚合物的相对分子质量及其分布
1.了解凝胶渗透色谱法测定聚合物相对分子质量及其分布的原理。
2.了解凝胶渗透色谱仪的仪器构造和初步掌握凝胶渗透色谱仪的实验技术。 3．测定聚苯乙烯样品的相对分子质量及其分布。 二、实验原理 聚合物的相对分子质量量及其分布是聚合物性能的重要参数之一，它对聚 合物材料的物理机械性能和可加工性等影响很大。测定聚合物的相对分子质量 及其分布的最常用、快速和有效的方法是凝胶渗透色谱法（ gel permeation
chromatography，简称 GPC）。
1. GPC 分离机理 GPC 是一种新型液相色谱，除了能用于测定聚合物的相对分子质量及其分布 外，还广泛用于研究聚合物的支化度、共聚物的组成分布及高分子材料中微量 添加剂的分析等方面。同各种类型的色谱一样，GPC 具有分离功能，其分离机 理比较复杂，目前还未取得一致的意见。但在 GPC 的一般实验条件下，体积排 除分离机理被认为起主要作用。 体积排除分离机理的理论认为：GPC 的分离主要是由于大小不同的溶质分子 在多孔性填料中可以渗透的空间体积不同而形成的。装填在色谱柱中的多孔性 填料（凝胶）的表面和内部分布着大小不同的孔洞和通道。当被测试的多分散 性试样随淋洗溶剂进入色谱柱后，溶质分子即向填料内部孔洞渗透，渗透的程 度取决于溶质分子体积的大小。体积较大的分子只能进入较大的孔洞，而体积 较小的分子除了能进入较大的孔洞外还能进入较小的孔洞，因此体积不同的分 子在流过色谱柱时实际经过的路程是不同的，分子体积越大，路程越短。随着 溶剂淋洗过程的进行，体积最大的分子最先被淋洗出来，依次流出的是尺寸较 小的分子，最小的分子最后被淋洗出来，从而达到使不同大小的分子得到分离 的目的。以上为 GPC 机理的一般解释。 按照一般的色谱理论，试样分子的保留体积VR （或淋出体积Ve ）可用下式表示： Ve = Vo + KVi 式中，Ve 为淋出体积，即指溶液试样从进色谱柱到被淋洗出来的淋出液总体积； Vo 为柱中填料粒子的粒间体积；Vi 为柱中填料粒子内部的孔洞体积；K 为分配系 数，即可以被溶质分子进入的粒子孔体积与粒子的总孔体积之比。 对于比最大孔洞还要大的分子，K＝0，Ve = Vo 首先被洗提出来，色谱柱对于这 类分子没有分离作用；对于能进入填料所有孔的最小分子， K=1 ， Ve = Vo + Vi ， 最后被洗提出来，色谱柱对于这类分子也没有分离作用；对于尺寸介于上述两 极端之间的分子，0<K<1，Ve = Vo + KVi ，大小不同的分子有不同的 K 值，相应 的保留体积也就不同，从而这些分子将按照分子体积由大到小的次序被洗提出 来。
根据各种平均相对分子质量的定义，由以下各式可计算出各种平均相对分 子质量和多分散系数（polydispersity index，PDI）：
Mw =
i
Wi Mi = Wi Mi
−1 i
Mi
Hi = H i i
i Hi Mi i Hi
Mn =
i
=[
i
1 Hi −1 ] = Mi i Hi Hi i Hi
3. GPC 数据处理方法 GPC 的数据处理一般采用“切割法”。在谱图确定基线后，将基线和淋洗 曲线所包围的面积以横坐标进行等距离切割，分割成一组平行于纵坐标的宽度 相等的长条（图 7-5），相当于把样品分成一系列级分，且每个级分的溶液体 积相等。对于第 i 个长条的保留体积为 Vi，由校正曲线确定其相对分子质量 Mi， 而级分的浓度对应于检测器在 Vi 处的响应即长条的高度 Hi，则每个切割条的 归一化高度(高度分数)即为各级分的含量。又因 Hi 正比于级分 i 的质量 wi 因 此相对分子质量为 Mi 的第 i 级分的质量分数可表示为
3
Wi Mi =
Hi i Hi
以所有切割条的归一化高度和相应的相对分子质量列表或作图，可以得到完整 的聚合物样品的相对分子质量分布结果。计算中，运用了“每一分割条内的聚 合物的相对分子质量是均一的”假定，故所取间隔越小，计算中取的点越多， 假定与实际的偏差就越小。换言之，切割条数的增多有利于计算结果精度的提 高，但一般切割条数达到 20 条以上即可，此时对相对分子质量分布描述的误差 已经小于 GPC 方法本身的误差。
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由于聚合物分子在溶液中的体积决定于其相对分子质量、分子链的柔顺性、 支化程度、溶剂和温度。若聚合物分子链的结构、溶剂和温度确定后，聚合物 分子的体积主要依赖于其相对分子质量。因此，当多分散聚合物分子随着溶剂 流经 GPC 色谱柱时，这些分子将按照分子体积由大到小的次序被分离出来，实 际上对应着相对分子质量由大到小次序的分离。 2. GPC 谱图的标定及校正曲线 聚合物试样被凝胶色谱柱按相对分子质量大小分级后，需要对各级分的含 量和相对分子质量进行测定和标定才能得到相对分子质量的分布情况。在 GPC 技术中，淋出液的浓度直接反映级分的含量，只需采用示差折光、紫外吸收或 红外吸收等检测器检测淋出液浓度，就可测出各级分的含量。常用示差折光仪 测得溶液折光指数与纯溶剂折光指数之差 Δ n，由于在稀溶液范围，Δ n 正比于 溶液浓度 c，因此 Δ n 值直接反映了淋出液的浓度，即反映了各级分的含量。 相对分子质量的测定有直接法和间接法。直接法是将淋出体积不同的各级分用 相对分子质量检测器 (如自动黏度计或小角激光光散射检测器)在浓度检测器测 定溶液浓度的同时，测定其黏度或光散射，从而计算出相对分子质量及其分布 的数据，计算中不需要校正曲线。间接法又称校正曲线法，是根据校正曲线， 将测出的淋出体积换算成相对分子质量的方法。本实验采用间接法测定聚合物 的相对分子质量。 GPC 仪由输液系统（柱塞泵）、进样器、色谱柱、检测器及一些附属电子 仪器组成。图 7-1 是 GPC 的构造示意图，淋洗液通过柱塞泵成为流速恒定的流 动相，进入紧密装填多孔性微球的色谱柱，中间经过一个可将样品送往体系的 进样装置。聚合物样品进样后，淋洗液带动溶液样品进入色谱柱并开始分离， 随着淋洗液的不断洗提，被分离的聚合物组分陆续从色谱柱中淋出。浓度检测 器不断检测淋洗液中聚合物组分的浓度响应，数据被记录得到一条 GPC 淋洗曲线（图 7-2）。如图 7-2 所示，纵坐标为洗提液与纯溶剂折光指数的差 值 Δ n，在极稀溶液中它正比于洗提液的相对浓度 c；横坐标为保留体积 Ve 它 表征分子尺寸的大小，与相对分子质量 M 有关，将 GPC 色谱图中横坐标保留体 积换算成相对分子质量，需要借助于“校正曲线”。
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GPC 标定（校正）曲线表示的是Ve 与 M 关系的曲线。在相同的测试条件下 测定一组已知相对分子质量 M 的窄分布标准样品的 GPC 谱图（图 7-3），求各 峰值位置的保留体积Ve ，以 lgM 对相应的Ve 作图即可得到 GPC 校正曲线（图 74）。从其直线部分得到校正方程： ������������������ = ������ − ������������������
1 α
Hi iM i
i Hi
Mη =
i
Miα PDI =
三、仪器与试剂 1. 仪器
Mw Mn
PL-GPC50，PL-AS RT 型自动进样器，电子天平，微孔滤膜，微孔过滤 器，样品瓶，注射器等。
2. 试剂
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氯仿，聚苯乙烯标准样品，相对分子质量未知的聚苯乙烯样品。 四、实验步骤 1. 溶剂准备 所用溶剂（氯仿）需经过蒸馏、微孔滤膜过滤，使用前还需脱气，方可倒入溶 剂贮存瓶使用。 2. 样品准备 （1）选取 10 个不同相对分子质量窄分布的聚苯乙烯标样，分为三组，每组标 样分别称取一定量混在一个样品瓶中，注入一定量的溶剂（氯仿），溶解后用 装有微孔滤膜的过滤器过滤，转移至样品瓶中待用。 （2）称取一定量相对分子质量未知的聚苯乙烯样品于样品瓶中，加入溶剂（氯 仿），通常为每 3-8 mg 样品溶解在 1.5 mL 溶剂中，溶解后用装有微孔滤膜的 过滤器过滤，转移至样品瓶中待用。 3.仪器开机 （1）开机。打开 GPC 主机电源和自动进样器电源，仪器自检，等待完成。 （2）GPC 运行条件的设定。打开计算机，双击桌面“PL Inst Control”图标， 连接 GPC50-Control 软件，进行仪器和计算机之间的连通，设定流速、炉温以 及示差折光检测器的参数。一般测试流速设为 1mL⋅min-1，炉温为 40℃。（注意: 确认“Injection Valve”处于“Load”状态）。当运行流速达到 1mL⋅min-1 时， 对检测器冲洗 5 次。点击自动进样器“Autosampler”图标，进入自动进样器操 作界面。点击“Initialise Arm”图标，自动进样器会自动调整旋臂位置。点 击“Solvent Flush”图标，自动进样针会自动移至冲洗池，然后自动进样泵会 吸取 1mL 溶剂，通过六通阀、自动进样针至冲洗池，实现冲洗后通过废液排出 口排出自动进样器，这个过程会自动重复多次。此时自动进样器显示状态为 “Ready”。 4．打开运行监视窗口 双 击 打 开 桌 面 的 “Data Stream Monitor” 图 标 ， 选 择 菜 单 栏 中 的 “Channel”, “Add Channel”，此时弹出一个窗口 , 选中左栏的“GPC50 on COM4”，右栏会显示四行字符，选择第一行的“RI(1)”，点击“OK”，即可打 开“Monitor”窗口。 5．采集文件的设定 （1）双击打开桌面“GPC Online”图标，设置测试样品序列及信息。选择文件 名 为 “XXX” 的 工 作 簿 （ Workbook ） ， 点 击 “OK” 打 开 。 计 算 机 提 示 “Collection Device ready to begin collection”，点击“OK”。点击左侧 的“Views”栏中的“Collection Runlist”按钮，右侧会显示将要测试的样品 序列（Sample No.）、样品批号(Batch Name)、样品名（Sample Name）、样品 类型（Sample Type）、方法（Method）等 7 个项目。打开菜单栏中“Runlist” 的“Add sample”添加样品，也可以选择“Add multiple samples”一次添加 多个样品。然后输入具体的“Batch Name”和“Sample Name”，选定合适的 “Sample Type”和“Method”。
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a．GPC 标样的设定 在“GPC Online”左侧的“Method Browser”中建立新方法，输入方法文件 名“YYY”，再按照前述步骤设定采集文件。对于三组标样，其“Sample Type” 均选择为“Narrow Standard”，“Method”均选择为“YYY”。 b．未知样品的设定 按照前述步骤设定采集文件。未知样品的“Sample Type”选择为“Unknown” “Method”选择为“None”或“YYY”。 （2）自动进样器控制面板示意图，按照“GPC Online”中设置的样品序列，双 击面板中相应样品的位置，即可将其加入到右侧“Current Vial Sequence”中， 同 时 该 位 置 会 变 为 绿 色 高 亮 ， 重 复 双 击 可 取 消 选 中 。 在 “Current Vial Sequence”中可以设置样品的名称及进样次数（同一个样品可以多次进样）， 在生成的“Injection Sequence”中可以看到相应的进样顺序及次数，务必保 证“Injection Sequence”中的测试样品序列与“GPC Online”中的设置相同。 6．进样测试 待仪器基线稳定后，对 GPC 标样和未知样品进行测试，具体步骤如下：点击 “Injection Sample(s)”图标，计算机提示“Collection Device ready to begin collection”，点击“OK”即可开始进样。进样时，自动进样器会抽取 约 0.5 mL 的溶剂，进样完毕后，自动进样器会自动冲洗进样针，准备下次进样。 进样时，控制面板中处于测试状态样品相应位置的颜色会由绿色高亮变为红色 高亮。此时，“Data Stream”中的基线变为红色。当样品测试结束时，“Data Stream”监视窗口上应显示“No Injection”，基线为蓝色。 a．GPC 标样的测定：自动进样器按照已设定顺序先后将三个混合标样溶液进样， 运行，分别得到相应的 GPC 淋洗曲线（即 GPC 谱图）。 b．未知样品测定：用自动进样器将未知样品溶液进样，运行，得到其 GPC 谱图。 五．数据处理 1. 双击桌面的“GPC Offline”图标，打开名为“XXX”的工作簿（Workbook）， 点击“OK”。 2.选择左侧的“Analysis Runlist”，在右侧会按照“Batch Name”来显示已 经测试过的样品文件，双击样品名将此样品加入到分析列表中。 3.双击列表中样品的“Method”项目，选择“YYY”方法后，按 F9 键（或弯箭 头）。然后点击左侧的“Analysis”，调整峰的数目以及基线的位置。 4.最后单击右键，选择“Calculate Results”即可完成分析。 a．GPC 标样分析 每一组标样按照上述步骤进行分析，得到一张包括峰顶淋洗体积 Ve 和 M 等 多个项目的表格，对应于每一 Ve 值输入相应标样的 Mp 值，最后点击鼠标右键， 选择“Add To Calibration”，将 M 与相应的 Ve 数据添加到“YYY”方法文中。 从三个混合标样所对应的三张淋洗曲线可确定共 10 个标样的淋洗体积，又根据 10 个标样的已知的 Mp 值，即可作出 lgM~Ve 图，从而得到 GPC 校正曲线及校正 方程，生成了“YYY”方法文件。