GPC凝膠色譜實(shí)驗(yàn)步驟

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握PL120型號(hào)凝膠滲透色譜(gelpermeationcliromatogiaphy,GPC)的工作原理。掌握凝膠滲透色譜儀的基本操作及數(shù)據(jù)處理方法。利用凝膠滲透色譜儀測(cè)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。聚合物的性能與其分子量和分子量分布密切相關(guān)。凝膠滲透色譜(gelpenneationcliiomatogiaphy,GPC)是液相色譜的一個(gè)分支，己成為測(cè)定聚合物分子量分布和結(jié)構(gòu)的最有效手段。其還可測(cè)定聚合物的支化度，共聚物及共混物的組成。采用制備型的色譜儀，可將聚合物按分子量的大小分級(jí)，制備窄分布試樣，供進(jìn)一步分析和測(cè)定其結(jié)構(gòu)。

2、該方法的優(yōu)點(diǎn)是：快捷、簡(jiǎn)便、重視性好、進(jìn)樣量少、自動(dòng)化程度高。凝膠色譜的分離機(jī)理眾說不一，有體積排除、限制擴(kuò)散、與流動(dòng)分離等各種解釋。實(shí)驗(yàn)證明，體積排除的分離機(jī)理起主要作用。因此，這一技術(shù)乂被賦予另一個(gè)名稱：體積排除色譜(sizeexclusioncliromatography,SEC)(c)繼續(xù)淋洗(c)繼續(xù)淋洗圖1.GPC分離過程示意圖圓球表示顆粒；黑點(diǎn)表示溶質(zhì)分子在凝膠色譜中會(huì)有三種情況，一是分子很小，能進(jìn)入分子篩全部的內(nèi)孔隙;二是分子很大，完全不能進(jìn)入凝膠的任何內(nèi)孔隙；三是分子大小適中，能進(jìn)入凝膠的內(nèi)孔隙中孔徑大小相應(yīng)的部分。大、中、小三類分子彼此間較易分開，但每種凝膠分離范圍之外的分

3、子，在不改變凝膠種類的情況下是很難分離的。對(duì)于分子大小不同，但同屬于凝膠分離范圍內(nèi)各種分子，在凝膠床中的分布情況是不同的：分子較大的只能進(jìn)入孔徑較大的那一部分凝膠孔隙內(nèi)，而分子較小的可進(jìn)入較多的凝膠顆粒內(nèi)，這樣分子較大的在凝膠床內(nèi)移動(dòng)距離較短，分子較小的移動(dòng)距離較長(zhǎng)。于是分子較大的先通過凝膠床而分子較小的后通過凝膠床，這樣就利用分子篩可將分子量不同的物質(zhì)分離。另外，凝膠本身具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大的分子在通過這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上的孔隙時(shí)阻力較大，小分子通過時(shí)阻力較小。分子量大小不同的多種成份在通過凝膠床時(shí)，按照分子量大小排隊(duì)，凝膠表現(xiàn)分子篩效應(yīng)。GPC色譜柱裝填的是多孔性凝膠（如最常用的高度交聯(lián)聚苯乙烯

4、凝膠）或多孔微球（如多孔硅膠和多孔玻璃球），它們的孔徑大小有一定的分布，并與待分離的聚合物分子尺寸可相比擬。GPC儀工作流程圖如2圖所示。圖2.GPC儀工作流程圖色譜柱總體積為W，載體骨架體積為Vg,載體中孔洞總體積為V”載體粒間體積為V。，則Vt=Vg+Vo+V1Vo和V之和構(gòu)成柱內(nèi)的空間。溶劑分子體積遠(yuǎn)小于孔的尺寸，在柱內(nèi)的整個(gè)空間（Vo+M）活動(dòng)；高分子的體積若比孔的尺寸大，載體中任何孔均不能進(jìn)入，只能在載體粒間流過，其淋出體積是Vo；高分子的體積若足夠小，如同溶劑分子尺寸，所有的載體孔均可以進(jìn)出，其淋出體積為（V+Vi）；高分子的體積是中等大小的尺寸，它只能在載體孔V的一部分孔中進(jìn)出，

5、其淋出體積Ve為Ve=V（）+KViK為分配系數(shù)，其數(shù)值0WKW1,與聚合物分子尺寸大小和在填料孔內(nèi)、外的濃度比有關(guān)。當(dāng)聚合物分子完全排除時(shí)，K=O；在完全滲透時(shí)，K=1（見圖4-3）o當(dāng)K=O時(shí)，Ve=V；此處所對(duì)應(yīng)的聚合物分子量是該色譜柱的滲透極限（PL）,商品GPC儀器的PL常用聚苯乙烯的分子量表示。聚合物分子量超過PL值時(shí)，只能在V。以前被淋洗出來，沒有分離效果。V。和Vg對(duì)分離作用沒有貢獻(xiàn)，應(yīng)設(shè)法減小；V是分離的基礎(chǔ)，其值越大柱子分離效果越好。制備孔容大，能承受壓力，粒度小，乂分布均勻，外形規(guī)則（球形）的多孔載體，讓其盡可能緊密裝填以提高分離能力。柱效的高低，常采用理論塔板數(shù)N和分離

6、度R來作定性的描述。測(cè)定N的方法可以用小分子物質(zhì)作出色譜圖，從圖上求得流出體積Ve和峰寬W,以下式計(jì)算N值：N=（4Ve/W）2,N值越大，意味著柱子的效率越高?！?”、“2”代表分子量不同的兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品，Ve,l、Ve,2、W1,W2為其淋出體積和峰寬，分離度R的計(jì)算為只=後帶若心則完全分離。上面闡述的GPC分離機(jī)理只有在流速很低，溶劑粘度很小，沒有吸附，擴(kuò)散處于平衡的特殊條件下成立，否則會(huì)得出不合理的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)定聚合物GPC譜圖，所得各個(gè)級(jí)份的分子量測(cè)定，有直接法和間接法。直接法是指GPC儀和粘度計(jì)或光散射儀聯(lián)用；而最常用的間接法則用一系列分子量己知的單分散的（分子量比較均一）標(biāo)準(zhǔn)樣品，

7、求得其各自的淋出體積Ve，作出logM對(duì)Ve校正曲線（圖43）。logM=A-BVe（1）當(dāng)logMlogMa時(shí)，曲線與縱軸平行，表明此時(shí)的流出體積（Vo）和樣品的分子量是無關(guān)，V。即為柱中填料的粒間體積，Ma就是這種填料的滲透極限。當(dāng)logMVlogMa時(shí),Ve對(duì)M的依賴變得非常遲鈍，沒有實(shí)用價(jià)值。在logMa和logMd點(diǎn)之間為一直線，即式（1）表達(dá)的校正曲線。式中A、E為常數(shù)，與儀器參數(shù)、填料和實(shí)驗(yàn)溫度、流速、溶劑等操作條件有關(guān)，B是曲線斜率，是柱子性能的重要參數(shù)，E數(shù)值越小，柱子的分辨率越高。上述訂定的校準(zhǔn)曲線只能用于與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)相同的高聚物，若待分析樣品的結(jié)構(gòu)不同于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，需

8、用普適校準(zhǔn)線。GPC法是按分子尺寸大小分離的，即淋出體積與分子線團(tuán)體積有關(guān)，利用Floiy的粘度公式：“=0“M=0R?Mr為分子線團(tuán)等效球體半徑。是體積量綱，稱為流體力學(xué)體積。眾多的實(shí)驗(yàn)中得出EM的對(duì)數(shù)與Ve有線性關(guān)系。這種關(guān)系對(duì)絕大多數(shù)的高聚物具有普適性。普適校準(zhǔn)曲線為TOC o 1-5 h zlogM=A-B(2)因?yàn)樵谙嗤牧芟大w積時(shí)，有iliMi=i3M3(3)式中下標(biāo)1和2分別代表標(biāo)樣和試樣。它們的MarkHouwiiik方程分別為產(chǎn)KM廠Mf1卄因此可得M-,=xMj(4)或logMr=-log+6/1+1logM(5)0+1Kr0+1將(1)式代入(5),即得待測(cè)試樣的標(biāo)準(zhǔn)曲線

9、方程logM.=log+A-B=A-BX-q+1K2e+1e+1Ki、K2ai、a2可以從手冊(cè)查到，從而由第一種聚合物的MVe校正曲線，換算成第二種聚合物的MVe曲線，即從聚丙稀標(biāo)樣作出的MVe校正曲線，可以換算成各種聚合物的校正曲線。有了校正曲線，即可根據(jù)Ve讀得相應(yīng)的分子量。一種聚合物的GPC校正曲線不能用于另一種聚合物，因而用GPC測(cè)定某種聚合物的分子量時(shí)，需先用該種聚合物的標(biāo)樣測(cè)定校正曲線。但是除了聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等少數(shù)聚合物的標(biāo)樣以外，大多數(shù)的聚合物的標(biāo)樣不易獲得，多數(shù)時(shí)候只能借用聚苯乙烯的校正曲線，因此測(cè)得的分子量M值有誤差，只具有相對(duì)意義。用GPC方法不但可以得到分子量

10、分布，還可以根據(jù)GPC譜圖求算平均分子量和多分散系數(shù)，特別是當(dāng)今的GPC儀都配有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可與GPC譜圖同時(shí)給出各種平均分子量和多分散系數(shù)，無需人工處理。三、儀器與樣品四氫咲喃THF（流動(dòng)相）聚合物樣品（如PS）樣品瓶注射器（lOOp1）樣品過濾頭注射器（5ml）PL120型GPC色譜儀四、實(shí)驗(yàn)步驟1用超聲波在減壓的條件下對(duì)流動(dòng)相（THF）經(jīng)行減壓退氣。2溶液配制：分別配制5ml的聚苯乙烯標(biāo)樣及待測(cè)樣品的溶液。PL120型液相色譜儀的啟動(dòng)：（1）色譜級(jí)四氫咲喃注入泵的溶劑瓶，檢測(cè)器廢液出口接廢液回收瓶。（2）打開計(jì)算機(jī)，聯(lián)機(jī)記錄。（3）依次打開泵（Waters1515）,打開示差折光檢測(cè)器

11、（2414）,柱溫箱。（4）打開Breeze2匸作站。（5）啟動(dòng)泵：從抽液閥排管路氣泡；向右打開參比閥，在工作站上設(shè)定4ml/min流速，排趕泵內(nèi)氣泡。大約3分種后在工作站上停止流速。將參比閥向左關(guān)閉；在工作站上設(shè)定在5分鐘內(nèi)升至0.8ml/niin流速；（6）啟動(dòng)示差折光檢測(cè)器（Waters2414）在檢測(cè)器面板上設(shè)定溫度.Dec=40C,Col=45C.按shiftpurge使LCD屏幕上出現(xiàn)“丘”符號(hào)。平衡系統(tǒng)，直到LCD顯示穩(wěn)定。按sliiftpurge鍵，使“丘”負(fù)號(hào)消失。運(yùn)行樣品。（1）在Breeze2工作站中調(diào)用己經(jīng)編輯好的儀器方法。（2）點(diǎn)擊平衡系統(tǒng)，觀察基線至平衡。（3）停止

12、觀察基線。（4）在樣品表中編輯待測(cè)樣品的信息。（5）點(diǎn)擊運(yùn)行樣品表圖標(biāo)。按照對(duì)話框提示輸入樣品組名稱，點(diǎn)擊“等待用戶”。點(diǎn)擊“確定”。（6）將進(jìn)樣器把手扳到“LOAD”位（動(dòng)作要迅速），用進(jìn)樣注射器吸取樣品100p1,注意排除氣泡，并勻速注入進(jìn)樣器。（7）觀察工作站提示“等待進(jìn)樣”，這時(shí)將進(jìn)樣器把手扳到“INJECT”位（動(dòng)作要迅速），即進(jìn)樣完成。（8）等待完成米集。試驗(yàn)結(jié)束（1）應(yīng)清洗進(jìn)樣器。（2）檢測(cè)器溫度設(shè)為OFF.待溫度下降后關(guān)機(jī)。（3）柱溫設(shè)為OFF,保持流速不低于0.2ml/min,直到溫度在室溫附近，方可以停流速，關(guān)柱溫箱。（4）關(guān)泵。數(shù)據(jù)備份。將所使用的項(xiàng)目備份到指定的計(jì)算機(jī)路

13、徑。五、記錄及數(shù)據(jù)處理GPC譜圖的歸一化處理如果儀器和測(cè)試條件不變，那么實(shí)驗(yàn)得到的譜圖可作為試樣之間分子量分布的一種直觀比較。一般地，應(yīng)將原始譜圖進(jìn)行“歸一化”后再比較。所謂“歸一化”，就是把原始譜圖的縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為重量分?jǐn)?shù)，以便于比較不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和簡(jiǎn)化計(jì)算。具體作法：確定色譜圖的基線后，把色譜峰下的淋出體積等分為20個(gè)計(jì)算點(diǎn)。記下這些計(jì)算點(diǎn)處的總坐標(biāo)高度H,（它正比于被測(cè)試樣的重量濃度）。把所有的H,加和后得到H（它正比于被測(cè)試樣的總濃度）。那么，H/ZH,就等于各計(jì)算點(diǎn)處的組分點(diǎn)總試樣的重量分?jǐn)?shù)，以H./ZH對(duì)Ve（或logM）作圖就得歸一化的GPC圖。對(duì)GPC譜圖歸一化處理時(shí)的分割計(jì)算應(yīng)Mn及分散度d1)平均分子量定義法將譜峰下的Ve分成若干等分，則各點(diǎn)的重量分?jǐn)?shù)Wi=Hi/ZHio按定義有：瓦=EMW；M=l