凝膠滲透法課件

GPC測定聚合物分子量及分子量分布

云南大學(xué)材料系肖雪春一、實驗?zāi)康模?、了解凝膠滲透色譜法測定高聚物分子量及分子量分布的原理。2、了解美國Agilent1100凝膠滲透色譜的儀器構(gòu)造和凝膠滲透色譜的實驗的技術(shù)。3、掌握凝膠滲透色譜法數(shù)據(jù)處理方法。二、實驗原理：（一）、高聚物的分子量

高聚物的分子量有兩個特點：一個是它的分子量比小分子大得多，二是分子量都不是均一的，具有多分散性，即聚合物的相對分子質(zhì)量存在分布。由于高聚物分子量的分散性，因此，高聚物不像小分子一樣有唯一確定的分子量值，它的分子量只有統(tǒng)計的意義，通過各種實驗測定出來的分子量只是某種統(tǒng)計的平均值。從統(tǒng)計的角度來說有：平均分子量＝（統(tǒng)計單元的權(quán)重╳該單元的分子量）的總和。假若有一種高聚物試樣，共有nmol分子，其總質(zhì)量為w，其中分子量大小不等的各組分的分子量為Mi、物質(zhì)的量（mol）為ni和質(zhì)量為wi。1、數(shù)均分子量是以分子的數(shù)量ni為統(tǒng)計單元，統(tǒng)計的權(quán)重就是該分子所占的數(shù)量分數(shù)Ni，則有2、重均分子量以分子的質(zhì)量wi作為統(tǒng)計單元，統(tǒng)計的權(quán)重就是該分子的質(zhì)量分數(shù)Wi，則有：4、粘均分子量這里的α指的是Mark-Houwink方程中當α＝－1，<≤<==α＝1，5、分子量分布以多分散系數(shù)來表征高聚物的分子量分布，用d表示，其可用以下表示：（二）、高聚物分子量及分布的測定方法測定方法適用分子量范圍平均分子量測定方法適用分子量范圍平均分子量端基分析3×104以下數(shù)均分子量超速離心沉降速度法1×104～1×107各種平均分子量沸點升高3×104以下數(shù)均分子量超速離心沉降平衡法1×104～1×106重均、Z均分子量冰點降低3×104以下數(shù)均分子量粘度法1×104～1×107粘均分子量氣相滲透法3×104以下數(shù)均分子量凝膠滲透色譜法1×103～5×106各種平均分子量及分布膜滲透2×104～2×106數(shù)均分子量飛行時間質(zhì)譜法1×104～1×106各種平均分子量光散射1×104～1×107重均分子量（三）、CPC的工作原理

GPC是一種特殊的液相色譜，所用儀器實際上就是一臺高效液相色譜（HPLC）儀，主要配置有輸液泵、進樣器、色譜柱、濃度檢測器和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

與HPLC最明顯的差別在于二者所用色譜柱的種類（性質(zhì)）不同：HPLC根據(jù)被分離物質(zhì)中各種分子與色譜柱中的填料之間的親和力不同而得到分離，GPC的分離對象是同一聚合物中不同相對分子質(zhì)量的高分子組分?！粒忍盍献畲罂走€大的分子·－能進入填料較小孔的分子〇－能進入填料較中等孔的分子三、實驗設(shè)備和材料1、GPC儀：GPC儀主要由輸液系統(tǒng)、進樣器、色譜柱、濃度檢測器、分子量檢測器及一些附屬電子儀器組成，構(gòu)造示意圖如下圖所示。(1)、濃度檢測器：濃度檢測器不斷檢測淋洗液中高分子級分的濃度。常用的濃度檢測器為示差折光儀，其濃度響應(yīng)是淋洗液的折光指數(shù)與純?nèi)軇芟慈軇┑恼酃庵笖?shù)之差，由于在稀溶液范圍內(nèi)，與溶液濃度成正比，所以直接反映了淋洗液的濃度即各級分的含量。⑵、相對分子質(zhì)量檢測器檢測方法有兩種，即間接法和直接法。間接法：即體積指示法。由于凝膠色譜法是按分子大小分離，對給定色譜柱來說，一定大小的分子必然在一定體積時淋出，如果用已知相對分子質(zhì)量的標樣標定好色譜線得一系列相對分子質(zhì)量與淋出體積的關(guān)系，對未知樣品只要淋出體積，用上述的相對分子質(zhì)量與淋出體積的關(guān)系即可得出該樣品的相對分子質(zhì)量。直接法：目前已采用的有自動粘度計和小角激光散射光度計（LALLS）作為凝膠色譜的相對分子質(zhì)量檢測器，能直接測定淋出液的重均分子質(zhì)量，無需標定曲線，是真正的絕對方法。(3)、柱的填料填料要求具有高分辨率，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，一定的機械強度，不易變形，流動阻力小，對試樣沒有吸附作用，分離范圍愈大愈好。填料可分為有機高分子填料和無機填料。有機高分子填料：交聯(lián)聚苯乙烯凝膠，交聯(lián)聚乙酸乙烯酯凝膠，交聯(lián)聚甲基丙烯酸酯凝膠，交聯(lián)聚丙烯酰胺凝膠，交聯(lián)葡聚糖凝膠及交聯(lián)瓊酯糖凝膠等。這類填料是溶脹型的。無機填料：多孔性硅膠，多孔性玻璃珠等。這類填料不會溶脹或收縮，但可能會出現(xiàn)吸附效應(yīng)，使用時應(yīng)予注意。(4)、溶劑的選擇A、必須能溶解樣品、潤濕填料，且要防止吸附作用。B、溶劑的粘度要適當，不能太高C、溶劑應(yīng)與檢測器相匹配，不破壞填料，不腐蝕儀器，且沸點應(yīng)比使用溫度高25~50℃。最常用的有機溶劑有四氫呋喃、1，2，4－三氯苯、鄰－二氯苯、甲苯等。2、其它設(shè)備：配樣瓶、注射針筒、過濾器3、實驗材料：四氫呋喃溶劑、懸浮聚合的聚苯乙烯、窄相對分子質(zhì)量分布的聚苯乙烯。四、實驗步驟1、流動相的準備：重蒸四氫呋喃溶劑，經(jīng)過濾后備用2、樣品溶液配制

向色譜柱配備的三個標樣配樣瓶（紅、藍、綠色三個）中注入約2mL溶劑溶解標樣，后用過濾器過濾。在配備的樣品配樣瓶中，注入約2mL溶劑，溶解后過濾。3、Agilent1100GPC儀的啟動⑴、將過濾過溶劑倒入GPC儀的溶劑瓶，GPC儀出口接上回收瓶。⑵、啟動GPC儀，先打開電腦，從下到上依次打開儀器的各個模塊，運行Bootpserver程序。待模塊自檢完成后，雙擊instrumentonline圖標。⑶、待出現(xiàn)相應(yīng)圖標后，啟動泵，打開Purge閥對儀器進行排氣。直到管線內(nèi)無氣泡為止。⑷、單擊Pump圖標，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定菜單，對流速、柱溫、流動相的實際體積、瓶體積、進樣方式等參數(shù)進行設(shè)置。⑸、待參數(shù)設(shè)置完成后，從instrument菜單選擇Systemon.4、進樣：待儀器的基線穩(wěn)定后，從Method菜單選擇“Runmethod”，進樣。將進樣器把手扳到“LOAD”位(動作要迅速)，用進樣注射器吸取樣品20μl，并注入進樣器(注意排除氣泡)。這時將進樣器把手扳到“INJECT”位（動作要迅速），即進樣完成，同時應(yīng)用進樣記錄。一樣品測試完成（不再出峰時），可按前面步驟再進其它樣品。5、實驗結(jié)束，清洗進樣器，用適當?shù)娜軇_洗系統(tǒng)10分鐘，然后關(guān)泵。退出化學(xué)工作站，關(guān)閉電腦，然后再關(guān)閉GPC儀器各模塊的電源開關(guān)。6、通過分析軟件，對已知的窄相對分子質(zhì)量分布的聚苯乙烯的GPC色譜圖進行分析得出GPC的校準曲線，然后，利用校準曲線對懸浮聚合的聚苯乙烯進行分析計算，得出結(jié)果。五、記錄及數(shù)據(jù)處理從實驗得到的色譜圖一般縱坐標是濃度檢測器訊號，橫坐標是淋出體積，一個典型的高聚物的色譜圖如下圖所示。根據(jù)根據(jù)GPC分離原理，高聚物試樣經(jīng)色譜柱分離后將按分子量從大到小從柱出口淋洗出來，M1>M2>M3>M4。實驗證明在多孔填料的滲透極限范圍內(nèi)Ve和M有如下關(guān)系：lgM=A+BVe式中A、B為與聚合物、溶劑、溫度、填料及儀器有關(guān)的常數(shù)。通過使用一組單分散性分子量不同的試樣作為標準樣品，分別測定它們的淋出體積Ve和分子量，做lgM對Ve直線圖，可求得特性常數(shù)A和B。這一直線就是GPC的校正曲線。待測聚合物被淋洗通過GPC柱時，根據(jù)其淋出體積，就可以從校正曲線上算得相應(yīng)的分子量。

GPC校準曲線有了校正曲線，即可根據(jù)Ve讀得相應(yīng)的分子量。普適校準曲線事實上，僅有一般的“校準曲線”還是不夠的。用GPC測定某種聚合物的分子量時，需先用該種聚合物的標樣測定校正曲線。使用聚苯乙烯標準樣品所得的校準曲線只適用于聚苯乙烯試樣的測定，而對其它高聚物通常并不適用，但是除了聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等少數(shù)聚合物的標樣以外，大多數(shù)的聚合物的標樣不易獲得，多數(shù)時候只能借用聚苯乙烯的校正曲線，因此，人們努力探索建立所謂的“普適校準曲線”，把聚苯乙烯標樣的校準曲線用到其它高聚物的測定中。本實驗數(shù)據(jù)處理步驟（1）打開電腦上“instrumentoffline”分析軟件，進入數(shù)據(jù)分析畫面"DataAnalysis"。（2）從DATA\GPC_DEMO子目錄調(diào)入數(shù)據(jù)文件001-0101，此數(shù)據(jù)含有使用示差折光檢測器檢測的聚苯乙烯標樣混合物。（3）通過GPC|GPC-Settings...檢查并修改GPC設(shè)置,如果GPC-Settings是灰的不能使用，請先選擇ActivateGPC來激活GPC軟件。注：創(chuàng)建新的CalibrationTable時請務(wù)必選Default.cal。這相當于一個模板。另外，選擇報告中是要計算指定分子量的百分比分布（MassFractionatM[D]）還是指定百分比時的分子量值（MolarMassatM[%]）。（4）從GPC菜單選擇“CalculateGPC-Results“GPC-Addon軟件將打開并已經(jīng)設(shè)置好基線，缺省的default.cal校正曲線用于產(chǎn)生分子量數(shù)據(jù)。（６）現(xiàn)在我們可以根據(jù)峰保留時間和已知的摩爾質(zhì)量產(chǎn)生校正表：A、單擊Window＞Calibration菜單，然后在GPC-Addon軟件屏幕菜單欄使用File＞New產(chǎn)生新的空白校正文件。B、選中以激活elugram窗口，在最左側(cè)第一個峰X軸下右鍵單擊并選擇findmaximum。軟件會自動找到該峰的保留時間。按照表１輸入相應(yīng)摩爾質(zhì)量并選擇Addtocalibration添加到校正表。（７）對于峰2到4重復(fù)此步驟。.（８）切換回化學(xué)工作站并調(diào)入下一個校正文件(002-0201)，從GPC菜單選擇計算GPC結(jié)果“CalculateGPC-Results”。（９）在GPCAddon軟件的Elugram窗口，我們繼續(xù)在X軸下面左數(shù)第一個峰的位置下單擊右鍵，并選擇findmaximum找最大，從表1輸入相應(yīng)摩爾質(zhì)量并選擇“Addtocalibration”添加到校正表。（１０）對于峰2到4重復(fù)此步驟。.（１１）切換回化學(xué)工作站并調(diào)入下一個校正文件(003-0301)，重復(fù)步驟（８）到（１０）。（１２）當所有12個校正標準都已經(jīng)添加到校正表中后，選中以激活Calibration校正窗口，使用“PSSPoly5"來擬合數(shù)據(jù)并從菜單中選擇File>SaveAs以“ps_thf.cal”作為文件名。2、分析實際樣品（1）切換到化學(xué)工作站并進入數(shù)據(jù)分析畫面"DataAnalysis"。（2）從DATA\GPC_DEMO子目錄調(diào)入數(shù)據(jù)文件049-0401（假設(shè)此數(shù)據(jù)文件為實際分析樣品且設(shè)置了正確的積分設(shè)置），此數(shù)據(jù)是以示差折光檢測器檢測的聚苯乙烯寬標標樣。（3）通過GPC>GPC-Settings...檢查并修改GPC設(shè)置。注意，這時，我們要選擇剛剛建立的校正曲線ps_thf.cal而不再是Default.cal。點擊…Browse,選擇剛剛做好的標準曲線文件ps-thf.CAL，（4）從GPC菜單選擇“CalculateGPC-Results