（应用化学专业论文）凝胶渗透色谱测定聚电解质分子量及分子量分布的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 凝胶渗透色谱( g p c ) 在测定聚电解质分子量及其分布的过程中由于缺乏合 适的标样，以及非体积效应，使其结果存在较大误差。本文的研究工作包括以 下几个方面： ( 1 ) 采用水溶液自由基聚合，合成出不同分子量范围的聚丙烯酸( p a a ) 标样粗品。以二氧六环为良溶剂，石油醚为沉淀剂，通过二次等温沉淀分级， 制得8 个不同分子量的p a a 标样，并用渐进校正法建立了g p c 校正曲线。由该 曲线得到的粘均分子量与粘度法测得的分子量相比其平均相对误差为7 ，得到 的数均分子量与端基滴定法测得分子量相比平均相对误差为9 。 ( 2 ) 以上述p a a 标样的峰值分子量和峰值淋洗体积建立g p c 工作曲线对 实际聚丙烯酸试样进行测定，结果与粘度法结果相比平均相对误差小于1 0 。 而以p e g 为标样，分别采取直接校正和普适校正进行数据处理，结果与粘度法 结果相比相对误差大于3 0 。对于聚羧酸减水剂样品，以上述p a a 为标样时， 测得分子量分布为2 - 6 ；以p e g 为标样时，测得分子量分布小于2 。根据高分子 理论，水溶剂自由基聚合歧化终止得到的产物分子量分布理论值为2 5 。因此， 以上述p a a 为标样，测定聚羧酸减水剂样品分子量及其分布，可以得到较为准 确的结果。本标样还用于与p a a 具有相似结构的不同阴离子聚电解质分子量及 其分布的测定。 ( 3 ) 考察了流动相离子强度，酸度，以及其他色谱条件对p a a 凝胶渗透色 谱行为的影响。结果表明：流动相离子强度对凝胶基质与p a a 样品间的相互作 用有较大影响，当流动相离子强度满足一定条件时，保留时间与分子量有较好 的线性关系；当流动相p h 值为4 7 5 7 7 时，色谱柱与样品的相互作用得到有效 抑制。 ( 4 ) 研究发现，用直链结构的p a a 标样测定直链结构聚电解质分子量其结 果接近真实值，而测定具有长支链梳型结构的聚电解质分子量则存在一定误差。 关键词：凝胶渗透色谱；体积排阻；非体积效应；分子量标样；聚丙烯酸：聚 乙二醇；渐进校正；普适校正；聚羧酸系高效减水剂 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g ee r r o rh a se x i s t e di nt h ed e t e r m i n a t i o n o ft h em o l e c u l a rw e i g h ta n d m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o no f p o l y e l e c t r o l y t eb yg p cb e c a u s eo f t h el a c ko f p r o p e r s t a n d a r ds a m p l e sa n dt h en o n - v o l u m ee f f e c t t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rh a s d o n es e r i a l sw o r ki n c l u d i n g ： ( 1 ) p a ao r a ls a m p l e so b t a i n e dt h r o u g hs o l u t i o nf r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n w i t hd i f f e r e n tp o l y m e r i z i n gc o n d i t i o n s i rw a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h es t r u c t u r eo f p o l y m e r i z a t i o np r o d u c t s 8p 从m o l e c u l a rw e i g h ts t a n d a r ds a m p l e sw i t hd i f f e r e n t m o l e c u l a rw e i g h to b t a i n e dt h r o u g ht w i c ei s o t h e r m a lp r e c i p i t a t i o ng r a d i n gm e t h o db y u s i n gd i o x a n ea sg o o ds o l v e n t , p e t r o l e u me t h e r a sp r e c i p i t a t i o n t h r o u g ht h e e s t a b l i s h e dg r a d u a lc u i v e t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fm ni so n l ya b o u t7 b e t w e e n t h i sm e t h o da n dv i s c o m e t r y , t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fm ni so n l ya b o u t9 b e t w e e nt h i sm e t h o da n de n d g r o u pt i t r a t i o n ( 2 ) t h ec a l i b r a t i o nc u r v ec a nb eq u i c k l ye s t a b l i s h e db yt h em pa n di t s e l u t i o n v o l u m eo ft h ep a as t a n d a r ds a m p l e s f o rt h ed e t e r m i n a t i o no fa c t u a lp a as a m p l e s ， t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a n10 b yu s i n gp a as t a n d a r ds a m p l e s i nt h e c o n t r a s t ，t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ri sn e a r l y3 0 b yu s i n gp e ga ss t a n d a r ds a m p l e s ； f o rt h ed e t e r m i n a t i o no fp o l y e a r b o x y l a t es u p e r p l a s t i c i z e r s ，t h em o l e c u l a rw e i g h t d i s t r i b u t i o ni s2 6b yu s i n gp a as t a n d a r ds a m p l e sa n dl e s st h a n2b yu s i n gp e ga s s t a n d a r ds a m p l e s a c t u a l l y , t h et h e o r e t i c a lv a l u eo fm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o ni s 2 5b yt h ed i s p r o p o r t i o n a t i o nt e r m i n a t i o ni nt h es o l u t i o nf r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n s oam o r ea c c u r a t e l yr e s u l tc a nb eo b t a i n e db yu s i n gp a aa ss t a n d a r ds a m p l e s t h e p a as t a n d a r ds a m p l e si ng p cc a na l s ob eu s e di nt h em e a s u r e m e n to fm o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n ta n i o n i cp o l y e l e c t r o l y t ew i t hs i m i l a rs t r u c t u r e ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f t h e i o n i cs t r e n g t h 、p ha n do t h e rc h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n s i nt h ed e t e r m i n a t i o no fp a ai ng p ch a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ei o n i cs t r e n g t hh a dl a r g ei n f l u e n c eo nt h ea d s o r p t i o ne f f e c tb e t w e e nt h ep a aa n d g e lm a t r i x ag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i po b t a i n e dw h e nt h ei o n i cs t r e n g t hi si nc e r t a i n e x t e n t t h ea d s o r p t i o ne f f e c tb e t w e e nt h ep a aa n dg e lm a t r i xi sa l s oi n f l u e n c e db y 2 武汉理工大学硕士学位论文 t h ep h w h e nt h ep ni s4 7 5 7 7 ，t h ea d s o r p t i o ne f f e c ti n h i b i t e db e c a u s ep a ai s n e a r l yi o n i z a t i o ni nt h e s ea c i d i t y ( 4 ) t h er e s u l t ss h o wt h a tag r e a te r r o rh a se x i s t e di nt h ed e t e r m i n a t i o no f s i d e - c h a i n p o l y e l e c t r o l y t eb yu s i n g p 从s t a n d a r ds a m p l e s ，w h i c hh a sl i n e a r c h a i n a n di nt h ed e t e r m i n a t i o no ft h el i n e a r - c h a i np o l y e l e c t r o l y t e ，t h ee r r o ri sn o t e x i s t e d k e y w o r d s ：g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ；s i z ee x c l u s i o n ；n o n - v o l u m ee f f e c t ； m o l e c u l a rw e i g h ts t a n d a r ds a m p l e s ；p o l y a c r y l i ca c i d ；p o l y e t h y l e n eg l y c o l ；g r a d u a l c a l i b r a t i o n ；u n i v e r s a lc a l i b r a t i o n ；p o l y a c r y l i cs u p e r p l a s t i c i z e r 3 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 同期f 妒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 凝胶渗透色谱法及其研究进展 凝胶渗透色谱( g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y 、g p c ) i 主ij c m o o r e l 9 6 4 年首 先研究成功，是液相色谱的一种，它是一种通过控制固定相孔径分布使溶质分 子按体积大小分离的色谱方法【1 】。g p c 方法是柱上分级方法，柱中可供分子通行 的体积空间有凝胶颗粒间的空隙体积( v o ) ，凝胶中的孔洞体积( v i ) ，以及凝胶 的骨架体积( v 。) ，三种体积大小不同，当被测量的高聚物溶液通过装有多孔凝 胶基质的色谱柱时，较大的分子被排除在凝胶粒子的小孔之外，只能从凝胶颗 粒间的空隙通过，能较快排除色谱柱；而较小的分子还可以进入凝胶中的孔洞， 甚至凝胶的骨架缝隙中，通过色谱柱的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱， 聚合物就能按体积大小进行分离。聚合物和凝胶渗透色谱柱固定相颗粒间相互 作用和不同尺寸的高聚物分子分离过程如图所示( 图1 1 ) 。 图1 1 聚合物和固定相颗粒间相互作用 f i g 1 - 1t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e l lp o l y m e ra n ds t a t i o n a r yp h a s e 对于g p c 的分离机理研究，学者们从不同的角度提出过各种不同的理论试 图加以解释。目前所提出的分离理论主要有以下几种：( 1 ) 空间排斥分离理论。 这种理论是假定在分离过程中，凝胶的孔洞内处于扩散平衡状态，即溶质分子 6 武汉理工大学硕士学位论文 扩散进入一个填料颗粒的孔中并再出来所需要的时间远小于溶质区域在此停留 的时间，就是当溶质层流过一个填料颗粒这段距离时，溶质分子已多次进出于 填料的孔而达到平衡。这种分离并不是依赖于固定相，溶质和流动相之间的作 用力，而是溶质分子从浓度中心向外扩散，并进入到凝胶孔中去。这种平衡是 柱子柱子足够长，流速很慢时的一个极限情况【2 】。( 2 ) 有限扩散分离理论。该理 论与空间排斥分离理论相反，认为溶质分子在流经g p c 柱子的过程中不存在扩 散平衡，而存在着限制扩散平衡过程，因为如果是按空间排斥机理分离的话， 则淋洗体积与流动相的流速无关【3 】。y a u 和m a l o n e 4 】的研究表明淋洗体积具有流 速依赖性，从而印证这一理论。( 3 ) 流动分离理论【5 】。流动分离的概念最先是由 k o p e d e r s e n 在用无机玻璃作为填充柱分离蛋白质时提出来的。根据流体力学原 理溶液在管子中心的流速比靠近管壁的流速要大，当高分子溶液在管中流动时， 由于流体力学的管壁效应，大分子的质量中心集中在色谱柱的中心部分，也就 是说尺寸大的分子在淋洗时由于不易靠近色谱柱的柱壁而最先流出来，尺寸小 的分子容易扩散到柱子边缘，进入流速较慢的区域而较后淋出，于是随着流动 的进行，高聚物分子就可以按不同的流速达到最后的分离，这就是流动分离理 论对g p c 分离机理的解释1 6 j 。 g p c 的分离机理是个比较复杂的问题，而上述理论在研究时并未完全考虑 到实际应用时产生的具体问题，因此有时与g p c 实验结果不具一致性。除上述 几种分离机理的理论外，还有溶解理论，构象熵理论等几种机理解释【7 】。目前还 没有一个比较完整的分离机理来圆满的解释g p c 的分离过程。但由于空间排斥 理论能较好的解释g p c 分离中的各种现象，且与实验事实比较一致，已被人们 普遍接受和采用。 凝胶渗透色谱技术根据其应用主要分为两种：有机体系和水溶性体系。有机 体系填充质为具有溶胀性的交联有机高聚物，具有疏水性质，例如交联聚苯乙 烯凝胶，此类色谱柱适用于有机溶剂体系，由于有机体系中的溶剂和样品都是 非极性的，不易与色谱柱填充质发生作用，能够快速准确的得到测量结果。在 b e n o i t 普适校正方法建立后，得到了广泛的应用，已经成为高分子研究领域表征 聚合物分子量及分子量分布的一种重要的手段，在实际中得到广泛的应用。 对于水溶性体系来说，在聚电解质的分离过程中存在着非体积效应与非体 积效应。非体积效应是指样品不能按照体积大小顺序进行分离。非体积效应的 产生是由于聚电解质分子与凝胶色谱柱之间存在离子交换，离子排斥，离子包 含，以及吸附等作用力，这些作用力主要是一种焓驱动力，通常比较大，对影 7 武汉理工大学硕士学位论文 响分离起着主导作用。 体积效应是在非体积效应得到抑制的情况下，聚合物按体积大小顺序排出 色谱柱，保留时间与分子体积存在线性关系。但在该线性关系受聚电解质在溶 剂体系中分子形态的影响。体积效应是一种由高分子聚电解质在溶剂体系中体 积扩散带来的熵驱动作用力导致的，这种作用力通常都比较小，在分离过程中， 当标样的分子形态与待测样品具有一致性时，分子量分子体积保留时间三者之 间的线性关系为真实值。 产生非体积排除效应主要有以下几种因素： ( 1 ) 聚电解质与凝胶基质问的吸附以及离子交换作用。吸附主要由于两者 分子间的氢键作用力，即如果凝胶基质与聚电解质分子带有相反的电荷，聚电 解质分子就会因为异性相吸而在凝胶基质中滞留，改变其出峰顺序，使之不按 体积规律排出色谱柱。除了氢键作用力外，还有离子交换作用力，水溶性g p c 色谱柱的填充基质一般是交联葡聚糖凝胶，聚丙烯酰胺等网状柔软性有机软胶， 图1 - 2 为1 3 1 3 葡聚糖的结构： 图1 - 2 ：葡聚糖凝胶结构 f i g 1 2t h e s t r u c t u r eo ft h es c p h a d e x 凝胶基质上面的极性羟基基团在一定程度上可以起到一种弱阳离子交换作 用，可以与聚电解质分子上的电荷产生离子交换作用，离子交换作用不仅推迟 样品的出峰时间，加强吸附力，还有可能在一定程度上影响聚合物线团结构和 分子形态。 聚电解质与凝胶基质问的吸附作用使聚电解质在g p c 中的分离变得非常复 杂。国外一些学者对吸附现象作了一下研究。s n y d e r 8 】研究了交联葡聚糖，硅胶， 刚性多孔玻璃，琼脂糖等凝胶柱的吸附现象，他发现在凝胶基质粒度较小使离 子交换带来的吸附现象较为严重，因为粒度小使得基质表面空隙大，比表面积 也大，有更多的带电基团会与聚电解质产生电荷作用和离子交换作用。 ( 2 ) 聚电解质与凝胶基质问的离子排斥作用。排斥作用主要由于当凝胶基质 8 武汉理工大学硕士学位论文 与聚电解质分子带有相同的电荷时，两者就会产生静电斥力。市售g p c 柱带有一 定程度的负电荷，阻止带有相同电荷的聚合物离子进入凝胶孔隙内部，交联葡 聚糖中带有残积的羧酸基团，正是这些羧酸基团排除聚合阴离子。当静电斥力 不太强时，斥力使聚电解质分子提前排出色谱柱，改变其出峰顺序，使之不按 体积规律排出色谱柱。当斥力很强时，会使聚电解质分子无法扩散进入凝胶色 谱柱填充基质的孔隙内，这时就会产生完全排斥现象，使色谱峰型异常，甚至 于没有色谱响应信号。 ( 3 ) 聚电解质一凝胶基质一流动相体系间的溶剂化作用力。这种溶剂化作用力 的影响主要表现在两方面：一方面流动相与聚电解质之间的溶剂化作用力对聚 合物分子形态和体积大小有直接影响，即如果溶剂化作用力较大，则聚电解质 分子在流动相中结构较为舒展，体积会变大，如果流动相的离子强度很大，与 聚电解质之间的溶剂化作用力较小，则会使聚电解质分子收缩，体积变小，还 会产生一定的疏水作用。另一方面，流动相与凝胶基质问的溶剂化作用力对聚 电解质在色谱柱中的分离有直接影响。这是因为，如果流动相与凝胶基质问的 溶剂化作用比较弱的话，不仅会使样品分子间亲和力增加，排除流动相分子与 凝胶基质间非极性的键合作用，而且对聚电解质与凝胶基质问的键合作用有一 定的促进作用，这都会影响聚电解质的分离状况和出峰时间，产生非体积效应。 ( 4 ) 聚电解质与凝胶基质间的离子包含作用。离子包含作用主要是由于凝胶 色谱柱的填充质起到了半透膜的作用，使小分子电解质在孔隙中的浓度增加延 长滞留时间。 此外，色谱柱填充质一般是交联葡聚糖凝胶，聚丙烯酰胺，琼脂糖，硅质 材料等网状柔软性有机软胶，具有较差的稳定性。而且水溶性聚合物而且种类 繁多，表征困难。已知分子量和分子量分布的系列样品较难得到，标定存在问题。 以上这些原因使得g p c 该方法还不能成为聚电解质分子量及分子量分布快 速、有效的分析手段【9 】。国内外文献报道聚电解质的g p c 研究测量：木质素【l0 1 ， 阴离子蛋白f l l l ，核酸【1 2 】，乳胶【1 3 l ，等。各种体系的实验条件方法大多处于摸索 阶段。国内外很多研究者在应用水溶性g p c 测量聚电解质分子量及分子量分布 时，针对存在的问题，尤其是如何抑制非体积效应对测量结果的影响，做了一 系列的研究。目前解决这类问题的主要方法思路主要有四种： ( 1 ) 调节流动相的离子强度。流动相的离子强度在一定程度上抑制交联葡 聚糖柱子内的离子排斥作用和吸附作用。b w i t t g r e n , a w e l i n d e r i 】，r d r i e k e r ”】等通过盐的加入调节流动相的离子强度，能在一定范围内抑制离子排斥 9 武汉理工大学硕士学位论文 等电荷作用。 ( 2 ) 调节流动相的p h 值。通过调节流动相的酸度，能减少色谱填充质与样 品之间的电荷作用，在一定程度上可以抑制离子交换反应，而且，适当的酸度 有利于色谱柱填料的稳定，能提高分离效率，延长色谱柱的使用寿命。b d c w 1 6 】， m i z u t a n i 17 1 ，m a l f a i t 8 1 等人的研究均发现流动相酸度对聚电解质样品与填充基 质点的吸附有重要影响 ( 3 ) 调节其他色谱条件。色谱温度，流速等因素也能在一定程度上影响聚电 解质样品的分离度和色谱柱柱效。m a l f a i t 1 8 】在研究聚丙烯酰胺的水溶性g p c 行 为时发现，提高色谱温度能消除吸附现象。 由于产生非体积效应的原因是多方面的，因此，在具体的试验中，要消除非 体积效应的影响要根据实际情况综合考虑各方面的因素。国内外学者在应用水 溶性g p c 测量聚电解质平均分子量和分子量分布时，提出了很多的解决思路和 解决方案，对本课题的研究具有重要借鉴作用。 在理论方面m a r t i np o t s c h k a 2 0 】从机理上研究了溶剂组成，酸度，离子强度等 对聚电解质的凝胶渗透色谱行为的影响。r o s ag a r c i a 2 1 】1 2 2 】主要研究了离子强度 对聚电解质在g p c 分离过程中非体积效应的影响。 在应用方面，xlj i a n g ，a s c h w i nv a nd c rh o r s e 掣2 3 】采用s h o d e xo n p a ks b g 和s h o d c xo h p a ks b 8 0 6 m 双柱串联，以合成的窄分布2 甲氨基丙烯酸乙酯系列 ( p d e s ) 为标样，测量非病毒转基因中阳离子蛋白质分子量。讨论了不同流动 相的影响：当0 7 mn a n o 。+ 0 1 m 三羟甲基氨基甲烷( p h = 7 2 ) 为流动相时，它 与固定相存在热函作用，峰形拖尾严重；加入1 0 ( v v ) 的乙腈后，分离效果 明显好转，峰形拖尾也有所好转；当以0 3 5 mn a n 0 , + 0 0 5 m 三羟甲基氨基甲烷 ( p h = 7 2 ) 为流动相时，吸附现象很明显，分离效果很差：而当以0 3 mn a a c ( p h = 4 4 ，以3 的乙酸调节p h ) 为流动相时，具有较好的s e c 行为。此外还 考察了0 8 mn a n 0 3 ；0 4 mn a n 0 3 ；0 0 2 mn a a c ( p h = 4 4 ) ；0 0 2 mn a a c ( p h = 4 4 ) ： 0 8 mn a a c ( p h = 7 2 ) 等流动相，都有较强的吸附。实验表明，0 3 mn a a c ( p h = 4 4 ) 为流动相时之所以有较好的s e c 行为，因为其较高的离子强度和较低的p h 值， 用来调节p h 值的乙酸溶液充当了有机调节剂的作用，能有效降低高离子强度流 动相与固定相之间的疏水作用； l i a g ce c l a g c ，s a n t a n n ag l ，n o b r e g ar 【2 4 】用水溶性g p c 分析漂白工业废水 中的木质素的分子量，以聚乙二醇为标准试样，不同浓度的硝酸钠溶液为流动 相( 分别加了l p p m 的叠氮钠阻止生物降解) ，通过提高离子强度离解分子，克服 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 交联葡聚糖中带有残积的羧酸基团与聚合阴离子之间的排除作用，但是离子强 度的增加又能导致凝聚体的形成而产生疏水作用； c o s t a s p a t r i c k i o s 2 5 】在研究异丁烯两性聚电解质的水溶性凝胶渗透色谱行为， 发现当p h 值为8 5 时能抑制分子中负电荷与色谱柱的排斥作用，较高的离子强 度能克服静电作用带来的问题。对于两性聚电解质来说，这一条件还能抑制分 子内的静电扩散，并能防止由于体系临界胶束浓度过低而导致样品以分子团的 形式迁移到色谱柱上的问题。 s a t o r uk a d o k u r a 2 6 】研究了聚电解质在g p c 测量中由于离子溶质与凝胶基质 电荷产生的盐析效应带来的不规则溶剂行为。对比不同流动相：氯化钠，硫酸 钠，l ，3 ，6 三萘磺酸钠来研究d o n n a n 盐析作用。以肝磷脂为实验对象，调节 流动相离子强度，并通过理论推导测得聚电解质的依数系数t 。 李静，左雄军等【2 7 】研究了芸芝多糖在水溶性凝胶色谱柱上的吸附作用，建 立最佳分离。测试条件：色谱柱采用u t r a h y d r o g e l l 0 0 0 + 2 0 0 0 双柱串联，柱温为 3 0 ，以n a n 0 。为流动相，流速为0 6 m l m i n ，进样体积为2 0 l am 以p u l l u a n 多 糖为标样。用不接凝胶柱和接凝胶柱这两种方式测定流出峰的面积并对它们进 行比较，并对照不同离子强度的流动相对柱子的吸附情况，发现随着离子强度 的降低，峰面积增大，吸附程度减弱，从而使分离效果变好，而离子强度太低 的话，又会影响色谱图的分辨力，最后得出流动相最佳的离子强度为0 0 5 。 李静等【2 8 】【2 9 】测定了不同带电基团的木质素的分子量。将碱木素分子进行乙 酰化封端后，用有机相凝胶色谱进行检测，通过两种柱子测出结果的对比发现 流动相的p h 值对出峰时间有影响，p h 值过低会造成样品在色谱柱上产生严重 吸附，并使保留时间延长。对木素磺酸盐来说，p h - - 7 较合适；而碱木素或硫酸 盐木素则要求p h 值更高一些。 罗廉洁，吴志伟等【3 0 l 通过调节流动相的离子强度，p h 值，以及外加剂考察水 溶性木质素磺酸盐的吸附作用，得出当离子强度为o o l m o l l ，并加入2 0 乙腈 时，体系吸附程度最弱。 刘爱明【3 1 1 使用苯乙烯凝胶柱，以二甲基甲酰胺( d 姗) 溶剂为流动相，以 宽分布p a n 为标准试样，检测聚丙烯腈( p a n ) 的分子量时发现p a n 聚阴离子 中不同带电基团的固有电荷产生了相互排斥作用，使聚阴离子线团尺寸膨胀， 在谱图上表现为淋洗峰提前。而加入的屏蔽电解质中的阳离子能使部分阴离子 静电场得到平衡，减弱内部电荷的相互作用，抑制了分子构象的扩张，通过屏 蔽电解质的加入，很好的抑制了电荷作用，得到正常g p c 的峰形。 武汉理工大学硕士学位论文 宋乐天，于广利等【3 2 】以葡聚糖为标准品，以不同浓度的氯化钠溶液为流动 相，分别加入不同p h 值的0 0 2 叠氮钠水溶液( 用lmh c l 与1m n a o h 调节 p h 值) ，柱温为3 5 ，讨论了不同盐浓度和p h 值对灰树花葡聚糖凝胶渗透行为 的影响，随着流动相离子强度增大，分子之间斥力增大，造成网状糖链分子收缩、 聚集，易进入色谱柱多孔填料的孔径中，色谱保留时间延长，相对分子质量降低；盐 浓度降低时，葡聚糖超螺旋分子变得舒展，分子形状变大，相对分子质量变大。 由于葡聚糖在n a o h 溶液中三股螺旋会被破坏并解聚成不规则的卷曲的单链， 结构受酸碱度的影响聚集状态发生改变，影响测量结果。 叶美玲，韩冬，施良和等【3 3 】以磷酸盐缓冲液为流动相，通过加入十二烷基 磺酸钠，聚氧乙烯月桂醚等表面活性剂消除污水中聚丙烯酰胺样品与普通商品 柱固定相的非体积排斥作用，实现定量分析。 1 2 凝胶渗透色谱测定聚羧酸高效减水剂分子量及分布研究 聚羧酸高效减水剂的研究起于上个世纪8 0 年代初。日本花王公司o k a d a t 3 4 】， 触媒公司的椿本恒雄【3 5 1 ，对聚羧酸系减水剂做了一系列的研究【3 5 】。随后欧美 w r g r a c e 公司的j g a i d i s 3 6 】也对聚羧酸系减水剂进行了大量的的研究。我国 在上世纪末才开始对聚羧酸高效减水剂的合成和性能展开研究【37 1 ，研究体系主 要有：聚丙烯酸系【3 8 】、聚丙烯酸一马来酸系【3 9 】、聚马来酸系f 矧、丙烯酰胺共聚 物等。 聚羧酸系高效减水剂分子为梳型结构。主链一般为聚乙烯链，侧链一般含 有羧基、磺酸基、烷基、酰胺基，聚氧烷基等，其分子结构空间自由度较大， 可根据实际应用需求设计各链段结构。作为一种高分子表面活性剂，聚羧酸减 水剂基本作用主要有润湿作用、分散作用以及引气作用。 目前研究表明高效减水剂作用机理理论主要有两种：静电斥力理论和空间 位阻效应理论。静电斥力理论也称d l v o ( d e r j a g u i n - l a n d a u v e r w e y - o v e r b e e k ) 理论，聚羧酸高效减水剂属阴离子型表面活性剂。减水剂分子中的负离子一s 0 3 ， c o o 就会与水泥粒子在水化初期产生的正电荷( c a 2 + ) 发生吸附作用而形成 吸附双电层( 电位) ，使水泥粒子相互排斥，防止了凝聚的产生。空间位阻 效应理论主要由于聚羧酸减水剂分子呈梳形，主链上带有多个强极性亲水性的 长链聚氧乙烯( p e o ) 活性基团，通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 作用，能吸附在强极性的水泥粒子表面上。 酶嵇 图l 一3d l v o 理论分散水泥颗粒示意图1 4 空间位阻作用分散水泥颗粒示 图意图 f i g 1 3 i l l u s t r a t i o no fd l v o t h e o r yo ff i g 1 - 4i l l u s t r a t i o no fs t c r i ch i n d r a n c e i n t e r p a r t i c l ed i s p e r s i o nt h e o r yo fi n t e r p a r t i c l ed i s p e r s i o n ，研究表明聚羧酸系减水剂产品的性能与其分子量及分子量分布密切相关。分 子量对其分散性有重要的影响，聚羧酸系减水剂分子结构中含有大量p e o 、一 c o o h 、一s 0 3 等亲水基团，如果相对分子质量过小，有亲水性能的侧链就较少， 不能充分地分散水泥颗粒，使得水泥坍落度的降低；随着分子量不断增加，侧 基数量增大，减水剂的静电作用、空间位阻效应增强，可以增加水泥净浆的流 动性能；如果分子量过大时，由于分子链太长，与水泥颗粒之间产生吸附的空 间位阻大，使减水剂难以被水泥颗粒吸附，容易产生凝聚现象，导致水泥净浆 黏性增大，还会屏蔽主链上羧基、磺酸基等发挥减水作用的功能基团，降低水 泥净浆分散性的【4 2 1 。 t u n g s h e n gl i a o ，y i s h i a ny e f 4 3 j 等人采用甲基丙烯酸( m a a ) 和2 一丙烯酰 胺基2 甲基丙磺酸( 6 山口s ) 为原料合成了一种聚羧酸高效减水剂，通过过性能 测试得出相对分子量m w 为5 0 0 0 0 具有最好的分散性能。j u n g m o ks u h ， h e o n - y o u n gc h o e 4 4 1 在以甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲氧基聚氧乙烯醚和甲 基丙烯磺酸钠为原料合成聚羧酸接枝聚氧乙烯醚分散剂。讨论分散剂性能性能 时，也表明分子量和分子量分布性能具有重要影响。o k a d a1 4 5 】的研究表明，用聚 乙二醇与丙烯酸( 甲基) 丙烯酸丙烯酸酯等聚合得到聚羧酸类减水剂，分子量 为2 5 1 0 4 到7 x1 0 4 具有较好的性能。以聚氧乙烯、马来酸酐基苯乙烯、烯丙 基单烷基醚等共聚得到得到的产物，分子量为范围为2 1 0 4 到8 1 0 4 的减水剂 性能较好，而当分子量小于2 l o 的聚羧酸减水剂分散性能较差，分子量超过 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 5 的聚羧酸减水剂则容易产生凝结作用，使净浆流动性降低。 聚羧酸类减水剂的分子量分布对其分散性，流动性等也重要性能有影响。 t a n a k a ( 4 6 i 对比了峰值分子量m p 与重均分子量m w 的差值对减水剂性能的影响， 得到当两者差值为0 , - , 7 0 0 0 时其分散性能最好，如果两者差值大于7 0 0 0 ，水泥 分散性能降低，减少坍落度损失的能力也会下降；反之，如果两者差值小于0 ， 混凝土中气泡含量会增加，产品性能也会下降。a n d e r s 饥( 4 7 】也做个这方面的测试， 结果发现，随着两者的差值增大，水泥分散性能呈降低趋势，其保坍能力也会 下降。 国内外的研究都表明聚羧酸系减水剂产品的分子量及分子量分布对其性能 具有重要的影响。以此，找到合适的分析方法对聚羧酸减水剂的分子量和分子 量分布进行准确测定具有重要的实际应用价值和理论研究意义。 目前测量聚合物分子量的方法主要有光散射法、粘度法、蒸汽压渗透法、 端基滴定法等。其中光散射法对样品纯度色泽都有严格的要求，而聚羧酸系减 水剂大多呈褐色，而且样品也难以提纯；粘度法也有同样的问题，由于结构复 杂和纯度问题使得无法深入研究聚羧酸系减水剂在某一条件下的常数k 值和q 值，也无法对其粘均分子量做出准确的测定；由于聚羧酸系减水剂的梳状结构， 侧链基团较多，难以按照端基滴定的原理制定合理的检测方法。 所以目前国内外大多数都是用凝胶渗透色谱( g p c ) 来测量聚羧酸系减水剂 的分子量，同时，凝胶渗透色谱还能根据积分谱图，有效地测量出聚合物的分 子量分布。而且一旦测定方法确定了，g p c 检测起来较为方便快捷，检测方法 和色谱条件也能运用到结构相似的聚电解质分子量及分子量分布的测量中。 聚羧酸系减水剂结构较为复杂，聚合物的分子侧链上往往带有烷基、羧基、 磺酸基、聚氧烷基以及酰胺基等带电基团；而且种类繁多，因此，在凝胶渗透 色谱测量起来存在一些困难。国内外对聚羧酸减水剂分子量及分子量分布测定 方法进行了一些探索：j u n g m o ks u b ，h e o n y o u n gc h o 4 4 在采用g p c 对聚羧 酸类减水剂分子量及其分布时以0 1 m n a n 0 3 为流动相，采用已知分子量的聚 乙二醇作为标样进行测定。t u n g 。s h e n gl i a o ，y i s h i a ny e e 4 8 】等人以o 1 m k c l 甲醇( 体积 = g = 8 0 2 0 ) 为流动相。国内王国建【4 9 】等人使用有机相凝胶色谱柱， 以四氢呋喃为流动相，聚苯乙烯为标样进行检测。以上研究表明在对聚羧酸 减水剂分子量及分子量分布的测定时存在一系列问题：有的才用有机相色谱 柱，而聚羧酸减水剂上是带有大量亲水基团的，这势必会带来测量上的误差； 在标样选取上，有的使用聚乙二醇，有的则使用聚苯乙烯，而两者不论从性 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 质还是结构上与聚羧酸减水剂都有较大差别，以此为标样很难得到准确的测 量结果；在流动相的选取上也条件不一，对聚羧酸减水剂分子在不同流动相 中的分子形态缺乏详细考察。 本文在前期g p c 研究的基础上，对聚羧酸减水剂分子量及分子量分布的 g p c 测定进行系统的研究。主要包括侧链结构对分子量测量的影响；不同体 系及反应条件对分子量的影响，以及对比了相关市售产品的分子量及分子量 分布特征。 1 3 本工作的目的意义及主要研究内容 水溶性凝胶渗透色谱在测量聚电解质分子量及分子量分布时存标样缺乏问 题以及非体积效应问题。本文通过制备系列聚电解质标样，对水溶性g p c 分析 中遇到的问题进行研究，解决聚电解质分子量及分子量分布测量缺乏标样的问 题，同时能制定合理的试验方法，抑制测量过程中的非体积效应，降低测量误 差。对于其他结构相似的阴离子聚电解质分子量及分子量分布的测定，能提供 适合的标样和g p c 色谱方法。具有重要的实际应用意义和理论研究意义。 此外，本课题组所研究的聚羧酸高效减水剂是现代高性能混凝土的重要组成 部分，其平均分子量及分子量分布对性能有着重要的影响。建立正确的g p c 分 析方法，准确测定聚羧酸高效减水剂的平均分子量及分子量分布，对聚羧酸高 效减水剂的分子形态和结构对水泥混凝土性能的影响的研究具有重要的现实意 义。 本工作的研究内容主要有以下几方面： ( 1 ) 制备一系列窄分布聚丙烯酸标样，用粘度法和端基滴定法测定其粘均 分子量和数均分子量，采用适合的校正曲线对标样的峰值分子量和平均分子量 进行定值。 ( 2 ) 以自制聚丙烯酸标样为研究对象，考察聚电解质的g p c 色谱行为。主 要包括t 非体积效应的表现形式，产生的原因，及其影响因素；非体积效应的 消除或校准方法；流动相条件( 包括酸度，离子强度等) 对试样分子体积的影 响。最后在试样的保留行为符合体积效应的前提下，建立分子量分子体积保留 时间三者间的定量关系。 ( 3 ) 针对具体聚电解质试样，建立适合的g p c 分析方法。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章聚丙烯酸分子量标样的制备及测定 聚丙烯酸( p a a ) 及其盐是一种重要的高分子表面活性剂l s o , s l l ，其分子结构 与电荷特征与聚羧酸系减水剂有一定的相似性，研究和制备聚丙烯酸分子量标 样对测量聚羧酸减水剂以及类似结构阴离子聚电解质分子量和分子量分布的测 量有着重要的意义。 目前测定聚丙烯酸分子量的方法主要有1 5 2 , 5 3 1 光散射法、粘度法、蒸汽压渗透 法、端基滴定法等。但上述方法均只能测定平均分子量，而无法获得分子量分 布的详细信息，凝胶渗透色谱( g p c ) 作为一种快速有效的测定分子量分布的方 法，已经广泛应用于聚丙烯酸分子量分布的表征中5 4 ，5 5 5 6 l 。应用g p c 法准确测 定分子量的关键在于使用适当的标样和建立准确的校正曲线。但在聚丙烯酸的 g p c 分析中，由于难以获得单分散的聚丙烯酸标样，一般用聚乙二醇( p e g ) 或聚苯乙烯( p s ) 标样代替i s 6 , s t l ，使测定结果具有很大的误差。 本章通过水溶液自由基聚合合成了不同分子量p a a 分子量标样粗品，以二 氧六环为良溶剂，石油醚为沉淀剂，通过二次等温沉淀分级，制得8 个不同分 子量的聚丙烯酸标样，并用渐进校正法建立了g p c 校正曲线，对各个p a a 标样 的峰值分子量和平均分子量进行了定值 2 i 实验 1 实验试剂和仪器 本部分实验所用实验试剂包括合成样品所用的试剂，沉淀分级所用试剂， 产物的分子量测量所需试剂等三个部分： 合成所需试剂：丙烯酸，分析纯，丙烯酸使用前经减压蒸馏提纯；异丙醇， 分析纯；丙酮，分析纯；过硫酸钾，分析纯；水为蒸馏水； 沉淀分级所需试剂：2 氧六环，分析纯，用前经分子筛干燥；石油醚，分析 纯，沸程为6 0 * ( 2 - - - 9 0 ，用前经分子筛干燥： 分析表征所需试剂：甲醇，色谱纯；溴化钠，分析纯；氢氧化钠，分析纯； 聚乙二醇标样购于英国p o l y m e rl a b ，色谱用水为二次蒸馏水，所用流动相经微 孔滤膜过滤和超声脱气处理。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 分析表征用仪器： 高效液相色谱仪，美国a g i l c n t 公司的a g i l e n t1 1 0 0 色谱系统； 凝胶色谱柱，美国s e p