（高分子化学与物理专业论文）聚酰胺酸分子量的gpc表征及markhouwink方程参数的确定.pdf

聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 摘要 内容摘要：聚酰胺酸( p a a ) 作为聚酰亚胺( p i ) 的前体，其分子量数据是研究聚 酰亚胺的热稳定性、化学稳定性、力学性能和电性能的重要依据，与聚酰亚胺材 料的使用性能和加工成型有密切关系。凝胶色谱法( g p c ) 是一种以溶剂作流动相， 以多孔性填料作分离介质的柱色谱，利用已知分子量的单分散聚苯乙烯( p s ) 为 标准，比较待测聚合物和标准物质在分离柱中的滞留时间或洗脱所用的淋出体积， 计算待测聚合物的相对分子量。凝胶色谱法作为一种快速测定分子量的方法，具 有操作简便、测定周期短、数据可靠、重现性好的特点，非常适用于测定聚酰胺 酸的相对分子量。 本论文的研究内容主要分为以下三个部分： l 、以联苯四甲酸二二酐( b p d a ) 、二苯醚四甲酸二酐( o d p a ) 、均苯四甲酸二酐 ( p m d a ) 与对苯二胺( p d a ) 、二苯醚二胺( o d a ) 、联苯二胺( b p a ) 为单体，通过调 节二酐和二胺的摩尔比，保持反应体系温度为一5 ，反应物质量浓度控制在1 0 的条件下，在n ，n - 二甲基甲酰胺( d m f ) 中合成了七个系列不同结构、不同特性 粘度的聚酰胺酸。 2 、在一般的凝胶色谱流动相n ，n - ：二甲基甲酰胺( d m f ) 中，聚酰胺酸会产生 聚电解质效应，影响样品分子的淋出时间，导致实验结果的重现性差，样品容易 堵塞凝胶色谱柱，使柱压升高，损坏色谱柱。因此需要在流动相d m f 中加入低分 子量电解质磷酸( 地p o 。) 来屏蔽聚酰胺酸的聚电解质效应。本文以已知分子量的 单分散聚苯乙烯作为标准样品确立了分子量与淋出体积的标定曲线，得到了g p c 的标定曲线方程式。以特性粘度为4 8 0 d l g 的聚联苯二甲酸二甲酰联苯二胺 ( b p d a b p a ) 为例，讨论了在d m f 中加入不同浓度的h 。p 0 。或h 。p o 。和无水l i b r 对 样品分子的淋出时间、数均分子量、重均分子量的影响。确定了g p c 测定聚酰胺 酸分子量的色谱条件：流动相，d m f + o 0 2m o l lh 3 p o 。；试样浓度，2 0m g m l ： 进样体积，1 0 0 ul 。 3 、以七个系列不同结构、不同特性粘度的聚酰胺酸在上述的色谱条件下进行 g p c 淋洗试验，样品分子的淋出时问都随着特性粘度的增加而缩短，其相应的数均 分子量m n 、重均分子量m w 也都随着特性粘度的增加而增大。根据m a r k - - h o u w i n k 方程的对数形式l g n - l g k + 01 鲥，以聚酰胺酸的】g n 分别对l g m n 、l g m w 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 作图( 称为双对数图) ，得到直线，由直线的斜率和截距得到m a r k - - h o u w i n k 方 程的参数k 。、q 。和k 。、：。 关键词：聚酰胺酸凝胶色谱法聚电解质效应数均分子量重均分子量r k h o u w jn k 方程参数 i i 蒙酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 a b s t r a c t c o n t e n t ：p o l y ( a n t i c a c i d s ) f e a a ) ，p o l y i m i d e ( p dp r e c u r s o r s ，w h o s em o l e c u l a r w e i g h td a t ai sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e r m a ls t a b i l i t y ，c h e m i c a ls t a b i l i t y ，m e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p o l y i m i d e a n di sc l o s e l yr e l a t e dw i t l lt h eu s ec h a r a c t e r i s t i c s a n dp r o c c s s a b i l i t yo fp o l y i m i d em a t e n i a l 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 ( g p c ) i s c o l u m nc h r o m a t o g r a p h y 、j t l ls o l v e n ta sm o b i l ep h a s e p o r o u sf i l l i n gm a t e r i a l sa s s e p a r a t i o nm e d i u m t h em o n o d i s p e r s ep o l y s t y r e n e 伊s ) w i t hk n o w nm o l e c u l a rw e i g h t i su s e da ss t a n d a r d , b yw h i c ht h er e l a t i v em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y m e ri sc a l c u l a t e d b a s e d0 1 1c o m p a r i n gt h er e t e n t i o nt i m eo ft h ep o l y m e ri ns e p a r a t i o nc o l u m no rt h e e l u t i o nv o l u m eo fl e a c h i n gp r o c e s sw i t ht h o s eo ft h es t a n d a r dp o l y s t y r o n e s a saf a s t m e t h o do f d e t e r m i n i n gp o l y m e r s r e l a t i v e m o l e c u l a r w e i g h t , g e lp e r m e a t i o n c h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) h a sc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l eo p e r a t i o n , s h o r td e t e r m i n i n g p e f i o d ，r e l i a b l ed a t aa n dg o o dr e p r o d u c i b i l i t y t h e r e f o r e ，g p cs l l 伽1 db eag o o d m e t h o df o rd e t e r m i n i n gr e l a t i v em o l e c u l a rw e i g h to f p o l y ( a m i c - a c i d s ) t h i st h e s i sm a i n l yc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 、s e v e ns e r i e so fp o l y ( a m i e - a c i d s ) w i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n di n t r i n s i c v i s c o s i t y ，w e r es y n t h e s i z e df r o m3 , 4 ，3 4 - b i p h e n y l t a t r a c a r b o x y l i cd i a n h y d r i d e ( b p d a ) ， 4 , 4 - o x y d i p h t h a l i ca n h y d r i d e ( o d p a ) ，p y r o m e l l i f i cd i a n h y d r i d e ( p m d a ) a n d p - p h e n y l e n e d i a m i n e ( p d a ) ，4 , 4 - d i a m i n o d i p h e n y l - e t h e r ( o d a ) ，4 , 4 - b i p h e n y l d i a m i n e ( b p a ) b ya d j u s t i n gt h em o l a rr a t i oo f a n h y d r i d ea n dd i a m i n ea t 一5 2 、i ng p cm o b i l ep h a s ed m f p o l y ( a n t i c - a c i d s ) m o l e c u l e sa 糟t os o m ee x t e n t p o l y e l e c t r o l y t e st h a ta f f e c te l u t i o nt i m eo fs a m p l ea n dr e s u l ti nap o u rr e p r o d u c i b i l i t yo f g p cg r a p h p o l y ( a n t i c - a c i d s ) m o r eo l i nd e p o s i ti nt h eg e lc o l u m nw h i c hr e s u l t e di n h i g l lc o l u m np r e s s u r ea n dr e s u l ti nal x i g hc o l u m np r e s s u r ew h i c hm a yd e s t r o yt h eg e l c o l u m n s ol o wm o l e c u l a rw e i g h te l e c t r o l y t ep h o s p h o r i ca c i d ( h 3 p 0 4 ) w a sa d d e di n m o b i l ep h a s ed m ft os h i e l dp o l y e l e c t r o l y t ee f f e c to f p o l y ( a m i c a c i d s ) t h ec a l i b r a t i o n c u r v eo fm o l e c u l a rw e i g h tc o r r e s p o n d i n gt oe h i t i o nv o l u m ew a se s t a b l i s h e db yu s i n g m o n o d i s p e r s ep o l y s t y r e n e ( p s ) w i t hk n o w nm o l e c u l a rw e i g h t a ss t a n d a r d s t a k i n g p o l y ( b i p h y l e n eb i p h e n y l t a t r a c a r b o x a m i ca c i d l w i t hi n t r i n s i cv i s c o s i t y4 8 0d f gf o r u i 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 雕_ n p l e ，t h ee f f e c to fc o n c e n t r a t i o no fh 3 p 0 4o rh 3 p 0 4 + a n h y d r o l i sl i b ra d d e di n d m fo ne l u t i o nt i m e ，n u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h ta n dw e i g h t - a v e r a g em o l e c u l a r w e i g h tw e r ed i s c u s s e d t h eg p co p e r a t i o n a lc o n d i t i o nf o rm e a s u r i n gt h er e l a t i v e m o l e c u l a rw e i g h to f p o l y ( a n t i c a c i d s ) w a sf o r m e di n c l u d i n gm o b i l ep h a s e d m f - i - o 0 2 m o l lh 3 p 0 4 ；s a m p l ec o n c e n t r a t i o n , 2 0 m g m l ；a n di n j e c t i o nv o l u m e 1 0 0i il 3 、s e v e ns e r i e so fp o l y ( a m i c a c i d s ) w i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n di n t r i n s i c v i s c o s i t yw e r et 鼯t e db yu s i n gg p ct h ea b o v e m e n t i o n e do p e r a t i o n a lc o n d i t i o n t h e e l u t i o nt i m eo fp o l y ( a m i c - a c i d s ) s h o r t e n e da st h ei n t r i n s i cv i s c o s i t yi n c r e a s e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gn u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h ta n dw e i g h t - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t i n e a s e da st h ei n t r i n s i cv i s c o s i t yi n c 佗a s e d t h ec o n s t a n t so fka n d i nt h e m a r k h o u w i n ke q u a t i o nm = k w e r ed e t e r m i n e db ym e a s u r e m e n t so fma n d m o l e c u l a r w e i g h t m g 托a n d b y p l o t s o f l g 1 】v 8 l g m k e y w o r d s ：p o l y ( a m i c - a e i 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 ；p o l y e l e c t r o l y t e e f f e c t ；n u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t ；w e i g h t - a v e r a g em o l e c u l a r w e i g h t ；m a r k - h o u w i n kc o n s t a n t s i v 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k h o u w i n k 方程参数的确定 硕士学位独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得或其他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 示谢意。 学位论文作者签名榴螃 签字日期：2 。【，净月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 溯鞭始套坞鳞锄挠粥 签字日期游妒j 1 6 日 签字日期：，7 年乡月j 勺 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 第一部分文献综述 1 1 凝胶色谱( 6 p c ) 概述 1 1 1 凝胶色谱( g p c ) 的发展简史及现状 凝胶色谱是十几年前才发展起来的一种新型液体色谱，是色谱中最新的分离 技术之一。它的分离基础主要是根据溶液中分子体积( 流体力学体积) 的大小。 形象地来看，犹如对溶液中所有的组分按分子体积大小进行筛选，在很多情况下 有独特的分离效果，因而在化学的许多领域中得到了广泛的应用。利用多孔性物 质来对分子按体积大小进行分离，在七十多年前就已有报道。m c b a i n 用人造沸 石成功地分离气体分子和低分子量有机化合物。1 9 5 3 年w h e a t o n 和b a u m a n 用离 子交换树脂按分子量大小分离了苷、多元醇和其它非离子性物质。1 9 5 9 年p o r a t h 和f l o d i n 用交联的缩聚葡萄糖制成凝胶来分离水溶液中不同分子量的试样。这 类凝胶在生物化学领域得到非常广泛的应用，这是凝胶色谱技术在水溶性试样的 分离中首次取得推广应用，成为生物化学中一项常用的分离手段。在生物化学领 域，这种分离技术被命名为凝胶过滤。 有机溶剂体系的凝胶色谱首先需要解决适用于有机溶剂的凝胶的制备问题。 凝胶的制备花了几年的功夫才获得成功。1 9 6 4 年，m o o r e 以苯乙烯和二乙烯苯 在不同的稀释剂存在下制成一系列孔径不同的凝胶，这些凝胶可以在有机溶剂中 分离分子量从几千到几百万的试样。翌年，m a l y 以示差折光仪为浓度检测器、 以体积指示器为分子量检测器制成凝胶色谱仪，这些凝胶和仪器立即被制成商品 出售。这样，凝胶色谱技术很快在高分子科学领域内被广泛应用，作为一种快速 的分子量和分子量分布测定方法，取得很好结果，被誉为近年来这方面一项技术 上的重要突破。它的应用范围逐步从生物化学、高分子化学、无机化学向其它领 域渗透，已经成为化学领域内一种重要的分离手段。 由于历史原因，凝胶色谱的理论发展、实验技术和应用开发主要在生物化学 和高分子化学领域内。对这项新技术，不同的工作者采用了不同的命名，这就造 成了文献中命名方面的混乱。一般来说，在生物化学界中常用的名称是凝胶过滤， 在高分子化学界中常用的名称是凝胶渗透色谱( 简称g p c ) 。在这二个命名中都 试图把分离机理现象化地表达出来。但是由于凝胶色谱的分离机理还比较复杂， 过滤和渗透的概念不一定确切。d c t e m a n n 建议应用更一般化的凝胶色谱的名 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 称。由于高效凝胶的研制成功，凝胶色谱已继吸附液体色谱、分配液体色谱、离 子交换液体色谱之后成为新出现的第四种液体色谱一体积排除液体色谱。在本 文中一律采用凝胶色谱的命名“1 ”。 近年来，凝胶色谱的载体和仪器有了长足的发展，出现了高速型、高压型和 高效型的仪器。实际上，高压并不是所追求的目标，力求高效和高分辨率才是研 究的目的，当然也应兼顾速度。为达到这个目的，载体颗粒的尺寸缩小到几十甚 至几微米，称为u 型凝胶。这类仪器的柱效可高达每米2 0 0 0 0 块以上，流速从 、o 1 至3 0 毫升何调，泵压可达5 0 0 公斤，厘米2 ，分析一个样品的时间仅需几分 钟至几十分钟。为了与早期的仪器相区别，给这类仪器一个新的名称，叫做高效 凝胶色谱仪( h i g hp e r f o r m a n c eg e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y , 简称h p g p c ) 。高 效凝胶色谱的一个重要特点是把多种检测器装置在同一台仪器上进行联用，以便 从不同角度观察待测试样，以取得更为丰富的信息。另一个重要特点是仪器的微 机化，包括操作和控制系统的微机化和数据处理系统的微机化。甚至样品的过滤 和注入都可由微机自动控制。这种技术不仅使仪器在自动化、高速化的方向上取 得了大踏步的进展，而且使数据的可靠性也大大提高一步。这样，就扩大了凝胶 色谱技术的应用范围“? ”。 1 1 2 凝胶色谱( g p 0 ) 的基本原理及应用 凝胶色谱的分离机理众说不一，有体积排除、限制扩散与流动分离等各种解 释。实验证明，体积排除的分离机理起主要作用。因此，这一技术又被称为体积 排除色谱( s i z ee x c l u s i o nc h r o m a t o g r a p h y , 简称s e c ) 。分离的核心部件是一根装 有多孔性载体的色谱柱，最先被采用的载体是苯乙烯和_ - - 7 , 烯基苯共聚的交联聚 苯乙烯凝胶，凝胶的外观为球形，球的表面和内部含有大量的彼此贯穿的孔，孔 的内径大小不等，孔径与孔径分布取决于聚合反应的配方和条件“。随后又发展 了许多其它类型的凝胶以及多种无机多孔材料，如多孔硅球和多孔玻璃等。柱子 的材料可以采用玻璃或不锈钢。进行实验时，以待测试样的某种溶剂充满色谱柱， 使之占据载体颗粒的全部空隙和颗粒内部的孔洞，然后把以相同溶剂配成的试样 溶液自柱头加入，再以这种溶剂白头至尾淋洗，同时从色谱柱的尾端接收淋出液， 计算淋出液的体积，并测定淋出液中溶质的浓度。自试样进柱到被淋洗出来，所 2 聚酰胺酸分子量的g p c 表征发m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 接受到的淋出液总体积称为该试样的淋出体积。实验证明，当仪器和实验条件确 定后，溶质的淋出体积与其分子量有关，分子量越大，其淋出体积越小。若试样 是多分散的，则可按照淋出的先后次序收集到一系列分子量从大到小的级分。假 定色谱柱的总体积为以，它包括载体的骨架体积，载体内部的孔洞体积巧( 所 有孔的体积之和) 和载体的粒间体积，即 k = + 巧+ 和巧之和构成柱内的空间。对于溶剂分子来说，因它的体积很小，可以充满 柱内的全部空间。中的溶剂称为流动相，k 中的溶剂称为固定相。对于高分 子来说，情况有所不同。假若高分子的体积比孔洞的尺寸大，任何孔洞它都不能 进入，那么它只能从载体的粒间流过，其淋出体积即是；假若高分子的体积 很小，远远小于所有的孔洞尺寸，它在柱中的活动空阃与溶剂分子相同，淋出体 积应当是+ 所；假若高分子的体积是中等大小，而孔的形状是尺寸不等的锥 体，则高分子可进入较大的孔，而不能进入较小的孔，或者说可进入锥体的底部 而不能进入顶部。这样，它除了可以扩散至所有的粒间体积外，还可以进入载体 的部分孔洞体积中去，它在柱中的活动空问增大了，因此其淋出体积必然大于 ，而小于+ 所。用k 表示溶质的淋出体积，用足表示孔体积巧中可以被 溶质分子进入的部分与之比，称为分配系数，则 k = + 置 肛f 一， 从上述分析可知，对于特别大的溶质分子，圪= ，足= 0 ；对于特别小的溶质 分子，= r o + m ，k = ls 对于中等的溶质分子，圪在和+ 巧之 间，j 溜， 口。溶质分子的体积愈小，其淋出体积愈大。这种解释不考虑溶质分 子和载体之间的吸附效应以及溶质在流动相和固定相之间的分配效应，其淋出体 积仅仅由溶质分子尺寸和载体的孔尺寸决定，分离完全是由体积排除效应所致， 故称为体积排除机理。如果溶质的分子量( 即分子体积) 不均一，当它们被溶剂 携带着流经色谱柱时，就逐渐地按其体积的大小进行了分离。图1 1 是凝胶色谱 分离过程示意图。 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a t k - h o u w i n k 方程参数的确定 o ooo o000 o0o o o o0o 0 00 0 000 麟 ( c ) 图1 1 凝图胶色谱分离过程示意图 圆球表示载体颗粒；黑点表示溶质分子 ( a ) 试样的注入；( b ) 淋洗；( c ) 继续淋洗 为了测定聚合物的分子量分布，不仅需要把它按分子量的大小分离开来，还 要测定各级分的含量和各级分的分子量。对于凝胶色谱来说，各级分的含量即是 淋出液的浓度，只有选择与溶液浓度有线性关系的某种物理性质，即可通过这种 物理性质的测量以测定溶液的浓度。常用的方法是用示差折光仪测定淋出液的折 光指数与纯溶剂的折光指数之差n ，以表征溶液的浓度。因为在稀溶液范围， a n 与溶液的浓度c 成正比。此外，尚有紫外吸收，红外吸收等各种类型的浓度 检测器。图1 2 是凝胶渗透色谱仪记录的g p c 谱图，纵坐标是淋出液与纯溶剂 折光指数之差，与淋出液的浓度成比例。横坐标是淋出体积，它表征着分子尺寸 大小，所以g p c 谱图反映试样的分子量分布。如果把谱图中的横坐标换算成分 子量，就成了分子量分布曲线。 从分离的基础来看，凝胶色谱是一种新型的液体色谱。它是吸附、分配、离 子交换和体积排除( 凝胶色谱) 四种基本液体色谱中最新的一种。它的原理易懂、 实验操作也比较简单。由于它的分离并不依赖于流动相和固定相的相互作用，所 以没有必要去使用梯度淋洗装置。同时，在凝胶色谱中，试样在色谱柱中的保留 时间( 以保留体积来表示) 不会超出色谱柱中溶剂的总体积，这就比其它液体 色谱的保留时间要短得多。较短的保留时间意味着溶质峰相对窄，比较容易检 4 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 氆 罾 毯 爱 i 八一 进样标记 图1 2c o p c 谱图 测，不会出现其它液体色谱中经常出现的由于色谱峰的弥散而引起的检测极限问 题在凝胶色谱中没有象其它液体色谱中的专门的固定相，所以不发生其它色谱中 所发生的由于固定相而产生的超载问题。凝胶色谱柱的容量通常是由流动相效应 来控制的。所谓流动相效应是指进样的体积与色谱柱孔体积之比以及由于试样浓j 度所引起的溶剂粘度增加的效应。由于凝胶色谱柱中并没有活性点可以超载，同 样大小的柱能接受试样的容量比通常的液体色谱大得多( 大约十倍左右) 。、。 由于凝胶色谱独特的分离机理，溶质的淋出体积不会超出色谱柱中溶剂的总 量，因而溶质的保留时间是可以粗略预计的。这样可以很有把握地每隔一定时间 连续进样而不致造成前后试样的混杂，提高了仪器使用率。在凝胶色谱中溶质的 保留时间反映了它们的某种分子体积，因而也就提供了一些分子结构的数据，有 利于未知物的鉴定。分离中既然不涉及太多分子间作用力，分离的条件就比较温 和，溶质的回收率较高，也不容易发生其它副反应。色谱柱通常不积累被强烈吸 附的分子，因而使用寿命较长。凝胶色谱也有其缺点。最主要的缺点是它的峰容 量较小以及不能分离具有相同或相似大小的分子，这些缺点可以随着高效填料的 出现而逐渐得到一定程度的弥补 1 7 - 2 1 1 。 凝胶色谱根据所用填料的不同可以适用于分离和分析油性和水溶性化合物。 它特别适用于分离分子量大于两千的高分子物质，以得到试样的分子量分布。同 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 样，对含有分子量差别比较大的混合物和低聚物的混合物的分离也是非常有效 的。对于一般的混合物也可以用它来作首选的分离方法以判明混合物的复杂程 度，以便于进一步选用其它方法作更细致的分离。几十年来，凝胶色谱的理论、 实验技术和仪器的性能等方面有了突飞猛进的发展，尤其是随着新型柱填料的出 现、高效填充柱的出现( 目前其理论塔板数己超过1 0 0 0 0 米) 以及计算机的普 及，凝胶色谱在工业、农业、医药、卫生、国防、宇航以及日常生活的各个领域 得到了广泛的应用。特别是近年来，随着各种高分子材料的问世，人们对高分子 科学的不断探索，高聚物的分子量及其分布的测定显得尤为重要，成为科研和生 产中不可缺少的测试项目之一。例如，常见的聚苯乙烯塑料制品，其分子量为几 十万，如果聚苯乙烯的分子量低至几千，就不能成型；相反，当分子量大到几百 万，甚至几千万，它又难以加工，失去了实用意义。科研和生产上通过控制高聚 物的分子量及其分布宽度指数d ( d = m w m n ) ，分子量微分分布曲线、分子量积分 分布曲线来生产出性能最佳的高聚物产品。另外，除了快速测定分子量及其分布 以外，凝胶色谱还广泛用于研究高聚物的支化度，高聚物的组成分布及高聚物中 微量添加剂的分析等方面。如果配以在线的绝对分子量检测器( 如l a l l s 、 m u l t i a n g l e l s 、d u a l a n g l e l s 等) ，凝胶色谱可以测定高聚物的绝对分子量。 凝胶色谱作为- - f 新兴的科学，随着各种新型检测器的出现( 如) ，它的应用范 围也逐步从生物化学、高分子化学、无机化学等向其它领域渗透，成为化学领域 必不可少的分析手段”一1 。 1 1 3 凝胶色谱仪 1 1 3 1 凝胶色谱仪的基本结构及原理 凝胶色谱仪由输液系统( 包括溶剂贮存器、脱气装置、输液泵、进样器以及 各种调节阀、压力表等) 、色谱柱、浓度检测器、分子量检测器以及一些附属电 子仪器组成。图1 3 为中国科学院化学研究所s n o l 型凝胶色谱仪流程示意图。 从贮液瓶出来的溶剂经加热式除气器除去所溶的气体后进入柱塞泵，由泵压 出的溶剂经加热式除气器除去所溶的气体后进入柱塞泵，由泵压出的溶剂再经一 个烧结不锈钢过滤器，通过两个控制阀分别进入参比流路和样品流路。在参比流 路中，溶剂经参比柱、示差折光检测器的参比池进入废液瓶。在样品流路中，先 6 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 、图1 3s n - 0 1 型凝胶色谱仪流程示意图 1 贮液瓶；2 除气器：3 输液泵；4 放液泵；5 过滤器：6 压力表：7 调节阀； 8 进样阀；9 样品柱；1 0 参比柱；1 1 示差折光检测器；1 2 虹吸切割器； 1 3 光电二极管；1 4 记录仪；1 5 废液瓶 经过六通进样阀将配好的试样送入色谱柱，样品经色谱柱分离后经示差折光检测 器的样品池，进入虹吸式体积标记器。示差折光检测器将浓度检测信号输入记录 仪，得到的是连续曲线。而虹吸管的作用是把连续流出的液体变成以间歇方式流 出，虹吸管每排液一次，光电二极管就输入一个信号至记录仪，在淋出曲线上产 生一相应标记，记录纸上记录的即是反映被测高聚物分子量分布情况的凝胶色谱 图脚。 1 1 3 2 凝胶色谱仪的性能指标 凝胶色谱仪的性能取决于以下指标。 1 灵敏度 灵敏度是指用已知标准溶液来标定检测器所得的响应值。其单位随检测方法 而异，示差折光检测器其灵敏度以折光指数单位( r i u ) 来表示，目前最高的灵 敏度达5 x 1 0 。8r i u ，紫外吸收检测器则以光密度o d 来表示，目前最好的为1 1 0 1 0 d 。峰的高度至少等于噪声值的两倍才能检测出来。因此，常以噪声值的两 倍作为检测器的最小检测能力，例如：检测器的噪声带为2 ，则最小检测能力 7 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 为4 。 2 噪声 噪声是溶质以外的因素如仪器的电子元件、温度起伏、泵的脉冲、电压变化 等等原因引起的检测器输出信号的改变。噪声有两种形式：短期噪声，即记录仪 无规则的左右摆动，使基线变粗，或表现为基线上的“毛刺”，短期噪声的增加， 使灵敏度降低。长期噪声，即表现为基线的波形起伏，长期噪声增加，使得鉴别 小峰困难。 3 漂移 漂移指基线的单方向移动，一般受外界温度的变化影响较大( 尤其是对示差 折光检测器) ，要求漂移愈小愈好，一般以每小时偏离起始基线的量来表示，对 示差折光及紫外吸收检测器分别以( r i u h r ) ，( o d h r ) 表示。 4 线性 在检测淋出液的浓度时，希望输出信号与浓度呈线性关系，否则在非线性范 围内响应时，还需要对响应曲线作修正才能计算。线性关系可用方程式表示 d - - a ，矿 式中d 为检测器的输出信号； a ，为响应因子： c 为流动相中的浓度； x 为指数。 由上式可知，理想的线性检测器，其所有浓度范围内x = l ，而实际上，目前所 用的检测器只在很小范围内x 接近1 。检测器的线性度测定是在操作条件保持恒 定的情况下，以不断增加的浓度注入检测器中，每次重复三次，得到一系列峰， 将峰高( 或面积) 对浓度作图，其直线部分即为浓度的线性范围。由于凝胶色谱 操作在低浓度范围，一般检测器均能满足线性。 5 重复性 重复性是衡量仪器精度的标志，是定量分析中重要参数之一，检验方法是固 定流速、温度和其它操作条件，以一定浓度的溶液，连续进样三次，观察其峰形 重复性并测量其峰面积( 或峰高) 求出三次的平均值及最大和最小百分误差。另 外读出每个峰尖的淋出体积，以同样方法求出百分误差。 8 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 体积标记器的重复性，将虹吸管每虹吸一次的液体，在恒温室内分别称重， 或将计滴器中取若干档滴数指示数，各档都收集若干次液体，分别在恒温室内称 重，求出虹吸管或计滴器各档的体积指示百分误差。 在仪器运转稳定后，用秒表测量每虹吸一次所需时间或测量2 0 滴( 任意选) 所需时间，以观察其流量的稳定性。在一系列的数据中，求最大和最小值的平均 值，来计算流量的稳定性，最好的为l 左右洲。 1 1 4 凝胶的种类及选择 1 1 4 1 凝胶的种类 凝胶是凝胶色谱的核心，是对组分进行分离的核心。进行凝胶色谱实验时十 分重要的一环就是选择和搭配具有不同孔径、色谱性能良好的凝胶。目前，实验 室内研究并使用过的凝胶不下数十种”，市售定型产品也有十来种。对于这些 凝胶，按其材料来源、制备方法和使用性能的不同，可有各类分类方法。根据凝 胶的材料来源，可以把它们分成有机和无机凝胶两大类1 3 1 1 0 这两类凝胶在装柱 方法、使用性能上各有差异。一般来说有机凝胶要求湿法装柱，柱效较高，由于 热稳定性、机械强度、化学惰性差，凝胶易老化，对使用条件要求苛刻，无机凝 胶除微粒凝胶外都可用干法装柱，柱效差一些，但凝胶在长期使用中性能稳定， 对使用条件要求不苛刻易于掌握，不过必须注意避免吸附。根据凝胶的制备方法 又可把有机凝胶分成均匀、半均匀和非均匀三种凝胶 3 4 1 这种分类主要是反映 了有机凝胶孔性结构的差异。均匀凝胶无论是通过交联线性高分子制备或是用单 体和交联剂共聚，都是均相共聚的产物；前者交联度取决于线性高分子的分子量 和交联剂的含量，后者交联度只决定于交联剂的含量；在溶剂中凝胶溶胀形成一 种由互相交联着的高分子链段形成的网络孔，干燥时高分子链段收缩形成紧密堆 积，因此不贡献可测的孔隙度，凝胶也由于结构的均匀而是透明的，均匀凝胶的 交联度都比较低。半均匀凝胶是在良溶剂中聚合出来的，由于交联高分子不能充 分溶胀，特别是在交联剂含量大且聚合后期的情况下，产生了相分离，走向非均 匀聚合，产生相分离时单体转化率决定于交联剂含量和溶剂的溶剂化能力；这种 胶有一定的机械强度，渗透极限在5 x1 0 4 聚苯乙烯分子量，难溶胀，干胶有不 大的孔隙度；呈乳白色半透明状。非均匀凝胶是在不良溶剂中聚合的，虽然溶剂 9 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k - h o u w i n k 方程参数的确定 对单体仍可溶解，但一开始聚合就产生了相分离，以高交联度交联着的聚合体小 颗粒堆积成大孔，即使是干胶也有很大的孔隙度，凝胶的结构是很不均匀的，因 此凝胶呈白色不透明状，由于孔可以很大，因此渗透极限可高达1 0 7 聚苯乙烯分 子量，非均匀凝胶的机械强度较高，溶胀度小。上述均匀、半均匀、非均匀凝胶 的分类是针对有机凝胶的，无机凝胶按其孔的结构应属于非均匀凝胶。根据凝胶 使用的强度性质，又把凝胶分成软胶、半硬胶、硬胶三大类“1 。这种分类主要 是为了适应7 0 年代初发展高速液相色谱方法的需要。软胶机械强度低，不耐压， 在高流速下由于压力大发生形变，会堵塞柱子，不适于高速液相色谱的需要。但 是目前的经验表明，在一定的条件下，还是可以应用1 0 p 的细颗粒软胶的。因 为这种细粒度微粒凝胶采用普通的8 m m i d 5 0 c m 的柱子，在流速1m l m i n 时 压力并不大，柱效可达1 5 1 0 4 塔板5 0 c m 。因此可以缩短柱子，达到在短时 间内分析样品的目的。根据凝胶对溶剂的适用范围，还可以把凝胶分类成亲水性、 亲油性和两性凝胶”1 。亲水性凝胶主要应用于生化体系的分离和分析，亲油性 凝胶应用于合成高分子材料的分离和分析。选择和使用不同性能不同孔径的凝胶 决定了分离净化的效果，通常可以根据样品基质类型和待分离组分的分子大小决 定所选择的凝胶的种类。表1 1 列举了部分凝胶产品的性质 1 1 4 2 凝胶的选择 在凝胶色谱法中，试样的分离主要靠凝胶，因此对某一分离问题选用何种 凝胶是在仪器建立以后需要作出的重要决定。它将决定实验中分离效率的好坏。 凝胶的选择中主要需要考虑的有两点：1 凝胶和溶剂的匹配；2 凝胶的孔径及其 分布与被测试样分子体积范围的匹配。 凝胶色谱中的分离虽然不依赖于试样、固定相、流动相间的相互作用力，但 是凝胶需要能被流动相所润湿。无论是硬胶、半硬胶和软相凝胶，它们的孔径大 小是在制备时已经加以控制了的，但是在溶剂作用下有些凝胶的孔径随溶剂的变 化而略有变化。特别是那些半硬胶和软性凝胶，它们在溶剂中有不同程度的溶胀。 凝胶中的孔径大小将在一定程度上依赖于溶胀度的大小，溶胀度越大，凝胶的孔 径也越大。如果把流动相分为水和有机溶剂两大类，那么凝胶也可以分为亲水性 和亲有机溶剂性两大类无机凝胶如多孔玻璃和多孔硅胶等，是两性的，既可以 i o 聚酰胺酸分子量的g p c 表征发i v l a c k - h o u w i i l l 【方程参散的确定 表1 1 常用凝胶 用于水，又可以用于有机溶剂。在测定试样时，只要先决定试样的溶剂，并以此 溶剂为流动相，选择合适的凝胶。凝胶的孔径大小和被测试样分子的体积分布相 匹配的问题，是凝胶色谱中一个特殊的要求。凝胶色谱的分离基础是建立在体积 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m m k - h o u w i n k 方程参数的确定 排除的机理上的。每一个型号的凝胶可以有其特有的标定曲线，表明了这种凝胶 所具有的分离上限和分离范围。标定曲线的透过极限表明了这种凝胶所能分离的 试样的体积上限。试样的体积超过透过极限时，将不能进入凝胶中任何一个孔， 因而它的淋出体积将等于v 0 ，也就是色谱柱中凝胶颗粒外溶剂的总体积。标定曲 线的全渗透极限表明当试样的体积小于全渗透极限时，它们将可以渗透进出凝胶 中所有的孔，因而它们的淋出体积将等于v 。也就是色谱柱中溶剂的总体积。v 。一 v o 是凝胶选择性渗透的范围，是凝胶的一个重要指标，它表征着这种凝胶的分离 范围。只要被测试样在溶液中的分子体积在这个分离范围以内，它们就可以按分 子体积大小得到分离啊“。 1 1 5 凝胶色谱法的实验技术 凝胶色谱法和其它色谱法一样，实验条件的选择对实验结果的影响很大。在 凝胶色谱中存在着两个相互独立的过程：一个是混合物在色谱柱上的分离过程； 另一个是被分离的组分在检测器中的检测过程。凝胶色谱如果单纯作为一个分离 手段来应用，只需用一种或两种浓度检测器来检测被淋出组分的浓度。如果应用 凝胶色谱来测定高聚物的分子量及其分布，至少需要用两个不同功能的检测器来 分别检测被分离组分的浓度和分子量。由于能瞬间响应连续记录的分子量检测器 比较少，技术上比较困难，因此，一般用一个间接的分子量测定装置，例如淋出 体积标定器，应用这种标定器是基于在给定色谱柱中组分的淋出体积与组分的分 子量存在着线性关系的事实上。因而，可以用已知分子量的标准样品在同样实验 条件下预先订定色谱柱的淋出体积一分子量关系，随后在测定未知样品时，即可 以据此把数据从淋出体积换算成分子量。在凝胶色谱作高聚物分子量及其分布的 测定时，淋出体积测量的精度和重复性要求比其它色谱高得多，因为它是分子量 及其分布计算的基础数据。整个凝胶色谱实验中包含有组分的分离过程和检测过 程，在实验技术上就需要尽可能达到高的分离效率以及既高又稳定的检测灵敏 度。 性能优良的仪器是实验成功的重要条件。凝胶色谱仪的性能指标取决于各个 部件的性能指标，主要包括整机运转时基线的稳定度，检测器的灵敏度和流量稳 定度。凝胶色谱仪还应该具备液压脉冲小，联接处密封良好，没有渗漏，各部件 1 2 聚酰胺酸分子量的g p c 表征及m a r k o h o u w i n k 方程参数的确定 的死体积小，流速和温度可调，仪器启动后达到平衡的时间比较短等优点。色谱 柱是凝胶色谱仪中的关键部位，需要注意维护，所以装好的色谱柱要注意保持溶 剂不干，保证空气不进入柱内，试样在进入色谱柱前要经过适当的过滤操作。为 了扩展色谱柱的分离范围，在高聚物的分子量测定时，