10聚合物研究方法-第十章.ppt

1、1,第十章,色谱法,2,第一节 色谱法简介,1、色谱法的原理 色谱法是一种分离方法，它利用物质在两相中分配系数的微小差异进行分离。当两相做相对移动时，使被测物质在两相之间进行多次分配，这样原来的微小差异产生了很大的效果，使各组分分离，以达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的。,3,慢 中等 快,色谱分离,4,例如，苯加氢生成环己烷的反应，由于苯和环己烷的沸点只相差0.6 oC，一般的蒸馏方法很难分离。而用填充柱气相色谱法，半米长的丁二酸乙二醇聚酯固定相填充柱上，二者可以实现很好的分离，因为他们在这种固定相上的分配系数差异较大，即使用其他的固定相，只要延长色谱柱的长度，也能够实现很好的分离。,

2、如何理解色谱法？ 主要有两点：一是要有两相，二是要有差异。 两相：固定相和流动相 差异就是指分配系数的差异。,5,海底的通道就如同色谱柱一样，只对兴趣的人有保留作用，这样达到选择性质保留溶质的效果，而保留差别的大小决定了分离的基础。 换作另外一个通道，比如是植物类的，例如花，那么又对另外一类人又吸引力，那么在海底通道上没有差别的人群也许在这个花的通道上能够看出差别，总之，只要他们之间有差别，总能够找到这个差别把他们区分开。,6,2、色谱法的分类 a、按两相物理状态分类 流动相为气体：固定相为固体Gas-solid Chromatography 固定相为液体Gas-liquid Chromato

3、graphy 流动相为液体：固定相为固体Liquid-solid Chromatography 固定相为液体Liquid-liquid Chromatography 流动相为超临界流体：Supercritical Fluid Chromatography,b、按分离原理分类 吸附色谱（adsorption chromatography) 分配色谱 (partition chromatography) 离子交换色谱(ion-exchange chromatography) 凝胶色谱(gel chromatography) 络合色谱(complexation chromatography) 亲和色

4、谱(affinity chromatography),7,c、按色谱动力学过程分类 淋洗法(elution method) 流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合弱 分为等度淋洗和梯度淋洗。是目前色谱方法总最普遍的方法。 置换法(displacement method) 流动相与固定相的结合比样品与固定相的结合强 前沿法(frontal method） 样品本身就是流动相，固定相上吸附或者溶解力最弱的最先流出，后面的就是混合物了。,d、按固定相形式分类 平板色谱：薄层色谱，纸色谱 柱色谱：填充柱GC，高效液相色谱,8,3、基本参数,9,色谱图：若干物质的流出曲线，即在不同时间上的浓度或者响应

5、的大小。 保留时间 retention time（tR）：样品注入到色谱峰顶出现的时间。 保留体积retention volume（VR）：从注射样品到色谱峰值出现时，通过色谱系统的流动相的体积。一般可以用保留时间乘流动相线速度得到。,死时间 dead time（tM）：不被保留的样品通过色谱柱的时间。 调整保留时间 adjusted retention time（tR）：保留时间减去死时间等于调整保留时间。,色谱峰底宽W ：由色谱峰的两边拐点做切线，与基线交点的距离。 半峰高宽度W ：色谱峰高一半处的峰宽。也称为色谱峰半高宽度。,10,4.色谱法的特点,（1） 分离效率高 复杂混合物，有机同

6、系物、异构体。手性异构体。 （2） 灵敏度高 可以检测出g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。 （3） 分析速度快 一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。 （4） 应用范围广 气相色谱：沸点低于400的各种有机或无机试样的分析。 液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。 不足之处： 被分离组分的定性较为困难。,11,第二节 气相色谱,气相色谱：流动相为气体（称为载气）。 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱。,12,1. 气相色谱分离过程,当试样由载气携带进入色谱柱与固定相接触时，被固定相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固

7、定相中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着载气向前移动时又再次被固定相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附的过程反复地进行。,13,2. 分配系数（ partion factor） K,组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位：g / mL）比，称为分配系数，用K 表示，即：,分配系数是色谱分离的依据。,14,分配系数 K 的讨论,一定温度下，组分的分配系数K越大，出峰越慢； 试样一定时，K主要取决于固定相性质； 每个组份在各种固定相上的分配系数K不同； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样

8、中的各组分具有不同的K值是分离的基础； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。,15,3.分配比 （partion radio）k,在实际工作中，也常用分配比来表征色谱分配平衡过程。分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：,分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。 分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。 分配比可以由实验测得。,分配比也称： 容量因子(capacity factor)；容量比(capacity factor)；,16,4、气相色谱仪器,17,气相色谱

9、仪的组成 气路系统 进样系统 柱系统 检测系统 数据处理和控制系统,18,气路系统： 气源 高压钢瓶 气体发生器 气路控制系统 控制阀 电子气路控制,柱系统: 色谱柱： 填充柱和毛细管柱 柱温箱 温度程序实现的基础,数据处理和控制系统: 主要通过工作站实现 数据处理包括对数据的分析和总结 控制系统是各个电子部件的远程控制,19,进样系统： 进样口（气化室） 手动进样 自动进样,检测系统： 火焰离子化检测器FID：flame ionization detector 热导检测器TCD：thermal conductivity detector 电子俘获检测器ECD：electron capture

10、 detector 氮磷检测器NPD：nitrogen phosphor detector 火焰光度检测器FPD：flame photometric detector 质谱检测器MSD：mass spectrometry detector,20,常用热导检测器(TCD)和火焰离子化检测器(FID)两种检测器 TCD:thermal conductivity detector 基本原理：每种物质都有导热能力，而且导热的能力大小不同，通过一个热敏电阻来测定与热敏电阻接触的气体组成变化情况。这种检测方式虽然不是最灵敏的，但是对所有样品都有响应，是通用型的检测器。,检测系统,21,FID：flame

11、ionization detector 一般用的是氢火焰（简称氢焰检测器） 原理：在氢火焰燃烧时，在火焰的上方会有一个温度很高的区域，样品在这个区域被离子化，形成一些正负离子，在火焰的周围加上一个电场，让离子定向移动，形成电流，经过一系列放大后得到放大信号，也就是检测到的信号。 FID只对有机化合物有响应，因此，是选择性的检测器。但是它的灵敏度较高，所以现在的仪器上一般配双检测器，以方便互相弥补。,22,特点 (1) 典型的质量型检测器; (2) 对有机化合物具有很高的灵敏度; (3) 无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应; (4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵

12、敏度高、响应迅速等特点; (5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12g/g。,23,氢焰检测器的原理,(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基 ： CnHm CH (2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应： CH + O CHO+ + e (3)生成的正离子CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO+ + H2O H3O+ + CO,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,24,氢焰检测器的原理,(4) 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定

13、直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）。 (5) 在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。 (6) 组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。 (7) 离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,A区：预热区 B层：点燃火焰 C层：热裂解区： 温度最高 D层：反应区,25,小型化的台式色质谱联用仪（GC-MS） 色谱-红外光谱仪联用仪； 组分的结构鉴定,5、气相色谱与其他分析仪器联用,26,气相色谱质谱联用（GCMS）,27,28,6、气相色谱之高分子材料应用,1）单

14、体中杂质的分析,29,2）高分子材料中挥发性物质的分析,直接法 溶剂萃取法 减压法,3）聚合反应的研究,高分子材料中的可挥发物质包括残余单体、溶剂、挥发性低聚物、增塑剂和添加剂等。分析的关键是样品的处理和取样。,在聚合反应中，反应原料多为挥发性化合物，也有些反应（如缩聚）可释放出挥发性产物。用气相色谱法分析反应体系原料浓度的变化或释放出挥发性产物的量，可进行反应动力学的研究。,30,第三节 反应气相色谱和裂解气相色谱,反应气相色谱：先用化学方法将聚合物本身降解成挥发性化合物，或用特种试剂与大分子链上的官能团反应生成相应的挥发性产物，然后用气相色谱分析。,31,裂解气相色谱（Prolysis G

15、as Chromatography）：在一定条件下，将高分子裂解成易挥发的较小分子，然后再将裂解产物进行气相色谱分析，从而推断原样品的组成、结构和性质。,裂解气相色谱热裂解和气相色谱两种技术的结合。 一些分子量较大、结构复杂、难挥发、难溶解的物质的分析鉴定方法。如：聚合物分析； 热裂解：在热能作用下，物质发生的化学降解过程； 热裂解+气相色谱+质谱（红外、核磁）技术研究高分子化合物的有力工具； 在高分子、生物医学、环境科学、考古学、地球化学、矿物燃料、炸药等领域有广泛应用。,32,1、裂解机理,烯烃高分子：自由基反应历程 1）解聚 2）无规断链 3）非断链 杂链高分子：主链断裂,33,2、特点

16、,(1) 分离效率高(色谱法自身的特点) (2) 灵敏度高(色谱法自身的特点) (3) 分析速度快 快速裂解、快速分析；不丢失信息； (4) 信息量大 裂解条件与裂解产物关系；样品组成与裂解产物； 裂解机理和反应动力学研究 (5) 适合于各种形态样品 粘稠液体、粉末、纤维及弹性体、固化树脂、涂料、硫化橡胶、塑料等； (6) 简单、易行,34,3. 流程,35,4. 对裂解器的要求,(1)裂解反应控制 裂解温度的精确控制(裂解温度不同，裂解产物不同)； 可重复进行； (2) 裂解温度范围可调 不同物质需要不同的裂解温度； 400-1500 C (3)裂解器与接口的体积小 减小死体积；防止色谱峰变

17、宽； (4)对裂解反应无催化反应 防止歧化反应和二次反应；,36,5. 裂解条件选择,(1)裂解温度和升温时间 (2)裂解室的体积：死体积，越小越好 (3)裂解装置的材料：惰性 (4)进样量：适中,37,6. 裂解气相色谱之高分子结构分析,1) 定性鉴别 a、指纹图法,38,b、特征峰法 对比已知物的保留值 PGCIR联用 PGCMS联用,39,2)共聚物与共混物的区分 相同化学组成的共聚物和共混物，其裂解谱图多半不一样。,3)共聚组成的定量分析,40,4)高分子链结构的分析 键接结构测定,41,支化高分子研究 立体规整性测定 分子量评价 共聚物序列分布测定,42,顶空气相色谱的技术与应用（h

18、eadspace gas chromatograph）,对液体或固体试样中的挥发性成分进行气相色谱分析的技术； 试样置于密闭的恒温系统中，气-液（气-固）两相达到热力学平衡时，测定气相组成。,两种方式： 静态法：恒温密闭系统，平衡时，测定气相组成； 动态法：吹扫-捕集法，采用吸附剂吸附，加热解吸。,43,应用1：,在职业病和法庭分析中，经常要测定体液等中的苯、甲苯、二甲苯等有毒成分，采用顶空分析是一种有效、方便、快速的方法。司法部司法鉴定科学技术学院制订了分析水、尿、血中苯类化合物的静态顶空分析方法。 方法：,5mL青霉素小瓶，取1mL试样（水、尿、血），加入0.4内标物和约1g硫酸铵至饱和，

19、加盖密封，置于80 C的恒温器中30min，取0.6mL顶空的气样色谱分析。 色谱柱：2m 2mm；80-100目；固定液 PEG 20M 柱温：110 C ，以10 C /min程序升温到110 C。,44,应用2：,分析血样中的酒精是顶空气相色谱应用最广泛的方法，可检查汽车司机是否酒后驾车。 方法：,样品平衡温度 50C；平衡时间 30min； 色谱柱：30m 0.53mm；石英毛细管柱； 固定液：聚二甲苯硅氧烷；,45,应用3：,固体样品（塑料、食品等）的顶空分析。 塑料食品包装袋中的甲苯残留量的测定。 方法：,将塑料食品包装袋剪成30mm10mm装入100mL玻璃注射器，在80C预热2

20、0min，用空气稀释为100mL，恒温10min后进样分析。 色谱柱： 500mm 3mm ，填充柱，80-100目； 固定液： 20% 的 PEG 20M； 柱 温：80 C ； 最小检测浓度为0.031 mg/m2.,46,第四节 凝胶渗透色谱,Gel Permeation Chromatography, GPC Size Exclusion Chromatography, SEC,47,聚合物的分子结构,所有合成聚合物及许多生物聚合物都不是单一物质：他们包含不同的大分子 大分子组成了在分子量、化学组成、化学结构及组装结构上均不同的一个聚合物样品 聚合物的混合体(blend)是在一个聚合物

21、系统中化学上差异极大的极端情况,48,分子结构与物理性质,性质/工艺参数 随分子量增加 冲击强度 融化粘度 加工温度 脆性 拉伸能力 (纤维) 融流,分子量分布与高分子材料的所有关键的加工特性以及材料性能紧密相关,49,聚合物色谱,聚合物色谱的定义 测定聚合物分布、组成及其统计数据的技术 聚合物色谱的内容,50,聚合物分离,分离机理 体积排除（Size-Exclusion：Steric Interactions） 吸附/解吸附（Adsorption Desorption） 沉淀/再溶解（Precipitation Redissolution）,51,不同分离机理的聚合物色谱,吸附及/或沉淀效应

22、是互交式聚合物色谱（Interactive Polymer Chromatography IPC）的主要工作机理 聚合物的高效液相色谱（HPLC of polymers） IPC通常是梯度模式 聚合物的梯度分析 (GAP Gradient Analysis of Polymers) 体积排除效应是体积排除色谱（SEC；即GPC）的主要工作机理；SEC的运作是等度模式，包括： GPC：Gel Permeation Chromatography，凝胶渗透色谱 GFC：Gel Filtration Chromatography，凝胶过滤色谱,52,不同类型聚合物色谱的应用,IPC（HPLC）用来测量

23、聚合物的混合物及共聚物化学组成分布（CCD） SEC（GPC或GFC）用来测量分子量统计数据（平均分子量）及分子量分布（MWD） 主要任务是测定分子量分布 GPC还提供聚合物组装结构（支化度等）的信息,53,聚合物混合物的HPLC分析,54,聚合物混合物的GPC分析,55,一、GPC原理,GPC（Gel Permeation Chromatography）是一种液相色谱技术；可以按照样品分子在溶液中的相对尺寸分离之 GPC还被称作 Size Exclusion Chromatography（SEC） Gel Filtration Chromatography（GFC） 水溶性分子及蛋白分子 H

24、DC, Hydro Dynamic Chromatography GPC使用等度分离模式 由于是按照分子尺寸大小分离样品，因此GPC非常适合于聚合物样品的分析,56,GPC原理,溶解的聚合物（包括混合的分子）通过一种多孔的胶为基质的固定相 胶的孔会这些分子按大小不同排队,57,GPC的BOCOF原理图,由于大的分子在色谱柱中不能进入小的孔中，因此行程较短： BOCOF: 即大的先出,Big Ones Come Out First,58,流出物表现为基于不同的分子量的分子量分布图,GPC谱图,59,二、GPC实验技术,1、 GPC色谱柱的选择,通常需要多根色谱柱 可包括：多根单一孔径、混合床，或

25、两者都有 色谱柱的工作范围应该大于样品的分子量（确切地说：分子的溶剂化体积）范围 在使用之前，测定每根色谱柱的柱效以及整个色谱柱组的柱效，并且在使用过程中定期测定柱效 所选的色谱柱组应对目标分子量范围有最大的分辨率,60,刚性胶 硅胶 pH限制 有吸附倾向 相对低的柱效 半刚性胶 DVB及PS共聚物 流速及压力限制 溶剂的兼容性 软胶 Fractogel TSK，Sephadex，Shodex OH-Pak，Ultrahydrogel；许多限制,色谱柱种类及其限制,61,DVB/PS填料：20,000倍放大,62,2、 GPC溶剂的选择,选择GPC溶剂的标准 样品的溶解性 样品的可检测性 与所

26、选择的色谱柱兼容 容易使用 成本 HPLC级试剂 必须过滤 谱图中不纯物的色谱峰 溶解的气体，小分子量物质，水及氧化物质,63,凝胶色谱中常用的溶剂,64,凝胶色谱中常用的溶剂,65,3、 检测器,浓度 示差，紫外，蒸发光散射（ELSD）， 分子量敏感 粘度，光散射等 响应值通式： C F（M） 组成 多波长紫外，示差+紫外，质谱（MS），付里叶变换红外（FTIR），,66,浓度型检测器的特点是响应值与浓度有关；即相应值(C) 示差检测器：N = (dn/dc) C 分子量敏感检测器的特点是响应值与浓度及分子量的函数有关 光散射：F(M) = M 粘度检测器：F(M) = = k M k 及

27、值；Mark-Houwink常数 质谱：F(M) = 1/M 组成检测器；即HPLC,67,示差折光检测器（Refractive Index，RI）：利用溶液与溶剂之间的折射率之差来测定浓度 紫外吸收检测器（UV）：选择性较强,分子量检测器：激光光散射（LLS）,68,激光散射检测器,基本原理： 光散射检测器应用聚焦的光束到流动池中，照在溶解在溶剂中的样品分子上，样品分子会以三维空间散射光束，其程度取决于分子的大小与形状 该散射光被一个或多个以与入射光不同角度安装的装置检测到（取决于厂家与型号的不同） 光散射检测器（多数使用激光）目前常见的有几种类型用于GPC上： 小角激光散射检测器（LALL

28、S） 一般角度小于7，得到MW数据 双角激光散射检测器（PD：15及90）及多角激光散射检测器（MALLS Wyatt：30150；3至18个角）等等 可以得到MW数据及g（支化及线性聚合物的均方半径的比值）,69,三、数据处理,校正 Calibration GPC利用聚合物大小不同分离 而的用户需要是分子量分布的信息 因此色谱所得到的按“尺寸”分离的结果必须转换为“分子量分布” 转换方式或所基于的原理（仪器）、近似方法的不同，导致校正或计算的方法不同,1、 校正曲线,70,校正曲线的建立 窄分布标样（PD1.1） 测定峰高处的流出体积 画图：Log(M)=f(Ve),71,分子量分布可由下列

29、方法得到 : 用窄分布标样校正（Relative），即传统GPC的校正方式 用宽分布标样（Broad Standard）校正 Hamielec Cumulative Matching 普适校正 Mark-Houwink Equation 粘度检测器（Viscometry） GPC+光散射；可以直接测量,校正方法,72,传统GPC校正：窄分布标准,窄分布标样（relative calibration）技术，使用一系列（10）已知性质的窄分布标准品 脂溶性聚合物样品：聚苯乙烯，聚异戊二烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氢呋喃，聚丁二烯等 水溶性聚合物样品：氧化聚乙烯，聚乙二醇，多糖 对窄分布标样的要求 多

30、分散性（Polydispersity） 1.10,73,聚苯乙烯窄分布标样,74,一组已知分子量的聚苯乙烯窄分布标样,GPC校正曲线,75,传统GPC的特点及其限制,特点: 不需要复杂的仪器配置 使用、操作比较简单 数据处理简单 相对校正的主要限制： 标样必需与聚合物样品有相同的化学组成、化学结构及组装结构 如果不相同；测出的分子量分布会与实际情况有所出入,76,2、普适校正曲线,Polystyrene,Polyethylene,分子大小取决于化学结构,77,普适校正及流体动力学体积概念 流体动力学体积（Hydrodynamic Volume）是聚合物在溶液中所占的体积 所基于的假定： 不同结

31、构的聚合物（线性）在同样的条件下，其流体动力学体积与其粘度和分子量大小有关,Hydrodynamic Volume M,M = Intrinsic Viscosity Molecular Weight 特征粘度 分子量,78,普适校正 Universal Calibration 用Log M对保留时间作图 这里M是聚合物分子在溶液中大小的一种量度M Hydrodynamic Volume 在特定保留时间内M对所有线性聚合物是相同的，因此M可以用来校正GPC柱组 聚合物在溶液中必须是随机盘绕状，并与色谱柱没有吸附等化学效应 所有种类随机盘绕状窄分布标样与校正曲线拟合,79,普适校正曲线,Benoit定律 Log(H)=f(Ve) 得到一条独特的校正曲线。每种随机盘绕状聚合物，不管其结构如何均可满足这条曲线。 H与相关，=K*M 是特征粘度；K及：Mark-Houwink因子 对所有样品及标样均需要K及值,80,3、分子量的计算,把流出的色谱峰切成“切片”（宽度越小越好） 每一个切片的数据 洗出体积；Vi 面积或峰高；HiNiMi 用校正曲线，Vi测定Mi Mi及Hi知道后，Ni可以计算出来，然后Mn、