GPC-分子量及分子量分布测量

1、GPC-分子量及分子量分布测量,GPC,分子量及分子量分布测量,GPC-分子量及分子量分布测量,分子量及其分布与性能和加工的关系,聚合物的性能特别是机械性能、加工性能及在溶液中的特性等都与聚合物分子量有关。,GPC-分子量及分子量分布测量,Mn,M ,Mz,Molecular weight,Weight fraction,Mw,一般地，Mn MMw Mz,多分散性系数,GPC-分子量及分子量分布测量,各种测定分子量方法的适用范围和统计意义,各种平均分子量,GPC-分子量及分子量分布测量,分子量分布的测定方法 分级、超速离心、GPC,GPC-分子量及分子量分布测量,凝胶渗透色谱(Gel Perm

2、eation Chromatography, GPCor Size Exclusion Chromatography, SEC),组成：泵系统、进样系统、分离系统、检测系统、温度控制系统和数据采集与处理系统。,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC是用溶剂作流动相，流经多孔填料(如多孔硅胶或多孔树脂) 作为分离介质的液相色谱法。 1953年Wheaton和Bauman用多孔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物质，观察到分子尺寸排除现象。 1959年Porath和Flodin用葡聚糖交联制成凝胶来分离水溶液中不同分子量的样品。 1962年J.C.Moore将高交联度聚苯乙烯-二

3、乙烯基苯树脂用作柱填料，以连续式高灵敏度的示差折光仪，并以体积计量方式作图，制成了快速且自动化的高聚物分子量及分子量分布的测定仪，从而创立了液相色谱中的凝胶渗透色谱技术。,GPC-分子量及分子量分布测量,凝胶色谱分离原理,凝胶色谱是按照分子的尺寸大小来分离的，其分离并不依赖流动相和固定相之间的相互作用力。 凝胶色谱柱内的总体积 分子可进入的体积为ViVM,填料的骨架体积,填料的孔体积,填料的粒间体积,GPC-分子量及分子量分布测量,Pore Structure Defines Resolving Range,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC-分子量及分子量分布测量,凝胶色谱过程方程 当分

4、子很大时 当分子很小时 对于中间大小的分子,分子能进入的孔体积占总孔体积的分数,GPC分离的特点： 只能测定一定范围的分子量 大分子先流出 淋出体积有一定的范围 K由分子尺寸决定,GPC-分子量及分子量分布测量,泵系统：溶剂贮存室、一套脱气装置和一个高压泵。泵的工作状态好坏直接影响最终数据的准确性。 进样系统：自动进样，每次取样量精确。 温度控制系统：检测器对温度敏感，不同测试温度下所得到的数据不同，故GPC应有较好的控温系统。 分离系统：包括凝胶色谱柱，是GPC的核心。,PS凝胶：适于有机溶剂，可耐高温。,色谱柱类型,无机硅胶：适于有机溶剂，水。,交联聚乙酸乙烯酯凝胶：适于乙醇、丙酮等极性溶

5、剂。,多孔玻璃、多孔氧化铝：适于有机溶剂 和水。,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC载体的种类： 1.交联聚苯乙烯凝胶 2.多孔性玻璃 3.半硬质及软质填料包括聚乙酸乙烯酯凝胶及聚丙烯酰胺凝胶 4.木质素凝胶等,GPC-分子量及分子量分布测量,载体是GPC产生分离作用的关键,GPC 仪器对载体的要求： 1.良好的化学稳定性和热稳定性； 2.有一定的机械强度 3.不易变形; 4.流动阻力小 5. 对试样没有吸附作用 6.分离范围越大越好（取决于孔径分布)等 7.载体的粒度愈小，愈均匀，堆积的愈紧密，色谱柱分离效率愈高。,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC色谱柱选择,按照样品所溶解的溶剂来

6、选择柱子所属系列 THF、氯仿、DMF 必须选择合适的溶剂来溶解聚合物 按照样品分子量范围来选择柱子型号 样品分子量应该处在排阻极限和渗透极限范围内，并且最好是处在校正曲线线性范围内,GPC-分子量及分子量分布测量,检测系统：通用型检测器、选择型检测器。 通用型检测器 示差折光检测器：一种浓度检测仪，它是通过浓度不同折光指数不同的原理，通过连续测定样品流路和参比流路间的液体的折光指数的差值来检测从色谱柱流出的液体中样品的浓度。对温度变化敏感，灵敏度低 光散射检测器：可直接测出聚合物级分的重均分子量 粘度检测器：测定特性粘度，根据Mark-Houwink方程计算分子量 选择型检测器 适于对该检测

7、器有特殊响应的高聚物和有机化合物。有紫外、红外、荧光、电导检测器等，灵敏度高,GPC-分子量及分子量分布测量,聚合物色谱中的检测器,浓度 响应值正比于浓度C 实例：示差(refractometer)检测器 N = (dn/dc) C 紫外检测器 蒸发光散射检测器 使用单一浓度型检测器的体积排除分离模式色谱被称作 传统GPC,GPC-分子量及分子量分布测量,Waters 1515型凝胶渗透色谱仪,GPC-分子量及分子量分布测量,评价色谱柱性能的两个重要参数,柱效率N ： 色谱柱的效率可借用“理论塔板数”N进行描述。 测定N的方法：用一种相对分子量均一的纯物质，如邻二氯苯、苯甲醇、乙腈、苯等，作G

8、PC测定，得到色谱峰，从图上可以求得从样品加入到出现峰顶位置的淋洗体积VR，以及由峰的两侧曲线拐点出作出切线与基线所截得的基线宽度即峰底宽W，然后按照下式进行计算N 。,GPC-分子量及分子量分布测量,对于相同长度的色谱柱，N值越大，意味着柱效率越高。,分离度R：,式中，V1，V2分别为对应于样品1和样品2的两个峰值的淋洗体积；W1，W2分别为峰1和峰2的峰底宽。 显然，若两个样品达到完全分离，R应等于或大于1，如果R小于1，则分离是不完全的。,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC加热,使GPC检测处在一个温度稳定的环境 降低流动相黏度，使得谱柱内部溶剂处于接近理想的GPC状态（如Polye

9、thylene Terphthalate m-Cresol + 0.05 m LiBr/100 C） 尽量减轻分子间的弱相互作用（样品分子间、样品和溶剂分子间、填料和样品分子间等） 使难于溶解的样品得以溶解（如聚烯烃PEPP、工程塑料PPS等）,GPC-分子量及分子量分布测量,对样品和溶剂的要求,对溶剂的要求 低粘度、高沸点、毒性小、溶解性能好、与凝胶不起化学反应。 对于示差检测器，要求溶剂的折光指数与溶液的折光指数相差较大，以便得到较高的灵敏度（高分子的折光指数：1.4-1.6） 对于紫外检测器，则要求溶剂在紫外区没有强烈的吸收。 常用的溶剂：THF（nD=1.4040, 25) 25-50

10、 甲苯（nD=1.4941, 25) 80 二甲基甲酰胺（nD=1.4269, 25) 60-80 1,2,4-三氯苯（nD=1.517, 25) 135 对样品的要求 提纯，能溶解于特定溶剂,GPC-分子量及分子量分布测量,Acrylonitrile Methylmethacrylate Cellulose Acetate Cellulose Acetate Butyrate Cellulose Acetate Proprionate Cellulose Nitrate Cellulose Proprionate Cellulose Triacetate Diallyl Phthalate

11、Ethyl Cellulose Epoxy Polyester Alkyd Polybutene(1) Polybutadiene Styrene Phenol Formaldehyde Phenol Furfural Polymethylmethacrylate Polypropyleneglycol Polystyrene Polysulfone Polyvinylacetate Polyvinylbutyral Polyvinylchloride Polyvinylchloride Acetate Polyvinyldienechloride Polyvinylformal Polyst

12、yrene Acrylonitrile Polystyrene Alphamethylstyrene Polyester Thermoset Phenolics Rosin Acids Polyglycolic Acid,THF,GPC-分子量及分子量分布测量,凝胶渗透色谱的特点,实验所需时间可以预知 整个洗脱过程用恒定比例的淋洗液，不能用梯度洗脱 一般情况下试样能溶解就能测定，减少了用于摸索实验条件所需的时间 组分的保留时间提供其分子尺寸的信息 以时间顺序流出的级份进行分级收集就得到了目标分子量的样品可以进一步分析,GPC-分子量及分子量分布测量,数据处理,谱图的表示方法 单分散样品 类似高

13、斯曲线 多分散样品 可看作许多单分散组分的叠加，各组分含量正比于其峰面积,GPC-分子量及分子量分布测量,分子量校正曲线,多半仪器不具备分子量检测器，只能得到浓度淋洗体积曲线，因此需要首先建立分子量淋洗体积校正曲线。这条曲线的精度直接决定了分子量测定的准确性。 单分散标样校正曲线 选用同类型已知分子量的单分散标样（d 1.1）做GPC分析，得到lgMV曲线： 得到校正曲线后，就可以通过淋洗体积来计算待测样品的分子量,GPC-分子量及分子量分布测量,以聚苯乙烯为标样的校正曲线,GPC-分子量及分子量分布测量,A点为排除极限，分子量比M1大的不能相互区分；B点为渗透极限，分子量小于M4的也不能相互

14、区分。,GPC-分子量及分子量分布测量,由于GPC反映的是淋洗体积与高聚物流体力学体积之间的关系，而各种聚合物分子链的柔性不同，分子量相同而结构不同的聚合物在溶液中的流体力学体积不同。因此，用流体力学体积做校正曲线就具有普适性。 根据Einstein公式，M事实上代表了高分子线团在溶液中的流体力学体积。,普适校正曲线,=2.5NV/M,V:聚合物链等效球的流体力学体积 N:阿佛加德罗常数,GPC-分子量及分子量分布测量,在同样条件下，如果两种聚合物的流体力学体积相同，则有 根据MarkHouwink方程 只要知道两种聚合物的K和，就可以由第一种聚合物的校正曲线换算得到第二种聚合物的校正曲线,G

15、PC-分子量及分子量分布测量,实验证明这种方法对线性和无规线团形状的高分子普适性较好，而对长支链和棒状刚性高分子的普适性还需要进一步研究。,普适校正曲线,GPC-分子量及分子量分布测量,两种校正曲线的比较,GPC-分子量及分子量分布测量,分子量及其分布的计算,单分散性样品 只要测出GPC谱图即可由淋洗体积求出分子量 多分散性样品的分布 函数法 选择一种能描述GPC曲线的函数，根据此函数算出平均分子量，应用最多的是高斯分布函数,MP和分别为峰位分子量和谱峰宽度，B12.303B,GPC-分子量及分子量分布测量,条块法 当谱图不对称或出现多峰时应用此法。将GPC曲线沿横坐标分成n个级分，求出每个级

16、分的淋洗体积Vi和浓度Hi，再由校正曲线求出每个级分的分子量Mi，级分的重量分数为Wi，即可得到平均分子量为,GPC-分子量及分子量分布测量,在高分子材料研究中的应用,单分散聚合物的制备 除了聚苯乙烯可以通过阴离子聚合的方法得到单分散标样外，大多数聚合物难以通过合成直接得到单分散样品。利用GPC的分离能力，可以将分布较宽的商品（如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等）分成窄分布的级分（d1.1）,GPC-分子量及分子量分布测量,聚合反应机理研究 在高分子材料生产过程中，可用GPC监测聚合过程，选择最佳工艺条件，研究聚合反应机理。采用不同的聚合工艺条件，得到的产品分子量分布是不同的。,苯乙烯辐射聚合。 1

17、：30，转化率4.98；2：15，转化率5.47；3：0，转化率5.30；4：-10，转化率4.59,苯乙烯辐射聚合同时存在两种机理：高温下以自由基聚合为主，低温下以阳离子型聚合为主,GPC-分子量及分子量分布测量,高分子材料老化过程研究 高分子材料在使用过程中，由于光、热、氧等因素的作用会发生降解，影响材料的性能和使用寿命。材料降解的一个重要的指标就是分子量的变化。,聚碳酸酯耐水解性能很差，和聚乙烯共混后能有效提高其耐水解性,GPC-分子量及分子量分布测量,聚碳酸酯降解机理： 聚合物分子发生随机断键时，其断键数S为,DP0、DPt初始和t时刻的聚合度,t时间内，一根化学键发生断裂的几率为,D

18、P01时,降解速率常数K为,当断键比例较小时,PC在水解时的分子量分布宽度d几乎不变，因此有,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC-分子量及分子量分布测量,聚合物中助剂的测定 助剂:增塑剂、稳定剂、抗氧化剂、橡胶的硫化促进剂及各种填料。,添加增塑剂的聚酯GPC图,各纯物质的GPC图,GPC-分子量及分子量分布测量,加工前,加工过程中,加工后,四种稳定剂在加工过程中的变化,GPC-分子量及分子量分布测量,示差,紫外,淋洗体积,(a),示差,紫外,淋洗体积,(b),不同聚合条件合成的丁苯胶的GPC曲线,测定共聚物的分子量分布和组成分布,自由基聚合阴离子聚合 分子量分布宽，组成均匀分子量分布窄，组

19、成变化大,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC-分子量及分子量分布测量,聚合物支化度的研究 支链分短支链和长支链。短支链破坏高分子链的规整性，降低结晶度；长支链影响材料的流动性。相比线性分子而言，同样分子量的支化分子具有较低的特性粘度和较小的流体力学体积。支化因子G为,B和L分别为支化和线性分子的特性粘度，g为支化点数目，代表支化点类型 轻度支化， 0.5；高度支化， 3/2,当流体力学体积相同时,GPC-分子量及分子量分布测量,多检测器的比较,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC中的大分子结构形态,大分子的结构形态(支化)可通过粘度理论曲线得到： Log = Log K + Log M

20、(Mark-Houwink方程) K 及 可随 M 变化 支化降低了大分子的尺寸： 对于同样分子量的大分子来说 branch lin 支化指数 表示了支化程度的特性 g = branch / lin 1 支化聚合物的支化指数： g = gSCB gLCB,GPC-分子量及分子量分布测量,GPC中的大分子结构形态,线性聚合物有线性的MH曲线： Log lin = Log Klin + lin Log M 具有短链支化(short-chain branches)的聚合物同样具有线性的曲线 但是；KSCBKlin，并且 SCB = lin gSCB 1 常数(不依赖于M),GPC-分子量及分子量分布

21、测量,用多检测器GPC技术探究 poly(n-butyl methacrylate) 的支化结构,The MWDs indicate the samples to be extremely heterogeneous and gave multi-modal distributions.,The Mark-Houwink plots show that although two of the samples (grey traces) were similar in structure, the third (black trace) gave lower values of intrinsi

22、c viscosity at any given molecular weight, indicative of the more dense polymer structure which accompanies an increase in the level of polymer branching.,GPC-分子量及分子量分布测量,HTGPC SCB determination of PE by FTIR,Use spectral features To determine SCB,From the response curve, perform standard GPC calcul

23、ations,Concentration distribution from FTIR + Spectra at each data slice,GPC-分子量及分子量分布测量,Multi-Detector GPC With Cirrus software,GPC-分子量及分子量分布测量,Mixed bed columns with linear resolution over a wide molecular weight range,Individual pore size columns for high resolution over small operating ranges,GP

24、C-分子量及分子量分布测量,MIXED bed columns give extended range over individual pore size Manufactured to give no discontinuities,Combine individual pore size columns to extend range Can cause peak shape variation due to mismatch in pore volume,色谱柱对数据的影响,GPC-分子量及分子量分布测量,Combination of Individual Pore Size Columns,Traditional approach to increasing MW operating range of column set,GPC-分子量及分子量分布测量,Individual Pore Size Combination Versus MIXED Gel Columns - Calibration Data,GPC-分子量及分子量分布测量,Individual Pore Size Combination Versus MIXED Gel Columns - Polydisperse Sampl