Separări GPC/SEC - Considerații de teorie și sistem

  • Introducere în separarea mărimilor
  • Distribuții de monomeri, oligomeri, polimeri și greutate moleculară
  • Mediile greutății moleculare, Mn, Mw, Mz, Mz + 1

Configurarea unui sistem GPC:

  • Managementul solventului
  • Gestionarea probelor
  • Selectarea coloanei
  • Opțiuni detector
  • Manipularea datelor

Calibrarea sistemului GPC

  • Calibrare standard relativă și îngustă
  • Calibrare standard largă
  • Calibrare universală

Efectuarea unei analize GPC

  • Selecția solventului
  • Ghid de selecție a solventului pentru temperatura camerei. Polimeri organici solubili
  • Ghid de selecție a solventului pentru polimeri organici solubili la temperatură ridicată
  • Discutarea solvenților organici pentru GPC
  • Ghid de selecție a solventului pentru polimeri solubili în apă cu ambalaje pe coloană cu gel de metacrilat
  • Concentraţie
  • Pregătirea probei

Separări GPC/SEC - Considerații de teorie și sistem

Introducere în separarea dimensiunilor:

Cromatografia cu permeație pe gel (GPC), cunoscută și sub denumirea de cromatografie de excludere a mărimii (SEC) este într-adevăr cea mai ușor de înțeles dintre toate tehnicile cromatografice lichide. Separarea se bazează strict pe dimensiunea eșantionului în soluție și nu ar trebui să existe nicio interacțiune cu ambalajul coloanei (adsorbție, partiție etc.), așa cum aveți cu HPLC convențional. Modul de separare nu se bazează pe greutatea moleculară, ci pe dimensiunea materialului analizat (de obicei un polimer) în soluție. Cu alte cuvinte, pentru a face GPC corect, proba trebuie dizolvată într-un solvent adecvat.

Concentrația probei în soluție depinde de greutatea moleculară, dar o concentrație de 0,10% (greutate/volum) pentru un polimer cu greutate moleculară

100.000, este tipic. (Vedeți mai multe în secțiunea Sample Prep. De mai jos). Uneori, soluția probei trebuie încălzită pentru a dizolva proba. De exemplu, unele poliolefine au nevoie de temperaturi mai mari de 120 ° C pentru a se dizolva și sunt de obicei utilizate în 1,2,4 triclorobenzen la 140 ° C.

Odată ce proba a fost dizolvată în mod adecvat, aceasta este introdusă printr-un mecanism de injecție pe un set de coloane care acționează ca un sistem de filtrare moleculară. Coloanele sunt ambalate cu un gel reticulat (copolimer stiren/divinilbenzen pentru aplicații organice, de exemplu), care conține pori de suprafață. Acești pori pot varia de la mici la destul de mari și pot acționa ca filtrele moleculare menționate mai sus. Moleculele de dimensiuni mai mari nu se vor potrivi în porii mai mici. În schimb, moleculele mai mici se vor potrivi în majoritatea porilor și vor fi reținute mai mult timp.

waters

Moleculele mai mari vor elua mai întâi conform legii BOCOF (Big Ones Out Out First).

Una dintre primele demonstrații GPC efectuate de Waters cu zeci de ani în urmă a fost pe gumă de mestecat. Guma de mestecat este cu adevărat cauciuc sintetic, plus aditivi precum arome, stabilizatori etc.

Iată o reprezentare a cromatogramei GPC originale, separate pe mai multe coloane de diferite dimensiuni ale porilor conectate în serie. Polimerul (cauciucul în acest caz) eluează mai întâi, deoarece este cea mai mare moleculă, urmată de „aditivi” în ordinea descrescătoare a mărimii. La fel de bine ar putea fi o cromatogramă din PVC cu un amestec de plastifianți, antioxidanți și stabilizatori UV.


Distribuții de monomeri, oligomeri, polimeri și greutate moleculară

Monomerii au o singură greutate moleculară și se spune că sunt monodisperse. Exemple ar fi etilena, stirenul, clorura de vinil etc. După monomeri, avem dimeri, trimeri, tetrameri, pentameri etc., care se numesc oligomeri. Pe măsură ce ajungem la greutăți moleculare mai mari, grupul se numește polimeri. Polimerii au o distribuție a lungimilor lanțului și, prin urmare, a greutăților moleculare. În funcție de modul în care s-a realizat polimerizarea, această distribuție poate fi îngustă sau destul de largă. De exemplu, un polimer de condensare sau creștere în trepte, cum ar fi un poliester (polietilenetereftalat), va avea o distribuție destul de restrânsă a greutăților moleculare. Pe de altă parte, o polimerizare cu radicali liberi poate produce un polimer cu o distribuție foarte largă a lungimilor lanțului și a greutăților moleculare, (cum ar fi pentru poliolefine). Controlul cineticii polimerizării este extrem de important în obținerea unei distribuții dorite a greutății moleculare. De aceea GPC este o tehnică atât de importantă pentru chimistul cu polimeri.

Aici arătăm o suprapunere a două distribuții ale greutății moleculare ale unui polimer (în acest caz polistiren):

Odată ce obținem distribuția greutății moleculare a probei de polimer, avem nevoie de o modalitate de a o cuantifica. Atribuim medii ale greutății moleculare în această distribuție, făcând statistici. Există o înălțime (Hi, reprezentată și ca concentrație, Ci) un timp de retenție și o greutate moleculară, (Mi), atribuită fiecărei felii. Greutatea moleculară este obținută dintr-o curbă de calibrare (a se vedea secțiunea următoare). Apoi vom efectua o însumare pentru a obține diferitele medii ale greutății moleculare care descriu distribuția greutății moleculare a polimerului. PD afișat este raportul dintre greutatea moleculară medie și numărul de greutăți moleculare și se numește polidispersitate sau, uneori, pur și simplu dispersia polimerului. Această însumare este doar o modalitate simplă de a obține aceste patru momente statistice ale greutății moleculare și de a descrie distribuția greutății moleculare.

Există alte tehnici pentru a obține aceste medii ale greutății moleculare:

  • Media numărului, Mn, poate fi obținută prin osmometrie membranară sau analiză de grup final (titrare, RMN etc.)
  • Greutatea medie, Mw, poate fi obținută prin împrăștierea luminii
  • Media Z, Mz și Z + 1 Media, Mz + 1, pot fi obținute prin ultracentrifugare

Odată ce ne-am calibrat sistemul GPC, putem obține toate aceste medii cu o singură injecție.

Configurarea unui sistem GPC

Acum, că avem o înțelegere cu privire la mediile de greutate moleculară, suntem gata să punem împreună un sistem.

Sistemul (prezentat mai sus) constă dintr-o pompă, un injector de un fel, manual sau automat, setul de coloane, detectorul (detectoarele) și un fel de dispozitiv de manipulare a datelor. În plus, este o idee bună să utilizați un degazor, în special atunci când utilizați THF cu un detector cu indice de refracție. Coloanele sunt aproape întotdeauna încălzite la o temperatură ridicată, chiar și pentru aplicații solubile la temperatura camerei pentru a asigura căderea de presiune scăzută și vâscozitele uniforme. Vom discuta acum sistemul mai detaliat.


Managementul solventului

Pompele utilizate astăzi cu sistemele Waters GPC sunt dispozitive sofisticate de manipulare a fluidelor. În cazul utilizării sistemului fluidic în sistemul Alianței, acesta este într-adevăr un manager de solvent. Cel mai important lucru de luat în considerare în alegerea unui modul fluidic pentru analiza GPC este precizia fluxului. Calibrarea sistemului este un grafic de timp de retenție (sau volum) vs. jurnalul greutății moleculare. Orice fluctuație minoră a debitului va duce la o eroare potențial mare în greutatea moleculară. Este în avantajul dvs. să utilizați cel mai precis dispozitiv de manipulare a fluidelor pe care îl puteți. Acest lucru va îmbunătăți precizia măsurătorilor medii ale greutății moleculare imens față de unele dintre pompele tradiționale de precizie cu debit redus care sunt încă utilizate. Cu gestionarul de solvenți care este utilizat cu sistemul Alliance, precizia debitului este remarcabil sub 0,075% fără nicio corecție a debitului! Unele pompe de pe piață solicită o precizie similară a debitului, dar cu corecție a debitului software. Aveți grijă la pompele de pe piață care conțin o specificație de 0,3% (și mai rău) dacă puneți împreună un sistem GPC.

Managerul de solvenți al sistemului Alliance oferă, de asemenea, performanțe excepționale ale gradientului și fluxului. Mulți chimisti care caracterizează polimerii își dau seama cât de important este să analizăm pachetul aditiv, pe lângă determinarea distribuției greutății moleculare a polimerului. În multe cazuri, pachetul de aditivi are atât de mult de-a face cu aplicarea cu succes a unui produs finit, cât și polimerul utilizat pentru fabricarea produsului. Orice erori în compoziția (antioxidant incorect sau nivel incorect de plastifiant, de exemplu) a aditivilor din formularea principală poate duce la proprietăți fizice și performanțe inacceptabile. Pentru a caracteriza cu succes pachetul aditiv, se efectuează o analiză HPLC cu gradient în fază inversă. În plus față de aditivii polimerici, rășinile epoxidice și fenolice sunt analizate în mod regulat atât de GPC (pentru a examina distribuția oligomerilor), cât și de gradient HPLC (pentru a caracteriza izomerul și impuritățile). Sistemul Alliance vă permite să faceți atât GPC de înaltă performanță, cât și analiza gradientului cu un singur sistem.


Managementul probelor

Următorul pas în configurarea sistemului nostru este să decidem cum dorim să introducem standardele și eșantioanele pentru separare. Cel mai puțin costisitor mod de a face acest lucru este cu un injector manual. Umpleți manual o buclă (volum cunoscut) și deschideți o supapă pentru a lăsa soluția să curgă pe coloana setată cu fluxul de eluent. Acest lucru este bine dacă se întâmplă să rulați doar câteva mostre din când în când. Cu toate acestea, dacă efectuați mai multe probe în fiecare zi, ar putea fi mai bine să luați în considerare un autosampler.

Autosamplerul utilizat cel mai mult astăzi pentru analiza GPC la temperatura camerei este Autosamplerul 2707. Acest autosamplator complet electric vă va permite să configurați o tavă completă de probe pentru a rula nesupravegheată cât timp durează analizele. Acuratețea și reproductibilitatea volumului injecției este de neegalat, ceea ce este esențial pentru măsurătorile de masă ale detectorului sensibil la greutatea moleculară (cum ar fi cu un viscozimetru sau cu un detector de împrăștiere a luminii), unde trebuie cunoscută încărcarea exactă a masei. O altă opțiune pentru un autosampler este sistemul Alliance. Există cinci carusele diferite, fiecare conținând până la 24 de probe (120 capacitate totală de probă).


Selectarea coloanei

Odată ce am găsit un solvent adecvat pentru dizolvarea polimerului și am pregătit standardele noastre înguste și probele la concentrația corectă, suntem gata să începem analiza. Am ales setul corect de coloane pentru a efectua analiza (sau avem?), Deci suntem gata să plecăm. Cu toate acestea, să examinăm procedura pentru a alege setul corect de coloane.

Multor oameni le place să folosească ceea ce se numea coloane „Liniare”, care se mai numesc și coloane „Extins” sau „Pat mixt”. Aceste coloane sunt amestecuri de diferite dimensiuni ale porilor, ideea fiind de a acoperi un interval mai mare de greutate moleculară decât o coloană cu o singură dimensiune a porilor. Dacă amestecarea porilor se face cu suficientă atenție, curba de calibrare a coloanei poate fi într-adevăr liniară.

Dezavantajul în utilizarea acestor coloane cu pat mixt este că veți avea o rezoluție mai mică într-un interval molecular finit decât dacă ați utiliza coloane cu dimensiunea porilor individuali. De exemplu, dacă ați rula o serie de rășini epoxidice sau fenolice, să spunem cu un interval de greutate moleculară de la câteva sute la cinci mii, ce set de coloane ați folosi? Prima considerație este de a avea suficient volum de pori în setul de coloane pentru a obține separarea corectă, adică profilul corect de distribuție al polimerului. Cu siguranță, o coloană nu este suficientă și este posibil ca încă două să nu fie suficiente. Ar trebui să utilizați cel puțin trei coloane în serie pentru a garanta că avem suficient volum de pori pentru a asigura o separare reușită.

Acum, ce coloane vom folosi pentru a analiza rășina noastră epoxidică sau fenolică? Ar trebui să folosim un set de coloane "pat mixt", cu un amestec de dimensiuni ale porilor? Sau ar trebui să folosim o serie de coloane individuale cu dimensiunea porilor pentru a viza într-adevăr gama de greutate moleculară de interes? Următorul tabel listează intervalul de separare a greutății moleculare pentru coloanele individuale de dimensiune a porilor de ambalaje stiren/divinilbenzen, pe baza limitelor de excludere a lungimii lanțului de polistiren (în Angstroms):

Încă un cuvânt despre coloane. Dacă ați analizat ghidul solventului GPC, ați observat că a fost afișat un interval tipic de funcționare a temperaturilor. În analiza GPC, încălzim aproape întotdeauna coloanele la o temperatură ridicată așa cum se arată în ghidul solventului (chiar și pentru aplicații la temperatura camerei). Scopul încălzirii coloanelor nu este dizolvarea, ci creșterea rezoluției separării, îmbunătățirea procesului de permeabilitate și, în unele cazuri, scăderea vâscozității solventului (DMF, de exemplu) și reducerea contrapresiunii pe bancă de coloane.


Opțiuni Detector

Cel mai utilizat detector astăzi pentru analiza GPC este refractometrul diferențial. Este un detector sensibil la concentrație care măsoară pur și simplu diferența de indice de refracție (dRI) dintre eluantul din partea de referință și eșantionul + eluantul din partea eșantionului. Este un detector „universal” (spre deosebire de un detector UV, de exemplu) prin faptul că veți obține un răspuns pentru orice polimer care are o diferență semnificativă în indicele de refracție în comparație cu eluantul. În unele cazuri, dRI pentru eșantion și eluant (siliconi și THF, de exemplu) este foarte mic, rezultând un semnal slab. În acest caz, trebuie să găsim un alt eluant care să dizolve polimerul și să ofere un dRI semnificativ. Refractometrul Waters 2414 (și modelele anterioare 2410 și 410) au fost standardul industrial de mai mulți ani.

Un alt detector care este folosit adesea pentru GPC este detectorul UV. Evident, trebuie să avem un cromofor prezent care să se absoarbă în UV pentru a obține un semnal. Detectorul UV este excelent pentru polimeri de tip stirenic, (polistiren, stiren/izopren, stiren/butadienă, ABS etc.), epoxi, fenolici, policarbonați, poliuretani și poliesteri aromatici, de exemplu. Dacă se efectuează analiza gradientului, (compoziția solventului fiind modificată pe tot parcursul), trebuie utilizat detectorul UV, deoarece detectorul RI ar continua să se deplaseze pe măsură ce compoziția eluantului se schimbă. Detectorul UV Waters 2489 oferă o sensibilitate excelentă, liniaritate și performanțe generale remarcabile pentru analiza GPC/HPLC a polimerilor și aditivilor care absorb UV.

Putem folosi, de asemenea, un detector de matrice de fotodiodă (PDA), care este un pas înaintea UV și este un detector puternic, bogat în informații. O serie de fotodiode este utilizată în acest detector, unde putem privi instantaneu o mare varietate de lungimi de undă. De exemplu, am putea seta PDA să privească o lungime de undă cuprinsă între 190 și 800 nanometri (nm), în loc să ne uităm doar la una sau două lungimi de undă ca la majoritatea detectoarelor UV. Acum putem privi spectrele UV actuale pentru proba de polimer (sau aditivi). Acest lucru ne permite să determinăm ceva despre distribuția compoziției chimice. Putem determina dacă un SBR (cauciuc stiren/butadienă) este un copolimer bloc sau aleatoriu, de exemplu. Putem crea biblioteci spectrale, cu care putem compara eșantioanele noastre necunoscute. Acest lucru se poate face pentru polimeri sau cu aditivi polimeri. Acum putem încerca să identificăm ce aditivi sunt prezenți în materialele finite compuse. PDA poate fi folosit și pentru a ajuta la deformarea compușilor competitivi.

Pe măsură ce chimiștii care caracterizează polimerii se străduiesc să învețe cât de mult pot despre eșantioanele lor, sunt luate în considerare alte opțiuni de detectare. Pe măsură ce trecem în lumea detectării „avansate” pentru analiza GPC, începem să luăm în considerare detectoarele sensibile la greutatea moleculară, cum ar fi viscometria și împrăștierea luminii. Detectorul de viscozimetru va fi discutat în detaliu în secțiunea de calibrare care urmează. În esență, punerea unui detector de viscometru în conformitate cu refractometrul oferă o modalitate de a obține nu numai vâscozitatea intrinsecă [h] a polimerului, ci și greutatea moleculară „absolută” și estimarea ramificării lanțului lung. Detectorul RI este detectorul nostru de concentrație, (C), iar viscozimetrul ne oferă [h] (C). Utilizarea celor două semnale în tandem ne va oferi vâscozitatea intrinsecă la fiecare felie de-a lungul profilului de eluție al polimerului. Putem apoi folosi conceptele de calibrare universale ale lui Benoit discutate în secțiunea următoare pentru a obține greutatea moleculară absolută a probei de polimer.

Detectorul de împrăștiere a luminii, împreună cu refractometrul, este un alt mod puternic de detectare avansată pentru analiza GPC. În esență, un fascicul laser este focalizat într-o celulă (online, în acest caz) care conține soluția de probă. Fasciculul incident va fi împrăștiat de particulele de polimer aflate în soluție. În funcție de proiectarea detectorului de împrăștiere a luminii (unghi mic sau multi-unghi), greutatea moleculară medie, Mw, poate fi măsurată cu precizie cu sau fără raza de rotație rezultată a polimerului în soluție.

În ambele cazuri ale viscozimetrului și detectorului de împrăștiere a luminii în tandem cu RI, obținem o mulțime de informații foarte utile. Utilizarea unei abordări cu detector triplu oferă date foarte semnificative, atât timp cât utilizatorul este capabil să le interpreteze pe toate. Pentru o discuție mai detaliată despre reducerea datelor cu mai multe detectoare, vă rugăm să consultați secțiunea noastră de referință.

Există și alte tehnici pentru detectarea avansată a polimerilor și a aditivilor, cum ar fi Mass Spec, dar detectoarele obișnuite utilizate astăzi pentru analiza GPC sunt RI, UV/PDA, Viscometer și Light Scattering.


Manipularea datelor

Odată ce am configurat partea principală hardware a sistemului nostru, trebuie să luăm în considerare acum opțiunile software pentru controlul acestui sistem și prelucrarea datelor. Cu computerele foarte puternice de astăzi, calibrarea și calculul distribuției greutății moleculare se pot face în câteva secunde. Software-ul Empower poate fi utilizat atât pentru reducerea datelor convenționale GPC (numai RI), cât și pentru detectarea RI/Viscometry. Empower 2 acceptă multe proceduri de calibrare, inclusiv calibrarea relativă, potrivirea cumulativă și calibrarea standard standard Hamielec și calibrarea universală. Se potrivesc curbele de la zero la a cincea ordine, împreună cu o calibrare limitată unică și o potrivire a splinei. Consultați linkul Empower pentru informații mai detaliate.