高分子分析技术电子课件-第10章

1、高分子材料分析技术第10章 凝胶渗透色谱法本章教学目的和要求了解色谱分析法，熟悉凝胶渗透色谱的基本原理。了解凝胶渗透色谱仪，掌握凝胶渗透色谱的实验数据处理技术。熟悉凝胶渗透色谱法在高分子材料研究中的应用。第10章 凝胶渗透色谱法10.1 色谱法概述10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.3 凝胶渗透色谱实验技术10.4 凝胶渗透色谱法的应用第10章 凝胶渗透色谱法10.1 色谱法概述10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.3 凝胶渗透色谱实验技术10.4 凝胶渗透色谱法的应用第10章 凝胶渗透色谱法色谱法，又称层析法，是一种物理化学分离和分析方法。这种分离方法基于物质溶解度、蒸汽压、吸附能力、立体化学

2、或离子交换等物理化学性质的微小差异，根据其在两相之间的分配系数的不同，使组分在两相间进行连续多次分配，达到彼此分离的目的。早期色谱只是一种分离方法，当今的色谱法都包括分离和检测两个部分，通常称为色谱分析。色谱分析创始于20世纪初。1906年俄国植物学家Tswett。色谱分离体系包含两个相，两相中的一个是固定的，称为固定相，另一个是流动的称为流动相，当两相作相对运动时，反复多次地利用混合物中所含各组分分配平衡性质的差异，最终达到彼此分离的目的。10.1 色谱法概述按流动相与固定相聚集态色谱法可分为气相色谱、液相色谱和超临界流体色谱三种。归总起来共有五种色谱技术，即气-固色谱法、气-液色谱法、液-

3、固色谱法、液-液色谱法和超临界流体色谱法。按固定相的所处状态，色谱法可分为柱色谱法、平板色谱法等。柱色谱法将固定相装在管子中，色谱过程也在管子中进行。柱色谱法应用非常广，色谱柱按照特点又可以分为填充柱、毛细管柱、微填充柱等。平板色谱法也称开床式色谱法，凡是固定相成平板状的色谱都叫平板色谱，如纸色谱、薄层色谱、薄膜色谱等。按色谱过程的分离机制可分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、尺寸排除色谱法及亲合色谱法等类型。10.1 色谱法概述10.1 色谱法概述10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.3 凝胶渗透色谱实验技术10.4 凝胶渗透色谱法的应用第10章 凝胶渗透色谱法凝胶渗透色谱（GPC）是

4、按分子大小进行分离的色谱方法。它采用填充有专用凝胶的色谱柱，按照分子渗透入凝胶和从凝胶中析出的能力的不同进行分离，因而得名。凝胶渗透色谱是液相色谱的一种，由于它可以用来快速、自动地测定分子量和分子量分布，并同时测定聚合物溶液中包含的小分子组分（如添加剂和杂质等），它还可以用作制备窄分布聚合物试样的工具，以及作为分离和分析低分子液体化合物的工具，因此，其应用越来越广泛。凝胶渗透色谱有过许多名称，现在大部分的场合都通用凝胶渗透色谱或体积排除色谱。10.2.1 凝胶渗透色谱简介10.2 凝胶渗透色谱基本原理体积排除的分离机理起主要作用。GPC分离的核心部件是一根装有多孔性凝胶载体的色谱柱，凝胶的表面

5、和内部含有大量的彼此贯穿的孔。滞留在凝胶颗粒内部微孔中的溶剂为固定相，其体积即为Vi；凝胶颗粒间空隙中的溶剂为流动相，其体积为V0。10.2.2 分离原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理色谱柱中液体一直由新鲜注入的溶剂驱动向末端流动，溶剂流动的速度是恒定的。对于一个单分散试样，从溶液试样进柱开始，到溶液（实际是溶质分子）流出色谱柱所经历的时间代表了溶质分子在色谱柱中停留的时间称为保留时间，记为t；从色谱柱的尾端接收淋出液，自溶液试样进柱到被淋洗出来，所接收到的淋出液的总体积称为该溶质的淋出体积，记为Ve。对于一个多分散试样，保留时间与淋出体积均是针对溶液中的某一级分而言的。10.2.2 分离原理

6、10.2 凝胶渗透色谱基本原理大的溶质分子完全不能进入凝胶颗粒的微孔内，而被颗粒外的流动相携带从凝胶颗粒间隙通过，首先流出柱子，Ve=V0。体积极小的溶质分子能够像溶剂分子一样扩散到所有凝胶颗粒的微孔中，并能均匀地分布在凝胶内部和外部的液相中，因而在柱内保留较长时间，最后流出，其淋出体积相当于柱内总空间体积，VeV0+Vi。中等大小的分子只能扩散进入部分孔径大小相应的凝胶微孔中，因而在大分子与小分子之间流出，其淋出体积VeV0+Vi。这里Vi是对一定大小的溶质分子来说可以渗透进去的那部分微孔体积。10.2.2 分离原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理Vi是总的孔体积Vi的一部分，是溶质分子量的函

7、数，为此定义分配系数当溶质分子相当大时，VeV0，则K=0；当溶质分子相当小时，VeV0+Vi，则K1；当溶质分子大小适中而能进入部分相应的微孔内时，0K1。溶液是单分散的，则它的保留时间和淋出体积都是一个值，而若溶液是多分散的（如高分子溶液），则在不同时刻就会有不同分子量的组分淋出。10.2.2 分离原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理根据上面对K值的分析可知，分子量愈大，其淋出体积愈小，保留时间越短，因此，整个多分散样品经凝胶渗透色谱分离后，组分以分子量递减的顺序，先后离开色谱柱，达到分离的目的。10.2.2 分离原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理多分散试样在凝胶渗透色谱柱中被分离后，可按照

8、淋出的先后次序收集到一系列分子量从大到小的组分。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是对应的，利用这一关系可以相对确定溶质的分子量，这称为凝胶渗透色谱的分子量标定原理。淋出体积与分子量的对应关系可用某种函数来表示，其中，最方便的是用多项式函数，在简化的情况下，淋出体积与分子量M有如下的线性关系10.2.3 分子量标定原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理由于色谱柱内液体流动速度是恒定的，因此保留时间与淋出体积之间呈直接对应关系，因此，上式也可以用保留时间来表示式中，A、B、a、b为与溶质、溶剂、仪器条件等相关的常数。这些常数可以通过测定一组分子量不等的同类单分散标准样品的淋出

9、体积和分子量的方法加以确定，这个过程叫做凝胶渗透色谱的标定过程，而通过实验测得的曲线称为标定曲线。10.2.3 分子量标定原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.2.3 分子量标定原理10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.1 色谱法概述10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.3 凝胶渗透色谱实验技术10.4 凝胶渗透色谱法的应用第10章 凝胶渗透色谱法10.3.1 凝胶渗透色谱仪10.3 凝胶渗透色谱实验技术输液系统包括溶剂贮存器，脱气装置和输液泵。溶剂贮存器一般为耐腐蚀的不锈钢瓶或玻璃瓶，容量大，一般为1020L左右，以避免不同批号溶剂纯度不同而造成误差。脱气装置一般采用连续式加热法除气，也可用间

10、歇式的抽真空或超声波脱气法，其目的在于除去溶解在溶剂中的空气，以免影响分离效率和基线的稳定性。输液泵要求耐高压、耐腐蚀、流量稳定、压力平稳，以免影响谱峰的重现性和增大检测器噪声。10.3.1 凝胶渗透色谱仪1. 输液系统GPC仪的进样装置有注射式进样和进样阀进样两类，由机械装置控制，从配制好的溶液中取固定量的样品，注入色谱柱中。现在GPC仪的进样器主要选用高压六通阀，它可以很方便的设定不同容积的进样量。10.3.1 凝胶渗透色谱仪2. 进样系统凝胶渗透色谱柱大都采用内径710mm，内壁抛光的不锈钢直管，柱长一般为6001200mm，也可按需要串联起来使用。 3. 色谱柱凝胶渗透色谱仪的检测器包

11、括检测各级分含量的浓度检测器及检测各级分分子量大小的分子量检测器。 目前应用最广泛的浓度检测器是差示折光检测器。分子量检测方法有间接和直接两种。间接法即淋出体积标记法，直接法是采用自动黏度计或小角激光散射光度计来直接检测分子量。10.3.1 凝胶渗透色谱仪4. 检测器凝胶渗透色谱的填料就是各类凝胶。凝胶填料的色谱性能主要有：渗透极限、分离分子量范围、固流相比、吸附性、柱效等。它们决定于填料的结构，如粒度、比表面积、孔径和孔径分布、孔体积、溶胀因子等。根据强度不同，凝胶可分为软质凝胶、半硬质凝胶及硬质凝胶三种类型。按化学成分，凝胶分为有无机和有机凝胶。根据有机胶的制备方法和孔穴结构差异，凝胶可分

12、为均匀、半均匀和非均匀三种凝胶。根据凝胶对溶剂的适用范围，还可以分为亲水性、亲油性和两性凝胶。10.3.2 填料和溶剂的选择1. 填料常用硬质凝胶主要包括多孔硅胶和多孔玻璃。多孔硅胶是一种广泛采用的无机凝胶，以硅酸钠或乙氧基硅烷为原料制备。半硬质交联聚苯乙烯是一种应用很广的有机凝胶，它是苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，常用于有机溶剂系统，除丙酮、乙醇等强极性溶剂外，其他有机溶剂均可使用。交联葡聚糖是发展最早、使用最广的有机软质凝胶，商品牌号Sephadex。适用于水、二甲亚砜、乙二醇及低级醇等溶剂，主要用于分离生物高分子，如蛋白质、核酸、酶以及多糖类。10.3.2 填料和溶剂的选择1. 填料凝胶渗

13、透色谱分离与试样、固定相、流动相之间相互作用无关，但要求凝胶的孔径和孔径分布与试样分子量大小和分子量分布相匹配。用作流动相的溶剂必须能溶解样品，且与固定相凝胶有某些相似性质，能浸润凝胶，防止凝胶吸附作用。当采用软性凝胶时，选用溶剂能使凝胶溶胀，因为软性凝胶孔径大小是溶剂吸留量的函数。溶剂黏度影响柱效，由于高分子量试样扩散系数小，高黏度溶剂限制扩散作用，因此，应选用黏度尽可能低的溶剂。10.3.2 填料和溶剂的选择2. 溶剂溶剂还要与检测器匹配，目前凝胶渗透色谱最常用的差示折光检测器，溶剂与待测试样折光指数相差越大越好；若采用紫外检测器，应使用无紫外吸收的溶剂。凝胶渗透色谱分离，常采用升高柱温以

14、增加样品溶解度，降低溶剂黏度，增加分子扩散，提高分离度和分析速度，因而经常选用较高沸点的溶剂。根据凝胶渗透色谱对溶剂的基本要求，除一般液相色谱常用溶剂，还使用一些其他液相色谱很少采用的溶剂，例如：氯代苯、氯代甲苯、间甲苯酚、邻氯苯酚等，它们大多数是各种聚合物的良溶剂。10.3.2 填料和溶剂的选择2. 溶剂凝胶渗透色谱图（GPC谱图）的横坐标代表色谱保留值，即样品的淋出体积或保留时间，它表征样品不同的级分，根据分子量的标定原理，它也是样品的分子量的表征。谱图纵坐标为淋出液的浓度，与该级分的样品量有关，表征的是该组分下样品的重量分数。10.3.3 实验数据处理1. 凝胶渗透色谱图单分散样品，GP

15、C谱图上应该呈现为一条直线峰，但由于试样在流动时会受到各种因素的影响，以至使它沿着流动方向发生扩散，从而造成即使是分子量完全均一的试样，淋出液浓度对淋出体积的谱图中也会有一个分布。对于多分散性样品，其GPC曲线是许多单分散样品分布曲线的叠加，曲线下的面积正比于样品量，是各单分散性样品量的总和。这种曲线的形状不一定与高斯分布函数一致，而是跟样品的分子量分布状态有关。因此，GPC曲线的峰位并不直接表示样品的平均分子量，而是需要经过一系列数据处理才能获得。10.3.3 实验数据处理1. 凝胶渗透色谱图按照Einstein黏度定律，M可视为高分子的流体力学体积，实验证明，各种不同的高聚物通过同一根色谱

16、柱所得的lg(M)与淋出体积Ve的关系几乎在同一直线上。因此M是GPC的一个普适参数。可推出如果已知标准物和待测高聚物的k、值，就可以由已知分子量的标准样品M1标定待测样品的分子量M2。10.3.3 实验数据处理2. 普适标定原理10.1 色谱法概述10.2 凝胶渗透色谱基本原理10.3 凝胶渗透色谱实验技术10.4 凝胶渗透色谱法的应用第10章 凝胶渗透色谱法高分子材料的使用性能和寿命很大程度上是与其含有的助剂和是否残存未聚合的单体等小分子物有关，采用GPC分析显然非常理想。一般来说，从高分子材料的GPC谱图中可明显看到三个区域：A区为高分子，B区为添加剂、齐聚物，C区为未反应的单体和低分子

17、量污染物如水等。 10.4 凝胶渗透色谱法的应用10.4.1 高分子材料中小分子物质的测定图10.10是某种含有环氧化物和酯的聚酯材料的GPC谱图，谱图上有三个峰，分别拿三种纯物质作GPC谱图（图10.11）进行对照，会发现三个峰出峰基本在相同位置。10.4.1 小分子物质的测定1. 高分子材料助剂的研究内标法10.4.1 小分子物质的测定1. 高分子材料助剂的研究强化法10.4.1 小分子物质的测定2. 高分子材料中小分子物质的定性鉴别强化法10.4.1 小分子物质的测定3. 高分子材料降解老化的研究10.4.2 生产或加工过程中的监测1. 丁苯橡胶在塑炼时分子量分布的变化在涂料工业中常遇到同一配方在不同厂或同一厂不同批次的产品质量不同的情况，以及产品在贮存期间质量发生变化的问题。这些情况用传统的