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GPC基础知识 高分子测试与表征 收集整理：陈久存 SEC定义  SEC全称Size Exclusion Chromatography(体积排阻 色谱，或者尺寸排阻色谱）  SEC定义：是利用多孔凝胶固定相的独特特性， 而产生的一种主要依据分子尺寸大小的差异来分 离的液相色谱方法。  凝胶渗透色谱 (GPC: Gel permeation chromatography ) – 主要用于聚合物领域 – 以有机溶剂为流动相(氯仿，THF，DMF) – 常用固定相填料：苯乙烯－二乙烯基苯共聚物  凝胶过滤色谱 (GFC:Gel filtration chromatography) – 主要用于生命科学领域 – 以水溶液为流动相 – 常用固定相填料：亲水性有机凝胶(葡聚糖， 琼脂糖，聚丙烯酰胺等) 高聚物的性能特别是机械性能、 加工性能及高分子在溶液中的特性等 都与高聚物分子量有关。如冲击强度、 模量、拉伸强度、耐热、耐腐蚀性都 与高聚物的分子量和分子量分布有关。 例如，一般的聚苯乙烯制品平均分子 量为十几万，如果分子量低到几千极 易粉碎，几乎没有应用价值。当分子 量达到20万以上时，其机械性能较好， 但分子量达到百万以上时，又难以加 工，也失去实用价值。 高分子材料的加工性能，不仅 和高聚物的平均分子量有关，而且 也与分子量分布有关。例如，在涤 纶片基生产过程中，若分子量分布 过宽，即含有较多的高分子量和低 分子量部分时，其成膜性差，抗应 力开裂能力也会降低。测定高聚物 的分子量分布也是研究高分子聚合 物或降解动力学的重要途径。 高聚物分子量的多分散性是 高聚物最基本特征之一，平均 分子量及其分布宽度不仅可以 用来表征聚合物的链结构，而 且也是决定高分子材料性能的 基本参数之一，因此研究高聚 物就必须掌握分子量分布的测 定方法。  固定相是多孔填料，小分子样品可以进入孔径内 部  样品与固定相之间无作用力  迁移时间不同 孔穴 填充物颗粒 大 中 小 样品 GPC分离原理 简单吧！ 分子量校正曲线（ Log M—V曲线） 由凝胶色谱图计算样品的分子量分布的关键是把凝胶色谱曲线中的淋洗体积V转化成分子量M，这种分子 量的对数值与淋洗体积之间的关系曲线（Log M—V） 称之为分子量校正曲线 排阻极限 渗透极限 GPC柱 MW与V之间的关系 GPC 理想 校正 曲线 排阻极限 排阻极限是指不能进入凝胶颗粒孔穴内部的最小分子的分 子量。所有大于排阻极限的分子都不能进入凝胶颗粒内部， 直接从凝胶颗粒外流出，所以它们同时被最先洗脱出来。 排阻极限代表一种凝胶能有效分离的最大分子量，大于这 种凝胶的排阻极限的分子用这种凝胶不能得到分离。随固 定相不同，排阻极限范围约在 400至60×106之间。 渗透极限 能够完全进入凝胶颗粒孔穴内部的最大分子的分子量。在 选择固定相时，应使欲分离样品粒子的相对分子质量落在 固定相的渗透极限和排阻极限之间。 GPC两个术语 数均分子量 重均分子量 Z均分子量 Z+1均分子量 Hi： 峰高 Mi：分子量 Mw = S Mi Hi S Hi Mn = S Hi S (Hi / Mi) Mz = ΣMi 2Hi S Mi Hi Mz+1 = ΣMi 3Hi S Mi 2Hi  数均分子量 (Mn) – 拉力、抗冲击性  重均分子量 (Mw) – 脆度  Z 均分子量 (Mz) – 弹性、硬度 分布宽度指数D(分散度)= Mw/Mn 对于多分散试样 Mn ＜ Mw ＜ Mz 平均分子量含义 高聚物多分散性表征  样品间分子量分布宽度的比较，最直接的方法是 将实验所得到的分子量分布曲线作对比。  分子量分布曲线有两种形式： – 用重量分数W对分子量作图的曲线叫做微分分布曲线； – 用累积重量分布对分子量作图的曲线叫做积分分布曲 线。  还有一种更一般化且最常用的方法就是重均数均 比，即：Mw/Mn。 测定聚合物分子量的方法  直接方法 – 渗透压方法 (for Mn) – 光散射方法 (for Mw) – 粘度方法 (for Mv) – 超速离心方法 (for Mz)  间接方法 – GPC (for Mn, Mw and Mz) 用标准品进样得到分子量校正曲线，间接算出 聚合物样品的相对分子量。如和标准品结构不 同，还需进行相应的计算才能得到聚合物样品 自身的分子质量  相对分子量分布(多分散性指数)对聚合物的性质 有重要影响。  在相对分子质量分布（多分散性指数）成为人们 关注的热点后，经典方法却不能同时测定聚合物 的相对分子质量分布。凝胶渗透色谱(GPC)的应 用改善了测试条件，并提供了可以同时测定聚合 物的相对分子质量及其分布的方法，使其成为测 定高分子相对分子质量及其分布最常用、快速和 有效的技术。 现在知道了吧？ GPC系统配置 泵 进样器 色谱柱 柱温箱 检测器 THF, 氯仿, DMF 示差检测器 需要GPC软件才可计算Mw GPC色谱柱类型  普通凝胶柱 – 按照不同的排阻极限分成很多种型号(如GPC-80X) – 每种排阻极限的柱子使用同一种凝胶颗粒 – 在一段范围内校正曲线成线性  混合凝胶柱 – 一种型号(如GPC-80M) – 使用混合凝胶颗粒 – 在较宽范围内校正曲线都成线性，可消除不同柱子串 联时可能产生非线性校正曲线导致结果偏差的问题 GPC色谱柱选择  按照样品所溶解的溶剂来选择柱子所属系 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  聚苯乙烯(PS，溶于各种有机溶剂)  聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)  聚环氧乙烷 (PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水)  聚乙二醇(PEG，溶于水) (PEO与PEG的碳链骨架相同，但是其合成原料和封端 不同，由于原料的性质，使其产物的分子量和结构都 有一定的区别。PEO常是指一端为甲基封端，一端为 羟基封端的聚环氧乙烷，而PEG一般是两端都是羟基 封端的聚乙二醇。) 标 样 校正曲线  逐一注入聚合物标样以确定分子量与保留时间的 关系 ID Time MW 1 14.797 853000 2 15.559 380000 3 16.239 186000 4 16.888 100000 5 17.476 48000 6 18.032 23700 7 18.495 12200 8 19.005 5800 15.0 16.0 17.0 18.0 min 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 log(M.W.) 1 2 3 4 5 6 7 8 常用线性拟合或者三次方拟合 GPC校正方法  窄分布标样校正法 – 选用与被测样品同类型的单分散性(d≤1.1)标样，先用 其他方法精确测定其平均相对分子质量，然后与被测 样品在同样的条件下进行GPC。  普适校正法 – 此法的优点是只要用一种高聚物（一般用窄分布聚苯 乙烯）作标准曲线就可以测定其他类型的聚合物，但 先决条件是2种高聚物的K和α值必须己知。  渐进试差法(宽分布标样校正法) – 这种方法不需要窄分布样品，其标样可为1~3个不同相 对分子质量的宽分布标样（平均相对分子质量精确测 量，Mw和Mn为已知），采用数学处理方法得到渐进 试差法的校正曲线。 GPC分析大致步骤  根据样品的特点选择合适的GPC柱子和标样， 并且确定采用的GPC校正方法  配制标样和样品，用进样器进样得到色谱 图  用数据采集器和GPC软件生成校正曲线并计 算样品平均分子量，制作 GPC分析注意事项  如何配制标样和样品  系统平衡  柱子冲洗及保存  校正曲线有效时间  亲水性聚合物分析 GPC标样配制  由于凝胶色谱中浓度检测通常使用示差折光检测 器，其灵敏度不太高，所以试样的浓度不能配置 得太稀。但另一方面色谱柱的负荷量是有限的， 浓度太大易发生“超载”现象。  一般情况下，进样浓度按分子质量大小的不同在 0.05~0.5%（质量分数）范围内配置。分子质量越 大，溶液浓度越低。  标样配制应该严格按照标样说明书进行。通常室 温静置12小时以上，然后轻轻混匀。绝对不能超 声或者剧烈振荡来加速溶解。  溶液进样前应先经过过滤，以防止固体颗粒进入 色谱柱内，引起柱内堵塞，损坏色谱柱。 进样浓度范围及体积  分子量范围样品浓度 – 低于5,000 <1.0% – 5,000～25,000 <0.5% – 25,000～200,000 <0.25% – 200,000～2,000,000 <0.1% – 高于2,000,000 <0.05%  进样体积 – 50-100uL之间(浓度在0.05%-0.5%之间)  色谱柱：Shodex GPC KF-804,802,801三根串联  保护柱：Shodex GPC KF-G  流动相：THF  流 速：1.0ml/min  柱 温：50℃  进样量：50ul  检测器：示差折光检测器RID-10A  标准品：PS(8个不同分子量标样) 标准品及样品配制方法  分子量校准曲线所用的标准品为PS，有8种不 同分子量的标品。将它们按下表分为4组，每 组含2种标品，各称约4mg左右，然后用20ml 流动相溶解，配成4个标样。 PS Standard 分子量 称量值(mg) STD_1 560000 4.2 20650 4.1 STD_2 156000 4.0 11600 4.0 STD_3 66000 4.2 7000 4.1 STD_4 28500 4.0 2950 4.2 标样图谱 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 min 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 mV 4 (#1) 3 (#1) 2 (#1) 1 (#1) 四种颜色分别表示四个标样的图谱 分子量校准曲线 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 min 3.50 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.25 5.50 5.75 log(M.W.) 1 2 3 4 5 6 7 8 样品分析结果 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 min -1.0 0.0 1.0 mV(x10) Detector B 1 7 .7 2 3 Mn Mw Mz Mz1 Mw/Mn Mz/Mw 43679 73178 101377 125121 1.67534 1.38536 结果评价示例 PS1和PS2为同一操作人员测定同一样品的两次测定结果 PS3为另一实验室对同一样品测得的结果 Macromolecules 2007, 40, 4429-4438 例 二 GPC（纳米SiO2表面） European Polymer Journal 41 (2005) 1326–1332 Yun-Pu Wang *, Xiao-Wei Pei, Fig. 3. GPC traces of (a) the grafted PMMA and (b) thegrafted PMMA-b-PSt.