原理介紹

凝膠滲透色譜(Gel Permeation Chromatography,GPC)也稱為體積排除色譜或尺寸排除色譜,是液相色譜的一個(gè)分支,是高聚物表征的重要方法之一。

GPC是利用高分子溶液通過填充有微孔凝膠(固定相,可分為有機(jī)凝膠和無機(jī)凝膠)的柱子把高分子按尺寸大小進(jìn)行分離的方法。GPC實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)定聚合物的分子量及分子量分布,確定聚合物支化度及共聚物組成等。優(yōu)點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)便、重復(fù)性好、進(jìn)樣量少,可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。

GPC的固定相是表面和內(nèi)部有著各種各樣、大小不同的孔洞和通道的微球,可由交聯(lián)度很高的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、葡萄糖和瓊脂糖的凝膠以及多孔硅膠、多孔玻璃等來制備。

在色譜柱中加入高分子溶液,用溶劑淋洗時(shí),體系處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。聚合物分子在柱內(nèi)流動(dòng)過程中,不同大小的分子程度不同的滲透到柱內(nèi)有大小孔徑分布的載體的空洞中去。體積大于凝膠空隙的分子,由于不能直接進(jìn)入空隙而被排阻,直接從表面流過,先流出色譜柱。小分子可以滲入凝膠孔隙中而完全不受排阻,在孔隙中隨流動(dòng)相流動(dòng),后流出色譜柱。中等分子介于上述兩種情況之間。如下圖所示。

隨后可得出高分子尺寸大小隨保留時(shí)間(或保留體積VR、淋出體積Ve)變化的曲線,即分子量分布的色譜圖(如下圖所示)。

應(yīng)用介紹

目前,凝膠色譜在高分子材料的生產(chǎn)及研究工作中的應(yīng)用大致可歸總為四個(gè)方面:

聚合物合成

GPC在聚合物合成中起到了重要作用。在聚合物化學(xué)中,控制聚合物鏈長(zhǎng)和分子量是非常關(guān)鍵的。因此,在聚合反應(yīng)過程中,需要對(duì)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,以確保所得到的聚合物符合預(yù)期的要求

GPC可以通過測(cè)量反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)上所得到的樣品相對(duì)分子質(zhì)量來監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程,并確定反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。此外,通過定期取樣并使用GPC進(jìn)行檢測(cè),可以了解反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)上所得到的樣品相對(duì)分子質(zhì)量隨時(shí)間變化的趨勢(shì),從而更好地掌握反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律

純化

在高分子材料制備過程中,需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行純化以消除雜質(zhì),提高產(chǎn)品的純度和品質(zhì)。GPC可以通過測(cè)量高分子溶液中不同分子量的組成來判斷樣品的純度,并確定所需的純化步驟和條件

在GPC分析中,通常使用多角色柱進(jìn)行分離,這使得GPC可以區(qū)分不同相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物組成部分。通過比較樣品與標(biāo)準(zhǔn)聚合物的GPC曲線,可以確定產(chǎn)物中存在的雜質(zhì)種類和含量,并根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步純化。

表征

GPC可用于表征聚合物樣品的相對(duì)分子質(zhì)量、分子量分布和結(jié)構(gòu)等特性。這些特性對(duì)于研究聚合物結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、設(shè)計(jì)新型材料以及制定加工工藝具有重要意義

通過測(cè)量高分子溶液中不同相對(duì)分子質(zhì)量組成部分的含量,可以得到聚合物樣品的相對(duì)平均分子質(zhì)量、數(shù)平均相對(duì)分子質(zhì)量和重平均相對(duì)分子質(zhì)量等參數(shù)。此外,還可以使用 GPC來確定聚合物鏈端官能團(tuán)支化度和交聯(lián)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)

控制

GPC可以幫助控制聚合反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高聚物數(shù)量和結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物性質(zhì)的精確控制。例如,在合成聚合物材料時(shí),GPC可以用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系中不同時(shí)間點(diǎn)上所得到的樣品相對(duì)分子質(zhì)量隨時(shí)間變化的趨勢(shì),并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和控制反應(yīng)條件,以產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聚合物。

此外,GPC還可以用于評(píng)估聚合物材料中添加劑的效果。例如,在聚合物材料中添加抗氧化劑、穩(wěn)定劑等添加劑時(shí),可以使用GPC來檢測(cè)樣品中不同相對(duì)分子質(zhì)量組成部分的含量變化,從而確定添加劑的效果。

結(jié)論

總之,GPC在高分子方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。它可以幫助研究人員了解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律、純化產(chǎn)物、表征聚合物樣品特性以及控制聚合反應(yīng)過程等方面。隨著高分子科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步,GPC將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,并為高分子材料領(lǐng)域帶來更多新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。