Leitfaden zur Größenausschlusschromatographie für Einsteiger

• Warum ist GPC wichtig?
• Wie GPC funktioniert
• GPC-Systeme

Die Gelpermeationschromatographie (GPC) ist eine der leistungsfähigsten und vielseitigsten Analysetechniken, die zum Verständnis und zur Vorhersage der Polymerleistung zur Verfügung steht. Sie ist die bequemste Methode zur Charakterisierung der vollständigen Molekulargewichtsverteilung eines Polymers.

Waters war 1963 ein kommerzieller Wegbereiter der GPC. Seither hat Waters ständig neue GPC-Applikationen entwickelt und untersucht sowie die Geräte verbessert, die GPC so leistungsfähig machen.

Warum ist GPC wichtig?

Mit der GPC können mehrere wichtige Parameter bestimmt werden. Diese umfassen das Zahlenmittel des Molekulargewichts, das Gewichtsmittel des Molekulargewichts, das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Z und die grundlegendste Eigenschaft eines Polymers – seine Molekulargewichtsverteilung.

Diese Werte sind wichtig, da sie viele der charakteristischen physikalischen Eigenschaften eines Polymers beeinflussen. Geringfügige Unterschiede von Batch zu Batch bei diesen messbaren Werten können zu erheblichen Unterschieden bei den Eigenschaften eines Polymers führen. Einige dieser Eigenschaften umfassen:

Materialcharakterisierung

Das Verständnis der Zusammensetzung eines Polymers ist aufgrund der Vielzahl von Harzen, die für denselben Zweck zur Verfügung stehen, aufgrund der hohen Kosten spezieller Harze oder Verbindungen und aufgrund des Werts, der dem Polymer während der Herstellung hinzugefügt wird, besonders wichtig. Zum Beispiel sind die Kosten für das in einer Leiterplatte verwendete Harz sehr niedrig, die Kosten für die fertige Leiterplatte sind jedoch sehr hoch. Harz von schlechter Qualität kann zu einer nicht akzeptablen Endbearbeitung der Leiterplatte führen.

Wenn die Anwendung eines Polymers Präzisionsleistung oder Langlebigkeit unter rauen Bedingungen erfordert, ist die Polymercharakterisierung besonders akut. Da die GPC diese Anforderungen besser als jede andere Einzeltechnik erfüllt, hat sie sich zu einem äußerst wertvollen Werkzeug für die Materialcharakterisierung in der Polymerindustrie entwickelt.

Unterscheiden von Gut und Schlecht

Zwei Proben desselben Polymerharzes können identische Zugfestigkeiten und Schmelzviskositäten aufweisen, sich aber dennoch merklich in ihrer Fähigkeit unterscheiden, zu verwendbaren, dauerhaften Produkten verarbeitet zu werden. Diese Unterschiede können auf subtile, aber signifikante Variationen der Molekulargewichtsverteilungen der beiden Harzproben zurückgeführt werden. Werden solche Unterschiede nicht erkannt, können sie zu schwerwiegenden Produktfehlern führen.

Wie GPC funktioniert

Die GPC trennt Moleküle in Lösung nach ihrer „effektiven Größe in Lösung“. Um eine Probe für die GPC-Analyse vorzubereiten, wird das Harz zunächst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst.

Im Gelpermeationschromatographen wird das gelöste Harz in einen kontinuierlich fließenden Lösungsmittelstrom (mobile Phase) injiziert. Die mobile Phase fließt durch Millionen von hochporösen, starren Partikeln (stationäre Phase), die in einer Säule dicht gepackt sind. Die Porengrößen dieser Partikel werden kontrolliert und sind in verschiedenen Größen erhältlich.

Die Breite der einzelnen Peaks spiegelt die Größenverteilung der Moleküle eines gegebenen Harzes und seiner Komponenten wider. Die Verteilungskurve wird auch als Molekulargewichtsverteilungskurve (MWD) bezeichnet. Zusammengenommen spiegeln die Peaks die MWD einer Probe wider. Je breiter die MWD, desto breiter werden die Peaks und umgekehrt. Je höher das mittlere Molekulargewicht, desto weiter verschiebt sich die Kurve entlang der Molekulargewichtsachse und umgekehrt.

Sie können dann sehen, wie einfach die MWD-Profile von zwei Kunststoffen verglichen werden können. Wenn das MWD-Profil eines eingehenden Harzes nicht mit dem des Kontrollharzes übereinstimmt (d. h. einem, von dem bekannt ist, dass es gut prozessiert wird), kann das einfließende Harz oder die Prozessbedingungen geändert werden, um sicherzustellen, dass das Harz richtig verarbeitet wird. Wenn die Unterschiede zwischen dem Kontrollharz und dem eingehenden Harz zu groß sind, kann das eingehende Harz als inakzeptabel an den Lieferanten zurückgeschickt werden.

GPC-Systeme

Beim Entwerfen von Geräten für die GPC müssen verschiedene Anforderungen erfüllt werden. Injektoren werden benötigt, um die Polymerlösung in das Flusssystem einzuführen. Pumpen fördern die Probe und das Lösungsmittel durch die Säulen und das System. Detektoren überwachen und dokumentieren die Trennung. Das Zubehör für die Datenerfassung steuert den Test automatisch, zeichnet die Ergebnisse auf und berechnet die Mittelwerte des Molekulargewichts. Der Gelpermeationschromatograph enthält eine Reihe verschiedener Komponenten, die zusammenwirken, um bei minimalem Aufwand eine optimale Systemleistung bereitzustellen. Schematische Darstellung eines einfachen Gelpermeationschromatographen

Pumpt das Polymer in Lösung durch das System.

Unterschiedliche Polymere erzeugen Lösungen mit unterschiedlichen Viskositäten. Um Daten von einer Analyse zur nächsten vergleichen zu können, muss die Pumpe unabhängig von Viskositätsunterschieden die gleichen Flussraten liefern. Zudem reagieren einige Detektoren sehr empfindlich auf die Präzision der Flusssrate des Lösungsmittels. Ein solcher konstanter Fluss muss ein kritisches Merkmal des Geräts sein.

Führt die Polymerlösung in die mobile Phase ein.

Der Injektor muss in der Lage sein, Injektionen mit kleinem Volumen (zur Bestimmung des Molekulargewichts) und Injektionen mit großem Volumen (wenn das Sammeln von Fraktionen erwünscht ist) durchzuführen. Der Injektor darf den kontinuierlichen Fluss der mobilen Phase nicht stören. Er sollte auch zur automatischen Injektion mehrerer Proben in der Lage sein, wenn das Probenvolumen groß ist.

Trennt Probenkomponenten effizient voneinander.

Hochleistungssäulen bieten maximale Trennleistung und schnelle Analysen. Jede Säule muss für analytische Zwecke sowie zur Fraktionssammlung reproduzierbare Informationen über längere Zeiträume liefern.

Überwacht die Trennung und reagiert auf Komponenten, wenn diese von der Säule eluieren.

Detektoren müssen für eluierende Komponenten zerstörungsfrei sein, wenn diese für die weitere Analyse gesammelt werden sollen.

Darüber hinaus müssen die Detektoren empfindlich sein und einen weiten linearen Bereich aufweisen, damit sie gegebenenfalls auf Spuren sowie auf große Mengen ansprechen.

Da alle Verbindungen Licht brechen, wird das Differenzialrefraktometer (RI) als „Universaldetektor“ bezeichnet. Daher ist es der am häufigsten verwendete Detektor zur Überwachung der Molekulargewichtsverteilung. Der Brechungsindex von Polymeren ist oberhalb von etwa 1000 MG konstant. Daher ist das Detektorsignal direkt proportional zur Konzentration.

Neben Informationen über die Mittelwerte des Molekulargewichts und der RI-Verteilung kann der Einsatz von UV-Absorptionsdetektoren Informationen über die Zusammensetzung liefern, während Online-Lichtstreudetektoren und Viskosimeter Informationen über die Polymerstruktur liefern.

Automatische Berechnung, Aufzeichnung und Berichterstellung numerischer Werte für Mz, Mw, Mv, Mn und MWD.

Datensysteme können auch die vollständige Steuerung von GPC-Systemen ermöglichen, sodass eine große Anzahl von Proben unbeaufsichtigt gemessen werden kann und Rohdaten automatisch verarbeitet werden können. Heutige GPC-Software muss spezielle Berechnungen für die Verarbeitung von Mehrfachdetektionen, die Korrektur von Bandenverbreiterungen, spezielle Kalibrierungsroutinen und die Bestimmung von Polymerverzweigungen ermöglichen, um nur einige Beispiele zu nennen.