Leitfaden zur Größenausschlusschromatographie für Einsteiger

Applikationen für GPC bei Raumtemperatur

Die GPC-Applikationen bei Raumtemperatur für organische lösliche Polymere wurden alle mit dem Alliance System durchgeführt. In den meisten Fällen wurden Styragel HR-Säulen für die Analyse verwendet. Aufgrund des einzigartigen Designs des Solvent Managers im Alliance System ist die Präzision der Flussrate besser als 0,075 % und der Fluss ist praktisch pulsfrei. Pulsfreier Fluss ist äußerst wichtig für Anwender, die mit Lichtstreuung arbeiten, da die Pulsation der Pumpe das Säulenbett der Säule lockert, wodurch Spikes im Chromatogramm entstehen.

Kalibrierung

Der erste Schritt jeder GPC-Analyse ist die Kalibrierung des Systems. Unten sehen Sie eine schmale Polystyrol-Kalibrierkurve, die mit einem Alliance® mit THF als Eluenten erhalten wurde. Der abgedeckte molekulare Bereich ist ~250 bis 3M. Der Säulensatz bestand aus 2 HR 5E (Mischbett) und einem einzelnen HR2 (500 Å). Die Säulen wurden im Säulenofen auf 40 °C temperiert, die Flussrate betrug 1,0 ml/min. Die Kalibrierkurve ist eine Anpassung fünften Grades. Die Kurve sieht hervorragend aus, es gibt aber auch etwas sehr interessantes zu beachten. Es gibt drei Injektionen jedes auf der Kurve gezeigten Standards (jeweils 3 Injektionen aus drei verschiedenen Vials). Die Gesamtzahl der Punkte auf der Kurve beträgt also 39! (Wenn Sie genau hinsehen, können Sie bei einigen Standards Anzeichen einer sehr geringen Streuung erkennen). Die Reproduzierbarkeit der Retentionszeit der schmalen Standards beträgt weniger als 0,04 %, was auf die überlegene Flussrate des Alliance Systems zurückzuführen ist. Gelegentlich müssen wir unsere GPC-Analyse in anderen Lösungsmitteln als THF durchführen.

Unten wird eine schmale Standardkalibrierkurve mit Poly(methylmethacrylat)-Standards gezeigt, wobei Dimethylformamid als Eluent verwendet wird.

Beim Arbeiten mit DMF verwenden wir vorzugsweise PMMA statt Polystyrol, da Polystyrol-Standards mit niedrigem Molekulargewicht dazu neigen, inkonsistente Retentionszeiten aufzuweisen, wodurch sie später als erwartet eluieren. Die Polystyrol-Oligomer-Standards (zum Beispiel Molekulargewicht unter ~ 700) können eine Retention über das Gesamtvolumen, VT, hinaus zeigen. Die schmalen PMMA-Standards zeigen diese Tendenz nicht und werden für die Arbeit in DMF bevorzugt. Derselbe Säulensatz, der für die Polystyrol-Kalibrierung verwendet wurde, wurde hier verwendet (2 HR 5E plus ein einzelner HR2). Der einzige Unterschied besteht darin, dass diese Säulen in DMF gepackt wurden. Dem DMF wurde Lithiumbromid in einer Konzentration von 0,05 M zugesetzt. Dadurch soll jede polare Interaktion zwischen Probe und Eluent verhindert werden, da die meisten in DMF gemessenen Proben dazu neigen, sehr polar zu sein. Bei der Polystyrolkurve gibt es drei Injektionen für jeden Standard, in diesem Fall gibt es also 36 Kalibrierpunkte auf der Kurve. Diese Kurve weist eine noch geringere Streuung auf als die Polystyrolkurve. Die Säulen wurden auf 80 °C erhitzt, um die Viskosität des DMF zu verringern.

Messen von stark verdünnten Lösungen

Ein gut charakterisierter breiter Polystyrolstandard, Dow 1683, wurde mit dem Alliance System mit dem dRI-Detektor und THF als Eluenten analysiert. Es wurde eine Injektion von 300 μL mit einer Konzentration von 0,15 % vorgenommen. Der breite Standard wurde erneut injiziert (ebenfalls 300 μL), aber dieses Mal in einer Konzentration von 0,015 % (10-mal weniger). Sie können die Vergleiche in den folgenden Abbildungen sehen. Beachten Sie, dass das Signal für die Konzentration von 0,15 % ~ 15 mV beträgt. Bei einem Basislinienrauschen von 14 μV ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis von > 1000:1. Das Signal für die 0,015-%-Injektion beträgt nur 1,5 mV, wir erreichen aber immer noch ein Signal-Rausch-Verhältnis von >100:1 und können problemlos integriert werden. Der gleichmäßige Fluss zusammen mit dem integrierten Entgaser ermöglicht es uns, sehr verdünnte Polymerlösungen zu messen und trotzdem das für reproduzierbare GPC-Arbeiten erforderliche Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Dies ist sehr wichtig, wenn sehr niedrige Konzentrationen von Proben mit hohem Molekulargewicht gemessen werden müssen. Wir können jetzt extrem niedrige Konzentrationen messen und erhalten immer noch die korrekten Ergebnisse ohne Einbußen beim Signal-Rausch-Verhältnis.

Elastomer-Analyse

Die Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung von Elastomeren (sowohl natürlichen als auch synthetischen) ist eine sehr wichtige Analysetechnik zur Korrelation mit physikalischen Eigenschaften. Formulierungen von Elastomeren können sehr kompliziert sein, wobei Gemische von Polymeren sowie Antioxidantien, Weichmacher, Vulkanisatoren, Beschleuniger und eine Vielzahl von Füllstoffen (Ruß, Titandioxid, Silika usw.) verwendet werden. Die gesamte Formulierung kann nur aus 50 % (oder sogar weniger) des Elastomers bestehen. Diese Formulierungen werden in großem Umfang in der Automobil- sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie für alles, von Reifen bis hin zu Dichtringen, verwendet. Wie immer bei der GPC-Analyse müssen wir als Erstes unser System kalibrieren. Daher zeigen wir hier eine Kalibrierkurve dritter Ordnung unter Verwendung von schmalen Polybutadien-Standards als Kalibriersubstanzen.

Es sind auch schmale Polyisopren-Standards erhältlich. Auch hier wurden zwei HR 5E und ein einzelner HR2 als Säulensatz verwendet, der auf 75 °C temperiert wurde. Im Fall von Elastomeren ist Toluol normalerweise das Lösungsmittel der Wahl. THF kann in vielen Fällen verwendet werden, aber Toluol löst einige Elastomere wie Naturkautschuk (cis-1,4-Polyisopren) besser. Der dRI-Detektor wurde mit dem Alliance System verwendet. Wir haben uns für enge Standards aus Polybutadien entschieden, da diese in ihrer Struktur den meisten untersuchten Elastomeren ähnlich sind. Beachten Sie die hervorragende Reproduzierbarkeit für die Applikationen, welche die mehrfachen Verteilungsüberlagerungen zeigen.

Im Folgenden sind einige zusätzliche interessante Elastomerapplikationen aufgeführt:

Polycarbonat-Analyse mittels GPC

Die GPC-Analyse ist recht einfach und nutzt entweder THF oder Methylenchlorid als Eluenten. Wir wollten sehen, wie gut die Präzision des Alliance System ist, indem wir etwas ganz anderes machten. Wir hatten eine Reihe von Polycarbonaten, für die wir mit einem Alliance System in Milford eine GPC-Analyse durchgeführt haben, und haben die gleichen Proben auf einem Alliance System an einem Waters Standort außerhalb der USA messen lassen, sogar mit einem etwas anderen Säulensatz. Unten ist die hervorragende Vereinbarung dargestellt, die zwischen den beiden Laborstandorten getroffen wurde.

Wässrige Probenanalyse mit GPC

Die wässrige GPC-Analyse stellt den Chemiker bei der Polymercharakterisierung vor völlig neue Herausforderungen. Die meisten herkömmlichen, sehr leistungsfähigen Packungen für die wässrige GPC-Analyse werden aus hydrophilen Methacrylatgelen mit restlichen Carboxylatgruppen hergestellt, die der Säulenchemie eine anionische Gesamtladung verleihen. Bei der GPC-Analyse wasserlöslicher Polymere muss man sich der Tatsache bewusst sein, dass es eine Ladungswechselwirkung zwischen der Probe und dem Packungsmaterial geben könnte, es sei denn, bestimmte Schritte werden durchgeführt. Theoretisch könnten Sie die Analyse in reinem Wasser durchführen, wenn das Polymer neutral ist. Wenn das Polymer eine anionische Ladung aufweist, wird es von der Säule ausgeschlossen und beim Leervolumen eluiert, wenn reines Wasser als Eluent verwendet wird. Wenn das Polymer dagegen eine kationische Gesamtladung aufweist (und Sie reines Wasser als Eluenten verwenden), haftet die Probe an der Säule und wird nie eluiert. Viele dieser Ionenprobleme können ganz einfach durch die Zugabe eines Elektrolyten wie 0,10 M NaNO₃ gelöst werden._. Auch für neutrale Proben ist es ratsam, 0,10 M NaNO₃ als Eluenten zu verwenden. Einige der Probleme, die mit dem richtigen Eluenten gelöst werden müssen (siehe Leitfaden zur Lösungsmittelauswahl für wasserlösliche Polymere), sind wie folgt:

Intramolekulare elektrostatische Wechselwirkungen – Der Polyelektrolyt dehnt sich aufgrund der Ladungen des Moleküls selbst aus.
Ionenausschluss – Der Polyelektrolyt der Probe und das Packungsmaterial haben die gleiche Ladung (beide z. B. anionisch).
Ioneneinschluss – Die Ladung des Polyelektrolyten ist derjenigen des Packungsmaterials entgegengesetzt; die Probe bleibt an der Säule haften (z. B. kationische Probe) und eluiert nicht. Der pH-Wert muss angepasst werden.
Ionenaustausch – Dieses Phänomen kann wie beim Ioneneinschluss auftreten, bei das Packungsmaterial und die Probe entgegengesetzte Ladungen haben. Es findet eine Ionenaustauschreaktion statt, die bewirkt, dass die Probe spät oder gar nicht eluiert.
Hydrophobe Wechselwirkungen – Der nicht-ionische Teil der Polyelektrolytprobe interagiert mit den unpolaren Stellen des Packungsmaterials. Dieses Problem kann einfach behoben werden, indem dem Eluenten 20 % eines organischen Modifikators (z. B. Acetonitril) zugesetzt werden.

Gelegentlich können andere Wechselwirkungen auftreten, wie z. B. Assoziationseffekte und Gedächtniseffekte. Die 5 oben gezeigten Probleme sind jedoch die am häufigsten auftretenden. Die oben gezeigte Auswahlhilfe für wässrige Lösungsmittel hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen Eluenten für Ihre spezielle Applikation. Wir haben Chromatogramme für fast alle in diesem Handbuch gezeigten Applikationen. Lassen Sie es uns wissen, wenn Sie Hilfe bei Ihren speziellen Proben benötigen.

Drei verschiedene wasserlösliche Polymere wurden mit dem Alliance System mit Brechungsindexerkennung gemessen. Die drei analysierten Polymere (unten gezeigt) waren Hydroxyethylcellulose, Pektin und Polyalginsäure. Beachten Sie die hervorragende Reproduzierbarkeit der Überlagerungen mehrerer Molekulargewichte. In allen Fällen wurde ein Ultrahydrogel-Set mit drei Säulen (2 Linear plus 120) verwendet. Der Eluent war 0,10 M Natriumnitrat, eine ausgezeichnete Wahl für neutrale und anionische hydrophile Polymere.

Zur Erstellung der Kalibrierkurve wurden schmale Polyethylenoxid-Standards verwendet, daher basieren die gezeigten Mittelwerte des Molekulargewichts auf PEOs.

GPC-Analyse von Nylon und Polyester

Die GPC-Analyse von Nylon und Polyester war in der Vergangenheit sehr schwierig, wobei m-Kresol bei 100 °C viele Jahre lang das Lösungsmittel der Wahl war. Es gab eine Vielzahl anderer Lösungsmittel, die von Mitarbeitern getestet wurden, aber eines, das recht gut funktioniert, ist Hexafluorisopropanol (HFIP). HFIP hat gegenüber m-Kresol den Vorteil, dass sich Nylon und Polyester bei Raumtemperatur lösen. Ein Nachteil sind die Kosten: HFIP kostet ca. 1000 US-Dollar pro Liter. Aus diesem Grund haben wir die GPC-Analyse dieser beiden gebräuchlichen Polymere mittels HFIP mit lösungsmitteleffizienten Säulen untersucht, die einen Innendurchmesser von 4,6 mm aufweisen. Dies sind 30 cm lange Säulen, aber der schmalere Innendurchmesser (im Vergleich zu herkömmlichen 7,8-mm-Säulen) ermöglicht große Einsparungen beim Lösungsmittelverbrauch (sowie bei den Entsorgungskosten). Die Flussrate beträgt in der Regel ~ 0,35 mL/Minute, was ungefähr die gleiche Lineargeschwindigkeit des Eluenten ergibt wie 1,0 mL/Minute mit den 7,8 x 300 mm Säulen, die wir normalerweise verwenden. Diese lösungsmitteleffizienten HFIP-Säulen wurden speziell zur direkten Umwandlung in HFIP bei 0,05 mL/Minute in Methanol gepackt.

Für unsere Analyse von Nylons und Polyestern wurde dem HFIP 0,05 M Natriumtrifluoressigsäure zugesetzt, um polare Wechselwirkungen zu vermeiden. Insbesondere Nylons zeigen Tailing am Ende mit niedrigem Molekulargewicht, wenn das Salz nicht zum HFIP hinzugefügt wird. Für die Analyse wurde wiederum das Alliance GPC-System mit dRI-Detektor verwendet. Aufgrund des geringen Systemvolumens (geringe Dispersion) des Alliance Systems kann mit den 4,6-mm-Säulen immer noch eine hervorragende Auflösung erzielt werden. Wir haben die Säulenbezeichnungen HR2, HR3 und HR4 verwendet, was für hochauflösende Säulen im Bereich von 500, 103 und 104 Angström steht. Der RI und die Säulen wurden bei 30 °C gehalten und das Injektionsvolumen betrug nur 25 µL für die schmalen PMMA-Standards und Proben. Polystyrol löst sich nicht in HFIP auf, daher werden die engen Poly(methylmethacrylat)-Standards verwendet, die sehr gut funktionieren.

Hier zeigen wir eine Kalibrierkurve dritter Ordnung für PMMA-Standards in HFIP (dreifache Injektionen jedes Standards). Die außergewöhnliche Reproduzierbarkeit der Retentionszeit der Standards ist aus der Kurve ersichtlich.

Der erste Satz von Proben, der hier gezeigt wurde, war Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT).

Unten ist auch eine Überlagerung von 5 Molekulargewichtsverteilungen von Nylon 6/6 gezeigt. Für die Kalibrierung wurde ein breiter Nylon-6/6-Standard verwendet, daher sind die gezeigten Molekulargewichte für die Nylonprobe „genau“.

Die letzte in HFIP gezeigte Arbeit bezieht sich auf zwei Polyether/Amid-Kopolymere in medizinischer Kunststoffqualität, die zur Herstellung von Kathetern verwendet werden. Die zwei Proben wiesen weder die gleichen physikalischen Eigenschaften noch die gleiche „Verarbeitbarkeit“ auf, dennoch zeigten FTIR, thermische Analyse, rheologische Messungen, Schmelzflussindex usw. keine wahrnehmbaren Unterschiede zwischen den zwei Proben.

Wenn Sie sich die beiden Molekulargewichtsverteilungen einzeln ansehen (hier als 5 Überlagerungen gezeigt), sehen sie tatsächlich ziemlich identisch aus.

Wenn Sie sich jedoch die Überlagerungen der 5 MWDs hier ansehen, können Sie leicht einige Unterschiede zwischen den beiden erkennen. Die Reproduzierbarkeit des Alliance Systems gibt Ihnen die Sicherheit zu sagen, dass diese kleinen MWD-Unterschiede tatsächlich real sind und nicht auf eine Variabilität von Injektion zu Injektion zurückzuführen sind.

Gradientenanalyse von Polymermischungen, Copolymeren und Additiven mit ELSD- und PDA-Detektion

Einführung
Versuch
Ergebnisse und Diskussion
Zusammenfassung

Kurzbeschreibung

In den letzten Jahren ist das Interesse an der Verwendung von Gradienten-HPLC-Techniken, wie der Gradienten-Polymerelutionschromatographie (GPEC), mit Polymeren zur Bestimmung der Zusammensetzungsdrift von Copolymeren, der Zusammensetzung von Polymergemischen oder zur Analyse von Polymeradditiven gestiegen. Je nach den Gradientenbedingungen und den zur Analyse ausgewählten Säulen können Trennungen in Abhängigkeit vom Molekulargewicht oder basierend auf Fällungs- oder Adsorptionsmechanismen erhalten werden. Die Verwendung eines Verdampfungslichtstreudetektors (ELSD) ermöglicht es, Lösungsmittelgradienten mit einem universellen Massendetektor durchzuführen und UV-absorbierende sowie nicht UV-absorbierende Polymerproben zu beobachten, ohne dass die Basislinie durch den Lösungsmittelgradienten gestört wird. Das Hinzufügen eines Photodiodenarray-Detektors (PDA) ermöglicht die Analyse der Zusammensetzung über die Molekulargewichtsverteilung vieler Copolymere, kann zur Identifizierung von Komponenten in einer Polymermischung nützlich sein und ist auch für die Quantifizierung von Polymeradditiven und anderen kleinen Molekülen von unschätzbarem Wert bei der traditionellen Umkehrphasentrennung.

Dieser Abschnitt zeigt die Vorteile der Gradientenanalyse von Polymeren im Vergleich zu Ergebnissen, die mit der Gelpermeationschromatographie erhalten werden können. Die zur Durchführung dieser Arbeit verwendeten Geräte werden beschrieben und es werden Beispiele für diese Technik zur Analyse von Polymermischungen gezeigt. Die Auswirkungen der Säulenfunktionalität und Lösungsmittelzusammensetzung auf die Trennung von Polystyrol-Standards und -Proben werden beschrieben und die besten beobachteten Bedingungen verwendet, um verschiedene Copolymere auf ihre Monomerzusammensetzung zu analysieren. Schließlich wird auch die traditionelle Verwendung von Gradiententrennungen mit denselben Geräten für die Analyse verschiedener Arten von Polymeradditiven gezeigt.

Einführung

Die gebräuchlichste chromatographische Methode für die Analyse von Polymeren ist die Gelpermeationschromatographie (GPC), bei der die Trennung auf der Größe der Polymerprobe in Lösung oder dem hydrodynamischen Volumen der Polymerlösung basiert. Abbildung 1 zeigt die Chromatogramme, die mit GPC für eine Polystyrolprobe, ein Polystyrol-Acrylnitril-Copolymer (25 % Acrylnitril) und einen Polystyrol-Butadien-Kautschuk (50 % Styrol) erhalten wurden, die getrennt analysiert wurden. Obwohl die Proben ein unterschiedliches Molekulargewicht haben, sind die hydrodynamischen Volumina so ähnlich, dass die Polymerpeaks bei nahezu derselben Retentionszeit beobachtet werden. Die Chromatogramme, die für die GPC-Analyse einer Mischung mit annähernd der gleichen Konzentration der Polystyrol-, Polystyrol-Acrylnitril- und Polystyrol-Butadien-Proben erhalten wurden, sind ebenfalls in Abbildung 1 dargestellt. Dieses Chromatogramm zeigt keine Trennung der drei verschiedenen Polymere und zeigt die Unpraktikabilität der GPC für die Analyse der meisten Polymermischungen.

Wenn jedoch dieselbe Polymermischung in einem Gradientenmodus analysiert wird, können die drei Komponenten leicht in der Basislinie aufgelöst werden, wie in Abbildung 2 gezeigt wird. Diese zeigt die Überlagerung von zwei wiederholten Injektionen der Polymermischung, die mit einer Prototyp-Divinylbenzol-Vinylpyrolidon-Säule mit einem Gradienten von 100 % Acetonitril (ACN) zu 100 % Tetrahydrofuran (THF) über 20 Minuten durchgeführt wurden.

Mithilfe dieser Technik werden die Proben in THF gelöst und dann in ein Chromatographiesystem mit 100 % ACN injiziert. Die Polymere der Mischung sind in Acetonitril unlöslich und fallen auf der Säule aus. Mit fortschreitendem Gradienten werden die Polymere in der Mischung entsprechend ihrer Löslichkeit wieder gelöst und als aufgelöste Peaks von der Säule eluiert. Dieser Mechanismus ähnelt der Gradienten-Polymer-Elutionschromatographie (GPEC). In der Literatur sind auch andere Gradientenmethoden für die Analyse von Polymeren beschrieben, die unter Bedingungen durchgeführt werden, bei denen die Polymere in Lösung bleiben und durch einen Adsorptionsmechanismus getrennt werden. Es handelt sich dabei im Allgemeinen um polare, in Alkoholen oder Ketonen lösliche Polymere, die mit reinen Kieselgelsäulen getrennt und hier nicht behandelt werden.

Versuch

Alle Gradientenarbeiten wurden mit der folgenden Systemkonfiguration durchgeführt, sofern nicht anders angegeben.

System:	Waters Alliance 2690 Trennmodul mit Säulenofen bei 30 ºC
Detektor 1:	Waters 996 Photodiodenarray-Detektor
Detektor 2:	Alltech Modell 500 ELSD mit LTA-Adapter (Driftrohr bei 40 ºC, 1,75 Liter/min Stickstoff)
Datensystem:	Waters Millennium 32 Chromatographiemanager
Säule:	Wie in den Abbildungen aufgeführt, 30 ºC
Flussrate:	1 mL/min
Proben:	10 – 25 µL-Injektionen von 0,2 – 0,5 % der Proben
Gradient:	Linearer Gradient, Bedingungen und mobile Phasen, wie in den Abbildungen aufgeführt.

Der am häufigsten verwendete Detektor für die GPC ist der Brechungsindexdetektor (Refractive Index, RI); aufgrund der Empfindlichkeit des RIs gegenüber Änderungen der Zusammensetzung der mobilen Phase ist er jedoch als Detektor für die Gradientenpolymeranalyse nicht geeignet. Abbildung 3 zeigt die Chromatogramme, die für die 25-µL-Injektion einer 0,5-prozentigen Lösung eines Styrol-Acrylnitril-Copolymers (25 % Acrylnitril) mit einer Prototyp-DVB/Vinylpyrolidon-Säule mit einem Gradienten von 100 % ACN zu 100 % THF in 20 Minuten unter Verwendung eines Brechungsindex-Detektors (RI), eines Photodiodenarray-Detektors (PDA) und eines Verdampfungslichtstreudetektors (ELSD) erhalten wurden.

Sobald die Änderung der mobilen Phase vom Gradienten den RI-Detektor erreicht (ca. 2,5 Minuten), verliert das RI-Signal den Maßstab, wodurch der Detektor vollständig übersteuert wird. Das Chromatogramm des PDA-Detektors bei 260 nm (oder eines anderen UV-Detektors) zeigt, dass die UV-Detektion viel besser für die Gradientenanalyse geeignet ist als die RI-Detektion. Das Chromatogramm zeigt eine Basisliniendrift mit der Änderung der mobilen Phase. Es ist jedoch immer noch eine gute Empfindlichkeit für die Polymerprobe vorhanden und die Drift kann leicht durch Subtrahieren der Basislinie eines Blanks mit Gradient beseitigt werden. Das dritte Chromatogramm in Abbildung 3, das mit einem ELSD aufgenommen wurde, zeigt die überlegene Leistung des ELSDs für Gradientenapplikationen. Der Detektor ist gegenüber Änderungen der Zusammensetzung der mobilen Phase im Wesentlichen unempfindlich, da die Lösungsmittel vor dem Nachweis verdampft werden. Dies, kombiniert mit der ausgezeichneten Empfindlichkeit für Polymerproben, macht den ELSD zum Detektor der Wahl für die Gradientenanalyse von Polymeren. Durch die Kombination eines PDAs mit dem ELSD können unbekannte Substanzen mit dem ELSD nachgewiesen und quantifiziert werden, während der PDA zur Bestimmung der Peakreinheit, zur Identifizierung unbekannter Substanzen durch Bibliotheksabgleich und zur Analyse der Zusammensetzung von Copolymeren verwendet werden kann.

Mithilfe dieses Systems kann eine große Vielfalt an unterschiedlichen Arten von Polymeren, Polymermischungen und Copolymeren analysiert werden. Abbildung 4 zeigt eine Überlagerung von Chromatogrammen, die für viele Polymertypen erhalten wurden, die auf einer Nova-Pak C₁₈-Säule mit einem 30-minütigen Gradienten von 100 % ACN bis 100 % THF gemessen wurden, einschließlich Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polystyrol-Butadien-Blockcopolymer, Polydimethylsiloxan, Polystyrol-Isopren-Blockcopolymer und Butylkautschuk.

Wenn diese Technik für die Analyse von Polymermischungen oder Copolymeren verwendet wird, muss die Trennung unabhängig vom Molekulargewicht erfolgen, so dass die Polymere nur nach ihrer Zusammensetzung getrennt werden. Da es sich hierbei in erster Linie um einen Fällungs-/Rücklösungsmechanismus handelt, ist eine gewisse Abhängigkeit des Molekulargewichts leider unvermeidlich, die jedoch durch eine umsichtige Auswahl von Säulen, mobilen Phasen und Gradientenbedingungen minimiert werden kann.

Abbildung 5 zeigt eine Überlagerung von Chromatogrammen, die von einer Reihe von schmalen Polystyrolstandards erhalten wurden, die mit einer SymmetryShield C₈-Säule (3,9 mm x 15 cm) mit einem Gradienten von 100 % ACN bis 100 % THF in 10 Minuten gemessen wurden.

Die Standards von 43.900 bis 2.890.000 MW eluieren in einem Band von etwa 9 bis 9,5 Minuten. Die Standards mit niedrigerem Molekulargewicht eluieren früher, wobei viele der Oligomere gut aufgelöst sind. Diese Standards mit niedrigerem Molekulargewicht sind unter den Startbedingungen des Gradienten (100 % ACN) löslich oder fast löslich (9100 MW) und werden daher durch den traditionellen Umkehrphasenmechanismus getrennt. Abbildung 6 zeigt eine Überlagerung der Chromatogramme, die für dieselben Standards unter identischen Bedingungen mit einem Prototyp einer DVB/Vinylpyrolidon-Säule (3,9 mm x 15 cm) gemessen wurden.

Ein ähnliches Muster wird bei den Standards 43.900 bis 2.890.000 beobachtet, die in einer etwas schmaleren Bande eluieren. Die Standards mit niedrigerem Molekulargewicht sind etwas anders getrennt; dies ist jedoch aufgrund der unterschiedlichen Umkehrphaseneigenschaften der beiden Säulen nicht überraschend.

Durch Wechsel zu einer Nova-Pak C18-Säule (3,9 mm x 30 cm) und Verwendung eines 30-minütigen Gradienten wurden die in Abbildung 7 gezeigten Chromatogramme erhalten. Unter Verwendung dieser Bedingungen wird die Molekulargewichtsabhängigkeit für Polystyrol-Standards mit einem Molekulargewicht von 43.900 und höher nahezu eliminiert. Wie erwartet, werden die in ACN löslichen Standards mit niedrigem Molekulargewicht früher im Chromatogramm eluiert. Die Oligomere mit niedrigem Molekulargewicht werden jedoch in drei Peaks aufgespalten, was darauf hinweist, dass sie durch ihre unterschiedlichen Endgruppen getrennt sind.

Die Wahl der mobilen Phase, die als Nichtlösungsmittel verwendet wird, kann signifikante Auswirkungen auf Trennungen haben, die bei der Gradientenanalyse von Polymeren erhalten werden.

Abbildung 8 zeigt eine Überlagerung von Chromatogrammen, die für dieselben Standards mit einer Nova-Pak C18-Säule (3,9 mm x 15 cm) mit einem linearen Gradienten von 100 % Methanol (MeOH) bis 100 % THF in 30 Minuten erhalten wurden. Diese Ergebnisse zeigen eine klare Abhängigkeit vom Molekulargewicht der gut gelösten Oligomere am Anfang der Chromatogramme bis zum 8-Millionen-MW-Standard. Dies ist für die Zwecke der Analyse von Copolymeren oder Polymermischungen unerwünscht, da es schwierig wäre zu bestimmen, ob Unterschiede in der Retentionszeit auf Unterschiede in der Zusammensetzung oder auf Unterschiede des Molekulargewichts zurückzuführen sind.

Dieser Nicht-Lösungsmittel-Effekt kann auch bei der Analyse von Polymerproben mit einem breiten Molekulargewicht beobachtet werden.

Abbildung 9 zeigt die Chromatogramme, die für einen Lauf mit einem breiten NBS706-Polystyrolstandard mit einer Nova-Pak C18-Säule (3,9 mm x 15 cm) mit einem 30-minütigen Gradienten erhalten wurden, wobei zuerst ACN und dann MeOH als Nicht-Lösungsmittel mit THF als Lösungsmittel für beide Injektionen verwendet wurden. Bei Verwendung von ACN als Nicht-Lösungsmittel wird ein wünschenswerterer spitzer Peak erhalten, während bei Verwendung von MeOH als Nicht-Lösungsmittel ein sehr breiter Peak erhalten wird. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass für THF-lösliche Polymere die besten Trennungen mit einem Gradienten von 100 % ACN zu 100 % THF erzielt wurden. Unter diesen Bedingungen steht ein robustes Verfahren zur Verfügung, das für eine Vielzahl von Polymermischungen und Copolymeren eingesetzt werden kann.

Die Gradientenanalyse ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Bewertung von Copolymermaterialien. Eine Reihe von statistischen Styrol-Butadien-Kautschuken (SBR) wurde unter Verwendung dieses Gradienten von 100 % ACN zu 100 % THF mit einem Prototyp einer DVB/Vinylpyrolidon-Säule (3,9 mm x 15 cm) in 20 Minuten gemessen. Fünf verschiedene SBR mit einer Zusammensetzung im Bereich von 50 % Styrol bis 5,2 % wurden zusammen mit einem schmalen Polystyrol-Standard (MW 355 K) und einem schmalen Polybutadien-Standard (MW 330 K) injiziert. Eine Überlagerung der resultierenden Chromatogramme ist in Abbildung 10 dargestellt.

Die verschiedenen SBRs werden leicht durch ihre relativen Mengen an Styrol und Butadien getrennt. Diese SBRs wurden zuvor durch traditionelle GPC analysiert, um sicherzustellen, dass die Molekulargewichte hoch genug waren, so dass die Abhängigkeit des Molekulargewichts unbedeutend war. Die Molekulargewichte wurden alle durch relative Kalibrierung mit Polystyrol bei ungefähr 200.000 bis 300.000 bestimmt.

Anhand der Gradientenergebnisse wurde eine Kalibrierkurve erstellt, um den prozentualen Anteil von Styrol gegen die Retentionszeit zu bestimmen. Diese ist in Abbildung 11 dargestellt.

Die Auftragung zeigt eine gute Korrelation zwischen % Styrol und Retentionszeit, so dass diese Methode verwendet werden kann, um die ungefähre Zusammensetzung eines unbekannten SBRs zu bestimmen. Die UV-Daten des PDAs können auch verwendet werden, um die Ergebnisse des ELSDs zu überprüfen.

In ähnlicher Weise zeigt Abbildung 12 die Chromatogramme einer Reihe von Styrol-Butadien-Blockcopolymeren mit einer ähnlichen Trennung wie die statistischen SBRs.

Die Daten sind in Abbildung 13 dargestellt, die eine Kalibrierkurve zeigt, die derjenigen ähnelt, die für die zufälligen SBRs erhalten wurde. Mithilfe dieser Gradientenmethode können Spezies mit nur geringen Strukturunterschieden einfach getrennt werden.

Abbildung 14 zeigt eine Überlagerung einzelner Injektionen von Polymethylmethacrylat, Poly-n-butylmethacrylat, Poly-n-hexylmethacrylat und Poly-Laurelmethacrylat, gemessen mit einer Nova-Pak C18-Säule (3,9 mm x 15 cm) mit einem Gradienten von 100 % ACN zu 100 % THF in 30 Minuten. Die Chromatogramme zeigen eine hervorragende Trennung zwischen den einzelnen Komponenten in der homologen Reihe von Methacrylaten, die mit einem schnelleren Gradienten problemlos aufgelöst werden können.

Das Chromatogramm in Abbildung 15 zeigt die Trennung derselben Methacrylate, die als Gemisch injiziert wurden und unter identischen Bedingungen gemessen wurden, was eine identische Trennung zeigt, wenn die Komponenten in einem Gemisch gemessen werden.

Dasselbe Verfahren unter Verwendung identischer Bedingungen ist auch zum Analysieren von Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht geeignet. Abbildung 16 zeigt eine Überlagerung von Chromatogrammen für zwei Wachse mit niedrigem Molekulargewicht. Die beiden Wachse sind gut getrennt und es sind leichte Unterschiede zwischen den Oligomerenverhältnissen zu beobachten.

Polymeradditive mit niedrigem Molekulargewicht können mit dieser Methode nach dem traditionellen Umkehrphasenmechanismus analysiert werden. Viele Arten von Polymeradditiven werden unter Verwendung der folgenden Bedingungen gezeigt, die so gewählt wurden, dass sie mit einem Massenspektrometer kompatibel sind:

System:	Waters Alliance 2690 Trennmodul mit Säulenofen bei 30 ºC
Detektor 1:	Waters 996 Photodiodenarray-Detektor
Detektor 2:	Alltech Modell 500 ELSD mit LTA-Adapter (Driftrohr bei 40 ºC, 1,75 Liter/min Stickstoff)
Datensystem:	Waters Millennium 32 Chromatographiemanager
Säule:	Symmetrie C₈, 2,1 mm x 15 cm, 30 ºC
Flussrate:	0,29 mL/min
Gradient:	Linearer ternärer Gradient, 30 Minuten; 70/10/20 bis 1/79/20 H2O/ACN/THF

Abbildung 17 zeigt die Trennung von Tinuvin 440, Tinuvin 900 und Tinuvin 328, bei denen es sich um UV-Stabilisatoren handelt, die üblicherweise in Polyolefinharzen verwendet werden. Auch wenn diese Verbindungen bei guter Wiederfindung schwer aus Polyolefinharzen zu extrahieren sind, können sie nach der Extraktion mit dieser Methode leicht und mit guter Empfindlichkeit analysiert werden.

Mehrere verschiedene Arten von Phthalat-Weichmachern sind in Abbildung 18 getrennt. Phthalate, die üblicherweise als Weichmacher in PVC-Harz verwendet werden, sind in letzter Zeit als mögliche Karzinogene auf den Prüfstand gestellt worden. Phthalate, insbesondere Diethylhexylphthalat (DEHP), werden routinemäßig in Medizinprodukten wie Kathetern und Infusionsbeuteln sowie in Kinderspielzeug verwendet, wodurch Patienten und Kinder möglicherweise hohen Konzentrationen dieses vermutlich krebserzeugenden Stoffes ausgesetzt werden. Diese Methode ist ein einfaches Mittel zur Analyse dieser Phthalatverbindungen.

Abbildung 19 zeigt die Chromatogramme der Gleitmittel Oleamid und Erucamid sowie des Antistatikums Stearinsäure. Diese Verbindungen, die eine sehr geringe UV-Absorption aufweisen, zeigen bei der UV-Detektion eine schlechte Empfindlichkeit, können aber mit dem Verdampfungslichtstreudetektor leicht nachgewiesen werden.

Abbildung 20 zeigt die Trennung von Irganox 1076 und Irgafos 168, zwei Antioxidantien, die häufig in Polyolefinen und anderen Polymeren verwendet werden. Irganox 1076 ist ein gehindertes Amin und Irgafos 168 ist ein leicht abbaubarer Phosphitester. Das Chromatogramm zeigt zwei Peaks für Irgafos 168. Der zweite Peak ist der Hauptpeak von Irgafos 168, während der erste Peak die oxidierte Irgafos 168-Verunreinigung ist, die in der Probe vorhanden war. Diese Methode ist nicht als optimierte Methode gedacht, sondern nur als allgemeine Methode zur Verwendung für eine Vielzahl von Additiven.

Abbildung 21 zeigt 12 Überlagerungen einer Trennung von 10 gebräuchlichen Antioxidantien, die unter Verwendung einer modifizierten Version der genehmigten ASTM-Methode zur Analyse von Additiven in Polyolefinen durchgeführt wurde. Die Säule, die mobilen Phasen, die Flussraten und die Gradientenbedingungen wurden optimiert, um die kürzeste Analysezeit und maximale Empfindlichkeit zu erhalten, um die Analyse dieser 10 Antioxidantien in weniger als 10 Minuten zu ermöglichen.

Die Methode verwendet sowohl einen Gradienten der mobilen Phase als auch einen Flussratengradienten, was zu einer extrem reproduzierbaren und empfindlichen Methode führt. Die Analyten wurden mit einem PDA bei 230 nm detektiert, der nicht nur eine hervorragende Empfindlichkeit bietet, sondern auch eine Peak-Identifizierung mithilfe der Funktion der Bibliothekszuordnung ermöglicht. Das Gerät und die Bedingungen, die für diese Trennung verwendet wurden, sind in Abbildung 22 dargestellt.

Zusammenfassung

Die Verwendung von Gradientenmethoden zur Analyse von Polymeren ermöglicht Trennungen, die im Wesentlichen unabhängig vom Molekulargewicht sind. Individuelle Polymere in Mischungen mit derselben Molekulargewichtsverteilung können leicht getrennt werden und Copolymere können durch ihre Monomerverhältnisse getrennt werden. Unter Verwendung der gleichen Geräte können auch die meisten gebräuchlichen Polymeradditive analysiert werden. Der Verdampfungslichtstreudetektor ist ein universeller Detektor, der von Änderungen der Gradientenzusammensetzung der mobilen Phase nicht beeinflusst wird. Der Photodiodenarray-Detektor ermöglicht die positive Identifizierung vieler Verbindungen und die Analyse der Zusammensetzung von Copolymeren. Diese Gradientenmethoden sind hoch reproduzierbare Techniken und eignen sich hervorragend für Applikationen zur Deformulierung.

Analyse von Additiven in Polymeren mittels Gradienten-HPLC (GPEC)

Personen, die sich mit der Polymercharakterisierung durch chromatographische Techniken beschäftigen, verwenden nicht ausschließlich die GPC zur Analyse ihrer Proben. Häufig müssen wir Verfahren der Flüssigchromatographie durch Adsorption oder Verteilungschromatographie einsetzen, um die benötigten Informationen zu erhalten.

Herkömmliche Umkehrphasen- und gelegentlich auch Normalphasen-Techniken werden z. B. zur quantitativen Bestimmung von Polymeradditiven verwendet. Das Ermitteln der Molekulargewichtsverteilung Ihrer Polymerprobe kann nur ein Teil der Charakterisierung sein. Was ist mit den Additiven, die dem Polymer beigemischt werden, um eine Stabilisierung oder Verbesserung der Verarbeitung zu erreichen? Sie können sogar wichtiger sein als das Polymer selbst. Wir müssen darüber nachdenken, die richtigen UV-Stabilisatoren und Antioxidantien zum Schutz vor dem Abbau, Weichmacher zur Verbesserung der Flexibilität, Antistatika für Polyolefine, Flammschutzmittel, Beschleuniger zur Verbesserung der Vernetzung (oder Härtung) usw. zu verwenden.

Wir haben uns intensiv mit Polymeradditiven beschäftigt und Sie können einige unserer veröffentlichten Arbeiten im Journal of Liquid Chromatography, Band 14 #3, (1991), und Band 16, #7 (1993), finden.

Wie analysieren wir Polymeradditive? Zuerst müssen wir darüber nachdenken, was wir erreichen möchten. Müssen wir wissen, ob die korrekten Mengen jedes Additivs in der Formulierung vorhanden sind? Versuchen wir, ein Konkurrenzmaterial zu „deformulieren“? Müssen wir das Additivpaket aus der Polymermatrix extrahieren? Die Chancen stehen gut, dass die Antworten auf diese Fragen „Ja“ lauten. Die GPC-Analyse ist nicht der beste Weg, um vorhandene Zusatzstoffe in ihren Mengen zu trennen, zu identifizieren und zu quantifizieren. Die meisten Additive liegen in Größe und Molekulargewicht recht nahe beieinander, sodass wir sie mit HPLC trennen müssen. Eine einfache Gradiententechnik mit optionaler Flussprogrammierung funktioniert sehr gut, um viele verschiedene Arten von Additiven in kurzer Zeit zu trennen. Eine Gradientenanalyse besteht darin, die Zusammensetzung des Eluenten oder der mobilen Phase zu verändern, normalerweise von einem „schwachen“ Lösungsmittel zu einem „starken“ Lösungsmittel über einen gewissen Zeitraum. Diese Variation der Zusammensetzung erfolgt bei der additiven Analyse normalerweise auf lineare Weise. Da die Eluentenzusammensetzung während des Chromatographielaufs variiert wird, kann der Brechungsindex-Detektor nicht verwendet werden.

Die meisten Polymeradditive, mit denen wir zu tun haben, haben ein Chromophor, das ultraviolettes Licht absorbiert, so dass in erster Linie ein UV-Detektor verwendet wird. Wenn keine Chromophore vorhanden sind, kann ein Verdampfungslichtstreudetektor verwendet werden. Wir können die Flussrate auch während des Laufs ändern, wobei normalerweise der Fluss erhöht wird, damit die späteren eluierenden Komponenten schneller eluieren. Die für die Additivanalyse üblicherweise gewählte Säule ist eine Octadecylsilan- (C18) oder Octylsilan- (C8) Säule mit einer Länge von ca. 15 cm. Ein Beispiel für eine Umkehrphasengradiententrennung (mit Flussprogramm) einer Reihe von gebräuchlichen Antioxidantien und UV-Stabilisatoren mit 9 Überlagerung von 12 Injektionen wird hier gezeigt.

Die Gradientenbedingungen sind recht einfach: 70 % Acetonitril/30 % Wasser zu Beginn, dann linearer Anstieg auf 100 % Acetonitril nach nur 5 Minuten. Es gibt auch ein Flussprogramm, das von anfänglich 2,0 mL/min auf 6 min hochfährt und dann in nur 12 s auf 3,0 mL/min erhöht wird. Die Datentabelle zeigt die bemerkenswerten Ergebnisse der Reproduzierbarkeit (Retentionszeit und Flächen-RSD) für jedes Additiv. Dies ist ein weiterer Beweis für die hervorragende Reproduzierbarkeit von Flussraten und Probenzuführungen des Alliance Systems.

Die UV-Detektion wurde bei 230 nm durchgeführt. Der PDA-Detektor erfasst alle Wellenlängen (die Sie anzeigen möchten) gleichzeitig, wodurch Sie die UV-Spektren für jedes Additiv erhalten. Dieses Spektrum kann dann in einer Bibliothek gespeichert und mit einer gespeicherten Bibliothek bekannter Additivstandards verglichen werden. Der einzige Nachteil bei der Bibliothekssuche besteht darin, dass die meisten Antioxidantien gehinderte Phenole sind, die alle sehr ähnliche Spektren aufweisen. In diesem Fall müssen Sie sich zur Identifizierung nur auf die Retentionszeit verlassen. Eine weitere Alternative besteht darin, ein Massenspektrometer als Detektor in das System einzubauen. Dieses liefert ein Elektronenstoßspektrum, das in der Bibliothek gesucht werden kann.