Guia para iniciantes em cromatografia de exclusão por tamanho

• Por que a GPC é importante?
• Como a GPC funciona
• Sistemas GPC

A cromatografia de permeação em gel (GPC, Gel Permeation Chromatography) é uma das técnicas analíticas mais poderosas e versáteis disponíveis para entender e prever o desempenho do polímero. É a técnica mais adequada para caracterizar a distribuição completa do peso molecular de um polímero.

A Waters foi pioneira em disponibilizar no mercado a GPC em 1963. Desde então, a Waters continuou a desenvolver e explorar novas aplicações de GPC e a melhorar os equipamentos que tornam a GPC tão poderosa.

Por que a GPC é importante?

A GPC pode determinar vários parâmetros importantes. Isso inclui peso molecular médio numérico, peso molecular médio ponderal, peso molecular médio ponderal Z e a característica mais fundamental de um polímero, sua distribuição de peso molecular.

Esses valores são importantes, pois afetam muitas das propriedades físicas características de um polímero. Diferenças sutis entre lotes nesses valores mensuráveis podem causar diferenças significativas nas propriedades de utilização final de um polímero. Algumas dessas propriedades incluem:

Caracterização de materiais

Compreender a composição de um polímero é particularmente importante devido à variedade de resinas disponíveis para a mesma finalidade, ao alto custo das resinas ou compostos especiais e ao valor agregado ao polímero durante a fabricação. Por exemplo, o custo de uma resina utilizada em uma placa de circuito impresso é muito baixo, mas o custo da placa acabada é muito alto. Uma resina de baixa qualidade pode resultar em uma placa de circuito impresso com acabamento inaceitável.

Quando a aplicação de utilização final de um polímero exige desempenho de precisão ou resistência sob condições adversas, a necessidade de caracterização do polímero é particularmente crucial. Como a GPC atende a essas necessidades melhor do que qualquer outra técnica individual, ela se tornou uma ferramenta extremamente valiosa para a caracterização de materiais na indústria de polímeros.

Diferenciar o que é bom do que é ruim

Duas amostras da mesma resina de polímero podem ter resistências à tração e viscosidades de fusão idênticas, mas diferem acentuadamente em sua capacidade de serem fabricadas em produtos duráveis e utilizáveis. Essas diferenças podem ser atribuídas a variações sutis, porém significativas, nas distribuições de peso molecular das duas amostras de resina. Essas diferenças, se não detectadas, podem causar defeitos graves no produto.

Como a GPC funciona

A GPC separa as moléculas em solução por seu "tamanho efetivo em solução". Para preparar uma amostra para análise por GPC, a resina é primeiro dissolvida em um solvente apropriado.

Dentro do cromatógrafo de permeação em gel, a resina dissolvida é injetada em um fluxo de solvente em contínua circulação (fase móvel). A fase móvel flui através de milhões de partículas altamente porosas e rígidas (fase estacionária) firmemente preenchidas em uma coluna. Os tamanhos de poros dessas partículas são controlados e estão disponíveis em uma variedade de tamanhos.

A largura dos picos individuais reflete a distribuição do tamanho das moléculas para uma determinada resina e seus componentes. A curva de distribuição também é conhecida como curva de distribuição de peso molecular (MWD, Molecular Weight Distribution). Tomados em conjunto, os picos refletem a MWD de uma amostra. Quanto mais ampla for a MWD, mais amplos os picos se tornam e vice-versa. Quanto maior for o peso molecular médio, mais longe ao longo do eixo do peso molecular a curva se deslocará e vice-versa.

Então, é possível perceber a facilidade com que os perfis de MWD de duas resinas podem ser comparados. Se o perfil de MWD de uma resina de entrada não corresponder ao da resina de controle (ou seja, um que é conhecido por processar bem) de forma suficientemente próxima, a resina que entra pode ser modificada ou as condições de processo podem ser alteradas para garantir que a resina seja processada corretamente. Se as diferenças entre a resina de controle e a resina de entrada forem muito graves, a resina de entrada poderá ser devolvida ao fornecedor como inaceitável.

Sistemas GPC

Ao projetar os equipamentos para GPC, vários requisitos devem ser cumpridos. Os injetores são necessários para introduzir a solução de polímero no sistema de fluxo. As bombas fornecem a amostra e o solvente através das colunas e do sistema. Os detectores monitoram e registram a separação. Os acessórios de aquisição de dados controlam o teste automaticamente, registram os resultados e calculam as médias de peso molecular. O cromatógrafo de permeação em gel contém vários componentes diferentes que trabalham juntos para fornecer o desempenho ideal do sistema com o mínimo de esforço. Esquema de um cromatógrafo básico de permeação em gel.

Bombeia o polímero em solução através do sistema.

Diferentes polímeros produzem soluções de diferentes viscosidades. Para comparar os dados de uma análise com a próxima, a bomba deve fornecer as mesmas taxas de fluxo, independentemente das diferenças de viscosidade. Além disso, alguns detectores são muito sensíveis à precisão da taxa de fluxo do solvente. Esse fluxo constante deve ser uma característica crítica do equipamento.

Introduz a solução de polímero na fase móvel.

O injetor deve ser capaz de injeções de pequeno volume (para determinações de peso molecular) e injeções de grande volume (se a coleta de fração for desejável). O injetor não deve perturbar o fluxo contínuo da fase móvel. Ele também deve ser capaz de fazer injeção automática de amostras múltiplas quando o volume da amostra for grande.

Separa com eficiência os componentes da amostra uns dos outros.

As colunas de alta eficiência fornecem a máxima capacidade de separação e análises rápidas. Cada coluna deve fornecer informações reprodutíveis durante longos períodos para fins analíticos e de coleta de fração.

Monitora a separação e responde aos componentes conforme eles eluem da coluna.

Os detectores devem ser não destrutivos para os componentes de eluição se forem coletados para análise posterior.

Além disso, os detectores devem ser sensíveis e ter um amplo intervalo linear para responder tanto a quantidades de traços quanto a grandes quantidades de material, se necessário.

Como todos os compostos refratam a luz, o refratômetro diferencial (RI) é chamado de detector "universal". Como resultado, é o detector mais utilizado para monitorar a distribuição de peso molecular. O índice de refração dos polímeros é constante acima de aproximadamente 1000 MW. Portanto, a resposta do detector é diretamente proporcional à concentração.

Além das informações sobre as médias de peso molecular e distribuição obtidas com RI, a utilização de detectores de absorbância UV pode fornecer informações sobre a composição, enquanto os detectores de espalhamento de luz e viscosímetros on-line fornecem informações sobre a estrutura do polímero.

Calcula, registra e relata automaticamente valores numéricos para Mz, Mw, Mv, Mn e MWD.

Os sistemas de dados também podem fornecer controle completo dos sistemas GPC, de forma que um grande número de amostras possa ser executado sem supervisão e os dados brutos possam ser processados automaticamente. As ofertas atuais de software de GPC precisam ser capazes de fornecer cálculos especiais para processamento de múltiplas detecções, correção de ampliação de faixa, rotinas de calibração especiais e determinação de ramificação de polímeros, apenas para citar alguns.