Guia para iniciantes em cromatografia de exclusão por tamanho

Aplicações para GPC de temperatura ambiente

Aplicações para GPC de temperatura ambiente

As aplicações de GPC à temperatura ambiente para polímeros solúveis orgânicos foram todas realizadas no Sistema Alliance. Na maioria dos casos, as colunas de HR Styragel foram utilizadas para a análise. Devido ao projeto exclusivo do gerenciador de solvente no Sistema Alliance, a precisão da taxa de fluxo é melhor que 0,075%, e o fluxo é praticamente sem pulso. O fluxo sem pulso é extremamente importante para as pessoas que fazem o espalhamento de luz, pois uma bomba que pulsa soltará os "particulados" da coluna e causará os picos no cromatograma.

Calibração

Calibração

A primeira etapa em qualquer análise por GPC é calibrar o sistema. Abaixo, é possível ver uma curva de calibração de padrão estreito de poliestireno obtida no Alliance® utilizando THF como eluente. O intervalo molecular coberto é de aprox. 250 a 3 M. O conjunto de colunas consistia em 2 colunas de HR 5E (leito misto) e uma única de HR2 (500 Å). As colunas foram aquecidas a 40 °C no forno de coluna, e a taxa de fluxo foi de 1,0 mL/min. A curva de calibração é um ajuste de 5a ordem. A curva parece excelente, mas também há algo muito interessante a se observar. Existem três injeções de cada padrão mostrado na curva, (3 injeções de cada uma de três vials diferentes). Portanto, o número total de pontos na curva é 39! (Se você olhar com atenção, poderá ver alguma evidência de uma quantidade muito pequena de dispersão para alguns dos padrões). A reprodutibilidade do tempo de retenção dos padrões estreitos é inferior a 0,04%, um resultado do fornecimento de fluxo superior do Sistema Alliance. Às vezes, precisamos fazer nossas análises por GPC em solventes diferentes de THF.

Abaixo está uma curva de calibração de padrão estreito utilizando padrões de poli(metilmetacrilato), com dimetilformamida sendo utilizada como eluente.

Preferimos utilizar PMMAs em vez de poliestireno ao trabalhar com DMF, pois os padrões de poliestireno de baixo peso molecular tendem a ter tempos de retenção inconsistentes, eluindo mais tarde do que o esperado. Os padrões de oligômero de poliestireno, (peso molecular abaixo de aprox. 700, por exemplo), podem mostrar retenção além do volume total, VT. Os padrões estreitos do PMMA não exibem essa tendência e são ideais para trabalhos em DMF. O mesmo conjunto de colunas que foi utilizado para a calibração de poliestireno foi empregado aqui (2 colunas de HR 5E mais uma única de HR2). A única diferença é que essas colunas foram preenchidas com DMF. Brometo de lítio, a uma concentração de 0,05 M, foi adicionado ao DMF. Isso evita qualquer interação polar entre a amostra e o eluente, pois a maioria das amostras executadas em DMF tende a ser muito polar. Quanto à curva de poliestireno, existem três injeções para cada padrão; por isso, nesse caso, existem 36 pontos de calibração na curva. Parece haver ainda menos dispersão nesta curva do que na curva de poliestireno. As colunas foram aquecidas a 80 °C para reduzir a viscosidade do DMF.

Execução de soluções muito diluídas

Execução de soluções muito diluídas

Um padrão amplo de poliestireno bem caracterizado, Dow 1683, foi executado no Sistema Alliance com o detector dRI e THF como eluente. A concentração era de 0,15%, e uma injeção de 300 μL foi feita. O padrão amplo foi injetado novamente (também 300 μL), mas desta vez a uma concentração de 0,015% (10 vezes menos). Veja as comparações nas figuras abaixo. Observe que o sinal para a concentração de 0,15% é de aprox. 15 mV. Com o ruído da linha de base sendo de 14 uV, temos uma relação S/R > 1000:1. O sinal para a injeção de 0,015% é de apenas 1,5 mV, mas ainda assim somos capazes de atingir uma relação S/R > 100:1, além de ser facilmente integrado. A suavidade do fluxo, juntamente com o desgaseificador integrado, nos permite executar soluções de polímero muito diluídas e ainda obter a relação S/R necessária para trabalho de GPC reprodutível. Isso é muito importante quando precisamos executar concentrações muito baixas de amostras de alto peso molecular. Agora, podemos executar concentrações extremamente baixas e, ainda assim, obter os resultados corretos sem sacrificar a S/R.

Análise de elastômeros

Análise de elastômeros

Determinar a distribuição do peso molecular de elastômeros (naturais e sintéticos) é uma técnica analítica muito importante utilizada para correlacionar com propriedades físicas. As formulações de elastômero podem ser muito complicadas, com misturas de polímeros sendo utilizadas, bem como antioxidantes, plastificantes, vulcanizadores, aceleradores e uma variedade de enchimentos (negro de carvão, dióxido de titânio, sílica, etc.). A formulação inteira pode consistir em apenas 50% (ou até menos) do elastômero. Essas formulações são amplamente utilizadas nas indústrias automotiva e aeroespacial para tudo, desde pneus até vedações de anel O. Como sempre é o caso na análise por GPC, a primeira coisa que devemos fazer é calibrar nosso sistema, então aqui mostramos uma curva de calibração de terceira ordem utilizando padrões estreitos de polibutadieno como calibradores.

Existem também padrões estreitos de poli-isopreno disponíveis. Mais uma vez, foram utilizadas duas colunas de HR 5E e uma única de HR2 para o banco de colunas, mantidas a 75 °C. No caso de elastômeros, o tolueno é normalmente o solvente escolhido. O THF pode ser utilizado em muitos casos, mas o tolueno tende a fazer um trabalho melhor na dissolução de alguns elastômeros, como a borracha natural (poli-isopreno cis-1,4). O detector dRI foi utilizado com o sistema Alliance. Escolhemos padrões estreitos de polibutadieno, pois eles são semelhantes em estrutura à maioria dos elastômeros que examinamos. Observe a excelente reprodutibilidade para as aplicações que mostram as múltiplas sobreposições de distribuição.

 

Veja a seguir algumas aplicações adicionais de elastômeros de interesse:

Análise de policarbonato via GPC

Análise de policarbonato via GPC

A análise por GPC é bastante direta, utilizando THF ou cloreto de metileno como eluente. Decidimos ver como a precisão era boa para o Sistema Alliance fazendo algo um pouco diferente. Tínhamos uma série de policarbonatos que executamos na análise por GPC no Sistema Alliance em Milford, e as mesmas amostras eram executadas em um Sistema Alliance em uma unidade da Waters fora dos EUA, mesmo com um conjunto de colunas um pouco diferente. A seguir, é mostrado o acordo incrível obtido entre as duas unidades de laboratório.

Análise de amostras aquosas com GPC

Análise de amostras aquosas com GPC

A análise por GPC aquosa traz um novo conjunto de desafios para o químico de caracterização de polímeros. A maioria dos preenchimentos convencionais de alto desempenho para análise por GPC aquosa é preparada a partir de géis de metacrilato hidrofílico, com grupos de carboxilato residuais, fornecendo ao recheio de coluna uma carga aniônica geral. Ao fazer a análise por GPC em polímeros solúveis em água, deve-se estar ciente do fato de que pode haver uma interação de carga entre a amostra e o material de retenção, a menos que determinadas etapas sejam realizadas. Teoricamente, se o polímero for neutro, será possível fazer a análise em água pura. Se houver qualquer carga aniônica no polímero, ela será excluída pela coluna e eluirá no volume vazio se água pura for utilizada como eluente. Por outro lado, se o polímero tiver uma carga catiônica geral (e água pura for utilizada como eluente), a amostra aderirá à coluna e nunca eluirá. Muitos desses problemas iônicos podem ser superados facilmente com a adição de um eletrólito, como NaNO3 a 0,10 M.. Mesmo para amostras neutras, é recomendável utilizar NaNO3 a 0,10 M como eluente. Alguns dos problemas que precisam ser resolvidos com o eluente correto (consulte o guia de seleção de solvente para polímeros solúveis em água) são os seguintes:

  1. Interações eletrostáticas intramoleculares – o polieletrólito se expande devido às cargas na própria molécula.
  2. Exclusão de íons – O polieletrólito de amostra e o material de retenção têm a mesma carga (ambos aniônicos, por exemplo).
  3. Inclusão de íons – A carga de polieletrólitos é oposta àquela do preenchimento; a amostra aderirá na coluna (amostra catiônica, por exemplo) e não eluirá. O pH pode precisar ser ajustado.
  4. Troca iônica – Esse fenômeno pode ocorrer como no caso de inclusão de íons, em que o preenchimento e a amostra têm cargas opostas. Uma reação de troca iônica ocorre, fazendo com que a amostra elua tarde ou não elua.
  5. Interações hidrofóbicas – A parte não iônica da amostra de polieletrólito interage com os locais não polares do material de retenção. Esse problema pode ser facilmente resolvido adicionando 20% de um modificador orgânico (acetonitrila, por exemplo) ao eluente.

Ocasionalmente, podem ocorrer outras interações, como efeitos de associação e efeitos de memória, mas os 5 problemas mostrados acima são os mais encontrados. O guia de seleção de solvente aquoso mostrado anteriormente ajudará você a escolher o eluente correto para sua aplicação específica. Temos cromatogramas para quase todas as aplicações mostradas no guia. Entre em contato se precisar de ajuda com suas amostras específicas.

Três polímeros solúveis em água diferentes foram executados no Sistema Alliance, com detecção de índice de refração. Os três polímeros analisados (mostrados abaixo) foram hidroxietilcelulose, pectina e ácido polialgínico. Observe a excelente reprodutibilidade das múltiplas sobreposições de distribuição de peso molecular. Em todos os casos, foi utilizado um conjunto de três colunas Ultrahydrogel (2 lineares mais uma 120). Observe que o eluente era nitrato de sódio a 0,10 M, uma escolha excelente para polímeros hidrofílicos neutros e aniônicos.

Padrões estreitos de óxido de polietileno foram utilizados para desenvolver a curva de calibração, então as médias de peso molecular mostradas são baseadas em PEOs.

Análise de nylon e poliéster por GPC

Análise de nylon e poliéster por GPC

A análise por GPC de nylons e poliésteres tem sido historicamente muito difícil de fazer, com m-cresol a 100 °C sendo o solvente escolhido por muitos anos. Há uma variedade de outras opções de solvente que os profissionais já tentaram, mas uma que funciona muito bem é o hexafluoroisopropanol (HFIP). O HFIP tem uma vantagem sobre o m-cresol, pois os nylons e os poliésteres se dissolvem à temperatura ambiente. Uma desvantagem é o custo: o HFIP custa aproximadamente US$ 1000 por litro. Esse é o motivo pelo qual investigamos a análise por GPC desses dois polímeros populares utilizando HFIP com colunas eficientes em solventes, que têm 4,6 mm de diâmetro interno. Essas colunas têm 30 cm de comprimento, mas o diâmetro interno mais estreito (em comparação com colunas convencionais de 7,8 mm) permite uma grande economia na utilização de solvente (e nos custos de descarte). A taxa de fluxo é normalmente de aprox. 0,35 mL/minuto, o que fornecerá aproximadamente a mesma velocidade linear do eluente de 1,0 mL/minuto com as colunas de 7,8 x 300 mm que normalmente utilizamos. Essas colunas de HFIP com eficiência de solvente são especialmente preenchidas com metanol para conversão direta em HFIP a 0,05 mL/minuto.

Para nossa análise de nylons e poliésteres, 0,05 M de ácido trifluoroacético foi adicionado ao HFIP, para evitar quaisquer interações polares. Os nylons, em particular, exibirão assimetria na extremidade de baixo peso molecular se o sal não for adicionado ao HFIP. Mais uma vez, o Sistema GPC Alliance com detector dRI foi utilizado para a análise. Devido ao baixo volume do sistema (baixa dispersão) do Sistema Alliance, uma resolução excelente ainda pode ser obtida com as colunas de 4,6 mm. Utilizamos uma designação de coluna de HR2, HR3 e HR4, que representa colunas de alta resolução no intervalo de 500, 103 e 104 angstroms. O RI e as colunas foram mantidos a 30 °C e o volume de injeção foi de apenas 25 µL para as amostras e os padrões estreitos de PMMA. O poliestireno não se dissolve em HFIP, então os padrões estreitos de poli(metilmetacrilato) são utilizados e funcionam muito bem.

Aqui, mostramos uma curva de calibração de terceira ordem para os padrões de PMMA em HFIP (injeções em triplicata de cada padrão). A extraordinária reprodutibilidade do tempo de retenção dos padrões é óbvia a partir da curva.

O primeiro conjunto de amostras executado foi poli(tereftalato de etileno, PET) e poli(butilenotereftalato, PBT) mostrado aqui.

Também é mostrada abaixo uma sobreposição de 5 distribuições de peso molecular de nylon 6/6. Um padrão largo de nylon 6/6 foi utilizado para a calibração, então, os pesos moleculares mostrados são "acurados" para a amostra de nylon.

O último trabalho mostrado no HFIP é para dois copolímeros de poliéter/amida de grau de plástico medicinal, utilizados para fazer cateteres. As duas amostras não tinham as mesmas propriedades físicas nem a mesma "processabilidade", mas o FTIR, a análise térmica, as medições reológicas, o índice de fluxo de fusão, etc., não mostravam diferenças discerníveis entre as duas amostras.

Se observarmos as duas distribuições de peso molecular individualmente (mostradas aqui como 5 sobreposições), elas realmente parecem idênticas uma à outra.

No entanto, se você analisar as sobreposições das 5 MWDs para cada um aqui, poderá ver facilmente algumas diferenças entre os dois. A reprodutibilidade do Sistema Alliance proporciona a confiança necessária para dizer que essas pequenas diferenças de MWD são de fato reais, e não devido à variabilidade de injeção para injeção.

Análise por gradiente de misturas de polímeros, copolímeros e aditivos com ELSD e detecção de PDA

Análise por gradiente de misturas de polímeros, copolímeros e aditivos com ELSD e detecção de PDA
  • Introdução
  • Experimento
  • Resultados e discussão
  • Resumo

Resumo

Nos últimos anos, tem havido um interesse maior na utilização de técnicas de HPLC por gradiente, como a cromatografia de eluição de polímeros em modo gradiente (GPEC, Gradient Polymer Elution Chromatography), com polímeros para determinar o deslocamento de composição de copolímeros, a composição de misturas de polímeros ou para a análise de aditivos de polímero. Dependendo das condições do gradiente e das colunas selecionadas para análise, as separações podem ser obtidas dependendo do peso molecular ou com base na precipitação ou nos mecanismos de adsorção. A utilização de um detector de espalhamento de luz evaporativa (ELSD, Evaporative Light Scattering Detector) permite realizar gradientes de solvente com um detector de massas universal e observar amostras de polímeros que absorvem e não absorvem UV sem distúrbios da linha de base provenientes do gradiente de solvente. A adição de um detector de arranjo de fotodiodos (PDA, Photodiode Array Detector) permite a análise da composição através da distribuição do peso molecular de muitos copolímeros, pode ser útil para a identificação de componentes em uma mistura de polímeros e também é inestimável para a quantificação de aditivos de polímero e outras moléculas pequenas em separações tradicionais de fase reversa.

Esta seção demonstra as vantagens da análise por gradiente de polímeros em comparação com os resultados obtidos com a cromatografia de permeação em gel. Os equipamentos utilizados para a realização deste trabalho são descritos, e são mostrados exemplos dessa técnica para a análise de misturas poliméricas. Os efeitos da funcionalidade da coluna e da composição do solvente na separação de padrões e amostras de poliestireno são descritos, e as melhores condições observadas são utilizadas para analisar a composição de monômeros de vários copolímeros. Por fim, também é mostrada a utilização tradicional de separações por gradiente com os mesmos equipamentos para a análise de vários tipos de aditivos poliméricos.

Introdução

O método cromatográfico mais comum para a análise de polímeros é a cromatografia de permeação em gel (GPC, Gel Permeation Chromatography), em que a separação é baseada no tamanho da amostra de polímero em solução ou no volume hidrodinâmico da solução de polímero. A Figura 1 mostra os cromatogramas obtidos utilizando GPC para uma amostra de poliestireno, copolímero de poliestireno-acrilonitrila (25% de acrilonitrila) e uma borracha de poliestireno-butadieno (50% de estireno) analisados separadamente. Mesmo que as amostras tenham pesos moleculares diferentes, os volumes hidrodinâmicos são semelhantes o suficiente para que os picos do polímero sejam observados em quase o mesmo tempo de retenção. Os cromatogramas obtidos para a análise por GPC de uma mistura de aproximadamente a mesma concentração de cada uma das amostras de poliestireno, poliestireno-acrilonitrila e poliestireno-butadieno são mostrados na Figura 1. Esse cromatograma não mostra separação dos três polímeros diferentes e demonstra a impraticabilidade da GPC para a análise da maioria das misturas de polímeros. 

No entanto, quando essa mesma mistura de polímeros é analisada em um modo de gradiente, os três componentes podem ser facilmente resolvidos na linha de base, conforme demonstrado na Figura 2, que mostra a sobreposição de duas injeções de replicação da mistura de polímeros executada em um protótipo de coluna de divinilbenzeno-vinilpirrolidona com um gradiente de 100% de acetonitrila (ACN) a 100% de tetrahidrofurano (THF) ao longo de 20 minutos.

Aplicando essa técnica, as amostras são dissolvidas em THF e, em seguida, injetadas no sistema cromatográfico que executa 100% de ACN. Os polímeros na mistura são insolúveis em acetonitrila e precipitam na coluna. À medida que o gradiente avança, os polímeros na mistura são redissolvidos de acordo com suas solubilidades e são eluídos da coluna como picos bem resolvidos. Esse mecanismo é semelhante à cromatografia de eluição de polímeros em modo gradiente (GPEC, Gradient Polymer Elution Chromatography). Outros métodos de gradiente para a análise de polímeros foram descritos na literatura, os quais são realizados sob condições em que os polímeros permanecem em solução e são separados por um mecanismo de adsorção, mas esses são geralmente para polímeros polares que são solúveis em álcoois ou cetonas executados em colunas de sílica nua e não são abordados aqui.

Experimento

Todo o trabalho com gradiente foi realizado utilizando a seguinte configuração do sistema, a menos que indicado de outra forma.

Sistema:

Módulo de separações Waters Alliance 2690 com forno de coluna a 30 °C

Detector 1:

Detector de arranjo de fotodiodos 996 Waters

Detector 2:

ELSD Alltech Modelo 500 com adaptador LTA (tubo de deslocamento a 40 °C, 1,75 litro/min de nitrogênio)

Sistema de dados:

Gerenciador de cromatografia Waters Millennium 32

Coluna:

Conforme listado nas Figuras, 30 °C

Taxa de fluxo:

1 mL/min

Amostras:

Injeções com 10 a 25 µL de amostras de 0,2 a 0,5%

Gradiente:

Gradiente linear, condições e fases móveis conforme listado nas Figuras.

O detector mais utilizado para GPC é o detector de índice de refração (RI, Refractive Index); no entanto, a sensibilidade do RI a alterações na composição da fase móvel o torna inadequado como detector para análise de polímeros por gradiente. A Figura 3 mostra os cromatogramas obtidos para a injeção de 25 µL de uma solução de 0,5% de um copolímero de estireno-acrilonitrila (25% de acrilonitrila) executada em uma coluna de protótipo de DVB/vinilpirrolidona com um gradiente de 100% de ACN a 100% de THF em 20 minutos utilizando um detector de índice de refração (RI, Refractive Index), um detector de arranjo de fotodiodos (PDA, Photodiode Array Detector) e um detector de espalhamento de luz evaporativa (ELSD, Evaporative Light Scattering Detector).

Assim que a mudança de fase móvel do gradiente atinge o detector de RI (aprox. 2,5 minutos), o sinal de RI sai da escala, sobrecarregando completamente o detector. O cromatograma obtido do detector PDA a 260 nm (ou qualquer detector UV) demonstra que a detecção UV é muito mais adequada para análise por gradiente do que a detecção de RI. O cromatograma mostra o deslocamento da linha de base com a mudança na fase móvel, mas ainda há uma boa sensibilidade para a amostra de polímero, e o deslocamento pode ser facilmente eliminado pela linha de base subtraindo uma corrida de gradiente em branco. O terceiro cromatograma na Figura 3, obtido por meio de um ELSD, demonstra o desempenho superior do ELSD para aplicações de gradiente. O detector é essencialmente insensível às alterações na composição da fase móvel, uma vez que os solventes são evaporados antes da detecção. Isso, combinado com a excelente sensibilidade para amostras de polímeros, torna o ELSD o detector ideal para análise por gradiente de polímeros. Combinando um PDA com o ELSD, é possível detectar e quantificar desconhecidos com o ELSD e utilizar o PDA para determinar a pureza do pico, para a identificação de desconhecidos por meio de correspondência de biblioteca e para análise de composição de copolímeros.

Utilizando esse sistema, uma grande variedade de diferentes tipos de polímeros, misturas de polímeros e copolímeros pode ser analisada. A Figura 4 mostra uma sobreposição de cromatogramas obtidos para muitos tipos de polímeros executados em uma coluna Nova-Pak C18 com um gradiente de 30 minutos de 100% ACN a 100% THF, incluindo polivinilcloreto, polimetilmetacrilato, poliestireno, copolímero em bloco de poliestireno-butadieno, polidimetilsiloxano, copolímero em bloco de poliestireno-isopreno e borracha butílica.

Ao utilizar essa técnica para a análise de misturas de polímeros ou copolímeros, é necessário que a separação seja independente do peso molecular para que os polímeros sejam separados apenas por composição. Infelizmente, como esse é principalmente um mecanismo de precipitação/redissolução, alguma dependência do peso molecular é inevitável, mas pode ser minimizada por meio da seleção criteriosa de colunas, fases móveis e condições de gradiente.

A Figura 5 mostra uma sobreposição de cromatogramas obtidos a partir de uma série de padrões estreitos de poliestireno executados em uma coluna SymmetryShield C8 (3,9 mm x 15 cm) com um gradiente de 100% de ACN a 100% de THF em 10 min.

Os padrões de 43900 a 2890000 MW eluem em uma faixa de aproximadamente 9 a 9,5 minutos. Os padrões de MW mais baixos eluem mais cedo, com muitos dos oligômeros bem resolvidos. Esses padrões de peso molecular mais baixo são solúveis ou quase solúveis (9100 MW) nas condições iniciais do gradiente (100% de ACN) e, portanto, são separados pelo mecanismo tradicional de fase reversa. A Figura 6 mostra uma sobreposição dos cromatogramas obtidos para os mesmos padrões executados sob condições idênticas em um protótipo de coluna de DVB/vinilpirrolidona (3,9 mm x 15 cm).

Um padrão semelhante é observado com os 43900 a 2890000 padrões eluindo em uma banda um pouco mais estreita. A separação dos padrões de peso molecular mais baixo é um pouco diferente; no entanto, isso não é surpreendente devido às diferentes características de fase reversa das duas colunas.

Alterando para uma Coluna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 30 cm) e utilizando um gradiente de 30 min, os cromatogramas mostrados na Figura 7 foram obtidos. Com essas condições, a dependência do peso molecular para os padrões de poliestireno de 43900 MW e superiores é quase eliminada. Como esperado, os padrões de MW mais baixo que são solúveis em ACN são eluídos mais cedo no cromatograma; no entanto, os oligômeros de MW baixo estão sendo divididos em três picos, indicando que estão sendo separados por seus grupos de extremidade diferentes.

A escolha da fase móvel utilizada como não solvente pode ter efeitos significativos nas separações obtidas a partir da análise de polímeros por gradiente.

A Figura 8 mostra uma sobreposição de cromatogramas obtidos para os mesmos padrões executados em uma Coluna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) com um gradiente linear de 100% de metanol (MeOH) a 100% de THF em 30 min. Esses resultados mostram uma clara dependência do peso molecular dos oligômeros bem resolvidos no início dos cromatogramas até o padrão de MW de 8 milhões. Isso é indesejável para fins de análise de mistura de polímeros ou de copolímeros, pois seria difícil determinar se as diferenças no tempo de retenção eram devido a divergências na composição ou no MW.

Esse efeito de não solvente também pode ser visto ao analisar amostras de polímero de MW amplo.

A Figura 9 mostra os cromatogramas obtidos para o padrão largo de poliestireno NBS706 executado em uma Coluna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) com um gradiente de 30 min utilizando primeiro ACN e depois MeOH como o não solvente com THF como o solvente para ambas as injeções. Ao utilizar ACN como o não solvente, um pico mais fino mais desejável é obtido, enquanto quando o MeOH é utilizado como o não solvente, um pico muito amplo é obtido. Nosso trabalho mostrou que, para polímeros solúveis em THF, as melhores separações foram observadas com o gradiente de 100% de ACN a 100% de THF. Essas condições fornecem um método robusto que pode ser utilizado para uma ampla variedade de misturas de polímeros e copolímeros.

A análise por gradiente é uma ferramenta poderosa para avaliar materiais de copolímero. Uma série de borrachas de estireno-butadieno (SBRs) foi executada utilizando esse gradiente de 100% de ACN a 100% de THF em um protótipo de coluna de DVB/vinilpirrolidona (3,9 mm x 15 cm) em 20 min. Cinco SBRs diferentes com composição variando de 50% de estireno a 5,2% de estireno foram injetados juntamente com um padrão estreito de poliestireno (MW de 355000) e um padrão estreito de polibutadieno (MW de 330000). Uma sobreposição dos cromatogramas resultantes é mostrada na Figura 10.

As diferentes SBRs são facilmente separadas por suas quantidades relativas de estireno e butadieno. Essas SBRs foram analisadas anteriormente pela GPC tradicional para garantir que os pesos moleculares fossem altos o suficiente para que a dependência do peso molecular fosse insignificante, e que os pesos moleculares fossem de aproximadamente 200000 a 300000 por calibração relativa com poliestireno.

Utilizando os resultados do gradiente, uma curva de calibração foi construída para determinar a % de estireno versus tempo de retenção e é mostrada na Figura 11.

O gráfico exibe uma boa correlação entre a % de estireno e o tempo de retenção, de forma que esse método pode ser utilizado para determinar a composição aproximada de um SBR desconhecido. Os dados de UV do PDA também podem ser utilizados para confrontar os resultados do ELSD.

De forma semelhante, a Figura 12 mostra os cromatogramas obtidos para uma série de copolímeros em bloco de estireno-butadieno com uma separação semelhante à das SBRs aleatórias.

Os dados são representados em gráfico na Figura 13, mostrando uma curva de calibração semelhante à obtida para as SBRs aleatórias. Utilizando esse método de gradiente, espécies com apenas pequenas diferenças na estrutura podem ser facilmente separadas.

A Figura 14 mostra uma sobreposição de injeções individuais de polimetilmetacrilato, poli(colesterol-metacrilato), poli-n-butilmetacrilato, poli-n-hexilmetacrilato e poli-laurelmetacrilato executadas em uma Coluna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) com um gradiente de 100% de ACN a 100% de THF em 30 minutos. Os cromatogramas mostram excelente separação entre cada componente na série homóloga de metacrilatos e podem ser facilmente resolvidos com um gradiente mais rápido.

O cromatograma na Figura 15 mostra a separação dos mesmos metacrilatos injetados como uma mistura e executados em condições idênticas, demonstrando uma separação idêntica quando os componentes são executados em uma mistura.

Esse mesmo método feito sob condições idênticas também tem utilidade para analisar compostos de baixo peso molecular. A Figura 16 mostra uma sobreposição de cromatogramas para duas ceras de baixo peso molecular. As duas ceras estão bem separadas e pequenas diferenças entre as razões de oligômero podem ser observadas.

Os aditivos de polímero de baixo peso molecular podem ser analisados com esse método pelo mecanismo tradicional de fase reversa. Muitos tipos de aditivos de polímero serão mostrados utilizando as seguintes condições que foram escolhidas para serem compatíveis com um espectrômetro de massas:

Sistema:

Módulo de separações Waters Alliance 2690 com forno de coluna a 30 °C

Detector 1:

Detector de arranjo de fotodiodos 996 Waters

Detector 2:

ELSD Alltech Modelo 500 com adaptador LTA (tubo de deslocamento a 40 °C, 1,75 litro/min de nitrogênio)

Sistema de dados:

Gerenciador de cromatografia Waters Millennium 32

Coluna:

Symmetry C8, 2,1 mm x 15 cm, 30 °C

Taxa de fluxo:

0,29 mL/min

Gradiente:

Gradiente linear ternário, 30 min; 70/10/20 a 1/79/20 H2O/ACN/THF

A Figura 17 mostra a separação de Tinuvin 440, Tinuvin 900 e Tinuvin 328, que são estabilizadores de UV frequentemente utilizados em resinas de poliolefina. Embora esses compostos sejam difíceis de extrair de resinas de poliolefinas com boa recuperação, uma vez extraídos, eles podem ser analisados facilmente com boa sensibilidade por meio desse método.

Vários tipos diferentes de plastificantes de ftalato são separados na Figura 18. Os ftalatos, que são frequentemente utilizados como plastificantes na resina de PVC, têm sido investigados recentemente como possíveis agentes cancerígenos. Os ftalatos, especialmente o dietilhexilftalato (DEHP), são utilizados regularmente em dispositivos médicos, como cateteres e bolsas de soro, e em brinquedos infantis, possivelmente expondo pacientes e crianças a altos níveis desse agente cancerígeno suspeito. Esse método é um meio simples de analisar esses compostos de ftalato.

A Figura 19 mostra os cromatogramas para os agentes deslizantes oleamida e erucamida e o ácido esteárico antiestático. Esses compostos, que têm muito pouca absorbância de UV, exibem baixa sensibilidade com detecção de UV, mas podem ser facilmente detectados com o detector de espalhamento de luz evaporativa.

A Figura 20 mostra a separação do Irganox 1076 e do Irgafos 168, que são dois antioxidantes comumente usados em poliolefinas e outros polímeros. O Irganox 1076 é uma amina impedida, e o Irgafos 168 é um éster de fosfito que degrada facilmente. O cromatograma mostra dois picos para o Irgafos 168. O segundo pico é o pico principal do Irgafos 168, enquanto o primeiro pico é, na verdade, a impureza oxidada do Irgafos 168 que estava presente na amostra. Esse procedimento não pretende ser um método otimizado, mas apenas um método geral para utilização com uma ampla variedade de aditivos.

A Figura 21 mostra 12 sobreposições de uma separação de 10 antioxidantes comuns executados utilizando uma versão modificada do método ASTM aprovado para a análise de aditivos em poliolefinas. A coluna, as fases móveis, a taxa de fluxo e as condições do gradiente foram otimizadas para obter o menor tempo de análise e a sensibilidade máxima, permitindo a análise desses 10 antioxidantes em menos de 10 minutos.

O método utiliza um gradiente de fase móvel e um gradiente de taxa de fluxo, resultando em um método extremamente reprodutível e sensível. Os analitos foram detectados com um PDA a 230 nm que, além de proporcionar excelente sensibilidade, também permite a identificação de picos utilizando as capacidades de correspondência com biblioteca do detector de arranjo de fotodiodos. O equipamento e as condições utilizados para realizar essa separação são mostrados na Figura 22.

Resumo

A utilização de métodos de gradiente para a análise de polímeros possibilita separações que são essencialmente independentes do peso molecular. Polímeros individuais em misturas com a mesma distribuição de peso molecular podem ser facilmente separados, e os copolímeros podem ser separados por suas razões de monômeros. Utilizando os mesmos equipamentos, a maioria dos aditivos comuns de polímeros também pode ser analisada. O detector de espalhamento de luz evaporativa é um detector universal que não é afetado por alterações na composição do gradiente de fase móvel, e o detector de arranjo de fotodiodos permite a identificação positiva de muitos compostos e a análise da composição de copolímeros. Esses métodos de gradiente são técnicas altamente reprodutíveis e são extremamente adequados para aplicações de deformulação.

Análise de aditivos de polímero utilizando HPLC por gradiente (GPEC)

Análise de aditivos de polímero utilizando HPLC por gradiente (GPEC)

As pessoas envolvidas na caracterização de polímeros por técnicas cromatográficas não utilizam exclusivamente a GPC para analisar suas amostras. Muitas vezes, precisamos aplicar técnicas de cromatografia líquida por cromatografia de adsorção ou partição para obter as informações de que precisamos.

Técnicas convencionais de separação de fase reversa e, às vezes, de fase normal são utilizadas para quantificar aditivos de polímero, por exemplo. A obtenção da distribuição do peso molecular da amostra de polímero pode ser apenas uma parte do processo de caracterização. E quanto aos aditivos que são formulados no polímero para oferecer aprimoramento de processamento ou estabilização? Eles podem ser ainda mais importantes do que o próprio polímero. Precisamos pensar sobre a utilização de estabilizadores de UV e antioxidantes corretos para proteção contra degradação, plastificantes para melhorar a flexibilidade, antiestáticos para poliolefinas, antichama, aceleradores para melhorar o processo de reticulação (ou cura) e assim por diante.

Fizemos muitos trabalhos com aditivos de polímero, e alguns de nossos trabalhos publicados podem ser encontrados no Journal of Liquid Chromatography, volume 14 #3, (1991) e volume 16, #7, (1993).

Como analisamos aditivos de polímero? Primeiro, precisamos pensar no que estamos tentando realizar. Precisamos saber se as quantidades corretas de cada aditivo estão presentes na formulação? Estamos tentando "deformular" um material competitivo? Precisamos extrair o pacote de aditivos da matriz polimérica? Provavelmente, as respostas a essas perguntas serão "Sim". A análise por GPC não é a melhor forma de separar, identificar e quantificar os níveis de aditivos presentes. A maioria dos aditivos são muito próximos uns dos outros em tamanho e peso molecular, por isso precisamos usar a HPLC para separá-los. Uma técnica de gradiente simples, com programação de fluxo opcional, funciona muito bem para separar muitos tipos diferentes de aditivos em um curto tempo de corrida. Uma análise por gradiente consiste em variar o eluente, ou composição da fase móvel, geralmente de um solvente "fraco" para um solvente "forte" ao longo de um período de tempo. Essa variação de composição é normalmente feita de forma linear para análise de aditivos. Como estamos variando a composição do eluente ao longo da corrida cromatográfica, o detector de índice de refração não pode ser utilizado.

A maioria dos aditivos de polímero com os quais lidamos tem algum cromóforo que absorve luz ultravioleta; por isso, um detector UV é essencialmente utilizado. Se não houver cromóforos presentes, um detector de espalhamento de luz evaporativa pode ser empregado. Também podemos alterar a taxa de fluxo durante a corrida, geralmente aumentando o fluxo para fazer com que os eluentes posteriores saiam mais rapidamente. A coluna normalmente escolhida para análise de aditivos é uma coluna de octadecilsilano (C18) ou octilsilano (C8), com aprox. 15 cm de comprimento. Um exemplo de separação por gradiente de fase reversa (com programa de fluxo) de uma série de sobreposição de 12 injeções de antioxidantes comuns e 9 estabilizadores de UV é mostrado aqui.

As condições do gradiente são muito simples: inicialmente 70% de acetonitrila/30% de água, depois prossiga para 100% de acetonitrila de forma linear após apenas 5 min. Há também um programa de fluxo, de 2,0 mL/min inicialmente para 6 min, depois aumentando para 3,0 mL/min em apenas 12 segundos. A tabela de dados mostra os resultados de reprodutibilidade notáveis (tempo de retenção e RSD de área) para cada aditivo. Este é mais um testemunho da incrível reprodutibilidade do fornecimento de amostras e fluxo do Sistema Alliance.

A detecção de UV foi realizada a 230 nm. O detector PDA analisa todos os comprimentos de onda (que forem escolhidos para ver) simultaneamente, o que permite obter os espectros de UV para cada aditivo. Esse espectro pode então ser armazenado em uma biblioteca e comparado a uma biblioteca armazenada de padrões de aditivos conhecidos. A única desvantagem da pesquisa na biblioteca é que a grande maioria dos antioxidantes são fenóis impedidos, que têm espectros muito semelhantes. Nesse caso, será necessário contar apenas com o tempo de retenção para fins de identificação. Outra alternativa é adicionar um detector de espectrômetro de massas ao sistema. Isso fornecerá um espectro de impacto de elétrons que pode ser pesquisado na biblioteca.

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