Applications pour GPC à température ambiante

• Introduction
• Expérience
• Résultats et discussion
• Récapitulatif

Résumé

Ces dernières années, les techniques de HPLC en gradient, telles que la chromatographie en gradient ou GPEC, avec les polymères ont suscité un intérêt croissant dans le cadre de la détermination de la dérive des compositions de copolymères, la composition de mélanges de polymères ou l’analyse d’additifs polymères. En fonction des conditions de gradient et des colonnes choisies pour l’analyse, les séparations peuvent être obtenues en fonction de la masse moléculaire, de la précipitation ou des mécanismes d’adsorption. L’utilisation d’un détecteur évaporatif à diffusion de lumière (ELSD) permet d’effectuer des gradients de solvant avec un détecteur de masse universel et d’observer à la fois des échantillons de polymère absorbant les UV et ne les absorbant pas, sans perturber la ligne de base du gradient de solvant. L’ajout d’un détecteur à barrette de diodes (PDA) permet d’analyser la composition de la distribution des masses moléculaires de nombreux copolymères. Il peut s’avérer utile pour identifier les composants d’un mélange de polymères, mais également pour quantifier des additifs polymères et d’autres petites molécules dans les séparations en phase inverse traditionnelles.

Cette section démontre les avantages de l’analyse en gradient des polymères par rapport aux résultats obtenus par chromatographie par perméation sur gel. Les instruments utilisés pour réaliser ce travail sont décrits et des exemples de cette technique pour l’analyse de mélanges de polymères sont présentés. Les effets de la fonctionnalité des colonnes et de la composition des solvants sur la séparation des étalons de polystyrène et des échantillons sont également décrits, et les meilleures conditions observées sont utilisées pour analyser la composition monomérique de divers copolymères. Enfin, l’utilisation traditionnelle des séparations par gradient avec les mêmes instruments pour l’analyse de plusieurs types d’additifs polymères est également présentée.

Introduction

La méthode chromatographique la plus courante pour l’analyse des polymères est la chromatographie par perméation sur gel ou GPC, pour laquelle la séparation est basée sur la taille de l’échantillon polymère en solution, ou le volume hydrodynamique de la solution polymère. La Figure 1 présente les chromatogrammes obtenus par GPC pour un échantillon de polystyrène, un copolymère de polystyrène-acrylonitrile (25 % d’acrylonitrile) et un caoutchouc polystyrène-butadiène (50 % de styrène) analysés séparément. Même si les échantillons sont de masses moléculaires différentes, les volumes hydrodynamiques sont suffisamment similaires pour que les pics de polymères soient observés pratiquement au même temps de rétention. Les chromatogrammes obtenus à l’analyse par GPC d’un mélange d’environ la même concentration de chacun des échantillons de polystyrène, polystyrène-acrylonitrile et polystyrène-butadiène sont également illustrés sur la Figure 1. Ce chromatogramme ne présente aucune séparation des trois polymères différents et démontre le caractère peu pratique de la GPC pour l’analyse de la plupart des mélanges de polymères. 

Cependant, lorsque ce même mélange de polymères est analysé en mode gradient, les trois composants peuvent facilement être résolus par rapport à la ligne de base, comme l’illustre la Figure 2 qui montre la superposition de deux injections répétées du mélange de polymères analysé sur un prototype de colonne de divinylbenzène-vinylpyrrolidone avec un gradient allant de 100 % d’acétonitrile (ACN) à 100 % de tétrahydrofurane (THF) en 20 minutes.

Avec cette technique, les échantillons sont dissous dans le THF, puis injectés dans le système chromatographique fonctionnant à 100 % d’ACN. Les polymères du mélange sont insolubles dans l’acétonitrile et précipitent sur la colonne. Au fur et à mesure de la progression du gradient, les polymères du mélange sont à nouveau dissous en fonction de leur solubilité et sont élués de la colonne en pics résolus. Ce mécanisme est similaire à la chromatographie en gradient (GPEC). D’autres méthodes en gradient pour l’analyse des polymères ont été décrites dans la littérature. Elles sont mises en œuvre dans des conditions où les polymères restent en solution et sont séparés par un mécanisme d’adsorption. Mais elles concernent généralement des polymères polaires solubles dans les alcools ou les cétones analysés sur des colonnes de silice nues et ne sont pas abordées ici.

Expérience

Tous les travaux en gradient ont été effectués en utilisant la configuration système suivante, sauf indication contraire.

Le détecteur le plus couramment utilisé pour la GPC est le détecteur d’indice de réfraction (RI) ; cependant, la sensibilité du détecteur RI aux variations de la composition de la phase mobile le rend inapproprié pour l’analyse en gradient de polymères. La Figure 3 illustre les chromatogrammes obtenus pour l’injection de 25 µL d’une solution à 0,5 % d’un copolymère de styrène-acrylonitrile (25 % d’acrylonitrile) sur un prototype de colonne de DVB/vinylpyrrolidone avec un gradient allant de 100 % d’ACN à 100 % de THF en 20 minutes, en utilisant un détecteur d’indice de réfraction (RI), un détecteur à barrette de diodes (PDA) et un détecteur évaporatif à diffusion de lumière (ELSD).

Dès que le changement de phase mobile du gradient atteint le détecteur RI (environ 2,5 minutes), le signal RI sort de l’échelle et surcharge complètement le détecteur. Le chromatogramme obtenu à partir du détecteur PDA à 260 nm (ou tout autre détecteur UV) démontre que la détection UV est bien mieux adaptée à l’analyse en gradient que la détection RI. Le chromatogramme présente une dérive de la ligne de base avec le changement de phase mobile, mais la sensibilité à l’échantillon polymère reste bonne. La dérive peut facilement être éliminée en soustrayant la ligne de base d’un blanc de gradient. Le troisième chromatogramme de la Figure 3, obtenu avec un détecteur ELSD, démontre les performances supérieures du détecteur ELSD pour les applications en gradient. Le détecteur est quasiment insensible aux variations de composition de la phase mobile, car les solvants sont évaporés avant la détection. Ceci, combiné à l’excellente sensibilité aux échantillons polymères, fait de l’ELSD le détecteur de prédilection pour l’analyse en gradient de polymères. En associant un détecteur PDA au détecteur ELSD, il est possible de détecter et de quantifier des éléments inconnus avec le détecteur ELSD et d’utiliser le détecteur PDA pour déterminer la pureté des pics, identifier les éléments inconnus par comparaison en bibliothèque et analyser la composition de copolymères.

Ce système permet d’analyser une grande diversité de types de polymères, de mélanges de polymères et de copolymères. La Figure 4 illustre une superposition de chromatogrammes obtenus pour de nombreux types de polymères analysés sur une colonne Nova-Pak C₁₈ avec un gradient de 30 minutes allant de 100 % d’ACN à 100 % de THF, dont le polychlorure de vinyle, le polyméthacrylate de méthyle, le polystyrène, le copolymère séquencé polystyrène-butadiène, le polydiméthylsiloxane, le copolymère séquencé polystyrène-isoprène et le caoutchouc butyle.

Lors de l’utilisation de cette technique pour l’analyse de mélanges de polymères ou de copolymères, il est nécessaire que la séparation soit indépendante des masses moléculaires afin que les polymères soient séparés uniquement sur la base de leur composition. Malheureusement, comme il s’agit essentiellement d’un mécanisme de précipitation/redissolution, une certaine dépendance aux masses moléculaires est inévitable, mais elle peut être réduite en choisissant judicieusement les colonnes, les phases mobiles et les conditions de gradient.

La Figure 5 illustre une superposition de chromatogrammes obtenus à partir d’une série d’étalons de polystyrène étroits analysés sur une colonne SymmetryShield C₈ (3,9 mm x 15 cm), avec un gradient allant de 100 % d’ACN à 100 % de THF en 10 min.

Les étalons de masse moléculaire entre 43 900 et 2 890 000 s’éluent dans une bande d’environ 9 à 9,5 minutes. Les étalons de masse moléculaire inférieure s’éluent de manière plus précoce et présentent de nombreux oligomères bien résolus. Ces étalons de masse moléculaire plus basse sont solubles ou quasi solubles (9 100) dans les conditions de départ du gradient (ACN 100 %) et sont donc séparés par le mécanisme classique de phase inverse. La Figure 6 illustre une superposition de chromatogrammes obtenus pour les mêmes étalons analysés dans des conditions identiques sur un prototype de colonne de DVB/vinylpyrrolidone (3,9 mm x 15 cm).

Un tracé similaire est observé avec les étalons de masse moléculaire entre 43 900 et 2 890 000 s’éluant dans une bande légèrement plus étroite. La séparation des étalons de masse moléculaire inférieure est quelque peu différente. Néanmoins, ceci n’est pas surprenant en raison des différentes caractéristiques de phase inverse des deux colonnes.

La Figure 7 présente les chromatogrammes obtenus en changeant pour une colonne Nova-Pak C18 (3,9 mm x 30 cm) et en utilisant un gradient de 30 min. Dans ces conditions, la dépendance vis-à-vis de la masse moléculaire pour les étalons de polystyrène de masse moléculaire de 43 900 ou plus est pratiquement éliminée. Comme prévu, les étalons de masse moléculaire basse solubles dans l’ACN sont élués de manière plus précoce dans le chromatogramme. Cependant, les oligomères de masse moléculaire basse sont divisés en trois pics, ce qui indique qu’ils sont séparés par leurs groupements terminaux.

Le choix de la phase mobile utilisée comme non-solvant peut avoir des effets significatifs sur les séparations obtenues à partir d’une analyse en gradient de polymères.

La Figure 8 illustre une superposition de chromatogrammes obtenus pour les mêmes étalons analysés sur une colonne Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm), avec un gradient linéaire allant de 100 % de méthanol (MeOH) à 100 % de THF en 30 min. Ces résultats montrent une nette dépendance vis-à-vis de la masse moléculaire des oligomères bien résolus qui apparaît tôt sur les chromatogrammes, jusqu’à l’étalon de masse moléculaire 8 millions. Ceci n’est pas souhaitable dans le cadre de l’analyse de copolymères ou de mélanges de polymères, car il est difficile de déterminer si les différences au niveau des temps de rétention sont dues à des différences de composition ou à des différences de masse moléculaire.

Cet effet « non-solvant » peut également être observé lors de l’analyse d’échantillons polymères à masse moléculaire élevée.

La Figure 9 illustre les chromatogrammes obtenus lors de l’analyse d’un étalon de polystyrène large NBS706 sur une colonne Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm), avec un gradient de 30 min utilisant d’abord l’ACN, puis le MeOH comme non-solvant, et le THF comme solvant pour les deux injections. Lors de l’utilisation de l’ACN comme non-solvant, un pic fin plus souhaitable est obtenu tandis qu’avec le MeOH utilisé comme non-solvant, un pic très large est obtenu. Nos travaux ont révélé que pour les polymères solubles dans le THF, les meilleures séparations sont observées avec le gradient allant de 100 % d’ACN à 100 % de THF. Ces conditions aboutissent à une méthode robuste qui peut être utilisée pour une grande diversité de mélanges de polymères et de copolymères.

L’analyse en gradient est un outil puissant pour l’évaluation des matériaux copolymères. Une série de caoutchoucs aléatoires styrène-butadiène (SBR) a été analysée en utilisant ce gradient de 100 % d’ACN à 100 % de THF sur un prototype de colonne de DVB/vinylpyrrolidone (3,9 mm x 15 cm) en 20 min. Cinq SBR différents avec une composition allant de 50 % de styrène à 5,2 % de styrène ont été injectés avec un étalon étroit de polystyrène (masse moléculaire de 355 000) et un étalon étroit de polybutadiène (masse moléculaire de 330 000). Une superposition des chromatogrammes obtenus est présentée sur la Figure 10.

Les différents SBR sont facilement séparés par leurs quantités relatives de styrène et de butadiène. Ces SBR ont été préalablement analysés par GPC classique pour s’assurer que les masses moléculaires étaient suffisamment élevées pour que la dépendance à la masse moléculaire soit insignifiante. Les masses moléculaires s’élevaient toutes approximativement entre 200 000 et 300 000 par étalonnage relatif avec le polystyrène.

En utilisant les résultats du gradient, une courbe d’étalonnage a été générée pour déterminer le pourcentage de styrène en fonction du temps de rétention. Elle est illustrée à la Figure 11.

Le graphique présente une bonne corrélation entre le pourcentage de styrène et le temps de rétention, de sorte que cette méthode peut être utilisée pour déterminer la composition approximative d’un SBR inconnu. Les données UV du détecteur PDA peuvent également être utilisées pour vérifier les résultats issus du détecteur ELSD.

De manière similaire, la Figure 12 présente les chromatogrammes obtenus pour une série de copolymères séquencés styrène-butadiène présentant une séparation similaire à celle des SBR aléatoires.

Les données sont tracées sur la Figure 13 présentant une courbe d’étalonnage similaire à celle obtenue pour les SBR aléatoires. Cette méthode en gradient permet de séparer facilement les espèces ne présentant que de légères différences de structure.

La Figure 14 illustre une superposition d’injections individuelles de polyméthacrylate de méthyle, de poly-n-méthacrylate de butyle, de poly-n-méthacrylate d’hexyle et de polyméthacrylate de lauryle sur une colonne Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm), avec un gradient allant de 100 % d’ACN à 100 % de THF en 30 minutes. Les chromatogrammes présentent une excellente séparation entre chaque composant dans la série homologue des méthacrylates et peuvent facilement être résolus avec un gradient plus rapide.

Le chromatogramme de la Figure 15 illustre la séparation des mêmes méthacrylates injectés sous forme de mélange et analysés dans des conditions identiques, démontrant une séparation identique lorsque les composants sont analysés en mélange.

Cette même méthode utilisant des conditions identiques est également utile pour l’analyse de composés de masse moléculaire plus basse. La Figure 16 présente une superposition de chromatogrammes pour deux cires de masse moléculaire basse. Les deux cires sont bien séparées et de légères différences entre les rapports des oligomères peuvent être observées.

Les additifs polymères de masse moléculaire basse peuvent être analysés avec cette méthode par le mécanisme classique de phase inverse. De nombreux types d’additifs polymères vont être présentés en utilisant les conditions suivantes – choisies pour être compatibles avec un spectromètre de masse :

La Figure 17 illustre la séparation du Tinuvin 440, du Tinuvin 900 et du Tinuvin 328, qui sont des stabilisants d’UV couramment utilisés dans les résines polyoléfiniques. Même si ces composés sont difficiles à extraire des résines polyoléfiniques avec une bonne récupération, une fois extraits, ils peuvent être analysés facilement et avec une bonne sensibilité à l’aide de cette méthode.

Plusieurs types différents de plastifiants phtalates sont séparés dans la Figure 18. Les phtalates, qui sont couramment utilisés comme plastifiants dans la résine PVC, ont récemment fait l’objet d’examens pour leur nature potentiellement cancérigène. En effet, les phtalates, en particulier le diéthylhexylphtalate (DEHP), sont utilisés fréquemment dans les dispositifs médicaux tels que les cathéters et les poches à perfusion, ainsi que dans les jouets pour enfants, ce qui peut exposer les patients et les enfants à des niveaux élevés de cet agent soupçonné d’être cancérigène. Cette méthode est un moyen simple d’analyser ces composés phtalates.

La Figure 19 illustre les chromatogrammes des agents glissants oléamide et érucamide, et de l’agent antistatique acide stéarique. Ces composés, qui ont une très faible absorbance dans les UV, présentent une faible sensibilité lors de la détection UV, mais peuvent être facilement détectés avec le détecteur évaporatif à diffusion de lumière.

La Figure 20 illustre la séparation de l’Irganox 1076 et de l’Irgafos 168, deux antioxydants très répandus dans les polyoléfines et d’autres polymères. L’Irganox 1076 est une amine encombrée, tandis que l’Irgafos 168 est un ester de phosphite qui se dégrade facilement. Le chromatogramme présente deux pics pour l’Irgafos 168. Le second pic est le pic principal de l’Irgafos 168, tandis que le premier pic reflète en fait l’impureté (Irgafos 168 oxydé) présente dans l’échantillon. Cette méthode n’est pas censée être une méthode optimisée, mais uniquement une méthode générale pouvant être utilisée avec une grande diversité d’additifs.

La Figure 21 montre 12 superpositions d’une séparation de 10 antioxydants courants analysés en utilisant une version modifiée de la méthode ASTM approuvée pour l’analyse des additifs dans les polyoléfines. La colonne, les phases mobiles, le débit et les conditions de gradient ont été optimisés pour obtenir une durée d’analyse minimale et une sensibilité maximale, ce qui permet d’analyser ces 10 antioxydants en moins de 10 minutes.

Utilisant à la fois un gradient de phase mobile et un gradient de débit, la méthode aboutit à une méthode extrêmement reproductible et sensible. Les analytes ont été détectés avec un détecteur PDA à 230 nm qui, en plus de fournir une excellente sensibilité, permet également d’identifier les pics en utilisant les capacités de comparaison en bibliothèque du détecteur à barrette de photodiodes. L’instrument et les conditions utilisés pour effectuer cette séparation sont présentés à la Figure 22.

Récapitulatif

L’utilisation de méthodes en gradient pour l’analyse des polymères permet des séparations majoritairement indépendantes de la masse moléculaire. Les polymères individuels constituant des mélanges ayant la même distribution de masses moléculaires peuvent être facilement séparés, tandis que les copolymères peuvent être séparés par leurs rapports de monomères. En utilisant les mêmes instruments, les additifs polymères les plus courants peuvent également être analysés. Le détecteur évaporatif à diffusion de lumière est un détecteur universel qui n’est pas affecté par les variations de composition du gradient de phase mobile. Le détecteur à barrette de diodes permet quant à lui l’identification positive de nombreux composés et l’analyse compositionnelle des copolymères. Ces méthodes en gradient sont des techniques hautement reproductibles et extrêmement bien adaptées aux applications de déformulation.

Les personnes réalisant la caractérisation des polymères par des techniques chromatographiques n’utilisent pas exclusivement la GPC pour analyser leurs échantillons. Souvent, nous devons utiliser des techniques de chromatographie en phase liquide par adsorption ou la chromatographie de partage pour obtenir les informations requises.

Les techniques classiques de séparation en phase inverse et, parfois, en phase normale sont par exemple utilisées pour quantifier des additifs polymères. L’obtention de la distribution des masses moléculaires de l’échantillon polymère n’est parfois qu’une partie du processus de caractérisation. Qu’en est-il des additifs formulés dans le polymère pour stabiliser ou améliorer le traitement ? Ils peuvent être encore plus importants que le polymère lui-même. Nous devons penser à utiliser les bons stabilisants UV et les bons antioxydants pour éviter la dégradation, les bons plastifiants pour améliorer la souplesse, les bons antistatiques pour les polyoléfines, les bons retardateurs de flamme, les bons agents d’accélération pour améliorer le processus de réticulation (ou durcissement), etc.

Nous avons beaucoup travaillé sur les additifs polymères. Vous trouverez en détail certains de nos travaux dans le Journal of Liquid Chromatography, volume 14 n° 3 (1991) et volume 16, n° 7 (1993).

Comment analysons-nous les additifs polymères ? Tout d’abord, nous devons réfléchir à ce que nous tentons d’accomplir. Avons-nous besoin de savoir si les quantités correctes de chaque additif sont bien présentes dans la formulation ? Voulons-nous « déformuler » un matériau concurrent ? Devons-nous extraire le paquet d’additifs de la matrice polymère ? Il est probable que les réponses à ces questions soient « oui ». L’analyse par GPC n’est pas le meilleur moyen de séparer, d’identifier et de quantifier les niveaux d’additifs présents. La plupart des additifs sont assez proches les uns des autres en termes de taille et de masse moléculaire. Nous devons donc les séparer par HPLC. Une technique en gradient simple, avec programmation du débit en option, permet de séparer dans un délai d’analyse court de nombreux types d’additifs différents. Une analyse en gradient consiste à faire varier la composition de l’éluant ou de la phase mobile, généralement à partir d’un solvant « faible » jusqu’à un solvant « fort » sur une période donnée. Cette variation de composition s’effectue habituellement de façon linéaire pour l’analyse additive. Dans la mesure où nous faisons varier la composition de l’éluant tout au long de l’analyse chromatographique, le détecteur d’indice de réfraction ne peut pas être utilisé.

La plupart des additifs polymères que nous utilisons contiennent des chromophores qui absorbent la lumière ultraviolette. Un détecteur UV est donc principalement utilisé. En l’absence de chromophores, un détecteur évaporatif à diffusion de lumière peut être employé. Nous pouvons également modifier le débit tout au long de l’analyse, généralement en l’augmentant pour accélérer la sortie des éluants tardifs. La colonne habituellement choisie pour l’analyse additive est une colonne soit d’octadécylsilane (C18), soit d’octylsilane (C8) d’une longueur d’environ 15 cm. Voici un exemple de séparation par gradient en phase inverse (avec programmation du débit) d’une série d’antioxydants et d’agents stabilisants UV courants. Neuf (9) superpositions de 12 injections sont illustrées.

Les conditions de gradient sont assez simples : 70 % d’acétonitrile/30 % d’eau dans un premier temps, puis passage à 100 % d’acétonitrile de façon linéaire au bout de 5 min. Le programme de débit prévoit quant à lui un débit de 2,0 mL/min initialement à 6 min, qui augmente à 3,0 mL/min en 12 secondes seulement. Le tableau de données présente les remarquables résultats de reproductibilité (écart-type relatif sur les temps de rétention et les aires) pour chaque additif. C’est une nouvelle preuve de l’incroyable reproductibilité du système Alliance en matière de débit et de distribution des échantillons.

La détection UV a été réalisée à 230 nm. Le détecteur PDA examine simultanément à toutes les longueurs d’onde (que vous choisissez d’afficher), ce qui vous permet d’obtenir les spectres UV de chaque additif. Ce spectre peut ensuite être stocké en bibliothèque et comparé à une bibliothèque enregistrée comprenant des étalons d’additifs connus. Le seul inconvénient de la recherche en bibliothèque est que la grande majorité des antioxydants sont des phénols encombrés, qui ont tous des spectres très similaires. Dans ce cas, vous devrez vous fier uniquement au temps de rétention pour les identifier. Une autre alternative consiste à ajouter au système un détecteur par spectrométrie de masse. Cela permettra d’obtenir un spectre d’impact électronique qui pourra être recherché dans une bibliothèque.