室温GPC的应用

• 简介
• 实验
• 结果与讨论
• 总结

摘要

近年来，人们越来越关注使用梯度HPLC技术，例如聚合物梯度洗脱色谱(GPEC)，用聚合物确定共聚物的组成漂移、聚合物共混物的组成，或进行聚合物添加剂分析。根据分析所选择的不同梯度条件和色谱柱，根据分子量或基于沉淀或吸附机制实现分离。使用蒸发光散射检测器(ELSD)，分析人员可以使用通用质谱检测器执行溶剂梯度检测，并观察紫外吸收和非紫外吸收聚合物样品，而不会受到溶剂梯度引起的基线干扰。添加光电二极管阵列检测器(PDA)后，可以对许多共聚物的分子量分布进行组分分析，用于鉴定聚合物共混物中的组分，并且对于传统反相分离中聚合物添加剂及其他小分子的定量也非常有用。

本节展示了聚合物的梯度分析与使用凝胶渗透色谱法获得的结果相比的优势，介绍了用于执行这项工作的仪器，并展示了该技术用于分析聚合物共混物的示例，还介绍了色谱柱功能和溶剂组成对聚苯乙烯标准样和样品分离的影响，并使用观察到的理想条件来分析各种共聚物的单体组成。最后，本节还展示了在几种类型聚合物添加剂的分析中使用相同仪器进行梯度分离的传统方法。

简介

分析聚合物最常用的色谱方法是凝胶渗透色谱(GPC)，其分离是基于聚合物样品在溶液中的大小或聚合物溶液的流体力学体积。图1分别显示了使用GPC分析聚苯乙烯样品、聚苯乙烯-丙烯腈共聚物（25%丙烯腈）和聚苯乙烯-丁二烯橡胶（50%苯乙烯）所获得的色谱图。即使样品具有不同的分子量，其流体力学体积也足够接近，使得这些样品可以在几乎相同的保留时间处观察到聚合物峰。图1中还显示了对各自浓度大致相同的聚苯乙烯、聚苯乙烯-丙烯腈和聚苯乙烯-丁二烯样品的共混物进行GPC分析所获得的色谱图。色谱图中显示，三种不同的聚合物未得到分离，证明GPC无法用于大多数聚合物共混物的分析。 

但是，在梯度模式下分析相同的聚合物共混物时，这三种组分可轻松获得基线分离，如图2所示，图中显示了在原型二乙烯基苯-乙烯吡咯烷酮色谱柱上，采用梯度（20 min内从100%乙腈(ACN)变为100%四氢呋喃(THF)）两次重复进样所得到的聚合物共混物分析结果的叠加图。

使用该技术，将样品溶于THF中，然后进样至运行100%乙腈的色谱系统中。共混物中的聚合物不溶于乙腈并沉淀在色谱柱上。随着梯度的继续，共混物中的聚合物根据其溶解度再溶解，并从色谱柱上洗脱下来，并获得分离的峰。这种机制类似于梯度聚合物洗脱色谱(GPEC)。用于分析聚合物的其他梯度方法在参考文献中有相关说明，这类方法在聚合物保持在溶液中的条件下进行，并通过吸附机制分离，但这类方法通常适用于可溶于醇或酮的极性聚合物，在未键合硅胶色谱柱上运行，此处不再讨论。

实验

除非另有说明，否则所有梯度工作均使用以下系统配置进行。

GPC最常用的检测器是示差折光(RI)检测器；但是，由于RI对流动相组成变化的敏感性，该检测器不适合作为梯度聚合物分析的检测器。图3显示了在原型DVB/乙烯吡咯烷酮色谱柱上进样25 µL的0.5%苯乙烯-丙烯腈共聚物（25%丙烯腈）溶液获得的色谱图，采用的梯度为在20 min内从100%乙腈变为100% THF，并使用示差折光检测器(RI)、光电二极管阵列检测器(PDA)和蒸发光散射检测器(ELSD)。

一旦梯度条件下的流动相变化到达RI检测器（约2.5 min），RI信号将超出量程，使检测器完全过载。PDA检测器（或任何UV检测器）在260 nm下获得的色谱图证明，UV检测比RI检测更适用于梯度分析。色谱图显示出随流动相变化的基线漂移，但是对聚合物样品仍然具有良好的灵敏度，并可通过基线扣除空白梯度运行轻松消除漂移。图3中的第三幅色谱图使用ELSD获得，展示了ELSD在梯度应用中的优异性能。该检测器对流动相组成变化基本不敏感，因为在检测之前溶剂已经蒸发。ELSD的这一特性，结合对聚合物样品的出色的灵敏度，使其成为聚合物梯度分析的首选检测器。通过将PDA与ELSD相结合，分析人员可使用ELSD检测和定量未知物，使用PDA确定峰纯度，通过谱库匹配鉴定未知物并实现共聚物的组分分析。

用户可以使用该系统分析多种不同类型的聚合物、聚合物共混物和共聚物。图4显示了在Nova-Pak C₁₈色谱柱上运行多种类型的聚合物所获得的叠加色谱图，采用的梯度为在30 min内从100%乙腈变为100% THF，分析的聚合物包括聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物和丁基橡胶。

当使用该技术分析聚合物共混物或共聚物时，分离必须与分子量无关，这样聚合物才能够仅根据组分进行分离。遗憾的是，由于该技术主要采用的是沉淀/再溶解机制，因此一定程度的分子量依赖性是不可避免的，但可以通过选择合适的色谱柱、流动相和梯度条件将其影响降至最低。

图5显示了在SymmetryShield C₈色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上运行一系列窄分布聚苯乙烯标准样获得的叠加色谱图，采用的梯度为在10 min内从100%乙腈变为100% THF。

分子量为43,900~2,890,000的标准样在约9~9.5 min的谱带中洗脱。分子量较低的标准样较早洗脱，许多低聚物实现了良好的分离。这些分子量较低的标准样在梯度起始条件（100%乙腈）中可溶或几乎可溶(9100 MW)，因此可以通过传统的反相机制进行分离。图6显示了在相同条件下，在原型DVB/乙烯吡咯烷酮色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上运行相同的标准样获得的叠加色谱图。

我们可以观察到类似的模式，其中分子量为43,900~2,890,000标准样在稍窄的谱带中洗脱。分子量较低标准样的分离略有不同；但是，这一结果不足为奇，因为两根色谱柱的反相特性不同。

将色谱柱更换为Nova-Pak C18色谱柱(3.9 mm × 30 cm)，并使用30 min的梯度后，获得了图7所示的色谱图。使用这些条件，几乎消除了对分子量为43,900及更高的聚苯乙烯标准样的分子量依赖性。正如预期的那样，可溶于乙腈的分子量较低的标准样在色谱图中较早洗脱，但是，分子量较低的低聚物分成三个峰，表明低聚物通过不同的末端基团分离。

选择用作非溶剂的流动相对聚合物梯度分析获得的分离结果有显著影响。

图8显示了在Nova-Pak C18色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上运行相同标准样所获得的叠加色谱图，采用的梯度为在30 min内从100%甲醇(MeOH)变为100% THF的线性梯度。这些结果表明，从色谱图中较早获得良好分离的低聚物，到分子量为8百万的标准样，均对分子量具有明显的依赖性。这对于共聚物或聚合物共混物的分析而言会造成不良影响，因为这样将难以确定保留时间的差异是由组分差异造成，还是由分子量差异造成。

在分析宽分子量聚合物样品时，也可以观察到这种非溶剂效应。

图9显示了在Nova-Pak C18色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上运行NBS706宽分布聚苯乙烯标准样获得的色谱图，两次进样均采用30 min梯度，首先使用乙腈作为非溶剂，然后使用甲醇作为非溶剂，并以THF作为溶剂。当使用乙腈作为非溶剂时，获得了更理想的尖峰，而当使用甲醇作为非溶剂时，获得了很宽的峰。我们的研究表明，对于可溶于THF的聚合物，使用从100% 乙腈变为100% THF的梯度时可获得最佳分离。这些条件提供了一种可用于分析各种聚合物共混物和共聚物的稳定方法。

梯度分析是一种用于评估共聚物材料的强大工具。在原型DVB/乙烯吡咯烷酮色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上，使用在20 min内从100%乙腈变为100% THF的梯度运行一系列无规丁苯橡胶(SBR)。将包含50%苯乙烯至5.2%苯乙烯范围内的五种不同的SBR与窄分布聚苯乙烯标准样(355K MW)和窄分布聚丁二烯标准样(330K MW)一起进样。所得色谱图的叠加图如图10所示。

不同的SBR可根据其苯乙烯和丁二烯的相对含量轻松得到分离。这些SBR之前通过传统GPC分析，以确保分子量足够高，分子量依赖性不显著，通过聚苯乙烯的相对校正发现分子量均为约200,000至300,000。

使用梯度结果绘制校正曲线，确定%苯乙烯与保留时间的关系，如图11所示。

图中显示，%苯乙烯与保留时间之间具有良好的相关性，因此该方法可用于确定未知SBR的大致组成。由PDA得到的UV数据也可以用于交叉检查由ELSD得到的结果。

图12显示了以类似的方式获得的一系列嵌段苯乙烯-丁二烯共聚物色谱图，其分离结果与无规SBR相似。

数据绘制于图13中，图中显示的校正曲线与获得的无规SBR校正曲线相似。使用该梯度方法可轻松分离结构仅略有不同的物质。

图14显示了在Nova-Pak C18色谱柱(3.9 mm × 15 cm)上单独进样聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸环己酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚甲基丙烯酸正己酯和聚甲基丙烯酸月桂酯所得到的叠加图，采用的梯度为在30 min内从100%乙腈变为100% THF。色谱图显示，甲基丙烯酸酯同系物中各组分之间实现了出色的分离，并且可以通过更快的梯度轻松分离。

图15中的色谱图显示了在相同条件下进样相同甲基丙烯酸酯混合物的分离结果，证明了当组分在混合物中运行时，分离结果相同。

在相同条件下，也可以使用相同方法分析分子量较低的化合物。图16显示了两种低分子量蜡的叠加色谱图。这两种蜡获得了良好的分离，可以观察到低聚物比率之间的细微差别。

这种方法可用于通过传统的反相机制分析低分子量聚合物添加剂。接下来将展示多种类型的聚合物添加剂的分析结果，选择的条件与质谱仪兼容，如下：

图17显示了聚烯烃树脂中常用的UV稳定剂Tinuvin 440、Tinuvin 900和Tinuvin 328的分离结果。尽管这些化合物难以从聚烯烃树脂中以良好的回收率提取出来，但一旦提取出来，即可使用该方法以良好的灵敏度轻松进行分析。

图18显示了几种不同类型的邻苯二甲酸酯类增塑剂的分离结果。邻苯二甲酸酯是PVC树脂中常用的增塑剂，最近作为可能的致癌物受到密切注意。邻苯二甲酸酯，特别是邻苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)，经常用于医疗器械（例如导管和静脉输液袋）以及儿童玩具，可能使患者和儿童暴露于高浓度的这种可疑致癌物中。该方法是分析这些邻苯二甲酸酯化合物的便捷方法。

图19显示了爽滑剂油酸酰胺、芥酸酰胺和抗静电剂硬脂酸的色谱图。这些化合物的紫外吸光度非常低，对UV检测的灵敏度较差，但可以使用蒸发光散射检测器轻松检测。

图20显示了常用于聚烯烃和其他聚合物的两种抗氧化剂Irganox 1076和Irgafos 168的分离结果。Irganox 1076是一种受阻胺，Irgafos 168是一种易降解的亚磷酸酯。色谱图中显示了Irgafos 168的两个峰。第二个峰是Irgafos 168的主峰，而第一个峰实际上是样品中存在的Irgafos 168氧化杂质。此方法并非最佳方法，而是一种适用于多种添加剂的通用方法。

图21显示了10种常用抗氧化剂运行12次得到的分离结果叠加图，其中使用了已批准的ASTM方法的改进版本分析聚烯烃中的添加剂。色谱柱、流动相、流速和梯度条件均进行了优化，以获得最短的分析时间和最高的灵敏度，从而可以在10 min内完成这10种抗氧化剂的分析。

该方法同时利用流动相梯度和流速梯度，是一种重现性和灵敏度极高的方法。使用PDA在230 nm下检测分析物，除提供出色的灵敏度，还可以使用光电二极管阵列检测器的谱库匹配功能进行峰鉴定。执行该分离的仪器和条件请参见图22。

总结

使用梯度方法分析聚合物，可实现基本与分子量无关的分离。在具有相同分子量分布的共混物中，可轻松分离单个聚合物，而共聚物可以按其单体比率进行分离。使用相同的仪器也可以分析大多数常用的聚合物添加剂。蒸发光散射检测器是一种通用检测器，不受流动相梯度组成变化的影响；光电二极管阵列检测器可以对多种化合物进行阳性识别并对共聚物进行组分分析。这些梯度方法是具有高度重现性的技术，非常适用于解析型应用。

利用色谱技术进行聚合物表征的人员并非专门使用GPC来分析样品。很多时候我们需要使用液相色谱技术，通过吸附或分配色谱获得所需的信息。

例如，常规的反相分离以及（有时）正相分离技术可用于定量分析聚合物添加剂。获得聚合物样品的分子量分布可能只是表征过程的一部分。配制到聚合物中用于增强稳定性或加工性能的添加剂又该如何分析？它们甚至比聚合物本身更重要。我们需要考虑使用正确的UV稳定剂和抗氧化剂来防止降解，使用增塑剂以提高柔韧性，使用聚烯烃作为抗静电剂，使用阻燃剂，使用加速剂以增强交联（或固化）过程，等等。

我们在聚合物添加剂方面开展了大量研究，其中已发表的一些研究详情，请参阅Journal of Liquid Chromatography, volume 14 #3, (1991)和volume 16, #7, (1993)。

如何分析聚合物添加剂？首先，我们需要考虑要实现的目标。我们是否需要知道制剂中各种添加剂的用量是否正确？我们是否试图“解析”竞争材料？我们是否需要从聚合物基质中提取复合添加剂？有可能这些问题的回答都是“是”。GPC分析并非分离、鉴定和定量添加剂的最佳方法。大多数添加剂的大小和分子量相当接近，因此需要使用HPLC将其分离。有一种采用可选流速设置的简单梯度技术，在短时间内分离多种不同类型添加剂的方面表现得非常出色。梯度分析包括改变洗脱液或流动相组成，通常在一段时间内从“弱”溶剂变为“强”溶剂。对于添加剂分析，这种组成变化通常以线性方式完成。由于在整个色谱运行过程中改变了洗脱液的组成，因此不能使用示差折光检测器。

我们处理的大多数聚合物添加剂都含有一些可吸收紫外光的发色团，因此我们主要使用UV检测器。如果不存在发色团，则可以使用蒸发光散射检测器。也可以在整个运行过程中改变流速，通常增加流速可使较晚洗脱的物质更快洗脱出来。通常为添加剂分析选择的色谱柱是十八烷基硅烷(C18)或辛基硅烷(C8)色谱柱，柱长约15 cm。此处显示的是一系列常见抗氧化剂和UV稳定剂的反相梯度（使用流速设定）分离示例，为12次进样的9个叠加图。

梯度条件非常简单：初始采用70%乙腈/30%水，然后以线性方式在仅5 min后变为100%乙腈，还设定了流速：在初始6 min内流速为2.0 mL/min，然后在12 s内增加至3.0 mL/min。数据表显示各添加剂的结果重现性很高（保留时间和峰面积RSD）。由此进一步证明了Alliance系统具有出众的流速和样品输送重现性。

在230 nm下进行UV检测。PDA检测器可同时查看（您选择的）所有波长，使您可以获得各添加剂的UV谱图。然后您可以将谱图存储在谱库中，并与存储的已知添加剂标准品谱库进行比对。谱库搜索的唯一缺点是大部分抗氧化剂是受阻酚，其谱图都非常相似。在这种情况下，您只能依赖保留时间进行鉴定。另一种选择是在系统中添加质谱检测器。这样您就可以在谱库中搜索电子撞击谱图。