Aplicaciones para GPC a temperatura ambiente

• Introducción
• Experimental
• Resultados y análisis
• Resumen

Resumen

En los últimos años ha aumentado el interés en el uso de técnicas de HPLC en gradiente, como la cromatografía de elución de polímeros en gradiente (GPEC), con polímeros para determinar la deriva composicional de los copolímeros, la composición de mezclas de polímeros o para el análisis de aditivos para polímeros. Dependiendo de las condiciones del gradiente y de las columnas seleccionadas para el análisis, se pueden obtener separaciones en función del peso molecular o en función de la precipitación o de los mecanismos de adsorción. El uso de un detector de dispersión de la luz por evaporación (ELSD) permite realizar gradientes de eluyente con un detector de masas universal y observar tanto las muestras de polímero que absorben como las que no absorben UV sin perturbaciones en la línea base del gradiente de eluyente. El hecho de agregar un detector de matriz de fotodiodos (PDA) permite analizar la composición a través de la distribución de los pesos moleculares de muchos copolímeros, puede ser útil para la identificación de componentes en una mezcla de polímeros y también es inestimable para la cuantificación de los aditivos de polímeros y otras moléculas pequeñas en separaciones de fase reversa tradicionales.

En esta sección se muestran las ventajas del análisis en gradiente de polímeros en comparación con los resultados obtenidos con la cromatografía de permeación en gel. Se describen los instrumentos utilizados para realizar este trabajo y se muestran ejemplos de esta técnica para el análisis de mezclas de polímeros. Se describen los efectos de la funcionalidad de la columna y la composición del eluyente en la separación de patrones y muestras de poliestireno, y se utilizan las mejores condiciones observadas para analizar varios copolímeros con el objetivo de determinar la composición de los monómeros. Por último, también se muestra el uso tradicional de separaciones en gradiente con los mismos instrumentos para el análisis de varios tipos de aditivos poliméricos.

Introducción

El método cromatográfico más común para el análisis de polímeros es la cromatografía de permeación en gel (GPC), en la que la separación se basa en el tamaño de la muestra de polímero en solución o en el volumen hidrodinámico de la solución de polímero. una muestra de poliestireno, copolímero de poliestireno-acrilonitrilo (25% de acrilonitrilo) y una goma de poliestireno-butadieno (50% de estireno) analizadas por separado. Los cromatogramas obtenidos para el análisis por GPC de una mezcla de aproximadamente la misma concentración de cada una de las muestras de poliestireno, poliestireno-acrilonitrilo y poliestireno-butadieno también se muestran en la figura 1. Este cromatograma no muestra separación de los tres polímeros diferentes y demuestra la impracticabilidad de la GPC para el análisis de la mayoría de las mezclas de polímeros. 

Sin embargo, cuando esta misma mezcla de polímeros se analiza en un modo de gradiente, los tres componentes se pueden resolver fácilmente en la línea de base. La Figura 2 muestra la superposición de dos réplicas de inyección de la mezcla de polímeros analizadas en una columna prototipo de divinilbenceno-vinilpirrolidona con un gradiente que va del 100 % de acetonitrilo (ACN) al 100 % de tetrahidrofurano (THF) en 20 minutos.

Con esta técnica, las muestras se disuelven en THF y después se inyectan en el sistema cromatográfico con ACN al 100%. Los polímeros de la mezcla son insolubles en acetonitrilo y precipitan en la columna. A medida que avanza el gradiente, los polímeros de la mezcla se redisuelven según sus solubilidades y eluyen desde la columna como picos bien resueltos. Este mecanismo es similar a la cromatografía de elución de polímeros en gradiente (GPEC). En la bibliografía se han descrito otros métodos de gradiente para el análisis de polímeros que se llevan a cabo en condiciones en las que los polímeros permanecen en solución y están separados por un mecanismo de adsorción, pero dichos métodos, los cuales no se tratan aquí, son generalmente para polímeros polares solubles en alcoholes o cetonas, y que se analizan en columnas de sílice desnuda.

Experimental

Todo el trabajo en gradiente se llevó a cabo utilizando la siguiente configuración del sistema, a menos que se indicara lo contrario.

El detector que se utiliza más frecuentemente para GPC es el detector de índice de refracción (RI); sin embargo, la sensibilidad del RI a los cambios en la composición de la fase móvil lo hace inaceptable como detector para el análisis de polímeros en gradiente. La Figura 3 muestra los cromatogramas obtenidos para la inyección de 25 µl de una solución de un copolímero de estireno-acrilonitrilo al 0,5 % (acrilonitrilo al 25 %) analizada en una columna prototipo de DVB/vinilpirrolidona con un gradiente que va del 100 % de ACN al 100 % de THF en 20 minutos utilizando un detector de índice de refracción (RI), un detector de matriz de fotodiodos (PDA) y un detector de dispersión de la luz por evaporación (ELSD).

Tan pronto como el cambio de fase móvil desde el gradiente llega al detector RI (~2.5 minutos), la señal del RI se sale de la escala, lo que sobrecarga por completo el detector. El cromatograma obtenido del detector de PDA a 260 nm (o cualquier detector UV) demuestra que la detección UV es mucho más adecuada para el análisis en gradiente que la detección RI. El cromatograma muestra la deriva de la línea de base con el cambio en la fase móvil, pero aún existe una buena sensibilidad para la muestra de polímero y la deriva se puede eliminar fácilmente restando la línea de base de un análisis de gradiente de un blanco. El tercer cromatograma de la Figura 3, obtenido utilizando un ELSD, demuestra el rendimiento superior del ELSD para las aplicaciones en gradiente. El detector es esencialmente insensible a los cambios en la composición de la fase móvil, ya que los eluyentes se evaporan antes de la detección. Esto, combinado con la excelente sensibilidad para las muestras de polímeros, convierte al ELSD en el detector de preferencia para el análisis en gradiente de polímeros. Combinando un PDA con el ELSD, se pueden detectar y cuantificar las muestras desconocidas con el ELSD y utilizar el PDA para determinar la pureza de los picos, identificar las muestras desconocidas mediante la correspondencia entre bibliotecas y analizar la composición de los copolímeros.

Con este sistema, se puede analizar una amplia variedad de tipos diferentes de polímeros, mezclas de polímeros y copolímeros. La Figura 4 muestra una superposición de cromatogramas obtenidos para muchos tipos de polímeros analizados en una columna Nova-Pak C₁₈ con un gradiente de 30 minutos que va de un 100 % de ACN hasta un 100% de THF, incluidos cloruro de polivinilo, polimetilmetacrilato, poliestireno, copolímero en bloque de poliestireno-butadieno, polidimetilsiloxano y copolímero en bloque de poliestireno-isopreno y caucho de butilo.

Cuando se utiliza esta técnica para el análisis de las mezclas de polímeros o copolímeros, es necesario que la separación sea independiente del peso molecular para que los polímeros se separen solo por su composición. Desafortunadamente, dado que se trata principalmente de un mecanismo de precipitación/redisolución, es inevitable cierta dependencia del peso molecular, pero se puede minimizar mediante la selección juiciosa de las columnas, fases móviles y condiciones de gradiente.

La Figura 5 muestra una superposición de cromatogramas obtenidos a partir de una serie de patrones estrechos de poliestireno realizados en una columna SymmetryShield C₈ (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente que va del 100 % de ACN al 100 % de THF en 10 min.

Los patrones con un peso molecular de 43 900 a 2 890 000 eluyen en una banda de aproximadamente 9-9,5 minutos. Los patrones de peso molecular más bajo eluyen antes junto con muchos de los oligómeros bien resueltos. Estos patrones de peso molecular más bajo son solubles o casi solubles (peso molecular de 9100) en las condiciones iniciales del gradiente (ACN al 100 %) y, por lo tanto, se separan mediante el mecanismo de fase reversa tradicional. La Figura 6 muestra una superposición de los cromatogramas obtenidos para los mismos patrones analizados en condiciones idénticas en una columna prototipo de DVB/vinilpirrolidona (3.9 mm x 15 cm).

Se observa un patrón similar con los patrones de 43,900 a 2,890,000 eluyendo en una banda ligeramente más estrecha. La separación de los patrones de peso molecular más bajo es algo diferente; sin embargo, esto no es sorprendente debido a las diferentes características de fase reversa de las dos columnas.

Al cambiar a una columna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 30 cm) y utilizando un gradiente de 30 min, se obtuvieron los cromatogramas que se muestran en la Figura 7. Mediante estas condiciones, prácticamente se elimina la dependencia del peso molecular para los patrones de poliestireno de peso molecular de 43,900 y superiores. Como se esperaba, los patrones de peso molecular más bajo que son solubles en ACN eluyen antes en el cromatograma; sin embargo, los oligómeros de bajo peso molecular se dividen en tres picos, lo que indica que están separados por sus diferentes grupos terminales.

La elección de la fase móvil que se utilizó como no disolvente puede tener efectos significativos en las separaciones obtenidas del análisis en gradiente de polímeros.

La Figura 8 muestra una superposición de cromatogramas obtenidos para los mismos patrones analizados en una columna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente lineal que va del 100 % de metanol (MeOH) al 100 % de THF en 30 minutos. Estos resultados muestran una clara dependencia del peso molecular desde los oligómeros bien resueltos al principio de los cromatogramas hasta el patrón de un peso molecular de 8 millones. Esto no es deseable para los fines del análisis de copolímeros o mezclas de polímeros, ya que sería difícil determinar si las diferencias en el tiempo de retención se deben a diferencias en la composición o diferencias en el peso molecular.

Este efecto no-eluyente también se puede ver al analizar muestras de polímeros de amplio peso molecular.

La Figura 9 muestra los cromatogramas obtenidos para el patrón de poliestireno amplio NBS706 analizado en una columna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente de 30 minutos utilizando primero ACN y después MeOH como no disolvente con THF como disolvente para ambas inyecciones. Cuando se utiliza ACN como no disolvente, se obtiene un pico estrecho más deseable, mientras que cuando se utiliza MeOH como no disolvente, se obtiene un pico muy ancho. Nuestro trabajo ha demostrado que para los polímeros solubles en THF, las mejores separaciones se observaron con el gradiente que va del 100 % ACN al 100 %. Estas condiciones dan lugar a un método robusto que se puede utilizar para una amplia variedad de mezclas de polímeros y copolímeros.

El análisis en gradiente es una herramienta poderosa para evaluar materiales copolímeros. Se analizó una serie de cauchos de estireno-butadieno (SBR) aleatorios usando este gradiente del 100 % de ACN al 100 % de THF en una columna prototipo de DVB/vinilpirrolidona (3,9 mm x 15 cm) en 20 minutos. Se inyectaron cinco SBR diferentes con una composición que oscilaba entre estireno al 50% y estireno al 5.2%, junto con un patrón estrecho de poliestireno (peso molecular 355 K) y un patrón estrecho de polibutadieno (peso molecular 330 K). En la Figura 10, se muestra una superposición de los cromatogramas resultantes.

Los diferentes SBR se separan fácilmente por sus cantidades relativas de estireno y butadieno. Estos SBR se analizaron previamente mediante GPC tradicional para garantizar que los pesos moleculares eran lo suficientemente altos como para que la dependencia del peso molecular fuera insignificante, y se encontró que los pesos moleculares eran aproximadamente de 200,000 a 300,000 mediante calibración relativa con poliestireno.

Utilizando los resultados del gradiente, se elaboró una curva de calibración para determinar el % de estireno frente al tiempo de retención, como se muestra en la Figura 11.

El gráfico muestra una buena correlación entre el porcentaje de estireno y el tiempo de retención, por lo que este método podría utilizarse para determinar la composición aproximada de un SBR desconocido. Los datos de UV del PDA también se podrían utilizar para verificar los resultados del ELSD.

De manera similar, la Figura 12 muestra los cromatogramas obtenidos para una serie de copolímeros en bloque de estireno-butadieno con una separación similar a la de los SBR aleatorios.

Los datos se representan en la Figura 13, que muestra una curva de calibración similar a aquella obtenida para los SBR aleatorios. Con este método en gradiente, las especies con solo ligeras diferencias en la estructura se pueden separar fácilmente.

La Figura 14 muestra una superposición de inyecciones individuales de polimetilmetacrilato, polimetilmetacrilato, poli-n-butilmetacrilato, poli-n-hexilmetacrilato y poli-laurilmetacrilato analizadas en una columna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente que va del 100 % de ACN al 100% de THF en 30 minutos. Los cromatogramas muestran una separación excelente entre cada componente de la serie homóloga de metacrilatos y se podrían resolver fácilmente con un gradiente más rápido.

El cromatograma de la Figura 15 muestra la separación de los mismos metacrilatos inyectados como mezcla y analizados en condiciones idénticas, lo que demuestra una separación idéntica cuando los componentes se analizan en una mezcla.

Este mismo método que utiliza condiciones idénticas también es útil para analizar compuestos de peso molecular más bajo. La Figura 16 muestra una superposición de cromatogramas para dos ceras de bajo peso molecular. Las dos ceras están bien separadas y se pueden observar ligeras diferencias entre las relaciones de oligómeros.

Los aditivos poliméricos de bajo peso molecular se pueden analizar con este método mediante el mecanismo tradicional de fase inversa. A continuación, se muestran muchos tipos de aditivos poliméricos con las condiciones que se eligieron para que sean compatibles con un espectrómetro de masas:

La Figura 17 muestra la separación de Tinuvin 440, Tinuvin 900 y Tinuvin 328, que son estabilizadores de UV comúnmente utilizados en las resinas de poliolefina. Aunque estos compuestos son difíciles de extraer de las resinas de poliolefina con buena recuperación, una vez extraídos se pueden analizar fácilmente con buena sensibilidad utilizando este método.

En la Figura 18, se separan varios tipos diferentes de plastificantes de ftalatos. Los ftalatos, que se utilizan comúnmente como plastificantes en la resina de PVC, han sido objeto de escrutinio recientemente como posibles carcinógenos. Los ftalatos, en particular el dietilhexilftalato (DEHP), se utilizan de manera sistemática en dispositivos médicos como catéteres y bolsas intravenosas, y en juguetes para niños, lo que puede exponer a los pacientes y a los niños a niveles elevados de este presunto carcinógeno. Este método es un medio sencillo para analizar estos compuestos de ftalato.

La Figura 19 muestra los cromatogramas para los agentes de deslizamiento oleamida y erucamida, y el ácido esteárico antiestático. Estos compuestos, los cuales tienen muy poca absorbancia de UV, muestran poca sensibilidad con la detección de UV, pero se pueden detectar fácilmente con el detector de dispersión de la luz por evaporación.

La Figura 20, muestra la separación de Irganox 1076 e Irgafos 168, que son dos antioxidantes que se utilizan habitualmente en las poliolefinas y otros polímeros. Irganox 1076 es una amina impedida estéricamente e Irgafos 168 es un éster de fosfito que se degrada fácilmente. El cromatograma muestra dos picos para Irgafos 168. El segundo pico es el pico principal de Irgafos 168, mientras que el primer pico es en realidad la impureza oxidada de Irgafos 168 que estaba presente en la muestra. Este método no pretende ser un método optimizado, sino solo un método general para su uso con una amplia variedad de aditivos.

La Figura 21 muestra 12 superposiciones de una separación de 10 antioxidantes analizados frecuentemente utilizando una versión modificada del método ASTM aprobado para el análisis de aditivos en poliolefinas. Las condiciones de la columna, las fases móviles, el flujo y el gradiente se optimizaron para obtener un tiempo de análisis más corto y la máxima sensibilidad, lo que permite analizar estos 10 antioxidantes en menos de 10 minutos.

El método utiliza tanto un gradiente de fase móvil como un gradiente de flujo, lo que da como resultado un método extremadamente reproducible y sensible. Los analitos se detectaron con un PDA a 230 nm que, además de proporcionar una sensibilidad excelente, también permite la identificación de picos utilizando las capacidades de comparación de las bibliotecas del detector de matriz de fotodiodos. El instrumento y las condiciones utilizadas para llevar a cabo esta separación se muestran en la Figura 22.

Resumen

El uso de métodos de gradiente para el análisis de polímeros permite realizar separaciones esencialmente independientes del peso molecular. Los polímeros individuales en mezclas con la misma distribución de peso molecular se pueden separar fácilmente y los copolímeros se pueden separar por sus ratios de monómeros. Utilizando el mismo instrumento, también se pueden analizar la mayoría de los aditivos poliméricos comunes. El detector de dispersión de la luz por evaporación es un detector universal que no se ve afectado por los cambios en la composición del gradiente de la fase móvil, y el detector de matriz de fotodiodos permite la identificación positiva de muchos compuestos y el análisis de la composición de los copolímeros. Estos métodos en gradiente son técnicas altamente reproducibles y son muy adecuados para aplicaciones de determinación de formulaciones.

Las personas involucradas en la caracterización de polímeros mediante técnicas cromatográficas no utilizan exclusivamente la GPC para analizar sus muestras. Muchas veces es necesario utilizar técnicas de cromatografía líquida por adsorción o cromatografía de partición para obtener la información necesaria.

Por ejemplo, se utilizan técnicas convencionales de separación de fase reversa y, a veces, de fase normal para cuantificar los aditivos para polímeros. Obtener la distribución del peso molecular de la muestra de polímeros puede ser solo una parte del proceso de caracterización. ¿Qué pasa con los aditivos que se formulan con el polímero para ofrecer estabilización o mejorar del procesamiento? Pueden ser incluso más importantes que el propio polímero. Hay que pensar en utilizar los estabilizadores UV y los antioxidantes correctos para la protección frente a la degradación, plastificantes para mejorar la flexibilidad, antiestáticos para poliolefinas, pirorretardantes, aceleradores para mejorar el proceso de reticulación (o curado), etc.

Waters ha realizado una gran cantidad de trabajos con aditivos para polímeros, y algunos están publicados en el Journal of Liquid Chromatography, volumen 14 nº 3, (1991) y volumen 16, nº 7, (1993).

¿Cómo analizar los aditivos para polímeros? Primero, es necesario pensar en lo que se quiere lograr. ¿En necesario saber si las cantidades correctas de cada aditivo están presentes en la formulación? ¿Es un intento de averiguar la formulación de un material de la competencia? ¿Es necesario extraer el paquete de aditivos de la matriz del polímero? Lo más probable es que las respuestas a estas preguntas sean "Sí". El análisis por GPC no es la mejor manera de separar, identificar y cuantificar los niveles de aditivos presentes. La mayoría de los aditivos son bastante parecidos entre sí en tamaño y peso molecular, por lo que es necesario utilizar la HPLC para separarlos. Una técnica en gradiente simple, con programación de flujo opcional, funciona muy bien para separar muchos tipos diferentes de aditivos en un tiempo de análisis corto. Un análisis en gradiente consiste en variar el eluyente o la composición de la fase móvil, normalmente de un eluyente "débil" a un eluyente "fuerte" durante un período de tiempo. Esta variación de la composición se suele realizar de manera lineal para el análisis del aditivo. Debido a que la composición del eluyente se modifica a lo largo del análisis cromatográfico, no se puede utilizar el detector de índice de refracción.

La mayoría de los aditivos para polímeros con los que trabajamos tienen algún cromóforo que absorbe la luz ultravioleta, por lo que se utiliza principalmente un detector UV. Si no hay cromóforos presentes, se puede utilizar un detector de dispersión de la luz por evaporación. También se puede cambiar el flujo a lo largo del análisis, normalmente aumentando el flujo para que los eluyentes posteriores salgan más rápidamente. La columna normalmente elegida para el análisis de aditivos es una columna de octadecilsilano (C18) u octilsilano (C8), de ~15 cm de longitud. Aquí se muestra un ejemplo de una separación en gradiente de fase reversa (con programa de flujo) de una serie de antioxidantes y estabilizadores UV comunes con superposición de 12 inyecciones.

Las condiciones del gradiente son bastante simples: acetonitrilo al 70%/agua al 30% al inicio, luego pasar a acetonitrilo al 100% de manera lineal después de solo 5 minutos. También hay un programa de flujo, de 2.0 mL/min al inicio durante 6 minutos, que luego aumenta a 3.0 mL/min en solo 12 segundos. La tabla de datos muestra los notables resultados de reproducibilidad (tiempo de retención y RSD del área) para cada aditivo. Este es un testimonio más de la increíble reproducibilidad del flujo y el suministro de muestras del sistema Alliance.

La detección UV se llevó a cabo a 230 nm. El detector PDA observa todas las longitudes de onda (que se hayan elegido ver) simultáneamente, lo que permite obtener los espectros UV de cada aditivo. Este espectro se puede almacenar después en una biblioteca y comparar con una biblioteca almacenada de patrones de aditivos conocidos. El único inconveniente de la búsqueda en la biblioteca es que la gran mayoría de los antioxidantes son fenoles impedidos estéricamente con espectros muy similares. En este caso, solo hay que confiar en el tiempo de retención para fines de identificación. Otra alternativa es agregar al sistema un detector de espectrómetro de masas. Esto proporcionará un espectro de impacto de electrones en el que se pueden realizar búsquedas en la biblioteca.