Applicazioni per GPC a Temperatura Ambiente

• Introduzione
• Esperimento
• Risultati e Discussione
• Riepilogo

Abstract

Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse nell'utilizzo di tecniche HPLC a gradiente, come la cromatografia con eluizione a gradiente di polimeri (GPEC), con polimeri per la determinazione della deriva composizionale dei copolimeri, la composizione di miscele di polimeri o per l'analisi di additivi polimerici. A seconda delle condizioni del gradiente e delle colonne selezionate per l'analisi, è possibile ottenere separazioni in base al peso molecolare o in base ai meccanismi di precipitazione o adsorbimento. L'utilizzo di un rivelatore evaporative light scattering (ELSD) consente di effettuare gradienti di solvente con un rivelatore di massa universale e di osservare campioni polimerici assorbenti UV e non assorbenti UV senza che il gradiente di solvente disturbi la linea di base. L'aggiunta di un rivelatore a serie di fotodiodi (PDA) consente l'analisi della composizione attraverso la distribuzione del peso molecolare di molti copolimeri, può essere utile per l'identificazione dei componenti in una miscela di polimeri ed è inoltre preziosa per la quantificazione di additivi polimerici e altre molecole piccole nelle separazioni in fase inversa tradizionali.

In questa sezione sono illustrati i vantaggi dell'analisi a gradiente dei polimeri rispetto ai risultati ottenibili con la cromatografia a permeazione di gel. Viene descritta nel seguito la strumentazione utilizzata per eseguire questa operazione e vengono mostrati esempi di questa tecnica per l'analisi di miscele di polimeri. Vengono descritti gli effetti della funzionalità della colonna e della composizione dei solventi sulla separazione di standard di polistirene e campioni e, per analizzare la composizione dei monomeri di vari copolimeri, vengono utilizzate le migliori condizioni osservate. Viene infine illustrato l'uso tradizionale di separazioni in gradiente con la stessa strumentazione per l'analisi di vari tipi di additivi polimerici.

Introduzione

Il metodo cromatografico più comune per l'analisi dei polimeri è la cromatografia a permeazione di gel (GPC), in cui la separazione si basa sulle dimensioni del campione di polimero in soluzione o sul volume idrodinamico della soluzione polimerica. Nella Figura 1 sono mostrati i cromatogrammi ottenuti utilizzando la GPC per un campione di polistirene, un copolimero di polistirene-acrilonitrile (25% acrilonitrile) e una gomma polistirene-butadiene (50% di stirene) analizzati separatamente. Anche se i campioni hanno un diverso peso molecolare, i volumi idrodinamici sono sufficientemente simili che i picchi dei polimeri vengono osservati quasi allo stesso tempo di ritenzione. Anche i cromatogrammi ottenuti per l'analisi GPC di una miscela di circa la stessa concentrazione di ciascuno dei campioni polistirene, polistirene-acrilonitrile e polistirene-butadiene sono mostrati nella Figura 1. Questo cromatogramma non mostra separazione dei tre diversi polimeri e dimostra l'impraticabilità della GPC per l'analisi della maggior parte delle miscele di polimeri. 

Tuttavia, quando questa stessa miscela di polimeri viene analizzata in modalità a gradiente, i tre componenti possono essere facilmente risolti alla linea di base come indicato nella Figura 2, che mostra la sovrapposizione di due iniezioni ripetute della miscela polimerica eseguite su un prototipo di colonna di divinilbenzene-vinilpirrolidone con un gradiente da 100% acetonitrile (ACN) a 100% tetraidrofurano (THF) nel corso di 20 minuti.

Utilizzando questa tecnica, i campioni vengono disciolti in THF e quindi iniettati nel sistema cromatografico con 100% ACN. I polimeri nella miscela sono insolubili in acetonitrile e precipitano sulla colonna. Man mano che il gradiente procede, i polimeri nella miscela vengono ridisciolti in base alla loro solubilità e vengono eluiti dalla colonna come picchi ben risolti. Questo meccanismo è simile a quello della cromatografia con eluizione a gradiente di polimeri (GPEC). In letteratura sono stati descritti altri metodi a gradiente per l'analisi dei polimeri, eseguiti in condizioni tali per cui i polimeri rimangono in soluzione e vengono separati da un meccanismo di adsorbimento, ma in genere si tratta di polimeri polari solubili in alcoli o chetoni su colonne di silice non rivestite, che non vengono trattati in questa sede.

Esperimento

Salvo diversa indicazione, tutto il lavoro sui gradienti è stato eseguito utilizzando la seguente configurazione di sistema.

Il rivelatore più comunemente utilizzato per la GPC è il rivelatore a indice di rifrazione (RI); tuttavia, la sensibilità del rivelatore RI alle variazioni della composizione della fase mobile lo rende inaccettabile come rivelatore per l'analisi a gradiente dei polimeri. In Figura 3 sono mostrati i cromatogrammi ottenuti per l'iniezione di 25 µL di una soluzione allo 0,5% di un copolimero stirene-acrilonitrile (25% acrilonitrile) eseguita su un prototipo di colonna DVB/vinilpirrolidone con un gradiente da 100% ACN a 100% THF in 20 minuti utilizzando un rivelatore a indice di rifrazione (RI), un rivelatore a serie di fotodiodi (PDA) e un rivelatore evaporative light scattering (ELSD).

Non appena la variazione di fase mobile rispetto al gradiente raggiunge il rivelatore RI (~2,5 minuti), il segnale RI va fuori scala, sovraccaricando completamente il rivelatore. Il cromatogramma ottenuto dal rivelatore PDA a 260 nm (o da qualsiasi rivelatore UV) dimostra che la rivelazione UV è molto più adatta per l'analisi a gradiente rispetto alla rivelazione RI. Il cromatogramma mostra una deriva della linea di base con la modifica della fase mobile, ma la sensibilità per il campione di polimero è ancora buona e la deriva può essere facilmente eliminata sottraendo la linea di base di un'analisi a gradiente del bianco. Il terzo cromatogramma della Figura 3, ottenuto utilizzando un rivelatore ELSD, dimostra le prestazioni superiori del rivelatore ELSD per le applicazioni a gradiente. Il rivelatore è essenzialmente insensibile alle variazioni nella composizione della fase mobile poiché i solventi vengono evaporati prima della rivelazione. Questo, combinato con l'eccellente sensibilità per i campioni di polimeri, rende l'ELSD il rivelatore preferito per l'analisi a gradiente di polimeri. Combinando un rivelatore PDA con l'ELSD, è possibile rivelare e quantificare gli incogniti con il rivelatore ELSD e utilizzare il rivelatore PDA per determinare la purezza dei picchi, identificare gli incogniti tramite confronto di librerie e per l'analisi della composizione dei copolimeri.

Utilizzando questo sistema è possibile analizzare una vasta gamma di diversi tipi di polimeri, miscele di polimeri e copolimeri. La Figura 4 mostra una sovrapposizione di cromatogrammi ottenuti per molti tipi di polimeri analizzati su una colonna Nova-Pak C₁₈ con un gradiente di 30 minuti da 100% ACN a 100% THF, inclusi polivinilcloruro, polimetilmetacrilato, polistirene, copolimero a blocchi polistirene-butadiene, polidimetilsilossano, copolimero a blocchi polistirene-isoprene e gomma butilica.

Quando si utilizza questa tecnica per l'analisi di miscele di polimeri o copolimeri, è necessario che la separazione sia indipendente dal peso molecolare in modo che i polimeri siano separati solo in base alla composizione. Sfortunatamente, poiché si tratta principalmente di un meccanismo di precipitazione/ridissoluzione, una certa dipendenza dal peso molecolare è inevitabile, ma può essere ridotta al minimo attraverso una selezione oculata di colonne, fasi mobili e condizioni del gradiente.

La Figura 5 mostra una sovrapposizione di cromatogrammi ottenuti da una serie di standard monodispersi di polistirene analizzati su una colonna SymmetryShield C₈ (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente da 100% ACN a 100% THF in 10 min.

Gli standard da 43 900 a 2 890 000 MW eluiscono in una banda compresa tra 9 e 9,5 minuti circa. Gli standard a MW più basso eluiscono prima e molti degli oligomeri sono ben risolti. Questi standard a peso molecolare più basso sono solubili o quasi (9100 MW) nelle condizioni di partenza del gradiente (100% ACN) e sono quindi separati dal tradizionale meccanismo in fase inversa. La Figura 6 mostra una sovrapposizione dei cromatogrammi ottenuti per gli stessi standard analizzati in condizioni identiche su un prototipo di colonna DVB/vinilpirrolidone (3,9 mm x 15 cm).

Un modello simile si osserva con gli standard da 43 900 a 2 890 000 che eluiscono in una banda leggermente più stretta. La separazione degli standard a peso molecolare più basso è leggermente diversa; tuttavia, ciò non è sorprendente a causa delle diverse caratteristiche di fase inversa delle due colonne.

Passando a una colonna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 30 cm) e utilizzando un gradiente di 30 min, sono stati ottenuti i cromatogrammi mostrati nella Figura 7. Utilizzando queste condizioni, la dipendenza dal peso molecolare per gli standard di polistirene da 43 900 MW e più è quasi eliminata. Come previsto, gli standard con MW più basso solubili in ACN vengono eluiti prima nel cromatogramma, tuttavia gli oligomeri con MW basso vengono suddivisi in tre picchi, a indicare che sono separati dai rispettivi gruppi terminali.

La scelta della fase mobile utilizzata come non solvente può avere effetti significativi sulle separazioni ottenute dall'analisi a gradiente dei polimeri.

La Figura 8 mostra una sovrapposizione di cromatogrammi ottenuti per gli stessi standard analizzati su una colonna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente lineare da 100% metanolo (MeOH) a 100% THF in 30 min. Questi risultati mostrano una chiara dipendenza dal peso molecolare dagli oligomeri ben risolti all'inizio dei cromatogrammi allo standard con MW da 8 milioni. Ciò è indesiderabile ai fini dell'analisi di copolimeri o miscele di polimeri, poiché sarebbe difficile determinare se le differenze nel tempo di ritenzione siano dovute a differenze di composizione o a differenze di MW.

Questo effetto di non solvente può essere osservato anche durante l'analisi di campioni di polimeri con MW polidispersi.

La Figura 9 mostra i cromatogrammi ottenuti per lo standard polidisperso di polistirene NBS706 analizzato su una colonna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente di 30 min utilizzando prima ACN e quindi MeOH come non solvente con THF come solvente per entrambe le iniezioni. Quando si utilizza l'ACN come non solvente si ottiene un picco più netto, mentre quando si utilizza MeOH come non solvente si ottiene un picco molto ampio. Il nostro lavoro ha dimostrato che per i polimeri solubili in THF le separazioni migliori sono state osservate con gradiente da 100% ACN a 100% THF. Queste condizioni forniscono un metodo robusto che può essere utilizzato per un'ampia varietà di miscele di polimeri e copolimeri.

L'analisi a gradiente è un potente strumento per la valutazione dei materiali dei copolimeri. È stata analizzata una serie di gomme stirene-butadiene (SBR) utilizzando questo gradiente da 100% ACN a 100% THF su un prototipo di colonna DVB/vinilpirrolidone (3,9 mm x 15 cm) in 20 min. Sono stati iniettate cinque diverse SBR con composizione compresa tra il 50% di stirene e il 5,2% di stirene, insieme a uno standard monodisperso di polistirene (355K MW) e uno standard monodisperso di polibutadiene (330K MW). Una sovrapposizione dei cromatogrammi risultanti è mostrata in Figura 10.

Le diverse SBR sono facilmente separate dalle rispettive quantità di stirene e butadiene. Queste SBR erano state analizzate in precedenza mediante GPC tradizionale per assicurarsi che i pesi molecolari fossero sufficientemente elevati da rendere irrilevante la dipendenza dal peso molecolare e che i pesi molecolari fossero tutti compresi tra circa 200 000 e 300 000 mediante calibrazione relativa con polistirene.

Utilizzando i risultati del gradiente è stata costruita una curva di calibrazione per determinare la % di stirene in funzione del tempo di ritenzione, illustrata nella Figura 11.

Il grafico mostra una buona correlazione tra % di stirene e tempo di ritenzione, pertanto questo metodo poteva essere utilizzato per determinare la composizione approssimata di una SBR incognita. I dati UV dal rivelatore PDA possono essere utilizzati anche per eseguire un controllo incrociato dei risultati del rivelatore ELSD.

In modo analogo, la Figura 12 mostra i cromatogrammi ottenuti per una serie di copolimeri a blocchi stirene-butadiene con una separazione simile a quella delle SBR casuali.

I dati sono tracciati nella Figura 13 che mostra una curva di calibrazione simile a quella ottenuta per le SBR casuali. Utilizzando questo metodo a gradiente, è possibile separare facilmente le specie che presentano solo lievi differenze nella struttura.

La Figura 14 mostra una sovrapposizione di singole iniezioni di polimetilmetacrilato, polimetilmetacrilato, poli-n-butilmetacrilato, poli-n-esilmetacrilato e poli-laurilmetacrilato eseguite su una colonna Nova-Pak C18 (3,9 mm x 15 cm) con un gradiente da 100% ACN a 100% THF in 30 minuti. I cromatogrammi mostrano un'eccellente separazione tra ciascun componente nella serie omologa di metacrilati e potrebbero essere facilmente risolti con un gradiente più rapido.

Il cromatogramma in Figura 15 mostra la separazione degli stessi metacrilati iniettati come miscela e analizzati in condizioni identiche, dimostrando una separazione identica quando i componenti vengono analizzati in una miscela.

Questo stesso metodo che utilizza condizioni identiche è anche utile per l'analisi di composti a peso molecolare più basso. La Figura 16 mostra una sovrapposizione di cromatogrammi per due cere a basso peso molecolare. Le due cere sono ben separate e si osservano leggere differenze tra i rapporti degli oligomeri.

Questo metodo consente di analizzare gli additivi polimerici a basso peso molecolare tramite il tradizionale meccanismo in fase inversa. Molti tipi di additivi polimerici vengono mostrati utilizzando le seguenti condizioni che sono state scelte in modo da essere compatibili con uno spettrometro di massa:

La Figura 17 mostra la separazione di Tinuvin 440, Tinuvin 900 e Tinuvin 328, che sono stabilizzanti UV comunemente utilizzati nelle resine poliolefiniche. Anche se questi composti sono difficili da estrarre dalle resine poliolefiniche con un buon recupero, una volta estratti possono essere analizzati facilmente con una buona sensibilità utilizzando questo metodo.

Nella Figura 18 vengono separati diversi tipi di plastificanti ftalati. Gli ftalati, che sono comunemente usati come plastificanti nella resina di PVC, sono stati esaminati di recente come possibili agenti cancerogeni. Gli ftalati, in particolare dietilesilftalato (DEHP), sono utilizzati in routine in dispositivi medici come cateteri e sacche endovenose e nei giocattoli per bambini, esponendo forse pazienti e bambini a livelli elevati di questo sospetto agente cancerogeno. Questo metodo è un mezzo semplice per analizzare questi composti ftalati.

La Figura 19 mostra i cromatogrammi per gli agenti di scorrimento oleammide ed erucammide e per l'acido stearico antistatico. Questi composti, che hanno un'assorbanza UV molto ridotta, mostrano una scarsa sensibilità nella rivelazione UV, ma possono essere facilmente rivelati con il rivelatore evaporative light scattering.

La Figura 20 mostra la separazione di Irganox 1076 e Irgafos 168, due antiossidanti comunemente utilizzati nelle poliolefine e in altri polimeri. Irganox 1076 è un'ammina impedita e Irgafos 168 è un estere fosfito che si degrada facilmente. Il cromatogramma mostra due picchi per Irgafos 168. Il secondo picco è il picco di Irgafos 168 principale, mentre il primo picco è in realtà l'impurezza di Irgafos 168 ossidata che era presente nel campione. Questo metodo non è ottimizzato, ma rappresenta solo un metodo generale da utilizzare con un'ampia varietà di additivi.

La Figura 21 mostra 12 sovrapposizioni di una separazione di 10 comuni antiossidanti analizzati utilizzando una versione modificata del metodo ASTM approvato per l'analisi degli additivi nelle poliolefine. La colonna, le fasi mobili, la velocità di flusso e le condizioni del gradiente sono state ottimizzate per ottenere il più breve tempo di analisi e la massima sensibilità, consentendo di analizzare questi 10 antiossidanti in meno di 10 minuti.

Il metodo utilizza sia un gradiente di fase mobile sia un gradiente di velocità di flusso, il che rende il metodo estremamente riproducibile e sensibile. Gli analiti sono stati rivelati con un rivelatore PDA a 230 nm che, oltre a fornire un'eccellente sensibilità, consente anche l'identificazione dei picchi utilizzando le funzionalità di confronto della libreria del rivelatore a serie di fotodiodi. Lo strumento e le condizioni utilizzati per eseguire questa separazione sono illustrati nella Figura 22.

Riepilogo

L'utilizzo di metodi a gradiente per l'analisi dei polimeri consente separazioni essenzialmente indipendenti dal peso molecolare. I singoli polimeri in miscele aventi la stessa distribuzione del peso molecolare possono essere separati facilmente e i copolimeri possono essere separati in base ai rispettivi rapporti monomerici. Utilizzando la stessa strumentazione, è possibile analizzare anche gli additivi polimerici più comuni. Il rivelatore evaporative light scattering è un rivelatore universale che non è influenzato dalle variazioni nella composizione del gradiente di fase mobile; il rivelatore a serie di fotodiodi consente l'identificazione positiva di molti composti e l'analisi della composizione dei copolimeri. Questi metodi a gradiente sono tecniche altamente riproducibili e sono estremamente adatti per le applicazioni di deformulazione.

Chi è coinvolto nella caratterizzazione dei polimeri mediante tecniche cromatografiche non utilizza esclusivamente la GPC per analizzare i campioni. Molte volte è necessario utilizzare tecniche di cromatografia liquida per adsorbimento o di cromatografia di partizione per ottenere le informazioni necessarie.

Per quantificare gli additivi polimerici, ad esempio, vengono utilizzate tecniche convenzionali in fase inversa e, talvolta, tecniche di separazione in fase diretta. Ottenere la distribuzione del peso molecolare del campione di polimero può rappresentare solo una parte del processo di caratterizzazione. E per quanto riguarda gli additivi formulati nel polimero a scopi di stabilizzazione o miglioramento della processabilità? Essi possono essere anche più importanti del polimero stesso. È necessario prendere in considerazione l'utilizzo di corretti stabilizzanti UV e antiossidanti per la protezione contro la degradazione, plastificanti per il miglioramento della flessibilità, antistatici per poliolefine, agenti antifiamma, acceleranti per incrementare il processo di reticolazione (o polimerizzazione) e così via.

Abbiamo svolto un ampio lavoro con gli additivi per polimeri e alcuni dei nostri lavori pubblicati sono disponibili in dettaglio nel Journal of Liquid Chromatography, volume 14 n.3, (1991) e volume 16, n.7, (1993).

Come si analizzano gli additivi per polimeri? In primo luogo, dobbiamo pensare a ciò che stiamo cercando di ottenere. Dobbiamo sapere se nella formulazione sono presenti le quantità corrette di ciascun additivo? Stiamo cercando di "deformulare" un materiale della concorrenza? Dobbiamo estrarre il pacchetto di additivi dalla matrice polimerica? È probabile che le risposte a queste domande siano affermative. L'analisi GPC non è il modo migliore per separare, identificare e quantificare i livelli di additivi presenti. La maggior parte degli additivi sono abbastanza vicini tra loro per dimensioni e peso molecolare, quindi è necessario utilizzare l'HPLC per separarli. Una semplice tecnica a gradiente, con programmazione del flusso opzionale, funziona molto bene per separare molti tipi diversi di additivi in un breve tempo di analisi. Un'analisi a gradiente consiste nel variare l'eluente o la composizione della fase mobile, in genere da un solvente "debole" a un solvente "forte" per un dato periodo di tempo. Questa variazione di composizione viene generalmente eseguita in modo lineare per l'analisi degli additivi. Poiché la composizione dell'eluente varia durante l'analisi cromatografica, non è possibile utilizzare il rivelatore dell'indice di rifrazione.

La maggior parte degli additivi polimerici di cui ci occupiamo contiene un cromoforo che assorbe la luce ultravioletta, pertanto viene utilizzato principalmente un rivelatore UV. Se non sono presenti cromofori, è possibile utilizzare un rivelatore evaporative light scattering. È anche possibile modificare la velocità di flusso durante l'analisi, in genere aumentando il flusso per fare in modo che gli eluitori tardivi escano più rapidamente. La colonna scelta in genere per l'analisi degli additivi è una colonna di ottadecilsilano (C18) od ottilsilano (C8), di lunghezza ~15 cm. Di seguito è mostrato un esempio di separazione in gradiente in fase inversa (con programma di flusso) di una serie di comuni antiossidanti e stabilizzanti UV con 9 sovrapposizioni di 12 iniezioni.

Le condizioni del gradiente sono abbastanza semplici: inizialmente 70% acetonitrile/30% acqua, quindi passaggio ad acetonitrile 100% in modo lineare dopo soli 5 min. È disponibile anche un programma di flusso, inizialmente da 2,0 mL/min fino a 6 min, per poi passare a 3,0 mL/min in soli 12 s. La tabella dei dati mostra i notevoli risultati di riproducibilità (tempo di ritenzione e RSD di area) per ciascun additivo. Ciò è un'ulteriore prova dell'incredibile riproducibilità del flusso e dell'erogazione dei campioni del sistema Alliance.

La rivelazione UV è stata eseguita a 230 nm. Il rivelatore PDA esamina simultaneamente tutte le lunghezze d'onda (che si sceglie di visualizzare), il che consente di ottenere gli spettri UV per ciascun additivo. Questo spettro può quindi essere archiviato in una libreria e confrontato con una libreria memorizzata di standard di additivi noti. L'unico inconveniente della ricerca nella libreria è che la stragrande maggioranza degli antiossidanti è rappresentata da fenoli impediti, i quali hanno tutti spettri molto simili. In questo caso, ai fini dell'identificazione, si dovrà fare affidamento solo sul tempo di ritenzione. Un'altra alternativa consiste nell'aggiungere uno spettrometro di massa al sistema. Ciò fornirà uno spettro di impatto elettronico che può essere ricercato nella libreria.