크기 배제 크로마토그래피 입문자 가이드

실온 GPC의 응용

유기 용해성 폴리머에 대한 실온 GPC 응용은 모두 Alliance 시스템에서 수행되었습니다. 대부분의 경우 Styragel HR 컬럼이 분석에 사용되었습니다. Alliance 시스템 Solvent Manager의 고유한 설계 덕분에 유속 정밀도는 0.075%보다 우수하고 흐름에 펄스가 사실상 없습니다. 펄스 없는 흐름은 광산란을 수행하는 사람들에게 매우 중요한데, 펄스가 있는 펌프를 사용했을 때는 컬럼의 미세 검출 능력이 떨어지고 크로마토그램에 스파이크가 발생하기 때문입니다.

검량

모든 GPC 분석의 첫 단계는 시스템을 검량하는 것입니다. 아래에서 용리액으로 THF를 사용하여 Alliance®에서 얻은 polystyrene의 내로우(Narrow) 표준 검량선을 볼 수 있습니다. 적용되는 분자 범위는 약 250~3M입니다. 컬럼 세트는 2개의 HR 5E(혼합 베드)와 단일 HR2(500Å)로 구성되었습니다. 컬럼은 컬럼 히터에서 40℃로 가열되었고, 유속은 1.0mL/분이었습니다. 검량선은 5차 맞춤입니다. 이 곡선은 훌륭해 보이지만 주목해야 할 매우 흥미로운 점이 있습니다. 곡선에 나와 있듯이 각 표준물질을 3회 주입했습니다(3가지 바이알 각각에서 3회 주입). 따라서 곡선의 총 포인트 수는 39개입니다! (자세히 살펴보면 몇 가지 표준물질에 대해 매우 적은 양의 산란이 있는 것을 볼 수 있습니다.) 내로우(Narrow) 표준물질의 머무름 시간 재현성은 0.04% 미만이었는데, 이는 Alliance 시스템의 흐름 전달이 우수하기 때문에 가능한 결과입니다. THF 이외의 용매에서 GPC 분석을 수행해야 하는 경우가 이따금 있습니다.

다음은 dimethylformamide를 용리액으로 사용하여 폴리(methyl methacrylate) 표준물질에서 얻은 내로우(Narrow) 표준 검량선입니다.

DMF로 작업할 때는 polystyrene보다 PMMA를 사용하는 편이 선호됩니다. 저분자량 polystyrene 표준물질은 머무름 시간이 일정하지 않아 예상보다 늦게 용리되는 경향이 있기 때문입니다. Polystyrene 올리고머 표준물질(예: 약 700 미만의 분자량)은 총 부피, VT를 초과하는 머무름을 나타낼 수 있습니다. PMMA 내로우(Narrow) 표준물질은 이러한 경향을 나타내지 않으며 DMF에서 작업할 때 선호됩니다. Polystyrene 검량에 사용된 것과 동일한 컬럼 세트가 여기에서도 사용되었습니다(2개의 HR 5E와 단일 HR2). 유일한 차이점은 이러한 컬럼이 DMF 조건에서 충전되었다는 것입니다. 0.05M 농도의 Lithium bromide를 DMF에 첨가했습니다. 이는 DMF에서 실행되는 대부분의 샘플이 매우 극성인 경향이 있기 때문에 샘플과 용리액 사이의 극성 상호작용을 방지하기 위한 것입니다. Polystyrene 곡선의 경우, 각 표준물질에 대해 3회 주입하므로 이 경우 곡선에 36개의 검량 포인트가 존재합니다. Polystyrene 곡선보다 이 곡선에 산란이 더 적은 것으로 보입니다. 컬럼을 80°C로 가열하여 DMF의 점도를 줄였습니다.

많이 희석된 용액 분석

잘 특성화된 광범위한 polystyrene 표준물질인 Dow 1683을 dRI 검출기와 용리액 THF를 사용하여 Alliance 시스템에서 분석했습니다. 농도는 0.15%였고 300μL 주입이 이루어졌습니다. 브로드(Broad) 표준물질(마찬가지로 300μL)을 다시 주입했지만 이번에는 0.015% 농도(10배 미만)로 주입했습니다. 아래 그림에서 비교한 내용을 볼 수 있습니다. 0.15% 농도에 대한 신호는 약 15mV입니다. 베이스라인 노이즈가 14uV일 때 S/N은 >1000:1입니다. 0.015% 주입에 대한 신호는 1.5mV에 불과하지만 여전히 >100:1의 S/N을 얻을 수 있으며 쉽게 적분됩니다. 통합된 탈기 장치와 함께 부드러운 흐름을 통해 많이 희석된 폴리머 솔루션을 실행하면서 재현성 있는 GPC 작업에 필요한 S/N을 얻을 수 있습니다. 이것은 매우 낮은 농도의 고분자량 샘플을 실행해야 할 때 매우 중요합니다. 이제 극도로 낮은 농도를 실행하면서도 S/N의 저하 없이 올바른 결과를 얻을 수 있습니다.

엘라스토머 분석

엘라스토머(천연 및 합성 모두)의 분자량 분포를 결정하는 것은 물리적 특성과 상관 관계를 파악하는 데 사용되는 매우 중요한 분석 기술입니다. 엘라스토머 제형은 산화방지제, 가소제, 가황제, 촉진제 및 다양한 충전제(카본 블랙, 이산화티타늄, 실리카 등)뿐만 아니라 폴리머 혼합물이 사용되어 매우 복잡할 수 있습니다. 전체 제형은 엘라스토머의 50%(또는 그 이하)로만 구성될 수 있습니다. 이러한 제형은 타이어부터 O-링 seal에 이르기까지 자동차 및 항공우주 산업에서 광범위하게 사용됩니다. GPC 분석의 경우 항상 그렇듯이 가장 먼저 해야 할 일은 시스템을 검량하는 것이므로 여기에 polybutadiene 내로우(Narrow) 표준물질을 검량액으로 사용하는 3차 검량선을 나타냈습니다.

Polyisoprene 내로우(Narrow) 표준물질도 있습니다. 다시 한 번, 두 개의 HR 5E와 하나의 HR2가 75°C로 유지되는 컬럼 뱅크에 사용되었습니다. 엘라스토머의 경우 일반적으로 톨루엔이 용매로 선택됩니다. THF는 많은 경우에 사용될 수 있지만, 톨루엔은 천연 고무, (cis - 1,4 polyisoprene)과 같은 일부 엘라스토머를 더 잘 용해시키는 경향이 있습니다. dRI 검출기가 Alliance 시스템과 함께 사용되었습니다. Polybutadiene 내로우(Narrow) 표준물질을 선택했는데, 이는 우리가 살펴본 대부분의 엘라스토머와 구조가 유사하기 때문입니다. 이렇게 적용했을 때 다중 분포 오버레이에서 뛰어난 재현성이 얻어지는 것에 주목하십시오.

다음은 관심을 두고 있는 몇 가지 추가적인 엘라스토머 적용 예입니다.

GPC를 통한 폴리카보네이트 분석

GPC 분석은 THF 또는 methylene chloride를 용리액으로 사용하여 매우 간단하게 진행됩니다. 약간 다른 작업을 수행하여 Alliance 시스템이 얼마나 정밀한지 확인해 보기로 했습니다. 밀포드에 있는 Alliance 시스템에서 폴리카보네이트로 일련의 GPC 분석을 실행하고 미국 외부의 Waters 사이트에 있는 Alliance 시스템에서 동일한 샘플을 실행했습니다. 컬럼 세트도 약간 다르게 했습니다. 아래와 같이 두 실험실에서 얻어진 일치도는 놀라운 수준이었습니다.

GPC를 사용한 수용성 샘플 분석

수용성 GPC 분석은 폴리머 특성화를 수행하는 화학자에게 완전히 새로운 과제를 안겨줍니다. 수용성 GPC 분석을 위한 대부분의 기존 고성능 충전은 친수성 메타크릴레이트 겔에서 준비되며 카르복시기가 잔류하여 컬럼 화학 구조가 전반적으로 음이온 전하를 띠게 합니다. 수용성 폴리머에 대한 GPC 분석을 수행할 때 특정한 조치를 취하지 않으면 샘플과 충전 물질 사이에 전하 상호작용이 있을 수 있다는 사실에 유의해야 합니다. 이론적으로, 폴리머가 중성이면 순수한 물에서 분석할 수 있습니다. 폴리머가 음이온 전하를 띠는 경우 순수한 물을 용리액으로 사용하면 컬럼에 의해 배제되고 보이드 볼륨(void volume)에서 용리됩니다. 반면에 폴리머가 전체적으로 양이온 전하를 띠는 경우(순수한 물을 용리액으로 사용함) 샘플은 컬럼에 달라붙어 절대 용리되지 않습니다. 이러한 이온 문제의 대부분은 0.10M NaNO₃과 같은 전해질을 첨가하는 방법으로 쉽게 해결할 수 있습니다._. 중성 샘플의 경우에도 0.10M NaNO₃을 용리액으로 사용하는 것이 좋습니다. 올바른 용리액으로 극복해야 하는 몇 가지 문제(수용성 폴리머에 대한 용매 선택 가이드 참조)는 다음과 같습니다.

분자 내 정전기 상호작용 - 폴리머 전해질은 분자 자체의 전하로 인해 팽창합니다.
이온 배제 - 샘플 폴리머 전해질과 충전제가 동일한 전하를 띱니다(예: 둘 다 음이온성).
이온 포함 - 폴리머 전해질 전하가 충전 전하와 반대입니다. 샘플은 용리되지 않고 컬럼(예: 양이온성 샘플)에 달라붙습니다. pH를 조정해야 할 수도 있습니다.
이온 교환 - 이 현상은 충전제와 샘플이 반대 전하를 띠는 이온 포함(ion inclusion)의 경우에 발생할 수 있습니다. 이온 교환 반응이 일어나 샘플이 늦게 용리되거나 전혀 용리되지 않습니다.
소수성 상호작용 - 폴리머 전해질 샘플의 비이온성 부분이 충전제의 비극성 부위와 상호작용합니다. 이 문제는 용리액에 20%의 유기 변형제(예: Acetonitrile)를 첨가하면 쉽게 해결할 수 있습니다.

연관 효과 및 기억 효과와 같은 다른 상호작용이 이따금씩 발생할 수 있지만 위에 언급한 5가지 문제가 가장 많이 발생하는 문제입니다. 앞에서 설명한 수용성 용매 선택 가이드는 특정 응용 분야에 적합한 용리액을 선택하는 데 도움을 줍니다. 당사는 가이드에 나와 있는 거의 모든 응용 예에 대한 크로마토그램을 확보하고 있습니다. 특정 샘플과 관련하여 도움이 필요한 경우 당사에 문의해 주십시오.

3가지 수용성 폴리머를 Alliance 시스템에서 분석했고, 굴절률 검출도 함께 이루어졌습니다. 분석한 3가지 폴리머(아래 참조)는 Hydroxyethyl cellulose, Pectin, Polyalginic Acid입니다. 다중 분자량 분포 오버레이에서 얻어진 뛰어난 재현성에 주목하십시오. 모든 경우에 3 컬럼 Ultrahydrogel 세트(2 선형 및 120)를 사용했습니다. 용리액으로는 중성 및 음이온성 친수성 폴리머에 탁월한 0.10M sodium nitrate를 선택했습니다.

내로우(Narrow) polyethylene oxide 표준물질이 검량선을 생성하는 데 사용되었으므로 여기에 나타낸 분자량 평균은 PEO를 기반으로 합니다.

나일론과 폴리에스터의 GPC 분석

나일론과 폴리에스터의 GPC 분석은 과거부터 매우 어려웠으며 수년 동안 100°C 상태의 m-cresol이 용매로 선택되었습니다. 다양한 용매가 시도되었지만 hexafluoroisopropanol(HFIP)이 상당히 좋은 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. HFIP는 나일론과 폴리에스터가 실온에서 용해된다는 점에서 m-cresol에 비해 장점이 있습니다. 한 가지 단점은 비용입니다. HFIP는 리터당 약 $1,000입니다. 내경이 4.6mm인 용매 효율적 컬럼에서 HFIP를 사용하여 이러한 일반적인 2가지 폴리머의 GPC 분석을 실시하고 조사한 이유가 여기에 있습니다. 이러한 컬럼은 길이가 30cm이지만 내경은 더 좁기 때문에(기존의 7.8mm 컬럼과 비교하여) 용매 사용량(및 폐기 비용)을 크게 절약할 수 있습니다. 유속은 일반적으로 약 0.35mL/분이며, 이는 우리가 일반적으로 사용하는 7.8 x 300mm 컬럼에서 1.0mL/분과 거의 동일한 용리액 선형 속도를 제공합니다. 이러한 용매 효율적 HFIP 컬럼은 0.05mL/분의 속도로 HFIP로 직접 전환할 수 있도록 특별히 메탄올이 충전되어 있습니다.

나일론과 폴리에스터 분석에서 극성 상호작용을 방지하기 위해 HFIP에 0.05M sodium trifluoroacetic acid를 첨가했습니다. 특히 나일론의 경우, HFIP에 염을 첨가하지 않으면 저분자량 말단에서 테일링이 나타납니다. 이번에도 이 분석에 dRI 검출기를 탑재한 Alliance GPC 시스템을 사용했습니다. Alliance 시스템은 시스템 부피가 낮아(저확산) 4.6mm 컬럼에서도 여전히 우수한 분리능을 얻을 수 있습니다. 500, 10³, 10⁴옹스트롬 범위의 고분리능 컬럼을 나타내는 HR2, HR3, HR4의 컬럼을 사용했습니다. RI와 컬럼은 30°C로 유지했고 내로우(Narrow) PMMA 표준물질과 샘플을 25µL의 소량만 주입했습니다. Polystyrene은 HFIP에 용해되지 않으므로 내로우(Narrow) 폴리(methyl methacrylate) 표준물질이 사용되며 매우 효과적입니다.

여기에는 HFIP에서 PMMA 표준물질에 대해 실행한 3차 검량선이 표시됩니다(각 표준물질 3회 주입). 표준물질의 탁월한 머무름 시간 재현성이 곡선에 분명하게 드러납니다.

실행한 첫 번째 샘플 세트는 여기에 표시된 폴리(ethylene terephthalate)(PET) 및 폴리(butyleneterephthalate)(PBT)였습니다.

또한 아래에는 나일론 6/6의 5가지 분자량 분포의 오버레이가 나와 있습니다. 검량에 나일론 6/6 브로드(Broad) 표준물질이 사용되었으므로 표시된 분자량은 나일론 샘플에 대한 "정확한 분자량"입니다.

HFIP에 표시된 마지막 작업은 카테터를 만드는 데 사용되는 두 개의 의료용 플라스틱 폴리에테르/아미드 공중합체에 대한 작업입니다. 두 샘플은 물리적 특성과 "처리 용이성"이 동일하지는 않았지만 FTIR, 열 분석, 유변학적 측정치, 용융 흐름 지수 등에서는 식별 가능한 차이가 확인되지 않았습니다.

두 개의 분자량 분포를 개별적으로 보면(여기에는 5개의 오버레이로 표시됨) 실제로 서로 상당히 동일하게 보입니다.

그러나 여기에서 각각에 대한 5MWD의 오버레이를 보면 둘 사이에 몇 가지 차이점이 있음을 쉽게 알 수 있습니다. Alliance 시스템의 재현성 덕분에 이러한 작은 MWD 차이가 실제로 존재하며, 이것이 주입 간 변동성에 기인하지 않는다는 것을 확신할 수 있습니다.

ELSD 및 PDA 검출을 이용한 폴리머 혼합물, 공중합체 및 첨가제의 그래디언트 분석

소개
실험
결과 및 논의
요약

요약

최근 몇 년 동안 GPEC(Gradient Polymer Elution Chromatography)와 같은 그래디언트 HPLC 기술을 폴리머에 사용하여 공중합체의 조성 표류 및 폴리머 혼합물의 조성을 결정하거나 폴리머 첨가제를 분석하는 데 관심이 높아졌습니다. 분석을 위해 선택한 그래디언트 조건 및 컬럼에 따라 분자량별로, 또는 침전이나 흡착 메커니즘에 기초하여 분리를 수행할 수 있습니다. ELSD(Evaporative Light Scattering Detector)를 사용하면 범용 질량 검출기로 용매 그래디언트를 실행하고 용매 그래디언트로 인한 베이스라인 간섭 없이 UV 흡수 및 비 UV 흡수 폴리머 샘플을 모두 관찰할 수 있습니다. PDA(Photodiode Array Detector)를 추가하면 많은 공중합체의 분자량 분포에 대한 조성 분석이 가능하고 폴리머 혼합물의 성분 식별에 유용할 수 있으며, 전통적인 역상 분리에서 폴리머 첨가제 및 기타 소분자의 정량화에도 매우 유용합니다.

이 섹션에서는 겔 투과 크로마토그래피 결과와 대비되는 폴리머의 그래디언트 분석의 장점을 보여줍니다. 이 작업을 수행하는 데 사용된 기기를 소개하고 폴리머 혼합물 분석에 이 기술을 이용하는 예시를 제공합니다. 컬럼 기능과 용매 조성이 polystyrene 표준물질과 샘플의 분리에 미치는 영향에 대해 설명하고 관찰된 최상의 조건을 사용하여 단량체 조성에 대한 다양한 공중합체 분석을 수행합니다. 마지막으로, 여러 유형의 폴리머 첨가제 분석을 위해 동일한 기기에서 그래디언트 분리를 사용하는 전통적인 방법도 설명합니다.

소개

폴리머 분석을 위한 가장 일반적인 크로마토그래피 분석법은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)로, 용액 내 폴리머 샘플의 크기 또는 폴리머 용액의 유체역학적 부피에 기초하여 분리가 이루어집니다. 그림 1은 GPC를 사용하여 얻은 크로마토그램이며 polystyrene 샘플, polystyrene-acrylonitrile 공중합체(25% acrylonitrile) 및 polystyrene-butadiene 고무(50% styrene)를 개별적으로 분석한 결과입니다. 샘플의 분자량은 다르지만 거의 동일한 머무름 시간에 폴리머 피크가 관찰될 정도로 유체역학적 부피가 유사합니다. 농도가 거의 동일한 polystyrene, polystyrene-acrylonitrile 및 polystyrene-butadiene 샘플 혼합물에 대한 GPC 분석으로 얻은 크로마토그램도 그림 1에서 볼 수 있습니다. 이 크로마토그램은 3가지 폴리머의 분리를 보여주지 못하므로 대부분의 폴리머 혼합물 분석에 GPC가 실용적이지 않음을 시사합니다.

동일한 폴리머 혼합물를 그래디언트 모드에서 분석하면 3가지 성분의 베이스라인을 쉽게 분해할 수 있습니다. 이를 보여주는 그림 2는 프로토타입 divinylbenzene-vinylpyrolidone 컬럼에 폴리머 혼합물를 2회 주입하여 얻은 크로마토그램의 오버레이이며, 이때 그래디언트는 20분에 걸쳐 100% Acetonitrile(ACN)에서 100% Tetrahydrofuran(THF)까지 진행됩니다.

이 기술을 사용하여 샘플을 THF에 용해시킨 다음 100% ACN을 실행하는 크로마토그래피 시스템에 주입합니다. 혼합물의 폴리머는 Acetonitrile에 불용성이며 컬럼에 침전됩니다. 그래디언트가 진행됨에 따라 혼합물의 폴리머는 용해도에 따라 재용해되고 컬럼에서 잘 분해된 피크로 용리됩니다. 이 메커니즘은 GPEC(Gradient Polymer Elution Chromatography)와 유사합니다. 폴리머 분석을 위한 다른 그래디언트 분석법은 폴리머가 용액에 남아 있고 흡착 메커니즘에 의해 분리되는 조건에서 수행된 연구 문헌에 설명되어 있지만, 이는 일반적으로 순수 실리카 컬럼에서 실행했을 때 알코올이나 케톤에 용해되는 극성 폴리머와 관련된 것으로, 여기에서 논의하지 않습니다.

실험

달리 언급하지 않는 한 모든 그래디언트 작업은 다음의 시스템 구성을 사용하여 수행되었습니다.

시스템:	Waters Alliance 2690 Separations Module(컬럼 히터, 30ºC 조건)
검출기 1:	Waters 996 PDA(Photodiode Array Detector)
검출기 2:	LTA 어댑터가 있는 Alltech Model 500 ELSD(40ºC의 표류 튜브, 1.75L/분 질소)
데이터 시스템:	Waters Millennium 32 Chromatography Manager
컬럼:	30ºC(그림 참조)
유량:	1mL/분
샘플:	0.2–0.5% 샘플 10–25µL 주입
그래디언트:	그림에 나와 있는 선형 그래디언트, 조건 및 이동상.

GPC에 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 굴절률(RI) 검출기입니다. 그러나 RI가 이동상 조성의 변화에 민감하기 때문에 그래디언트 폴리머 분석을 위한 검출기로는 적합하지 않습니다. 그림 3은 20분 동안 100% ACN에서 100% THF까지 진행되는 그래디언트로 프로토타입 DVB/Vinylpyrolidone 컬럼에 0.5% styrene-acrylonitrile 공중합체(25% acrylonitrile) 용액 25µL를 주입하고 RI(굴절률 검출기), PDA(Photodiode Array Detector) 및 ELSD(Evaporative Light Scattering Detector)에서 성분을 검출한 크로마토그램을 보여줍니다.

그래디언트에서 이동상 변화가 RI 검출기에 도달하는 즉시(약 2.5분) RI 신호가 스케일을 벗어나 검출기에 완전히 과부하가 걸립니다. 260nm로 PDA 검출기(또는 모든 종류의 UV 검출기)에서 얻은 크로마토그램은 UV 검출이 RI 검출보다 그래디언트 분석에 훨씬 더 적합하다는 것을 보여줍니다. 크로마토그램은 이동상의 변화에 따른 베이스라인의 표류를 보여주지만 폴리머 샘플에 대한 감도는 여전히 양호하며 베이스라인에서 blank 그래디언트 실행을 빼는 방법으로 표류를 쉽게 제거할 수 있습니다. ELSD를 사용하여 얻은 그림 3의 3번째 크로마토그램은 그래디언트 응용에서 ELSD의 우수한 성능을 보여줍니다. 이 검출기는 용매가 검출 전에 증발되기 때문에 기본적으로 이동상 조성의 변화에 둔감합니다. 여기에 폴리머 샘플에 대한 탁월한 감도까지 고려하면 ELSD 검출기가 폴리머의 그래디언트 분석에 가장 적합한 검출기입니다. PDA를 ELSD와 결합하면 ELSD로 미지 물질을 검출 및 정량화하고 PDA를 사용하여 피크 순도를 측정하여 라이브러리 매칭을 통해 미지 물질을 식별하고 공중합체 조성을 분석할 수 있습니다.

이 시스템을 사용하여 매우 다양한 유형의 폴리머, 폴리머 혼합물 및 공중합체를 분석할 수 있습니다. 그림 4는 30분에 걸쳐 100% ACN에서 100% THF까지 진행되는 그래디언트로 Nova-Pak C₁₈ 컬럼에 polyvinylchloride, polymethylmethacrylate, polystyrene, polystyrene-butadiene 블록 공중합체, polydimethylsiloxane, polystyrene-isoprene 블록 공중합체, 부틸 고무 등 다양한 유형의 폴리머를 주입하여 얻은 크로마토그램 오버레이입니다.

폴리머 혼합물 또는 공중합체의 분석에 이 기술을 사용할 때는 폴리머가 조성에 의해서만 분리되도록 분자량과 무관한 분리가 필요합니다. 불행히도 이것은 주로 침전/재용해 메커니즘이기 때문에 약간의 분자량 의존성은 불가피하지만 컬럼, 이동상 및 그래디언트 조건을 신중하게 선택하여 최소화할 수 있습니다.

그림 5는 10분 동안 100% ACN에서 100% THF로 진행되는 그래디언트로 SymmetryShield C₈ 컬럼(3.9mm x 15cm)에서 일련의 내로우(Narrow) polystyrene 표준물질을 주입하여 얻은 크로마토그램의 오버레이를 보여줍니다.

43,900~2,890,000 MW의 표준물질은 약 9분~9.5분의 대역에서 용리됩니다. 저분자량 표준물질은 더 일찍 용리되고 많은 올리고머가 잘 분리되었습니다. 이러한 저분자량 표준물질은 그래디언트의 시작 조건(100% ACN)에서 용해도가 높으므로(9100MW) 기존의 역상 메커니즘으로 분리됩니다. 그림 6은 프로토타입 DVB/vinylpyrolidone 컬럼(3.9mm x 15cm)에 동일한 조건으로 동일한 표준물질을 주입하여 얻은 크로마토그램의 오버레이를 보여줍니다.

약간 좁은 띠에서 용리되는 43,900~2,890,000의 표준물질에서도 유사한 패턴이 관찰됩니다. 저분자량표준물질의 분리는 다소 다릅니다. 이것은 두 컬럼의 서로 다른 역상 특성 때문으로, 놀라운 일이 아닙니다.

Nova-Pak C18 컬럼(3.9mm x 30cm)으로 변경하고 30분 그래디언트를 사용하여 얻은 크로마토그램을 그림 7에서 보여줍니다. 이러한 조건을 사용하면 43,900 MW 이상의 polystyrene 표준물질에 대한 분자량 의존성이 거의 제거됩니다. 예상대로 ACN에 용해되는 저분자량 표준물질은 크로마토그램에서 더 일찍 용리되지만, 저분자량 올리고머는 3개의 피크로 분할되어 서로 다른 말단기에 의해 분리가 이루어짐을 시사합니다.

비용매로 사용되는 이동상의 선택은 폴리머의 그래디언트 분석에서 얻어지는 분리에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

그림 8은 30분 동안 100% 메탄올(MeOH)에서 100% THF로 진행되는 선형 그래디언트로 Nova-Pak C18 컬럼(3.9mm x 15cm)에서 동일한 표준물질을 주입하여 얻은 크로마토그램의 오버레이를 보여줍니다. 이 결과는 크로마토그램 초기에 잘 분해된 올리고머부터 8백만 MW 표준물질까지 분자량에 대한 분명한 의존성을 보여줍니다. 이것은 공중합체 또는 폴리머 혼합물 분석 목적에 바람직하지 않은 결과로, 머무름 시간의 차이가 조성 차이 또는 MW 차이로 인한 것인지 확인하기 어렵기 때문입니다.

이 비용매 효과는 브로드 MW 폴리머 샘플을 분석할 때도 확인할 수 있습니다.

그림 9는 두 주입 모두에서 30분 동안 처음에 ACN을 사용하고, 그 다음 MeOH를 비용매, THF를 용매로 사용하여 Nova-Pak C18 컬럼(3.9mm x 15cm)에 NBS706 브로드 polystyrene 표준물질을 주입하여 얻은 크로마토그램을 보여줍니다. 비용매로 ACN을 사용하면 보다 바람직한 날카로운 피크를 얻을 수 있는 반면, 비용매로 MeOH를 사용하면 매우 넓은 피크가 얻어집니다. 본 연구에서는 THF 용해성 폴리머의 경우 100% ACN에서 100% THF까지 이어지는 그래디언트에서 최상의 분리가 관찰되는 것으로 나타났습니다. 이러한 조건은 다양한 폴리머 혼합물와 공중합체에 사용할 수 있는 견고한 분석법을 제공합니다.

그래디언트 분석은 공중합체 재료를 평가하기 위한 강력한 도구입니다. 100% ACN에서 100% THF까지 이어지는 그래디언트를 사용하여 일련의 무작위 styrene-butadiene 고무(SBR)를 프로토타입 DVB/Vinylpyrolidone 컬럼(3.9mm x 15cm)에서 20분 동안 실행했습니다. 50% styrene에서 5.2% styrene 범위의 조성을 가진 5가지 SBR이 내로우(Narrow) polystyrene 표준물질(355K MW) 및 내로우(Narrow) polybutadiene 표준물질(330K MW)과 함께 주입되었습니다. 최종 크로마토그램의 오버레이를 그림 10에서 볼 수 있습니다.

서로 다른 SBR이 styrene과 butadiene의 상대적인 양으로 쉽게 분리됩니다. 이러한 SBR은 전에 기존 GPC로 분석했으며, 이 경우 분자량 의존도가 미미할 정도로 분자량이 충분히 높고 분자량이 polystyrene을 사용한 상대 검량을 통해 모두 약 200,000~300,000이 되도록 해야 했습니다.

그래디언트 결과를 사용하여 % styrene vs. 머무름 시간을 결정하기 위해 검량선을 구성했으며, 이를 그림 11에서 볼 수 있습니다.

이 플롯은 % styrene과 머무름 시간 사이의 좋은 상관 관계를 보여주므로, 미지의 SBR에 대한 대략적인 조성을 결정하는 데 이 분석법을 사용할 수 있습니다. PDA의 UV 데이터는 ELSD의 결과를 교차 확인하는 데도 사용할 수 있습니다.

유사한 방식으로 그림 12는 무작위 SBR과 유사한 분리를 보이는 일련의 블록 styrene-butadiene 공중합체에 대해 얻은 크로마토그램을 보여줍니다.

그림 13에서 볼 수 있는 이 데이터의 그래프는 무작위 SBR에 대해 얻은 것과 유사한 검량선을 보여줍니다. 이 그래디언트 분석법을 사용하면 구조가 약간만 다른 종을 쉽게 분리할 수 있습니다.

그림 14는 30분 동안 100% ACN에서 100% THF까지 이어지는 그래디언트로 Nova-Pak C18 컬럼(3.9mm x 15cm)에 polymethylmethacrylate, polymethylmethacrylate, poly-n-butylmethacrylate, poly-n-hexylmethacrylate, poly-laurelmethacrylate를 개별 주입하여 얻은 크로마토그램의 오버레이를 보여줍니다. 크로마토그램은 동종 계열의 메타크릴레이트에서 각 성분 사이에 우수한 분리를 보여주며 더 빠른 그래디언트로 쉽게 분리할 수 있습니다.

그림 15의 크로마토그램은 혼합물로 주입되고 동일한 조건에서 실행된 동일한 메타크릴레이트 분리로, 성분이 혼합물로 실행될 때 분리가 동일함을 보여줍니다.

이 동일한 분석법을 동일한 조건으로 사용하면 저분자량 화합물을 분석하기에 유용합니다. 그림 16은 두 개의 저분자량 왁스에 대한 크로마토그램 오버레이를 보여줍니다. 두 왁스는 잘 분리되었고 올리고머 비율 사이에 약간의 차이를 관찰할 수 있습니다.

이 분석법을 통해 기존의 역상 메커니즘으로 저분자량의 폴리머 첨가제를 분석할 수 있습니다. 여러 가지 유형의 폴리머 첨가제가 질량분석기와 호환되도록 선택된 다음 조건을 사용하여 표시됩니다.

시스템:	Waters Alliance 2690 Separations Module(컬럼 히터, 30ºC 조건)
검출기 1:	Waters 996 PDA(Photodiode Array Detector)
검출기 2:	LTA 어댑터가 있는 Alltech Model 500 ELSD(40ºC의 표류 튜브, 1.75L/분 질소)
데이터 시스템:	Waters Millennium 32 Chromatography Manager
컬럼:	Symmetry C₈ ,2.1mm x 15cm, 30ºC
유량:	0.29mL/분
그래디언트:	선형 Ternary 기울기, 30분; 70/10/20~1/79/20 H2O/ACN/THF

그림 17은 polyolefin 레진에 많이 사용되는 UV 안정화제인 Tinuvin 440, Tinuvin 900, Tinuvin 328의 분리를 나타낸 것입니다. 이러한 화합물은 polyolefin 레진로부터 높은 회수율로 추출하기가 어렵지만 일단 추출되면 이 분석법을 사용하여 양호한 감도로 쉽게 분석할 수 있습니다.

다른 여러 유형의 프탈레이트 가소제가 그림 18에 나와 있습니다. PVC 레진에서 가소제로 흔히 사용되는 프탈레이트는 최근 발암성 문제가 제기되면서 주목받고 있습니다. 프탈레이트, 특히 diethylhexylphthalate(DEHP)는 카테터 및 IV 백과 같은 의료 기기와 어린이 장난감에 일상적으로 사용되며 환자와 어린이를 잠재적으로 발암성이 높은 물질에 노출시킬 수 있습니다. 이 분석법을 사용하면 이러한 프탈레이트 화합물을 간단하게 분석할 수 있습니다.

그림 19는 이장제인 oleamide 및 erucamide와 정전기 방지 stearic acid에 대한 크로마토그램을 보여줍니다. UV 흡광도가 매우 낮은 이러한 화합물은 UV 검출 감도가 좋지 않지만 ELSD(Evaporative Light Scattering Detector)로는 쉽게 검출할 수 있습니다.

그림 20은 polyolefin 및 기타 폴리머에 일반적으로 사용되는 2가지 항산화제인 Irganox 1076과 Irgafos 168의 분리를 보여줍니다. Irganox 1076은 hindered amine이고 Irgafos 168은 쉽게 분해되는 phosphite ester입니다. 이 크로마토그램은 Irgafos 168에 대해 2개의 피크를 나타냅니다. 두 번째 피크는 주요 Irgafos 168 피크이고 첫 번째 피크는 실제로 샘플에 존재하는 산화된 Irgafos 168 불순물입니다. 이 분석법은 최적화된 분석법이 아니라 다양한 첨가제에 사용하기 위한 일반적인 분석법으로 제시됩니다.

그림 21은 polyolefin의 첨가제 분석을 위해 승인된 ASTM 분석법의 수정된 버전을 사용하여 실행된 10가지 일반적인 항산화제 분리의 12개 오버레이를 보여줍니다. 적은 분석 시간과 높은 감도를 얻도록 컬럼, 이동상, 유속 및 그래디언트 조건이 최적화되어 이러한 10가지 항산화제를 10분 이내에 분석할 수 있었습니다.

이 분석법은 이동상 그래디언트와 유량 그래디언트를 모두 사용하므로 재현성과 감도가 대단히 우수합니다. 분석물은 PDA를 사용해 230nm에서 검출했으며, 이는 탁월한 감도를 제공할 뿐만 아니라 PDA(Photodiode Array Detector)의 라이브러리 매칭 기능을 사용하여 피크 식별도 가능합니다. 이 분리를 수행하는 데 사용된 기기 및 조건을 그림 22에서 볼 수 있습니다.

요약

폴리머 분석에 그래디언트 분석법을 사용하면 본질적으로 분자량에 의존하지 않는 분리가 가능합니다. 동일한 분자량 분포를 갖는 혼합물의 개별 폴리머를 쉽게 분리할 수 있고 공중합체를 단량체 비율에 따라 분리할 수 있습니다. 동일한 기기를 사용하여 가장 일반적인 폴리머 첨가제도 분석할 수 있습니다. ELSD(Evaporative Light Scattering Detector)는 이동상 그래디언트 조성의 변화에 영향을 받지 않는 범용 검출기이며 PDA(Photodiode Array Detector)는 많은 화합물의 확증적 식별과 공중합체의 조성 분석을 가능하게 합니다. 이러한 그래디언트 분석법은 재현성이 높은 기술이며 비제형화 응용 분야에 매우 적합합니다.

그래디언트 HPLC(GPEC)를 사용한 폴리머 첨가제 분석

크로마토그래피 기술로 폴리머 특성화를 수행하는 사람들은 샘플 분석에 GPC만 사용하지는 않습니다. 많은 경우에 필요한 정보를 얻기 위해 흡착 또는 분할 크로마토그래피에 의한 액체 크로마토그래피 기술을 사용해야 합니다.

예를 들어, 폴리머 첨가제를 정량화하기 위해 기존의 역상, 때로 순상 분리 기술을 사용합니다. 폴리머 샘플의 분자량 분포를 얻는 것은 특성화 프로세스의 일부에 불과할 수 있습니다. 안정화 또는 프로세싱 향상을 위해 폴리머에 배합되는 첨가제는 어떻습니까? 이러한 물질이 폴리머 자체보다 훨씬 더 중요할 수 있습니다. 분해 방지를 위한 올바른 UV 안정화제와 항산화제, 연성을 개선하기 위한 가소제, polyolefin용 정전기 방지제, 난연제, 가교(또는 경화) 과정을 향상시키기 위한 촉진제 등의 사용을 고려해야 할 필요가 있습니다.

우리는 폴리머 첨가제를 이용한 광범위한 연구를 수행했으며 Journal of Liquid Chromatography, volume 14 #3(1991) and volume 16, #7(1993)에 게재된 연구 논문에서 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.

폴리머 첨가제를 어떻게 분석합니까? 우선, 얻고자 하는 결과물에 대해 생각해야 합니다. 제형에 각 첨가제가 정확한 양으로 존재하는지 알아야 합니까? 경쟁 물질을 "비제형화"하려고 합니까? 폴리머 매트릭스에서 첨가제 패키지를 추출해야 합니까? 아마도 이러한 질문에 "예"로 대답할 가능성이 높을 것입니다. GPC 분석이 존재하는 첨가제의 농도를 분리, 식별 및 정량화하는 최상의 방법은 아닙니다. 대부분의 첨가제는 크기와 분자량이 매우 비슷하므로 이를 분리하기 위해 HPLC를 사용해야 합니다. 선택적인 흐름 프로그래밍과 함께 간단한 그래디언트 기술을 이용하면 짧은 실행 시간에 다양한 유형의 첨가제를 매우 효과적으로 분리할 수 있습니다. 그래디언트 분석에는 일반적으로 일정 시간에 걸쳐 "약한" 용매에서 "강한" 용매로 용리액 또는 이동상 조성을 변화시키는 방법이 이용됩니다. 이 조성 변화는 일반적으로 첨가제 분석을 위해 선형적 방식으로 수행됩니다. 크로마토그래피 실행 전반에 걸쳐 용리액 조성을 변화시키기 때문에 굴절률 검출기는 사용할 수 없습니다.

우리가 취급하는 폴리머 첨가제는 대부분 자외선을 흡수하는 발색단을 가지고 있어 자외선 검출기가 주로 사용됩니다. 발색단이 없는 경우 ELSD(Evaporative Light Scattering Detector)를 사용할 수 있습니다. 또한 실행 전반에 걸쳐 유속을 변화시킬 수 있는데, 일반적으로 유속을 증가시켜 나중에 나오는 용리액이 더 빨리 나오도록 합니다. 일반적으로 첨가제 분석을 위해 선택되는 컬럼은 길이가 15cm 이하인 Octadecylsilane(C18) 또는 Octylsilane(C8) 컬럼입니다. 여기에는 일련의 일반적인 항산화제 및 UV 안정화제 9를 12회 주입하고 역상 그래디언트(흐름 프로그램 포함)로 분리하여 얻은 크로마토그램의 오버레이가 나와 있습니다.

그래디언트 조건은 매우 간단합니다. 처음에는 70% Acetonitrile/30% 물, 그 다음 5분 만에 선형적으로 100% Acetonitrile까지 진행합니다. 처음에는 6분까지 2.0mL/분의 속도를 유지하다가 12초 만에 3.0mL/분으로 속도를 높이는 유량 프로그램도 있습니다. 데이터 표에서는 각 첨가제에 대한 놀라운 재현성 결과(머무름 시간 및 면적 RSD)를 보여줍니다. 이것으로도 Alliance 시스템의 놀라운 흐름 및 샘플 전달 재현성이 입증됩니다.

UV 검출은 230nm에서 수행했습니다. PDA 검출기는 모든 파장(관찰을 선택한 파장)을 동시에 확인하므로 각 첨가제에 대한 UV 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 그런 다음 이 스펙트럼은 라이브러리에 저장되고 알려진 첨가제 표준물질의 저장된 라이브러리와 비교할 수 있습니다. 라이브러리 검색의 유일한 단점은 대부분의 항산화제가 힌더드 페놀이며 모두가 매우 유사한 스펙트럼을 가지고 있다는 것입니다. 이 경우 식별을 위해 머무름 시간에 의존해야 합니다. 또 다른 대안은 시스템에 질량분석기 검출기를 추가하는 것입니다. 이것은 라이브러리에서 검색 가능한 전자 충격 스펙트럼을 제공합니다.