Guía para principiantes sobre cromatografía de exclusión por tamaño

• ¿Por qué la GPC es importante?
• Cómo funciona la GPC
• Sistemas de GPC

La cromatografía de permeación en gel (GPC) es una de las técnicas analíticas más potentes y versátiles disponibles para comprender y predecir el rendimiento de los polímeros. Es la técnica más conveniente para caracterizar la distribución completa del peso molecular de un polímero.

Waters fue pionero en la comercialización de GPC en 1963. Desde entonces, Waters continúa desarrollando y explorando nuevas aplicaciones de GPC y mejorando los instrumentos que hacen que la GPC sea tan potente.

¿Por qué la GPC es importante?

Se pueden determinar varios parámetros importantes por GPC. Tales parámetros incluyen el peso molecular promedio en número, el peso molecular promedio en peso, el peso molecular promedio en peso Z y la característica más fundamental de un polímero, su distribución de peso molecular.

Estos valores son importantes, ya que afectan muchas de las propiedades físicas características de un polímero. Las diferencias sutiles de un lote a otro en estos valores medibles pueden causar diferencias significativas en las propiedades de uso final de un polímero. Algunas de estas propiedades incluyen lo siguiente:

Caracterización de materiales

Comprender la composición de un polímero es particularmente importante debido a la variedad de resinas disponibles para el mismo propósito, el alto costo de las resinas o compuestos especializados y el valor añadido del polímero durante la fabricación. Por ejemplo, el costo de una resina utilizada en una tarjeta de circuito impreso es muy bajo, pero el costo del acabado de la tarjeta es muy alto. Una resina de mala calidad puede dar como resultado una tarjeta de circuito con un acabado inaceptable.

Cuando la aplicación de uso final de un polímero requiere un rendimiento de precisión o resistencia en condiciones adversas, la necesidad de caracterizar el polímero es particularmente relevante. Debido a que la GPC satisface tales necesidades mejor que cualquier otra técnica, se ha convertido en una herramienta extremadamente valiosa para la caracterización de materiales en la industria de los polímeros.

Distinguir entre lo bueno y lo malo

Dos muestras de la misma resina de polímero pueden tener idénticas resistencias a la tracción y viscosidades de fusión y, sin embargo, difieren notablemente en su capacidad para transformarse en productos duraderos y utilizables. Estas diferencias se pueden atribuir a variaciones sutiles pero significativas en las distribuciones de los pesos moleculares de las dos muestras de resina. Si no se detectan, tales diferencias pueden causar defectos graves en el producto.

Cómo funciona la GPC

La GPC separa las moléculas en solución por su "tamaño efectivo en solución". Para preparar una muestra para el análisis por GPC, disolver en primer lugar la resina en un eluyente adecuado.

La resina disuelta se inyecta en un caudal de eluyente que fluye continuamente (fase móvil) dentro del sistema cromatográfico de permeación en gel. La fase móvil fluye a través de millones de partículas rígidas altamente porosas (fase estacionaria) empaquetedas de manera compacta en una columna. Los tamaños de poro de estas partículas están controlados y disponibles en una variedad de tamaños.

El ancho de los picos individuales refleja la distribución del tamaño de las moléculas para una resina determinada y sus componentes. La curva de distribución también se conoce como curva de distribución de peso molecular (MWD). En conjunto, los picos reflejan la MWD de una muestra. Cuanto más ancha es la MWD, más anchos se vuelven los picos y viceversa. Cuanto mayor sea el peso molecular promedio, más se desplazará la curva a lo largo del eje del peso molecular y viceversa.

Se puede comprobar la facilidad con la que se pueden comparar los perfiles de la MWD de dos resinas. Si el perfil de la MWD de una nueva resina no coincide con el de la resina de control (es decir, una que se sabe que se procesa bien) con la suficiente precisión, una nueva resina se puede modificar o las condiciones de procesamiento se pueden cambiar para asegurarse de que la resina se procese correctamente. Si las diferencias entre la resina de control y la resina entrante son demasiado importantes, la resina entrante puede devolverse al proveedor como inaceptable.

Sistemas de GPC

Al diseñar los instrumentos para GPC, se deben cumplir varios requisitos. Para introducir la solución de polímero en el sistema de flujo se necesitan inyectores. Las bombas suministran la muestra y el eluyente a través de las columnas y el sistema. Los detectores monitorean y registran la separación. Los accesorios de adquisición de datos controlan la prueba automáticamente, registran los resultados y calculan los promedios del peso molecular. El sistema cromatográfico de permeación en gel contiene varios componentes diferentes que trabajan juntos para proporcionar un rendimiento óptimo del sistema con el mínimo esfuerzo. Esquema de un sistema cromatográfico básico de permeación en gel.

Bombea el polímero en solución a través del sistema.

Diferentes polímeros producen soluciones de diferentes viscosidades. Para comparar los datos de un análisis a otro, la bomba debe suministrar las mismas velocidades de flujo independientemente de las diferencias de viscosidad. Además, algunos detectores son muy sensibles a la precisión del flujo del eluyente. Este flujo constante debe ser una característica crítica del instrumento.

Introduce la solución de polímero en la fase móvil.

El inyector debe ser capaz de inyectar pequeños volúmenes (para determinar el peso molecular) y grandes volúmenes (en caso de recolectar fracciones). El inyector no debe perturbar el flujo continuo de la fase móvil. También debe ser capaz de inyectar varias muestras automáticamente cuando el volumen de las muestras es grande.

Separa los componentes de la muestra de manera eficaz.

Las columnas de alta eficacia proporcionan la máxima capacidad de separación y análisis rápidos. Cada columna debe proporcionar información reproducible durante períodos prolongados, tanto para fines analíticos como para la recolección de fracciones.

Monitorea la separación y genera una respuesta para los componentes a medida que eluyen de la columna.

Los detectores no deben ser destructivos si los componentes que se eluyen se van a recolectar para su posterior análisis.

Además, los detectores deben ser sensibles y tener un amplio rango lineal para poder responder tanto a pequeñas como a grandes cantidades de material si fuera necesario.

Debido a que todos los compuestos refractan la luz, el refractómetro diferencial (RI) se denomina detector "universal". Como resultado, es el detector más utilizado para monitorear la distribución del peso molecular. El índice de refracción de los polímeros es constante por encima de un peso molecular de 1000, aproximadamente. Por tanto, la respuesta del detector es directamente proporcional a la concentración.

Además de la información sobre los promedios de peso molecular y la distribución obtenida con RI, el uso de detectores de absorbancia UV puede proporcionar información sobre la composición, mientras que los detectores de dispersión de la luz y los viscosímetros en línea proporcionan información sobre la estructura del polímero.

Calcula, registra y reporta automáticamente los valores numéricos para Mz, Mw, Mv, Mn y MWD.

Los sistemas de tratamiento de datos también pueden proporcionar un control completo de los sistemas de GPC, de modo que se pueda analizar una gran cantidad de muestras sin supervisión y los datos originales se puedan procesar automáticamente. Las ofertas actuales de software de GPC deben poder proporcionar cálculos especiales para el procesamiento de detección múltiple, la corrección de ampliación de banda, las rutinas de calibración especiales y la determinación de la ramificación de los polímeros, solo por nombrar algunos.