粒徑篩析層析初學者指南

• GPC因何重要？
• GPC運作原理
• GPC系統

凝膠滲透層析(GPC)是一項強大、通用的分析技術，能用於瞭解和預測聚合物效能。它是對聚合物完整分子量分布進行表徵分析最方便的技術。

Waters於1963年率先在市面上推出GPC。自此以後，Waters持續開發和探索新的GPC應用，改進儀器功能，讓GPC變得更加強大。

GPC因何重要？

GPC可以測定數個重要參數，包括數均分子量、重均分子量、Z均分子量，以及聚合物最基本的特性：其分子量分布。

這些參數值都很重要，因為能影響聚合物的許多物理特性。這些量測值在不同批次間的細微差異會導致聚合物在最終用途中表現出顯著不同的特性。其中一些特性包括：

材料特性分析

由於同一用途可用的樹脂種類繁多、特殊樹脂或化合物的成本高昂，且聚合物在製造過程中加值，因此瞭解聚合物的構成尤為重要。例如，印刷電路板所使用的樹脂成本很低，但成品電路板的成本就很高。劣質樹脂會導致成品電路板不合格。

如果聚合物的最終應用需要有能抵抗惡劣條件的精確效能或耐久性，聚合物表徵分析的需求就顯得尤為迫切。由於GPC比其他任何一種技術都更能有效滿足這些需求，因此已成為聚合物產業中對材料特性分析極有價值的工具。

辨別優劣

兩個相同的聚合物樹脂樣品有著一樣的拉伸強度和熔體黏度，但在製造成可用、耐久產品的能力方面卻存在顯著差異。這些差異可能是因為兩種樹脂樣品的分子量分布出現細微但影響顯著的變化。如果未發現這等差異，可能會導致嚴重的產品缺陷。

GPC運作原理

GPC分離溶液中的分子是透過它們在「溶液中的有效大小」進行的。製備GPC分析樣品時，先將樹脂溶解在適當的溶劑中。

在凝膠滲透層析儀內，將溶解的樹脂注入連續流動的溶劑流（移動相）中。移動相會流經管柱中數百萬緊密填充在一起的高密度多孔隙剛性顆粒（固定相）。這些顆粒的孔隙大小是可控的，並有多種大小可供選擇。

指定樹脂及其成分的單獨波峰寬度反映其分子大小分布。分布曲線也稱為分子量分布(MWD)曲線。所有波峰綜合起來就能反映樣品的MWD。MWD越寬，波峰也越寬，反之亦然。平均分子量越高，曲線沿分子量軸移動得越遠，反之亦然。

由此可知，比較兩種樹脂的MWD輪廓非常簡單。如果進料樹脂的MWD輪廓與對照樹脂（亦即已知製程良好的樹脂）的MWD輪廓沒有密切符合，可以修改進料樹脂或改變製程條件，確保樹脂製程正確。如果對照樹脂和進料樹脂之間的差異太過嚴重，可以將進料樹脂標記為不合格並退貨給供應商。

GPC系統

在設計GPC儀器時，必須滿足各種需求。需要裝配進樣器以將聚合物溶液引入流動系統；需要裝配幫浦以輸送樣品和溶劑經過管柱和系統；需要裝配偵測器來監控並記錄分離過程；需要裝配數據擷取配件自動控制檢驗、記錄結果，並計算平均分子量。凝膠滲透層析儀由許多不同的元件組成，這些元件共同運作能讓系統發揮事半功倍的效能。基礎版凝膠滲透層析儀示意圖。

泵送溶液中的聚合物經過系統。

不同的聚合物會產生不同黏度的溶液。為了比較兩次連續分析之間的數據，幫浦必須以相同的流速輸送樣品，而不受黏度差異的影響。此外，某些偵測器也對溶劑的流速精密度非常靈敏。因此，讓流量保持不變是儀器一定要有的關鍵功能。

將聚合物溶液引入移動相。

進樣器必須要能進樣小體積（用於分子量測定）和大體積（如果需要進行餾分收集）樣品。進樣器不得干擾移動相的連續流動。當樣品量很大時，進樣器還要能自動執行多次進樣。

讓各種樣品成分彼此有效分離。

高效率管柱能發揮最高的分離能力，並使分析快速完成。為了進行分析和餾分收集，每支管柱必須能在長時間內提供可再現的資訊。

監控分離過程，並在成分從管柱中洗脫出來時反應訊號值。

如果要收集洗脫的成分供進一步分析，偵測器不得具有破壞性。

此外，偵測器還必須足夠靈敏並且有較寬的線性範圍，以便能反應微量和大量材料的訊號值（如果有必要）。

由於所有化合物都會折射光線，因此把微差折射儀(RI)稱為「萬用」偵測器，它是監測分子量分布最常用的偵測器。聚合物的折射率在大約1000MW以上不變。因此，偵測器訊號值與濃度成正比。

除了使用RI測得平均分子量和分布資訊之外，使用紫外線吸收偵測器能夠提供組成相關資訊，光散射偵測器和黏度計線上聯用能提供聚合物結構的相關資訊。

自動計算、記錄和報告Mz、Mw、Mv、Mn和MWD的數值。

數據系統也可以完全控管GPC系統，所以能在無人看守的情況下執行大量樣品，並自動處理原始數據。現今的GPC軟體產品要能為多偵測處理、譜帶擴展校正、特殊校正例程和聚合物分支測定等作業提供特殊計算，此處僅舉幾例。