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实验6 凝胶渗透色谱法 测定聚合物的分子量和分子量分布 聚合物分子量具有多分散性，即聚合物的分子量存在分布。不同的聚合方法、聚合 工艺会使聚合物具有不同的分子量和分子量分布。分子量对聚合物的性能有十分密切的 关系，而分子量分布的影响也不可忽视。当今高分子材料已向高性能化发展，类似分子 量分布等高一层次的高分子结构的问题，越来越引起人们的重视。 自高分子材料问世以来，人们不断探索分子量分布的测定方法，直到 60 年代凝胶 渗透色谱诞生，成为迄今为止最有效的分子量分布的测定方法。 一．实验目的 1. 了解凝胶渗透色谱的原理； 2. 了解凝胶渗透色谱的仪器构造和凝胶渗透色谱的实验技术； 3. 测定聚苯乙烯样品的分子量分布。 二．实验原理 凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography，简称 GPC ）也称为体积排除色谱 （Size Exclusion Chromatography，简称 SEC ）是一种液体（液相）色谱。和各种类型的 色谱一样，GPC/SEC 的作用也是分离，其分离对象是同一聚合物种不同分子量的高分 子组份。当样品中不同分子量的各组份的分子量和含量被确定后，就可得到聚合物的分 子量分布，然后可以很方便地对分子量进行统计，得到各种平均值。 一般认为，GPC/SEC 是根据溶质体积的大小，在色谱中由于体积排除效应即渗透能 力的差异进行分离。高分子在溶液中的体积决定于分子量、高分子链的柔顺性、支化、 溶剂和温度，当高分子链的结构、溶剂和温度确定后，高分子的体积主要依赖于分子量。 凝胶渗透色谱的固定相是多孔性微球，可由交联度很高的聚苯乙烯、聚丙烯酸酰胺、 葡萄糖和琼脂糖的凝胶以及多孔硅胶、多孔玻璃等来制备。色谱的淋洗液是聚合物的溶 剂。当聚合物溶液进入色谱后，溶质高分子向固定相的微孔中渗透。由于微孔尺寸与高 分子的体积相当，高分子的渗透几率取决于高分子的体积，体积越小渗透几率越大，随 着淋洗液流动，它在色谱中走过的路程就越长，用色谱术语就是淋洗体积或保留体积增 大。反之，高分子体积增大，淋洗体积减小，因而达到依高分子体积进行分离的目的。 基于这种分离机理，GPC/SEC 的淋洗体积是有极限的。当高分子体积增大到已完全不 能向微孔渗透，淋洗体积趋于最小值，为固定相微球在色谱中的粒间体积。反之，当高 分子体积减小到对微孔的渗透几率达到最大时，淋洗体积趋于最大值，为固定相微孔的 总体积与粒间体积之和，因此只有高分子的体积居于两者之间，色谱才会有良好的分离 作用。对一般色谱分辨率和分离效率的评定指标，在凝胶色谱中也沿用。 图 16－1 是 GPC/SEC 的构造示意图，淋洗液通过输液泵成为流速恒定的流动相， 进入紧密装填多孔性微球的色谱柱，中间经过一个可将样品送往体系的进样装置。聚合 物样品进样后，淋洗液带动溶液样品进入色谱柱并开始分离，随着淋洗液的不断洗提， 被分离的高分子组份陆续从色谱柱中淋出。浓度检测器不断检测淋洗液中高分子组份的 浓度响应，数据被记录最后得到一张完整的 GPC/SEC 淋洗曲线。如图 16－2 。 图 16－1 GPC/SEC 的构造 淋洗曲线表示 GPC/SEC 对聚合物样品依高分子体积进行分离的结果，并不是分子 量分布曲线。实验证明淋洗体积和聚合物分子量有如下关系： ln M A −BV 或 log M A−B log V （16－1） e e 式中 M 为高分子组分的分子量，A 、B （或A’ 、B’ ）与高分子链结构、支化以及溶 剂温度等影响高分子在溶液中的体积的因素有关，也与色谱的固定相、体积和操作条件 等仪器因素有关，因此（1）式称为GPC/SEC 的标定（校正）关系。（1）式的适用性还 限制在色谱固定相渗透极限以内，也就是说分子量过高或太低都会使标定关系偏离线 性。一般需要用一组已知分子量的窄分布的聚合物标准样品（标样）对仪器进行标定， 得到在指定实验条件，适用于结构和标样相同的聚合物的标定关系。