1．实验目的

1)了解凝胶渗透色谱的测量原理。

2）初步掌握凝胶渗透色谱的进样、淋洗、接收、检测等实验操作技术。

3）掌握分子量分布曲线的数据分析方法，得到样品的数均分子量、重均分子量和多分散性指数。

2．实验原理

聚合物分子量及其分子量分布是聚合物性能的重要参数之一，与聚合物力学性能密切相关，对聚合物拉伸强度以及成型加工过程，如模塑、成膜、纺丝等都有影响。同时，由于聚合物的分子量和分子量分布是由聚合过程的机理决定的，通过聚合物的分子量和分子量分布与聚合时间的关系可以研究聚合机理和聚合动力学。因此，对聚合物的分子量和分子量分布进行测定具有重要的科学和实际意义。测定聚合物分子量的方法有多种，如薪度法、端基分析法、超离心沉降法、动态／静态光散射法和凝胶色谱法（GPC）等；测定聚合物分子量分布的方法主要有三种：①利用聚合物溶解度的分子量依赖性，将试样分成分子量不同的级分，从而得到试样的分子量分布，如沉淀分级法和梯度淋洗分级法；②利用聚合物分子链在溶液中的分子运动性质得出分子量分布．如超速离心沉降法；③利用聚合物体积的分子量依赖性得到分子量分布，如体积排除色谱法（或称为凝胶渗透色谱法）。

凝胶渗透色谱（GPC)是一种新型的液相色谱，主要特点是操作简便、测定周期短、数据可靠、重现性好，目前已成为科研和工业生产领域测定聚合物分子量和分子量分布的主要方法。凝胶渗透色谱法的机理一般认为是体积排除机理，因而又被称为体积排除色谱法(SEC)。当聚合物试样随淋洗溶剂进入色谱柱后，溶质分子即向多孔性凝胶的内部孔洞扩散。较小的分子除了能进入大的孔外，还能进入较小的孔；而较大的分子只能进入较大的孔，甚至完全不能进入孔洞而先被洗提。因而尺寸大的分子先被洗提出来，尺寸小的分子较晚被洗提出来，分子尺寸按从大到小的次序进行分离。

凝胶渗透色谱的分离部件是一个以多孔性凝胶作为载体的色谱柱，凝胶的表面与内部含有大量彼此贯穿的大小不等的空洞。色谱柱总体积V,由载体骨架体积气、载体内部孔洞体积Vi和载体粒间体积V0组成。GPC的分离机理通常用“空间排斥效应”解释。待测聚合物试样以一定速度流经充满溶剂的色谱柱时，溶质分子向填料孔洞渗透，渗透概率与分子尺寸有关，分为以下三种情况：①高分子尺寸大于填料所有孔洞孔径，高分子只能存在于凝胶颗粒之间的空隙中，淋洗体积Ve=V0，为定值；②高分子尺寸小于填料所有孔洞孔径，高分子可在所有凝胶孔洞之间填充，淋洗体积Ve＝V0＋Vi，为定值；③高分子尺寸介于前两种之间，较大分子渗入孔洞的概率比较小分子渗入的概率要小，在柱内流经的路程要短，因而在柱中停留的时间也短，从而达到了分离的目的。当聚合物溶液流经色谱柱时，较大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱，分子根据相对分子质量被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。自聚合物试样进人色谱柱到被淋洗出来，所接收到的淋出液总体积称为该试样的淋出体积。当仪器和实验条件确定后，溶质的淋出体积与其分子量有关，分子量愈大，其淋出体积愈小。分子的淋出体积为：

Ve＝V0＋KVi(K为分配系数0≤K≤1，分子量越大越趋于0，分子量越小越趋于1)

对于上述第①种情况，K=0;第②种情况，K＝1;第③种情况，0＜K＜1。综上所述，对于分子尺寸与凝胶孔洞直径相匹配的溶质分子来说，都可以在V0至（V0+Vi)淋洗体积之间按照分子量由大到小一次被淋洗出来。

GPC的分离原理虽然很简单，但是对分子量进行标定的方法则相对复杂。通常情况下，用已知相对分子质量的单分散标准聚合物预先作一条淋洗体积或淋洗时间和相对分子质量对应关系曲线，该线称为“校正曲线”。聚合物中几乎找不到单分散的标准样，一般用窄分布的试样代替。在相同的测试条件下，作一系列的GPC标准谱图，对应不同相对分子质量样品的保留时间，以1gM对t作图，所得曲线即为“校正曲线”；用一组已知相对分子质量的单分散性聚合物标准试样，以它们的峰值位置的Ve对1gM作图，可得GPC校正曲线示意图，如图1-19-1所示。

由图1-19-1可见，(V0+Vi）-V0是凝胶选择性渗透分离的有效范围，即为标定曲线的直线部分，通常用一个简单的线性方程表示色谱柱可分离的线性部分，直线方程为：

1gM＝A＋BVe

式中，A、B为特性常数，与聚合物、溶剂、温度、填料及仪器有关，其数值可由校正曲线得到。

对于不同类型的高分子，在相对分子质量相同时其分子尺寸并不一定相同。用PS作为标准样品得到的校正曲线不能直接应用于其他类型的聚合物。而许多聚合物不易获得窄分布的标准样品进行标定，因此希望能借助于某一聚合物的标准样品在某种条件下测得的标准曲线，通过转换关系在相同条件下用于其他类型的聚合物试样。这种校正曲线称为普适校正曲线。根据Flory流体力学体积理论，对于柔性链，两种高分子具有相同的流体力学体积，则有下式成立：

［η］1M1＝［η］2M2

再将Mark-Houwink方程[η]＝KM”代入上式可得：

1gM2＝1/(1+a2)lgK1/K2+(1+a1)/(1+a2)lgM1

由此，如已知在测定条件下两种聚合物的K、a值，就可以根据标样的淋出体积与分子量的关系换算出试样的淋出体积与分子量的关系，只要知道某一淋出体积的分子量M1，就可算出同一淋出体积下其他聚合物的分子量M2。

3．仪器和药品

(1）仪器

WatersBreeze凝胶渗透色谱仪，主要由1515单元泵、手动进样器、色谱柱（可分离分子量范围2×102-2×106),2414示差折光仪检测器、柱温箱、计算机、Breeze2色谱软件等组成；分析天平；微孔过滤器；配样瓶；注射针筒。

(2）药品

聚苯乙烯标样；市售聚苯乙烯树脂（工业品）；四氢呋喃（HPLC级，用0.45μm微孔滤膜过滤）。

4．实验步骤

(1)样品配置

选取9个不同分子量的标样，按分子量顺序1、4、7、2、5、8和3、6、9分为3组，每组标样分别称取1.5-2mg混在一个配样瓶中，分子量小的多称点，加入2ml四氢呋喃溶剂，溶解后用微孔滤膜过滤。在配样瓶中称取约4mg被测试样，用2m1四氢呋喃溶解并过滤。

(2）调试运行仪器

选择匹配的色谱柱，仪器连接完成，开机。设定淋洗速度为1ml/min、柱温箱温度为40℃、示差折光仪检测器温度为35℃，介绍数据采集与处理系统。本实验将数据采集及处理系统仅用作记录仪，数据处理由人工完成，以便加深对分子量分布的概念和GPC的认识。

(3)进样和淋洗体积测定

待基线稳定后，用进样针筒先后将3组标样和待测样品进样，进样体积为20μl，等待色谱淋洗，得到淋洗曲线。确定标样和待测样品的淋洗体积，并确定待测样品淋洗曲线的基线，用“切割归一化法”进行数据处理。

(4)清洗色谱柱

实验完成后，用纯化后的溶剂流过以清洗色谱柱。

5．数据记录及结果分析

(1)实验条件参数

色谱柱：————；检测器温度：————；柱温箱温度：————；流量：————；进样量：————。

(2)数据处理（见表1-19-1)

作lgM-Ve图得到GPC标定关系。

根据下列公式计算样品的数均分子量、重均分子量以及多分散性系数。式中，Wi、Hi和Mi分别为第i切割块的质量、高度和分子量。

6．注意事项

1)进行凝胶渗透色谱测试时，溶剂和待测样溶液在进入仪器前必须用微孔滤膜过滤否则会堵塞凝胶柱。

2）进样时不能有气泡。