合成聚合物一般是由不同分子量的同系物組成的混合物,具有兩個特點:分子量大和同系物的分子量具有多分散性。目前在表示某一聚合物分子量時一般同時給出其平均分子量和分子量分布。分子量分布是指聚合物中各同系物的含量與其分子量間的關系,可以用聚合物的分子量分布曲線來描述。聚合物的物理性能與其分子量和分子量分布密切相關,因此對聚合物的分子量和分子量分布進行測定具有重要的科學和實際意義。同時,由于聚合物的分子量和分子量分布是有聚合過程的機理所決定,通過聚合物的分子量和分子量分布與聚合時間的關系可以研究聚合機理和聚合動力學。測定聚合物分子量的方法有多種,如粘度法、端基分析法、超離心沉降法、動態/靜態光散射法和凝膠色譜法(GPC)對等;測定聚合物分子量分布的方法主要有三種:
(1)利用聚合物溶解度的分子量依賴性,將試樣分成分子量不同的級分,從而得到試樣的分子量分布,例如沉淀分級法和梯度淋洗分級法。
(2)利用聚合物分子鏈在溶液中的分子運動性質得出分子量分布.例如:超速離心沉降法。
(3)利用聚合物體積的分子量依賴性得到分子量分布,例如:體積排除色譜法(或稱為凝膠色譜法)。
凝膠色譜法具有快速、精確、重復性好等優點,目前成為科研和工業生產領域測定聚合物分子量和分子量分布的主要方法。
分離機理
GPC是液相色譜的一個分支,其分離部件是一個以多孔性凝膠作為載體的色譜柱,凝膠的表面與內部含有大量彼此貫穿的大小不等的空洞。色譜柱總面積Vt由載體骨架體積Vg、載體內部孔洞體積Vi和載體粒間體積V0組成。GPC的分離機理通常用“空間排斥效應”解釋。待測聚合物試樣以一定速度流經充滿溶劑的色譜柱,溶質分子向填料孔洞滲透,滲透幾率與分子尺寸有關,分為以下三種情況:
(1)高分子尺寸大于填料所有孔洞孔徑,高分子只能存在于凝膠顆粒之間的空隙中,淋洗體積Ve=V0為定值;
(2)高分子尺寸小于填料所有孔洞孔徑,高分子可在所有凝膠孔洞之間填充,淋洗體積Ve=V0+Vi為定值;
(3)高分子尺寸介于前兩種之間,較大分子滲入孔洞的幾率比較小分子滲入的幾率要小,在柱內流經的路程要短,因而在柱中停留的時間也短,從而達到了分離的目的。
當聚合物溶液流經色譜柱時,較大的分子被排除在粒子的小孔之外,只能從粒子間的間隙通過,速率較快;而較小的分子可以進入粒子中的小孔,通過的速率要慢得多。經過一定長度的色譜柱,分子根據相對分子質量被分開,相對分子質量大的在前面(即淋洗時間短),相對分子質量小的在后面(即淋洗時間長)。自試樣進柱到被淋洗出來,所接受到的淋出液總體積稱為該試樣的淋出體積。 當儀器和實驗條件確定后,溶質的淋出體積與其分子量有關,分子量愈大,其淋出體積愈小。分子的淋出體積為:
Ve=V0+KVi (K為分配系數0≦K≦1,分子量越大越趨于1) (1)
對于上述第(1)種情況K=0,第(2)種情況K=1,第(3)種情況0<K<1。綜上所述,對于分子尺寸與凝膠孔洞直徑相匹配的溶質分子來說,都可以在V0至V0+Vi淋洗體積之間按照分子量由大到小一次被淋洗出來。