【实验目的】

1. 掌握凝胶渗透色谱（GPC）的工作原理。

2. 掌握凝胶渗透色谱仪的基本操作及数据处理方法。

3. 利用凝胶渗透色谱仪测定聚合物的分子量及其分布，熟悉GPC在活性聚合研究中的应用。

【实验原理】

1. 凝胶渗透色谱仪器简介

凝胶渗透色谱是一种特殊的液相色谱，其设备的基本构成与HPLC设备非常相似，实际上就是一套液相色谱体系，包括储液瓶（存储流动相溶剂）、输液泵、进样器、色谱柱和浓度检测器。

流动相由储液器经由在线过滤器过滤进入输液泵。典型的流速为1 mL/min。最常使用的进样器是环路进样器，可以非常精确地将样品注入加压的溶剂中。用GPC柱，进样体积必须不超过100 mL/柱，一般进样体积和样品浓度不需精确控制。样品溶液流经色谱柱时，由色谱柱按分子量大小进行分级，分子量的大小反映为流出时间。各级分的浓度由检测器检测，从而可以得到级分浓度-流出时间关系曲线，即为GPC曲线。为了保证良好的重复性和稳定性，色谱柱和检测器必须保持温度恒定。

2. GPC色谱柱及其分级原理

GPC与通常液相色谱最大的不同是其色谱柱中稳定相及其分离机理的不同。GPC的稳定相是由小直径、窄分布的球形多孔交联凝胶粒子组成，其凝胶孔的大小与待分离高分子的分子体积大小相当。由于凝胶粒子必须具有一定孔径的多孔结构，因此GPC不可能使用粒径小于10 mm的凝胶粒子。

GPC柱的示意图见图25.2，其柱的总体积（V_col）可认为是由三部分组成：凝胶粒子之间的空隙体积V₀、凝胶粒子基质的本体体积V_m和凝胶粒子中的孔穴体积V_p。由于正常情况下聚合物分子不能穿透凝胶粒子的孔壁进入凝胶粒子的基质，即聚合物分子只可能存在于V₀和V_p，因此V_m对聚合物分子的分离没有贡献，聚合物分子的分离只取决于V₀和V_p。

图25.2  GPC色谱柱示意图

V₀-凝胶粒子之间的空隙体积；V_p-凝胶粒子孔穴体积；V_m-凝胶粒子基质的本体体积

聚合物分子在GPC柱中的分级机理有多种解释，其中体积排除机理是目前最为广泛接受的分级机理，因此凝胶渗透色谱也称体积排除色谱。体积排除机理的基础是聚合物分子在凝胶粒子空隙体积V₀和凝胶粒子孔穴体积V_p之间的分配平衡，假设K_gpc为聚合物分子在两相间的分配系数，则聚合物分子的流出体积V_e定义为：

V_e = V₀ + K_gpcV_p

K_gpc取决于两方面因素，一方面为聚合物分子大小与形态，另一方面为凝胶粒子的孔径大小及其分布。当聚合物分子的体积大于凝胶粒子的孔径时，聚合物分子不能渗透进入凝胶粒子的孔穴，被完全排斥，K_gpc= 0，其流出体积为凝胶粒子之间的空隙体积V₀；当聚合物分子的体积非常小时，则会发生完全渗透，K_gpc = 1，其流出体积为(V₀+V_p)；介乎两者之间的聚合物分子则发生选择性渗透，即聚合物分子能够渗透进入部分孔径较聚合物分子体积大的孔穴，而不能渗透进入孔径较小的孔穴，因而其0＜K_gpc＜1；聚合物分子量越大，能够渗透进入的孔穴越少，K_gpc越小。因此当聚合物样品用GPC柱分级时，分子量越大，其流出体积越小，越先流出；分子量越小，其流出体积越大，越后流出。当K_gpc=0时，V_e=V₀，其对应的聚合物分子量为该色谱柱的排斥极限；当K_gpc=1时，V_e=V₀+V_p，其对应的聚合物分子量为该色谱柱的渗透极限。只有当聚合物的分子量处于排斥极限和渗透极限之间时才能被该色谱柱分离，因此每根GPC柱适用的聚合物分子量范围是有限的。为了增大GPC柱的可测分子量范围，就必须加大凝胶孔径的分布范围，可有两种基本方法，其一是将几种不同孔径分布的凝胶粒子混装，但为了达到良好的分离效果，每种孔径的凝胶粒子必须有一定的装填量，这样一来就增大了色谱柱的体积；另一种方法是将几根分别装填不同孔径凝胶粒子的柱子串联使用。

在实际的实验过程中，除了体积排除机理外，还可能发生其他基于聚合物分子和稳定相之间相互作用的分级机理。若所用凝胶粒子表面带有高活性基团，则可能发生固-液吸附机理，由于聚合物分子与稳定相之间的吸附作用随聚合物分子所含吸附点数目的增加而增大，因此聚合物的分子量越大，吸附作用越强，从而导致保留时间与分子量成指数增大，甚至可能导致聚合物分子不可逆地吸附在稳定相上，这是GPC实验不能接受的。因此若需要用到这样的凝胶粒子作为GPC的稳定相时，就必须对其进行表面处理，在其表面接枝或涂覆有机化合物，降低其表面活性。除此以外，GPC实验过程中还可能发生液相-凝胶分配机理。通常情况下，GPC所用凝胶粒子是高度交联的，溶胀度小，只有非常小的分子才能进入凝胶基质中，因此一般不易发生液相-凝胶分配机理。但是如果所用凝胶粒子的交联度不高，容易发生溶胀，则聚合物分子也有可能渗透进入凝胶基质，在此情形下，聚合物分子的流出体积除与V₀和V_p有关外，也与V_m相关，其相关程度取决于聚合物分子与溶胀凝胶之间的相互作用以及聚合物的分子量。这种现象主要发生在低分子量范围，将对GPC数据分析产生干扰。为了尽可能地减少这种液-凝胶分配机理，必须小心选择合适的稳定相和流动相组合。通行的方法是选择聚合物的热力学良溶剂作为流动相，因为聚合物与溶剂之间的亲合力越强，则聚合物与凝胶之间的亲合力越弱，越难发生液相-凝胶分配机理。反过来，如果使用不良溶剂，聚合物与溶剂之间的亲合力越弱，则聚合物与凝胶之间的亲合力越强，越有可能发生液相-凝胶分配机理。

3. 检测器

检测器是GPC仪的重要组成部分，与HPLC不同，最常用的GPC检测器是示差折光检测器，所获的信号强度与聚合物浓度成正比。示差折光检测器虽然不是很灵敏，但适应范围广。由于其对温度变化特别敏感，因此必须特别注意保证温度的恒定。此外紫外分光光度计有时也单独用作浓度检测器，但它更常用作辅助检测器，用于聚合物特别是共聚物的组成分析。

4. 凝胶渗透色谱柱的校正

GPC直接得到的是聚合物分子的流出体积(V_e)或流出时间，若要据此获得聚合物的分子量（M）信息，还必须建立分子量与流出体积的对应关系。分子量与流出体积之间的对应关系通常用分子量的对数值（lgM）与流出体积的关系曲线（lgM-V_e曲线）来表征，lgM-V_e曲线称为分子量校正曲线。校正曲线必须通过实验来确定。最常用的方法是用一系列分子量不同的单分散性（d<1.1）聚合物标样（分子量已知）在设定实验条件下进行GPC分析，测定其流出时间，这样就可以建立该种聚合物在设定实验条件下的lgM-V_e曲线。显然，不同聚合物的lgM-V_e关系是不同的，因此该方法得到的校正曲线不是普适的。此外不同实验条件下得到的lgM-V_e曲线也会有所区别，因此在进行GPC实验时，必须保证样品的测试条件必须与校正曲线的测试条件相同。严格意义上，为了得到准确的分子量信息，每种聚合物都必须建立自己的校正曲线，但由于技术上的限制，并不是每种聚合物都容易获得窄分布样品。为此在进行GPC分析时，常常借用他种聚合物的GPC校正曲线，其中最常用的是聚苯乙烯校正曲线。在此情形下，测得的分子量便是一种相对意义上的分子量，并不是绝对分子量。1966年，Benoit等应用聚合物分子的流体力学体积建立了一种普适的校正方法。聚合物分子的流体力学体积V_h理论上可表示为分子量和特性黏度的乘积：

V_h = [h]M

由于GPC反映的是流出体积与聚合物流体力学体积之间的关系，流体力学体积相同的聚合物，其GPC流出体积也相同。因此当用lg[h]M对流出体积作图时，不管聚合物的性质如何，总是得到一条相同的曲线，因此用lg[h]M-V_e曲线作为校正曲线具有普适性。由普适校正曲线得到的是[h]M，特性黏度[h]与分子量M之间的关系可通过Mark-Houwink经验关系式来描述：

[h]=KM^a

因此在应用普适校正方法测定聚合物分子量时，还必须知道该聚合物的两个系数K和a，但是只有少数聚合物的这两个系数是精确已知的。因此该方法的应用仍有其局限性。

    需要注意的是，校正曲线不能一劳永逸地长时间使用，因为GPC仪在使用过程中，仪器状况难免发生变化，当样品测试时的仪器状况与标定校正曲线时的仪器状况发生变化时，必须重新作校正曲线。

5. GPC流动相及柱温的选择

流动相必须是聚合物样品的良溶剂以减少非体积排除效应，但同时也必须是凝胶的良好溶胀剂，以避免凝胶塌陷和柱收缩。对于有机聚合物，聚苯乙烯凝胶是非常合适的凝胶，而最常使用的溶剂是四氢呋喃，它对大多数聚合物具有良好的溶解性，并且与聚苯乙烯凝胶具有很好的相容性。除四氢呋喃外，甲苯、氯仿、二氯甲烷等也较常使用。如果聚合物在室温条件下溶解良好，则通常选择室温作为柱温。有时为了减少溶液黏度以及促进体积排除平衡，也可以适当升温以增加柱效率和减少体系的压力下降。但有些聚合物并不适于用四氢呋喃作溶解，而且还常常需要升温。对于这样的聚合物不能用常温GPC，而应使用高温GPC。如聚烯烃通常用邻二氯苯或三氯苯作溶剂，柱温为135~145 ℃；聚酰胺用间甲酚或苯甲醇作溶剂，柱温为135℃；聚酯用N-甲基吡咯烷酮，聚氨酯用二甲基甲酰胺。水溶性聚合物用水作流动相。若聚合物带电荷，则需添加适当的盐以避免聚电解质效应。

6. GPC在聚合物研究中的应用  

从聚合物的GPC曲线（反映聚合物的分子量分布）可以获得多种定性信息。如由GPC曲线的形状（对称、不对称、单峰、双峰等）可以粗略地得知该聚合物样品的分子量分布情况，GPC峰的峰宽则可大致反映聚合物的多分散度。

6.1分子量及分子量分布的测定

GPC实验的首要目的是测定聚合物的平均分子量和分子量分布。由实验所得的GPC曲线计算平均分子量和分子量分布的数学过程相对简单，一种常用的计算方法是将GPC曲线沿横坐标均分成n个窄条，相当于将聚合物样品分成n个级分，每个窄条有其对应的流出体积V_i和与级分浓度c_i对应的谱线强度H_i，由流出体积V_i结合校正曲线可得出每个级分的分子量M_i，则数均分子量、粘均分子量、重均分子量和z-均分子量可分别由下列公式计算：

多分散系数。

6.2 活性聚合研究

活性聚合的重要特征是聚合产物的数均分子量与单体转化率成正比，且与理论值相符，数均分子量的理论值可通过单体转化率和引发剂浓度计算，而且分子量分布始终保持窄分布。这些都可通过GPC进行表征，因此GPC实验是活性聚合研究的重要手段之一。其次，GPC实验也是通过活性聚合的顺序活性聚合法或大分子引发剂法等方法合成嵌段共聚物的重要研究手段之一，通过GPC曲线表征可以初步判断是否成功得到了嵌段共聚物、嵌段反应的效率如何、有无均聚物生成，而且还可通过共聚物与均聚物的GPC峰的面积比估算产物中均聚物的含量等。

6.3聚合物中小分子化合物的研究

当GPC用于小分子化合物研究时，必须使用小孔径凝胶，由于小孔径凝胶比通常GPC凝胶的交联度低，因此它们对溶胀更敏感，对溶剂的选择有所限制。除体积排除机理外还可能发生其他分级机理，因此其流出时间与分子量之间的关系不是很确定，但是低分子量范围内的定性分离是非常有用的，例如，可用GPC来分离、分析塑料中的添加剂，有时甚至可以进行定量分析。但用于定量分析时，由于聚合物和小分子化合物在检测器上的灵敏度不同，通常不能直接用峰面积进行比较，常采用内标定量法。

6.4 利用制备GPC对聚合物样品进行提纯和分级

进行GPC实验时，当聚合物从检测器流出后，根据其GPC峰分别收集各个级分的淋出液，再通过蒸发或沉淀方法把聚合物分离出来，便可以分离得到各级分的聚合物。这对于聚合物的分离提纯和获得窄分布聚合物是非常有利的。但是对于通常的分析GPC，由于其进样量非常少，为了得到足够量的聚合物就必须使用配有大直径GPC柱的制备GPC。制备GPC的用途之一是通过“去头去尾”提纯聚合物，即仅收集宽分布聚合物的中间部分，而将头尾的低分子量和高分子量部分去掉，达到精制聚合物、窄化分子量分布的目的。其次，制备GPC应用于嵌段聚合物合成研究时，可用来除去体系中的均聚物得到纯的嵌段共聚物。

【仪器试剂】

凝胶渗透色谱仪，真空线，手套操作箱，安培管，玻璃注射器，离心机。

新蒸四氢呋喃（用钠和二苯基甲酮回流至深蓝色，新蒸使用），精制苯乙烯，偶氮二异丁腈（AIBN），二硫代苯甲酸2-氰基异丙酯(CPDB)，液氮，甲醇。

【实验步骤】

1. 苯乙烯的RAFT聚合

    在手套操作箱中配制如下溶液：将3.12g（30 mmol）苯乙烯，16.4 mg （0.1 mmol）AIBN，66.2 mg (0.3 mmol) CPDB溶于15 mL新蒸四氢呋喃。用注射器各取2 mL溶液分别注入5支安培管中。将安培管用胶头密封后取出手套操作箱，在真空线上经三次液氮冷冻-抽真空-充氮气解冻除氧后，氮气保护下熔封，在65℃下分别反应1、2、4、8和24 h后，取出用冰水冷却终止聚合反应，反应混合物用四氢呋喃稀释后倒入甲醇中沉淀，沉淀离心分离，并用甲醇洗涤数次后，真空干燥，用重量法测定单体转化率。

2. GPC测定聚合物分子量与分子量分布

（1） 了解GPC仪器的基本构造，熟悉并掌握各组件的基本操作；熟悉并掌握GPC仪所附软件的使用；

（2）流动相的准备：四氢呋喃对常见的大多数聚合物具有良好的溶解性，是最常使用的流动相，对于市售的分析纯试剂，在使用前必须经过预处理，通常的作法是加P₂O₅回流除水，再蒸馏使用。四氢呋喃属醚类溶剂，在储存过程中可能生成过氧化物，在蒸馏时必须保证有一定量的溶剂残留，不能蒸干，以免发生爆炸。经蒸馏处理后的溶剂还必须经砂芯漏斗过滤除尘，超声波振荡脱气后，才可注入GPC仪储液瓶中使用。

（3）聚合物样品溶液的准备：将前面RAFT聚合所得聚合物用新蒸的四氢呋喃配成浓度为10 mg/mL的溶液，待聚合物充分溶解后，用膜过滤头过滤除去可能的不溶性物质，将滤液注入样品管中待用。

（4）上机测定聚合物分子量与分子量分布：流速1 mL/min，柱温35℃。

【数据处理】

1. 比较不同转化率所得聚合物的GPC曲线，是否为对称性单峰，若出现肩峰，试讨论其形成原因。

2. 绘出数均分子量和分子量分布随单体转化率变化的关系曲线，并据此讨论该聚合反应是否为活性/可控聚合，或者该聚合反应在多长时间内具有活性/可控聚合特性。 

凝胶色谱技术在高分子涂料中的应用

样品在做凝胶色谱前，需要除去样品中的粉质和溶剂。常用溶剂去除方法有室温自然干燥法和红外灯干燥。对一些和氧气有反应的树脂如醇酸树脂，使用红外灯干燥时需要使用氮气保护，某些受热易自聚的树脂只能使用自然干燥的方法除去溶剂。如果溶剂与树脂的峰图不产生重叠干扰也可以不用干燥直接进样分析。

醇酸树脂是涂料中用量最大的树脂材料。分为长油型、中油型、短油型。不同的涂料品种有不同的分子量要求。因此凝胶色谱技术作为涂料工业的一个重要质量控制设备要被广泛使用。其中长油型主要用于自干性清漆，一般需要有较高的分子量，干燥时容易成膜，中军分子量可达十几万，分布宽度长达20以上。另外两种型号一般分子量及其分布都要小一些。

环氧树脂类涂料具有良好的化学稳定性和粘附力。常被用来做底漆，一般分子量不大。

硝基漆的主要成膜物质是硝化棉，可用作聚氨酯涂料的改性剂，可以使用凝胶色谱技术进行分析。

此外许多其它可以利用凝胶色谱进行分析的高分子涂料还有：氨基树脂、丙烯酸树脂、脲醛树脂、醋酸纤维素、不饱和树脂、聚氨酯固化剂、丙烯酸乳液等。

4.6凝胶技术在塑料降解研究中的应用

目前大量合成树脂用于日常生活中，其难以降解也带来了废弃后难以处理的环境问题，因此目前高分子科学工作者，面临这两种出路，要么开发出环境友好的替代品，要么找到能够解决这些白色污染的方法。

用GPC研究壳聚糖氧化降解过程中的分子量及其分布。由于不同分子量的壳聚糖，其生理活性不同。因此通过有效而易于控制的降解方法，制得不同分子量的壳聚糖以满足不同应用领域的需要是一项很有意义的研究工作。

随着凝胶技术的不断发展，将来会有更多高效高质的测试仪器出现，为高分子材料的研究开发提供更多的便利。凝胶技术已经应用到：窄分子量分布PS的合成、表征及应用；窄分子量分布聚甲基丙烯酸乙酯的研究；玉米淀粉的粒度效应与其微观形貌和性能关系研究；嵌段共聚偶联剂的合成及其对玻纤/环氧复合材料性能的影响；汽车耐磨球座聚酯弹性体专用料的结构及性能的研究等等。此外还利用凝胶色谱技术开发了许多不同类型的高分子材料的凝胶法实验方法如：聚丙烯腈、高粘度PET切片、聚氨酯树脂、水溶性丙烯酸树脂、氧乙烯醚产品、聚丙烯腈共聚物、PAN、木素磺酸盐电氧化降解产物等等。同时也会进一步拓宽高分子领域的研究范围。