實驗1-2　聚甲基丙烯酸甲酯分子量及分子量分布的測定

一、實驗目的

1.加深對GPC測定聚合物相對分子質量及分布的原理的理解。

2.掌握使用GPC測定聚甲基丙烯酸甲酯的相對分子質量及分布的實驗技術。

二、實驗原理

1.體積排除理論

體積排除理論是假定在分離過程中凝膠的孔洞內外處于擴散平衡狀態。在擴散平衡時，溶質分子在孔洞內的停留時間遠大于溶質分子擴散入與擴散出凝膠孔洞所需的時間。也就是說，每當溶質層流過一個凝膠顆粒這段距離時，溶質分子已多次進出于凝膠的孔洞并達到平衡。

凝膠滲透色譜（GPC）的分離過程是在裝有多孔凝膠填料，如交聯聚苯乙烯、多孔硅膠、多孔玻璃等的柱中進行的。由于大小不同的溶質分子在凝膠中可以占據的空間體積不同，多孔填料的內部和表面有著各種大小不同的孔洞或通道，當聚合物溶液隨著流動相溶劑流經色譜柱時，按分子大小被分離。然而，這種分離并不是依賴于固定相、溶質和流動相三者之間的作用力，而是溶質分子從濃度中心向外擴散，并進入到已吸留了溶劑的凝膠孔中去，同時隨著流動相的流動，溶質分子沿色譜柱向下流動，這個過程在整個凝膠滲透色譜柱內反復進行著。通過這個過程，能使溶質分子滲透進入與其自身尺寸相適應的凝膠孔內，大小不同的溶質分子滲透到凝膠孔內去的概率是不相同的。較大的分子可以進入較大的孔洞；中等大小的分子可以進入中等大小以上的孔洞；而較小的分子則不僅可以進入大、中孔洞，而且還可以進入較小的孔洞；而比最大孔還要大的分子就無法進入凝膠所有的孔內，只能留在凝膠顆粒之間的空隙中，隨著流動相的移動而最先被沖洗出柱外。所以，溶質分子尺寸越小，擴散進入孔的機會越多，因此小分子在孔內停留的概率越大，在柱中的保留時間也越長，即小分子在柱內流過的路徑比大分子長。這樣大分子被先淋洗出，其淋出體積就小；小分子被后淋洗出，其淋出體積就大。隨著淋洗過程的進行，溶質分子就按由大到小的次序被分開，這就是體積排除理論對GPC分離機理的解釋。

2.儀器結構

凝膠滲透色譜儀結構見圖1-1。

GPC的色譜柱所選用的填料（又稱載體），要求分辨率高、有良好的化學穩定性和熱穩定性、有一定的力學強度、不易變形、流動阻力小、對試樣沒有化學吸附作用。從填料的材質可分為有機填料和無機填料。從用途可分為適用于水的以及適用于有機溶劑的。在有機填料中，適用于有機溶劑的有交聯聚苯乙烯凝膠、交聯聚乙酸乙烯酯凝膠等；適用于水溶液、電解質溶液體系的有網狀結構的葡聚糖、聚丙烯酰胺等。而無機填料有多孔硅膠、多孔玻璃珠等，它們對水溶液體系和有機溶劑體系都適用。

凝膠色譜儀由輸液系統（包括溶劑貯存器、脫氣裝置、輸液泵以及各種調節閥、壓力表等）、進樣系統（進樣器和六通進樣閥）、溫控系統（溫度控制儀和柱溫箱）、分離系統（色譜柱）、檢測系統（示差折光檢測器、紫外檢測器等）和數據處理系統六大系統組成。

三、實驗儀器和實驗原料

1.實驗儀器

凝膠滲透色譜儀（GPC）、超聲波振蕩器、過濾器、微孔濾膜、注射器（5mL）。

2.實驗原料

聚甲基丙烯酸甲酯、四氫呋喃。

四、實驗步驟

1.開機

打開高壓輸液泵電源，設置最大壓力，流速1mL/min，設置完成后啟動泵（注意管路中有無氣泡，如有氣泡，應打開排氣閥排氣），設置柱溫箱溫度為35℃，打開示差檢測器電源，開始自動平衡過程。

2.試樣預處理

過濾時，在過濾針頭中裝上濾膜（孔徑45μm ），用5mL注射器吸入聚甲基丙烯酸甲酯的四氫呋喃溶液（濃度約為1mg/mL），將其擠壓過濾。

3.定義實驗條件

首先，輸入要定義的實驗條件代碼，可以是從A～Z的26個英文字母中的任意一個，最多能定義26個工作系統。鍵入工作系統后，按屏幕提示依次輸入溶劑名稱、溫度、流速、檢測器參數、校正曲線名稱等。

4.進樣

當記錄儀的基線顯示為一條穩定的直線后，表明系統已達到平衡，即可進樣。此時，進樣手柄在“Inject”位置，用微量進樣器抽取60～80μL樣品溶液，排出進樣器中的氣泡，使進樣器中樣品的體積在40～60μL之間，然后將長針頭插入管口中直到針筒碰到閥體，把試樣緩緩推入，注入六通進樣閥。右旋（順時針方向轉動）進樣器手柄，要穩、準、快地轉至“Load”位置（進樣器手柄轉動時要穩、準、快地到位，過慢會使系統壓力驟增），同時自動進入自動數據采集狀態。

5.數據采集

當計算機接收到采集的數據后，將數據存入文件中。在正常情況下，計算機自動對采集到的數據存盤并等待下一個進樣信號，進行下一個樣品的采集。實驗全部完成后自動回到菜單。

6.關閉系統

數據采集完成以后，關閉示差監測器和柱溫箱，高壓輸液泵繼續以1mL/min的流速運行1h后關閉。

7.數據記錄處理

（1）建立校正曲線：選“光標輸入校正曲線”時，請按屏幕的要求依次填寫下列內容：校正曲線文件名、K、α、校正曲線方次、數據文件數目。全部輸入完畢并確認后，計算機從磁盤中調出第一張標樣的譜圖并繪制在屏幕上。移動光標找到峰位并按“選取”鍵接收，完成一張譜圖后按“下張譜圖”。對所有譜圖輸入完畢后，按“完成”。此時出現一張表格，在此表格中，計算機已對用光標輸入的時間值進行了從小到大的排列。操作者只要在相應的時間值后面輸入標樣的相對分子質量即可。輸入完畢并確認后，計算機對所輸入的數據進行計算并在屏幕上顯示結果及校正曲線圖。

（2）普適校正：按要求依次輸入樣品校正曲線名、K、α、N及標樣校正曲線文件名，輸入完畢后計算機對其進行計算、顯示/打印、存盤。

（3）計算相對分子質量：進入數據計算子菜單后，首先輸入所要計算的數據文件名。計算機調出原始譜圖，利用鼠標選取基線。屏幕出現所選的區間圖，如需要進一步設定計算區間，可選取計算區間，選定后，屏幕上顯示出計算結果及所要求的各類數據。選用樣品的K、α值進行計算，軟件會根據樣品與標樣的K、α值自動進行普適轉換。在K、α處輸入樣品的K、α（顯示的K、a是標樣的），按“確認”即可。在計算結束后，系統自動將時間、峰值、微分、積分、相對分子質量的數據存盤，在其他的繪圖軟件中調出。

（4）利用數據編輯功能可對數據文件進行多重微分、譜圖疊加、分峰、求K和α值等處理，并可進行理論塔板數的計算。雙檢測計算模型有組成及組成分布、相對濃度含量計算。

五、思考與討論

1.通過GPC實驗可以獲得哪些實驗結果？GPC是相對法還是絕對法？

2.普適校正曲線可適用于多種聚合物的原理是什么？

3.聚甲基丙烯酸甲酯相對分子質量分布對制品性能和加工條件有什么影響？