Système de chromatographie par perméation de gel
Mesure du poids moléculaire par la méthode GPC
Les méthodes utilisées pour mesurer le poids moléculaire des polymères incluent la méthode de diffusion de la lumière, la méthode de la pression osmotique et la méthode de la viscosité. Ces méthodes permettent d'obtenir les valeurs moyennes du poids moléculaire. Cependant, de nombreux polymères sont constitués de molécules ayant non pas un seul poids moléculaire, mais plutôt un ensemble de molécules avec de nombreux poids moléculaires différents.
La chromatographie par perméation de gel (GPC) est un type de chromatographie d'exclusion par taille (SEC). Elle est principalement utilisée pour mesurer le poids moléculaire des composés polymères. La distribution des poids moléculaires montre combien de poids moléculaire contient un échantillon, et elle est largement utilisée pour le contrôle de la qualité afin de connaître la différence dans les propriétés des composés polymères.
Fig.1 Image de la chromatographie d'exclusion par taille
Courbe d'étalonnage
Fig.2 Courbe d'étalonnage
Concernant la SEC, lorsque des molécules de différentes tailles traversent la colonne, les petites molécules s'écoulent lentement tout en pénétrant profondément dans les pores du matériau de remplissage (Fig. 1, à droite), tandis que les grandes molécules s'écoulent hors de la colonne sans pénétrer dans les pores (Fig. 1, à gauche). En conséquence, l'ordre d'élution de la colonne est plus rapide pour les grandes molécules et plus lent pour les petites molécules. La SEC est un mode de séparation qui tamise les molécules en fonction de leur taille.
Dans la SEC, comme montré dans la Fig.1, l'ordre d'élution de la colonne est plus rapide pour les grandes molécules et plus lent pour les petites molécules. La courbe d'étalonnage montre graphiquement cette relation. La Fig.2 montre la relation entre le temps de rétention (également appelé volume d'élution) et le poids moléculaire pour la SEC. Lorsque des molécules plus grandes qu'une certaine taille sont séparées par chromatographie d'exclusion par taille, le temps de rétention est le même car la substance passe à travers les pores du matériau de remplissage. C'est ce qu'on appelle la limite d'exclusion. Inversement, les molécules en dessous d'une certaine taille pénètrent complètement dans les pores et ont tendance à éluer presque à la même position. C'est ce qu'on appelle la limite de perméation.
Pour obtenir une distribution précise du poids moléculaire des matériaux polymères, il est nécessaire de définir des conditions analytiques telles que les matériaux polymères mesurés soient élués entre la limite d'exclusion et la limite de perméation.
Sélection de la colonne GPC
Dans l'analyse GPC, la quantité d'élution est déterminée en utilisant un marqueur de poids moléculaire connu, et une courbe d'étalonnage est préparée en traçant le logarithme du poids moléculaire sur l'axe vertical et le logarithme de la quantité d'élution sur l'axe horizontal (temps de rétention) avant d'analyser l'échantillon inconnu. La Fig. 3 montre la courbe d'étalonnage préparée en utilisant une série de colonnes GPC (Shim-pack GPC) et du polystyrène (PS) comme standard.
Les colonnes de chromatographie d'exclusion par taille sont disponibles dans le commerce avec un groupe (série) de différentes tailles de pores de matériau de remplissage (différentes limites d'exclusion). Pour la sélection de la colonne, une colonne capable de déterminer la plage cible de distribution des poids moléculaires doit être utilisée. Lorsque la distribution des poids moléculaires d'un échantillon est sur une large plage, plusieurs colonnes capables de mesurer une certaine plage de distribution des poids moléculaires sont sélectionnées dans la même série de produits, et elles sont connectées en série. Alternativement, une colonne de type gel mixte (par exemple, GPC -80 M) qui contient du gel avec différentes tailles de pores peut être utilisée. La colonne de type gel mixte est principalement utilisée pour l'analyse d'échantillons de distribution inconnue et d'échantillons avec une large plage de poids moléculaires dans l'échantillon.
Fig.3 Courbes d'étalonnage pour les colonnes GPC avec différentes régions cibles de poids moléculaire (Série Shim-pack GPC)
Distribution des poids moléculaires
Pour l'analyse GPC, la forme du pic n'est pas toujours nette (Fig.4). Une largeur de pic large signifie que la distribution des poids moléculaires de l'échantillon est large, et une largeur de pic étroite signifie que la distribution des poids moléculaires est étroite. Chaque pic contient un mélange de substances à haut poids moléculaire avec différents poids moléculaires. En d'autres termes, le poids moléculaire d'une substance qui élue tôt, même pour un seul pic, est grand, tandis que celui d'une substance qui élue plus tard est petit.
Fig.4 Distribution des poids moléculaires
Calcul du poids moléculaire moyen
Il existe plusieurs méthodes pour calculer le poids moléculaire moyen. Comme montré dans le Tableau 1, les propriétés physiques des substances à haut poids moléculaire ayant le même poids moléculaire moyen peuvent différer si la distribution des poids moléculaires est différente. Ces propriétés physiques sont évaluées à l'aide d'une machine d'essai, et la distribution des poids moléculaires obtenue par mesure GPC est également considérée comme corrélée en tant qu'indice d'évaluation des propriétés physiques.
Tableau 1 Propriétés physiques de divers poids moléculaires moyens
| Propriétés des polymères corrélées | Méthode de mesure (valeur absolue) | |
|---|---|---|
| Poids moléculaire moyen en nombre (Mn) | Résistance à la traction, résistance aux chocs et dureté | Méthodes de pression osmotique et de pression de vapeur |
| Poids moléculaire moyen en poids (Mw) | Méthodes de pression osmotique et de pression de vapeur | Méthodes de diffusion de la lumière et d'ultracentrifugeuse |
| Poids moléculaire moyen z (Mz) | Déflexion et rigidité |
Mesure du poids moléculaire
La GPC pour l'analyse des polymères hydrophobes a traditionnellement été réalisée en utilisant un détecteur à indice de réfraction différentiel (RID) car de nombreux composés polymères synthétiques ne possèdent pas les groupes fonctionnels pour l'absorption UV et le solvant pour la phase mobile GPC, tels que le tétrahydrofurane (THF) et le N,N-diméthylformamide (DMF), absorbent les longueurs d'onde.
La Fig.5 montre les résultats analytiques du polystyrène synthétique (PS) obtenus en utilisant un RID. Le poids moléculaire moyen du PS a été calculé en utilisant la courbe d'étalonnage générée dans ces conditions analytiques. En conséquence, le poids moléculaire moyen en poids (Mw) et le poids moléculaire moyen en nombre (Mn) étaient d'environ 26 000 et environ 15 000, respectivement.
Fig.5 Chromatogramme du polystyrène synthétisé (5 g/L, 5 μL injectés)
Produits connexes
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Le logiciel GPC fournit l'environnement optimal pour les calculs de distribution des poids moléculaires, ainsi que pour l'analyse qualitative et quantitative via plusieurs détecteurs.
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Les colonnes de la série Shim-pack GPC sont utilisées pour la détermination du tétrahydrofurane (série 800) et du diméthylformamide (série 800D).
