Cromatografia a permeazione di gel (GPC)

C. Daniel

MODULO: TECNICHE DI ANALISI

Dependence of Performance Properties on Molar Mass

+ property increase

- property decreaseo little change

Tensile Strength

Elongation

Yield Strength

Toughness

Brittleness

Hardness

Abrasion Resistance

Softening Temp

Melt Viscosity

Adhesion

Chemical Resistance

Solubility

Increase molar mass + + + + + + + + + - + -

Narrow the MWD + - - + - - + + + - + o

Esempi di distribuzione

n

wd

M

MI =70.1=dI

57.1=dI

07.1=dI

58.1=dI

70.1=dI

15.2=dI

Distribuzione

bimodale

Curve b) e e) hanno stesso Mn

Curve b) e f) hanno stesso Mw

La cromatografia di permeazione du gel (GPC) anche chiamata cromatografia di esclusione sterica (SEC) è un metodo di separazione in cui le molecole sono

frazionate in base alle loro dimensioni.

Principio:Una soluzione polimerica viene eluita attraverso una o più colonne

contenenti un impacchettamento poroso (piccole particelle costitute da un polimero con alto grado di reticolazione)

Le particelle i cui volumi idrodinamici sono più grandi delle dimensioni dei pori attraversano la colonna più

rapidamente, negli interstizi tra i grani

Più piccole sono le particelle e più tempo spendono nei pori ed il loro passaggio attraverso la colonna è ritardato

Il volume totale della colonna Vc è uguale a:

Vc = Vm + V0 + Vc

Vm : volume matrice solida che costituisce l’impacchetamento porosoV0: volume interstiziale tra le particlle dell’impacchetamento (Fase mobile)Vp : volume si pori (Fase stazionaria)

PSECr VKVV += 0

Durante l’eluizione le molecole di soluto sono distribuite tra la fase mobile

(completamente accessibile) e la frazione di fase stazionaria che si trova nei pori di dimensioni maggiori delle molecole stesse.

Il volume di retenzione Vr (anche chiamato volume di eluizione) di ogni soluto dipende dalle sue dimensioni molecolari e dalla porosità della colonna

Ksec: coefficiente di distribuzione sel soluto nella fase stazionaria (0< Ksec <1)

Pr VVV += 0

0VVr =

Per le molecole in grado di penetrare i tutti i pori, il volume di retenzione è pari a

(Ksec=1)

Per le molecole di dimensioni maggiori a tutti i pori, il volume di retenzione è pari a (Ksec=0)

Sequenza di eluizione nella GPC

Here is an example of the size separated chromatogramwhere the polymer elutes first, followed by monomer

GPC di una gomma da masticare

I componenti principali sono:•Sistema di iniezione/pompa del solvente•Colonna di separazione•Rilevatori

Schema della GPC

Soluzione

Sistema di iniezione del solvente

Deve essere capace di mantenere costante il flusso del solvente.La pompa deve generare alte pressione per eluire il solvente attraverso la colonna ad un flusso costante (tipicamente: q= 1 ml/min).In genere si misura il tempo di eluzione (tr) anziche il volume

Colonna (o colonne)Consistono in un impacchetamento di sfere rigide o semi-rigide di alta porosità•Sistemi acquosi: Geli reticolati di poliacrilamide o particelle rigide di vetro o silice•Sistemi organici non acquosi: Materiale più utilizzato è il polistirene altamente reticolato con o-divinilbenzene

Intervallo di dimensioni dei pori: 0.5-105 nm che permette una misura dei pesi molecolari nell’intervallo 100- 5x107 g/mol.

Ogni singola colonna è efficace soltanto in un stretto

intervallo di masse molecolari (1.5-2 ordini)

106 Å105 Å104 Å103 Å500 Å50 Å

Per poter coprire un ampio intervallo di pesi molecolari è necessario utilizzare diverse colonne o una colonna lunga con una distribuzione di porosità

Risoluzione delle colonne:

•Aumenta con L1/2

•Aumenta con (1/d2)

Diametro attuale delle sfere: 5-10 µmLunghezza colonna: 30-60 cm

NB: Colonna corta permette di diminuire il tempo di misura

Scelta del solvente

Il solvente deve essere in grado di sciogliere il polimero e non deve indurre “modi di separazione” secondari:

Solventi “non buoni” possono indurre l’adsorbimento del polimero sulle pareti dei pori della colonna e quindi modificare i valori dei volume di retenzione

I solventi più utilizzati sono:•THF: per i polimeri che possono essere sciolti a Tamb.•o-diclorobenzene e triclorobenzene per i poliolefin a T=130°C e T=150°C•2-clorofenolo per i poliammidi e poliester (T=90°C)

Buoni solventi devono essere preferiti

Il volume di soluzione iniettata è di c.a. 0.05 cc con una concentrazione tipica di 2 g/L

� c.a. 0.1 mg di polimero è eluito attraverso la colonna

Necessario avere detector molto sensibili

Migliori detector sono quelli UV

MA molti polimeri non assorbono nell’UV

Detector misurando l’assorbimento IR sono piùappropriati ma presentano un costo elevato

Inoltre sono specifici in quanto richiedono la presenza di particolari gruppi funzionali che devono anche essere assenti nel solventi

Rilevatori

I rivelatori più USATI sono quelli basati sulla misura dell’INDICE DI RIFRAZIONE

che misurano in continuo la differenza d’indice di rifrazione tra il solvente puro e la soluzione che eluisce dalla colonna

Rivelatori a diffusione della luce

L’intensità della luce diffusa dalla soluzione viene misura ad un angolo molto piccolo tra 2° e 6° (sistemi LALS, Low Angle Laser Scattering) o a angoli diversi equidistanti (sistemi MALLS, Multiple Angle Laser Light Scattering)

Per soluzioni molto diluite a q ∝∝∝∝ θ ∼0:

KcMR =∆ θ

Misurando c mediante un rilevatore di concentrazione e conoscendo

la costante ottica K si ottiene direttamente la distribuzione w(M)

Rivelatori viscosimetrici

Funzionamento basato sulla relazione tra la viscosità che fluisce in un capillare e la pressione esercita sulle par

La determinazione del rapporto tra la pressione esercita durante il passaggio

della soluzione e durante il passaggio del solvente permette di ottenere la viscosità relativa dalla quale la viscosità specifica può essere calcolata.

Per una soluzione molto diluita: [ ]ηη csp =

La determinazione di c mediante un rivelatore di concentrazione e la conoscenza

delle costanti di Mark-Houwink permettono di determinare la distribuzione w(M)

Rivelatori viscosimetrici e di diffusione della luce

combinati a detector di indice di refrazione permettono di

evitare il ricorso alla calibrazione

Il rilevatore permette di costruire il cromatogramma ossia la variazione della concentrazione in funzione del volume o tempo di retenzione

Cromatogramma Distribuzione dei

pesi molecolari

??????

Per poter trasformare il cromatogramma in una distribuzione dei pesi molecolari occorre stabilire la relazione tra volume di retenzione e peso molecolare

Necessario una taratura o calibrazione della colonna

Calibrazione GPC

Campioni standard (commerciali) sono di solito a base di polistirene con MW da 2.9 milioni a 3000 u.m.a.

Realizzata con campioni standard di massa molecolare nota e stretta

Preparazione di una curva di calibrazione(considerazioni generali)

Curva di calibrazione relativa ad una data colonna con certe dimensioni pori

Intervallo di MW

utile per la colonna scelta

In molte analisi si usano due o tre colonne in serie caratterizzateda differenti intervalli utili di massa molecolare

Trasformazione del cromatogramma

Calcolo distribuzione pesi molecolari

Frazione ponderale di polimero

eluito nel volume tra Vr e Vr+dVr

1. Area del cromatogramma posta uguale al peso unitario del polimero viene suddivisa in sezioni di spessori dVr

2. F(Vr) dVr proporzionale alla frazione ponderale di macromolecole eluite in dVr

3. Corrispondenza tra dVr e dlogM ottenuta tramite la curva di taratura� Aree delle sezioni del cromatogramma sono proporzionali alle frazioni ponderali

ω(M) di macromolecole compreso tra logM e logM + dlogM

M log )()( dMdVVF rr ω=

La relazione tra peso molecolare e volume di ritenzione è pari a : ( ))(exp rVfM −=

( ) eVfM r loglog −=

edV

VdfVF

M

r

r

r

log)(

)()( −=ω

La funzione ω(M) si ottiene dividendo punto per punto il valore del cromatogramma F(Vr) diviso per la derivata rispetto a Vr della curva di taratura

NB: La funzione ωωωω(M) è riportata in funzione di una scala logaritmica

eM

MMw log

)()(

ϖ=

E possibile trasformare la funzione ωωωω(M) in una distribuzione w(M) su scala

lineare mediante

Rispetto al cromatogramma la distribuzione dei pesi molecolari w(M) è piùappiattita e allargata (in misura maggiore dalla parte dei pesi molecolari alti)

Si ha (M)dMlogM )( ω=dMw

Problema della calibrazione

La calibrazione non è solo caratteristica della colonna/GPC ma anche del tipo di

polimero usato per costruirla.

Calibrazione può essere utilizzata soltanto per lo

stesso sistema polimero/solvente/colonna

Inoltre ad eccezione dei polimeri comuni, polimeri standards utilizzabili

per la calibrazione non sono disponibili per molti polimeri

E stato sviluppato una procedura di calibrazione universalevalida per tutti i polimeri purché si operi con lo stesso solvente.

Calibrazione universale

La calibrazione universale si basa sul

concetto di volume idrodinamico [ ]ηMVidro ∝

La calibrazione universale della GPC può essere realizzata con standards di PS per i

quali i valori di K e a sono ben noti

[ ] aKMM += 1η

Per polimeri con distribuzione stretta:

MMMM wn ≈≈≈ η

Cromatografia liquida bidimensionale(cromatografia ortogonale)

In addizione all’eterogeneità dei pesi molecolari (DPM: distribuzione dei pesi

molecolari) un polimero può anche presentare un’eterogeneità della

composizione chimica (DCC: distribuzione della composizione chimica)

Polimeri complessi (DPM +DCC): •Copolimeri• omopolimeri ramificati con distribuzione delle ramificazioni•Omopolimeri con distribuzioni dei gruppi funzionali

Per ottenere informazioni sulla distribuzione complessiva (DPM+DCC) è

necessario usare separazioni bidimensionali in cui prima si opera secondo una delle grandezze coinvolte e poi viene effettuato il

frazionamento secondo l’altro parametro

Cromatografia liquida di adsorbimento (LAC)

La seconda separazione può avvenire ad esempio con il meccanismo di

adsorbimento basato sulle interazioni tra i gruppi funzionali o porzioni delle molecole del soluto e la superficie della fase stazionaria

L’eluizione del soluto avviene attraverso numerosi stadi di adsorbimento e dessorbimento delle molecole che ne permette la separazione in base alle

differenti strutture chimiche

Energia in gioco nell’adsorbimento dipende dal numero di unità ripetitive che si legano alla fase stazionaria.Se l’interazione è forte il polimero non può essere eluito fin a quando anche una sola unità rimane adsorbita.

NB: Rispetto ai pesi molecolari l’ordine di eluizioni nella cromatografia di adsorbimento è opposta a quello ottenuto con la GPC.