Can GPC/SEC determinar se minha amostra é ramificada?

Ao conversar com clientes sobre suas amostras, um tema frequente que surge é se suas amostras são ramificadas. Felizmente, trabalho principalmente com a gel permeação / cromatografia de exclusão por tamanho (GPC/SEC) linha de produtos da Malvern Panalytical, que além de fornecer dados de peso molecular, viscosidade intrínseca (IV) e raio hidrodinâmico (Rh), oferece a técnica ideal para observar, e até quantificar, o grau de ramificação dentro de uma amostra. Neste post, vou descrever o que significa para uma amostra ser ramificada, como a ramificação afeta a estrutura molecular de uma amostra e como GPC/SEC pode ser usado para medir a ramificação.

Vamos começar definindo o que significa para uma amostra ser ramificada ou exibir ramificação. Um ponto de ramificação em um polímero é um ponto trifuncional (ou maior) onde uma cadeia secundária se propagou a partir do esqueleto linear primário da molécula. Do ponto de vista prático, isso significa que, em um nível material, as cadeias poliméricas dentro de uma amostra são incapazes de se empacotar de forma compacta, o que muitas vezes resulta em materiais de uso final elásticos ou flexíveis. Alguns materiais são projetados para serem consistentemente ramificados (pense na molécula em formato de pente), alguns aleatoriamente ramificados, enquanto outros acabam ramificados como um resultado não intencional do evento de polimerização. Seja intencional ou não, observar e potencialmente quantificar a ramificação dentro de uma amostra é uma parte fundamental da caracterização completa.

Além de dificultar o empacotamento das cadeias poliméricas, a ramificação afeta a estrutura de uma única cadeia polimérica, tornando-a mais densa. Isso pode parecer contraintuitivo, considerando que a ramificação tipicamente resulta no produto final sendo mais flexível ou menos denso, mas em nível molecular um ponto de ramificação aumenta a quantidade de massa em um determinado volume, aumentando assim a densidade molecular.

A figura abaixo representa duas cadeias poliméricas com massa igual, uma linear e outra ramificada. O volume ocupado pela cadeia ramificada é menor do que o da cadeia linear, resultando em uma maior densidade molecular para a cadeia ramificada. Essa diferença na densidade molecular entre uma amostra linear e ramificada é o que permite que a ramificação seja observada.

Conforme indicado pela linha inferior na figura acima, a diferença na densidade molecular gerada pela ramificação manifesta-se como uma diferença na IV medida. As unidades de IV são dL/g, ou volume por massa, e representam uma figura de densidade inversa. Essa relação inversa é por que a densidade molecular aumenta com a ramificação, enquanto a IV diminui. Não é preciso dizer que a presença de um detector de viscosímetro em um sistema GPC/SEC é crítica para observar e caracterizar a ramificação dentro de amostras.

A melhor forma de estudar a estrutura molecular de uma amostra é através do gráfico Mark-Houwink (MH), que representa a IV de uma amostra no eixo y em relação ao seu peso molecular no eixo x. Polímeros com estruturas consistentes ao longo de sua faixa de peso molecular têm gráficos MH que aparecem como linhas retas, pois seu tamanho molecular, e portanto IV, aumenta a uma taxa consistente com o aumento do peso molecular. Amostras com estruturas semelhantes terão gráficos MH que se sobrepõem ou existem ao longo da mesma linha. Amostras com diferentes densidades moleculares aparecerão “empilhadas”, com o material mais denso situado na parte inferior do gráfico.

Se um material for ramificado, seu gráfico MH aparecerá curvado para baixo com o aumento do peso molecular, em comparação a um análogo linear. Isso é ilustrado na figura abaixo, onde as linhas vermelha e roxa representam uma amostra linear e as linhas curvadas representam uma variedade de amostras ramificadas.

A razão pela qual as amostras ramificadas aparecem curvadas é devido aos pontos de ramificação, que aumentam a densidade molecular. Como a densidade molecular e a viscosidade intrínseca são inversamente relacionadas, quando a densidade molecular aumenta em um dado peso molecular, a viscosidade intrínseca diminui. À medida que o gráfico avança ao longo do eixo x para a direita, o peso molecular da amostra aumenta, o que significa que há mais oportunidades para pontos de ramificação, e portanto as diferenças entre as amostras lineares e ramificadas aumentam com o aumento do peso molecular. Esta diferença entre os gráficos das amostras lineares e ramificadas fornece a base para cálculos de ramificação.

Esses gráficos mostram exemplos de ramificação de cadeia longa, na qual a ramificação aumenta junto com o peso molecular. Um gráfico Mark-Houwink de uma amostra que exibe ramificação de cadeia curta, onde a molécula possui ramos curtos e regulares presentes consistentemente ao longo de sua estrutura, se pareceria mais com os gráficos empilhados descritos acima. Um exemplo disso seria as diferenças entre polietileno e polipropileno, mostradas abaixo, em que ambas as amostras têm um esqueleto de hidrocarboneto saturado idêntico, mas a amostra de polipropileno tem um substituinte metil em cada outro carbono. Nesse caso, a densidade molecular do polipropileno é maior que a do polietileno, mas a quantidade de ramificação não aumenta com o peso molecular, pois o comprimento de cada ramo permanece o mesmo, independentemente do peso molecular. As diferenças entre polietileno e polipropileno são tipicamente descritas como decorrentes de diferenças na estrutura molecular, não devido à ramificação.

O software OmniSEC da Malvern Panalytical é projetado para calcular a ramificação de cadeia longa usando as três equações de Zimm-Stockmayer mais comuns para ramificação. Esses modelos comparam a IV de um referencial linear e uma amostra ramificada em cada peso molecular. Se um referencial linear, como o gráfico preto na figura abaixo, não estiver disponível, o usuário pode gerar um inserindo os parâmetros MH apropriados a e log K ou usando a região linear de menor peso molecular de um gráfico MH de uma amostra para aproximar sua trajetória.

Uma demonstração em vídeo do método de análise de ramificação, incluindo dados de demonstração com os quais você pode praticar, pode ser encontrada clicando aqui e na imagem abaixo. Os dados calculados disponíveis a partir deste tipo de análise incluem o número de ramificação (Bn), ou número médio de ramos por cadeia, e a frequência de ramificação (λ). Esses dados, juntamente com os parâmetros MH a e log K, fornecem uma visão detalhada da estrutura molecular de uma amostra. A melhor parte é que todos esses dados podem ser obtidos a partir de uma única injeção de uma amostra em um instrumento GPC/SEC com multidetector!

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