Méthode de mesure de la masse moléculaire absolue des polymères synthétiques

MESURES DE MASSE MOLÉCULAIRE ABSOLUE DES POLYMÈRES SYNTHÉTIQUES PAR UTILISATION DU VISCOTEK SEC-MALS 20

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Introduction

Les propriétés physiques et le comportement des polymères dépendent fortement des propriétés des molécules de polymère elles-mêmes. La masse moléculaire et la distribution de la masse moléculaire, la taille moléculaire et la structure influencent tous le comportement du matériau.

La chromatographie par perméation de gel (GPC), également appelée chromatographie par exclusion de taille (SEC), est l’outil le plus couramment utilisé pour évaluer ces paramètres.

Le principe de la GPC implique de séparer l’échantillon en le faisant passer à travers une matrice de colonne poreuse mais inerte. Alors que les plus petites molécules pénètrent plus profondément dans les pores, les plus grosses molécules sont exclues et traversent donc la colonne plus rapidement. Le résultat est une séparation basée sur le volume hydrodynamique, mais le but est de connaître la masse moléculaire de l’échantillon.

Le système Malvern SEC-MALS 20 est un détecteur de diffusion de la lumière à 20 angles capable de mesurer la masse moléculaire et le rayon de giration (Rg). Il est utilisé dans le cadre d’un système GPC multi-détecteurs qui combine la diffusion de la lumière avec d’autres détecteurs tels que l’indice de réfraction (RI), l’ultraviolet (UV) et la viscosité intrinsèque (IV) pour générer simultanément une grande quantité d’informations sur un échantillon.

Dans cette note d’application, la masse moléculaire, la distribution de la masse moléculaire et la taille de deux polymères courants sont mesurées à l’aide de SEC-MALS. Les résultats de SEC-MALS sont comparés à ceux d’une calibration conventionnelle et les différences sont discutées.

Matériaux et méthodes

Le système SEC-MALS 20 a été connecté à un Viscotek GPCmax et un détecteur RI Viscotek VE3580.

Les échantillons ont été séparés en utilisant deux colonnes Viscotek T6000M. Le phase mobile était le THF stabilisé avec 300 ppm de BHT.

Les échantillons ont été laissés à se dissoudre pendant la nuit pour assurer une dissolution complète.

Le système SEC-MALS a été calibré avec un standard de polystyrène de 105 kDa traçable.

Le réglage de calibration conventionnel a été calibré avec une série de standards de polystyrène de masses moléculaires connues.

Les détecteurs et les colonnes ont tous été maintenus à 35 °C pour garantir une bonne séparation et maximiser la stabilité de la ligne de base.

Les deux échantillons analysés dans cette note sont un échantillon de polystyrène à large distribution avec une masse moléculaire de 235 kDa (2,35 x 105 g/mol) et un échantillon de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) à large distribution. Les deux ont été dissous dans le phase mobile puis traités par le système.

Leurs masses moléculaires ont été mesurées en utilisant à la fois la calibration conventionnelle et le SEC-MALS 20.

Résultats

Un chromatogramme de l’échantillon de polystyrène 235 kDa avec une polydispersité élevée est montré dans la figure 2A. Le tableau inséré montre la masse moléculaire mesurée.

Le Viscotek SEC-MALS 20 mesure l’intensité de la diffusion lumineuse à 20 angles et la totalité des données angulaires est montrée dans la figure 2B.

Les distributions de masse moléculaire et de Rg sont montrées dans la figure 2C. Le Rg a été mesuré sur environ trois quarts du pic, correspondant à la zone où les molécules sont suffisamment grandes pour diffuser la lumière de façon anisotrope et donc avoir un Rg mesuré, et ceci est tracé dans la ligne marron.

Un graphique de Debye montrant la dépendance angulaire de la lumière diffusée est présenté dans la figure 2D. À un volume de rétention d’environ 18 ml, la taille des molécules est suffisamment petite pour qu’elles soient des diffuseurs isotropes, ce qui signifie qu’elles diffusent la lumière uniformément dans toutes les directions.

Un exemple de graphique de Debye de cette région peut être vu dans la figure 2E. La pente de la ligne est virtuellement nulle et un Rg ne peut être mesuré.

Par conséquent, la distribution de Rg se termine à environ 10 nm, qui est la limite inférieure de Rg pour le SEC-MALS, et est extrapolée à partir de ce point.

Historiquement, les mesures de masse moléculaire en utilisant GPC étaient effectuées en utilisant une courbe de calibration conventionnelle composée d’une série de standards de masse moléculaire connue.

Pour ce travail, une courbe de calibration a été créée en utilisant une série de standards de polystyrène. La courbe peut être vue dans la figure 3 superposée sur un chromatogramme de PS400k, un standard de 4×105 g/mol utilisé dans le cadre de la courbe de calibration.

Un échantillon de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) a été dissous dans la phase mobile et séparé par le système.

La figure 4 montre son chromatogramme superposé à la même courbe de calibration conventionnelle en polystyrène. Les résultats de masse moléculaire sont montrés dans le tableau inséré.

Cet échantillon est en fait connu pour avoir une masse moléculaire de 9.5 x 104 g/mol à partir de mesures de dispersion de lumière à faible angle (LALS).

Cependant, sa masse moléculaire mesurée en utilisant la calibration conventionnelle est d’environ 85 kDa et est donc significativement sous-évaluée.

La raison en est que le PMMA a une relation taille/masse moléculaire différente par rapport aux standards de polystyrène utilisés dans la calibration, ce qui signifie qu’il a une structure différente.

Des molécules de masse moléculaire similaire elueront donc à des volumes de rétention différents.

Cela confirme que si le polystyrène est utilisé pour créer une courbe de calibration conventionnelle et que le PMMA est l’échantillon, la masse moléculaire mesurée sera incorrecte.

Cette relation est en fait définie par la viscosité intrinsèque de la molécule, mais ce paramètre est discuté dans d’autres notes d’application (réf. MRK 1925).

D’autre part, les mesures de masse moléculaire par diffusion de lumière sont indépendantes du volume de rétention de l’échantillon.

Par conséquent, lorsque cet échantillon de PMMA est mesuré, les résultats devraient être plus précis.

La mesure de l’échantillon en utilisant le Viscotek SEC-MALS 20 a produit les résultats montrés dans la figure 5.

La figure 5A montre le chromatogramme pour l’échantillon de PMMA incluant à la fois les signaux RI et SEC-MALS à 90°.

Le tableau inséré montre que la masse moléculaire mesurée est de 94 kDa, très proche de la valeur correcte mesurée par LALS.

La masse moléculaire a donc été mesurée par le SEC-MALS avec une précision bien supérieure à celle de la calibration conventionnelle.

La masse moléculaire mesurée est représentée dans la figure 5C superposée sur le chromatogramme RI. Comme discuté ci-dessus pour l’échantillon de polystyrène, l’utilisation de MALS permet également la mesure de Rg pour les molécules suffisamment grandes pour diffuser la lumière de manière anisotrope.

La figure 5C montre le Rg mesuré pour la plupart du pic. Le Rg moyen mesuré est de 10,2 nm. Dans le bord descendant du pic, alors que la taille des molécules descend en dessous de 10 nm, le Rg ne peut plus être mesuré car l’échantillon diffuse la lumière isotrope dans cette région.

Discussion

L’ajout de la diffusion de lumière comme détecteur à un système GPC ajoute la capacité de mesurer avec précision la masse moléculaire de tout polymère, indépendamment de son volume d’élution.

Le Malvern