合成高分子の絶対分子量測定方法
合成ポリマーの絶対分子量測定
イントロダクション
ポリマーの物理的特性と挙動は、ポリマー分子そのものの特性に大きく依存します。分子量と分子量分布、分子サイズおよび構造は、材料の挙動に影響を与えます。
ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）、別名サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）、はこれらのパラメータを評価するために最も一般的に使用される手法です。
GPCの原理は、サンプルを多孔性であるが不活性なカラムマトリックスを通過させる際に分離することにあります。小さな分子はより深くポアに浸透しますが、大きな分子は除外され、したがってカラムを速く通過します。結果として、流体力学的体積に基づいた分離が行われますが、サンプルの分子量を知ることが望まれます。
Malvern SEC-MALS 20システムは20角度からの光散乱を検出する機能を持っており、分子量と回転半径(Rg)の測定を行えます。これは多検出器GPCシステムの一部として用いられ、光散乱を他の検出器(屈折指数(RI)、紫外線(UV)、および内在粘度(IV))と組み合わせて、サンプルに関する大量の情報を同時に取得します。
このアプリケーションノートでは、モル分子量、分子量分布およびサイズが二つの一般的なポリマーをSEC-MALSを使用して測定されます。SEC-MALSの結果は従来のキャリブレーションの結果と比較され、違いが議論されます。
材料と方法
SEC-MALS 20システムはViscotek GPCmaxおよびViscotek VE3580 RI検出器と接続されました。
サンプルはViscotek T6000Mカラムを2本使用して分離しました。移動相は300 ppm BHTで安定化されたTHFでした。
サンプルは完全に溶解するために一晩放置されました。
SEC-MALSシステムはトレーサブルな105 kDaポリスチレン標準でキャリブレーションされました。
従来のキャリブレーション設定は既知の分子量のポリスチレン標準のシリーズでキャリブレーションされました。
全ての検出器およびカラムは、35°Cで保持され、良好な分離を保証し、ベースラインの安定性を最大化しました。
このノートで分析された2つのサンプルは、分子量235 kDa(2.35 x 105 g/mol)の広範な分布を持つポリスチレンサンプルと、広範な分布を持つポリメチルメタクリレート(PMMA)のサンプルです。どちらも移動相に溶解された後、システムに投入されました。
それらの分子量は従来のキャリブレーションおよびSEC-MALS 20を使用して測定されました。
結果
高ポリ分散性の高い235 kDaポリスチレンサンプルのクロマトグラムは図2Aに示されています。挿入テーブルは測定された分子量を示しています。
Viscotek SEC-MALS 20は20角度での光散乱強度を測定し、完全な角度データが図2Bに示されています。
分子量およびRgの分布は図2Cに示されています。Rgはピークのおよそ3/4にわたって測定されており、分子が光を異方的に散乱するのに十分大きい領域に対応して測定され、これはマルーンの線でプロットされています。
散乱光の角度依存性を示すDebyeプロットは図2Dに示されています。おおよそ18 mlの保持体積で、分子のサイズは小さくなり、これらは等方的に光を散乱し、全方向に均等に光を散らします。
この領域からのDebyeプロットの例が図2Eで見ることができます。ラインの傾きはほとんどゼロであり、Rgは測定できません。
したがって、Rg分布はおおよそ10 nmで終了し、これはSEC-MALSの下限のRgであり、ここから先は外挿されます。
歴史的に、GPCを使用した分子量の測定は、既知の分子量の標準のシリーズに基づいた従来のキャリブレーションカーブを使用して行われていました。
この作業のために、ポリスチレン標準のシリーズを使用してキャリブレーションカーブが作成されました。その曲線は図3にPS400k、4×105 g/mol標準のクロマトグラムに重ねて示されています。
ポリメチルメタクリレート(PMMA)のサンプルを移動相に溶解し、システム上で分離しました。
図4はそのクロマトグラムを示しており、ポリスチレンの従来のキャリブレーションカーブと重ねています。分子量の結果は挿入テーブルに示されています。
このサンプルは実際に低角光散乱(LALS)測定により9.5 x 104 g/molの分子量を持つことが知られています。
しかし、その従来のキャリブレーションを使用した分子量は約85 kDaであり、かなり過小報告されています。
その理由はPMMAがキャリブレーションに使用されたポリスチレン標準と異なるサイズ/分子量関係を持っているためです。つまり、それが異なる構造を持っていることです。
似た分子量の分子は異なる保持体積で溶出します。
これにより、ポリスチレンが従来のキャリブレーションカーブの作成に使用された場合、PMMAがサンプルであれば、測定される分子量は不正確になります。
この関係は分子の内在粘度によって実際に定義されますが、このパラメータは他のアプリケーションノートで議論されています(例MRK 1925)。
一方で、光散乱による分子量の測定はサンプルの保持体積に依存しません。
したがって、このPMMAサンプルを測定すると、結果はより正確であるとされます。
Viscotek SEC-MALS 20を使用してサンプルを測定した結果が図5に示されています。
図5Aは、PMMAサンプルのクロマトグラムをRIおよびSEC-MALS 90°信号を含めて示しています。
挿入テーブルは、測定された分子量が94 kDaであり、LALSにより測定された正しい値に非常に近いことを示しています。
分子量はSEC-MALSにより従来のキャリブレーションよりもはるかに正確に測定されました。
測定された分子量は、図5CでRIクロマトグラムに重ねて示されています。上記のポリスチレンサンプルについての議論のように、MALSを使用することで、大きな分子に対しては異方的に光を散乱するため、Rgを測定することも可能になります。
図5Cに示されたピークの大部分にわたる測定されたRgの平均は10.2 nmです。ピークの降下エッジでは、分子のサイズが10 nm以下に落ち込むと、サンプルがこの領域で光を等方的に散乱するためにRgを測定できなくなります。
ディスカッション
GPCシステムに光散乱を検出器として追加することで、ポリマーの分子量をその溶出体積に依存せず正確に測定する能力が追加されます。
Malvern
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