MODULO: TECNICHE DI ANALISI Cromatografia a permeazione di gel (GPC) C. Daniel
Dependence of Performance Properties on Molar Mass + property increase - property decrease o 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 I d = 1.58 I d = 1.70 I = d M M w n I d = 1.70 I d = 1.57 I d = 1.07 I d = 2.15 Distribuzione bimodale Curve b) e e) hanno stesso Mn Curve b) e f) hanno stesso Mw
La cromatografia di permeazione dugel (GPC) anche chiamata cromatografia di esclusione sterica (SEC) èun metodo di separazione in cui le molecole sono frazionate in base alle loro dimensioni. Principio: Una soluzione polimerica viene eluita attraverso una o piùcolonne contenenti un impacchettamento poroso (piccole particelle costitute da un polimero con alto grado di reticolazione) Le particelle i cui volumi idrodinamici sono piùgrandi delle dimensioni dei pori attraversano la colonna più rapidamente, negli interstizi tra i grani Piùpiccole sono le particelle e piùtempo spendono nei pori ed il loro passaggio attraverso la colonna è ritardato
Il volume totale della colonna Vcèuguale a: V c = V m + V 0 + V c V m : volume matrice solida che costituisce l impacchetamentoporoso V 0 : volume interstiziale tra le particlledell impacchetamento(fase mobile) V p : volume si pori (Fase stazionaria) Durante l eluizione le molecole di soluto sono distribuite tra la fase mobile (completamente accessibile) e la frazione di fase stazionariache si trova nei pori di dimensioni maggiori delle molecole stesse. Il volume di retenzionev r (anche chiamato volume di eluizione) di ogni soluto dipende dalle sue dimensioni molecolari e dalla porosità della colonna V V + r = 0 K SEC V P K sec : coefficiente di distribuzione selsoluto nella fase stazionaria (0< K sec <1)
Per le molecole in grado di penetrare i tutti i pori, il volume di retenzioneèpari a V + r = V 0 V P (K sec =1) Per le molecole di dimensioni maggiori a tutti i pori, il volume di retenzioneèpari a V r = V 0 (K sec =0)
Sequenza di eluizione nella GPC
Here is an example of the size separated chromatogram where the polymer elutes first, followed by monomer
GPC di una gomma da masticare
Schema della GPC Soluzione I componenti principali sono: Sistema di iniezione/pompa del solvente Colonna di separazione Rilevatori
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 (t r ) anzicheil 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 piùutilizzato èil polistirene altamente reticolato con o-divinilbenzene Intervallo di dimensioni dei pori:0.5-10 5 nmche permette una misura dei pesi molecolari nell intervallo 100-5x10 7 g/mol. Ogni singola colonna èefficace soltanto in un stretto intervallo di masse molecolari (1.5-2 ordini)
10 6 Å 10 5 Å 10 4 Å 10 3 Å 500 Å 50 Å Per poter coprire un ampio intervallo di pesi molecolari ènecessario utilizzare diverse colonne o una colonna lunga con una distribuzione di porosità Risoluzione delle colonne: Aumenta con L 1/2 Aumenta con (1/d 2 ) Diametro attuale delle sfere: 5-10 µm Lunghezza 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 nondeve indurre modi di separazione secondari: Solventi non buoni possono indurre l adsorbimento del polimerosulle pareti dei pori della colonna e quindi modificare i valori dei volume di retenzione Buoni solventi devono essere preferiti 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)
Rilevatori Il volume di soluzione iniettata èdi c.a. 0.05 cc con una concentrazione tipica di 2 g/l c.a. 0.1 mg di polimero èeluito 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 più appropriati ma presentano un costo elevato Inoltre sono specifici in quanto richiedono la presenza di particolari gruppi funzionali che devono anche essere assenti nel solventi
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 intensitàdella 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: R = θ KcM 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 viscositàche 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 solventepermette di ottenere la viscosità relativa dalla quale la viscosità specifica può essere calcolata. Per una soluzione molto diluita: η c[ η] sp = 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 viscosimetricie di diffusione della luce combinati a detector di indice di refrazione permettono di evitare il ricorso alla calibrazione
Il rilevatore permette di costruire il cromatogrammaossia la variazione della concentrazione in funzione del volume o tempo di retenzione?????? Cromatogramma Distribuzione dei pesi molecolari Per poter trasformare il cromatogrammain 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 Realizzata con campioni standard di massa molecolare nota e stretta Campioni standard (commerciali) sono di solito a base di polistirene con MW da 2.9 milioni a 3000 u.m.a.
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 caratterizzate da differenti intervalli utili di massa molecolare
Trasformazione del cromatogramma
Calcolo distribuzione pesi molecolari 1. Area del cromatogrammaposta uguale al peso unitario del polimero viene suddivisa in sezioni di spessori dv r 2. F(Vr) dv r proporzionale alla frazione ponderale di macromolecole eluite in dv r 3. Corrispondenza tra dvr e dlogm ottenuta tramite la curva di taratura Aree delle sezioni del cromatogrammasono proporzionali alle frazioni ponderali ω(m) di macromolecole compreso tra logme logm+ dlogm F( V ) dv = ω( M ) d r r log M La relazione tra peso molecolare e ( ) volume di ritenzione èpari a : M = exp f ( Vr ) ω( M ) = ( V ) e log M = f r log F( Vr ) df ( Vr ) log e dv r Frazione ponderale di polimero eluito nel volume tra Vre Vr+dVr
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 ω(m) èriportata in funzione di una scala logaritmica E possibile trasformare la funzione ω(m) in una distribuzione w(m) su scala lineare mediante Si ha w( M ) d logm = ω(m)dm w( M ) ϖ ( M = M ) loge Rispetto al cromatogramma la distribuzione dei pesi molecolari w(m) è più appiattita e allargata (in misura maggiore dalla parte dei pesi molecolari alti)
Problema della calibrazione La calibrazione non èsolo 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 standardsutilizzabili per la calibrazione non sono disponibili per molti polimeri E stato sviluppato una procedura di calibrazione universale valida per tutti i polimeri purché si operi con lo stesso solvente.
Calibrazione universale La calibrazione universale si basa sul [ ] concetto di volume idrodinamico V idro M η La calibrazione universale della GPC può essere realizzata con standardsdi PS per i quali i valori di K e a sono ben noti Per polimeri con distribuzione stretta: M M n M w M η M [ η] = KM 1+ a
Cromatografia liquida bidimensionale (cromatografia ortogonale) In addizione all eterogeneitàdei pesi molecolari(dpm: distribuzione dei pesi molecolari) un polimero può anche presentare un eterogeneitàdella 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 bidimensionaliin 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 funzionalio porzioni delle molecole del soluto e la superficie della fase stazionaria L eluizione del soluto avviene attraverso numerosi stadi di adsorbimento e dessorbimentodelle molecole che ne permette la separazione in base alle differenti strutture chimiche
Energia in gioco nell adsorbimento dipende dal numero di unitàripetitive che si legano alla fase stazionaria. Se l interazione èforte 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.