GB/T 21864-2008 聚苯乙烯的平均分子量和分子量分布的检测标准方法 高效体积排阻色谱法

ICS13．300

A80固雪

中华人民共和国国家标准

21864--2008

GB／T

聚苯乙烯的平均分子量和分子量分布的

‘j

检测标准方法同效体积排阻色谱法

testmethodformolecularand

Standardaverages

weight

of

moleculardistribution

weightpolystyrene--

size-exclusion

Highperformancechromatography

2008—05—12发布

宰瞀嬲紫瓣訾矬瞥星发布中国国家标准化管理委员会“”’

21864—2008

GB／T

刚置

D

本标准等同采用美国材料与试验协会标准ASTM

分布的检测标准方法高效体积排阻色谱法》(英文版)，其有关的技术内容与上述方法完全一致。

本标准附录B为规范性附录、附录A为资料性附录。

本标准由全国危险化学品管理标准化技术委员会(SAC／TC251)提出并归口。

本标准负责起草单位：中国检验检疫科学研究院、中化化工标准化研究所。

本标准主要起草人：于文莲、陈会明、王军兵、周新、郝楠、梅建、王晓兵、王立峰、孙鑫、王峥。

本标准为首次发布。

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聚苯乙烯的平均分子量和分子量分布的

检测标准方法高效体积排阻色谱法

1范围

子量分布的方法。本方法不是绝对的方法，要求使用市售窄分子量分布聚苯乙烯标准物质进行校正。

本标准适用于含有分子量组分的淋洗体积，在聚苯乙烯标准物质确定的范围内的样品测定(分子量一般

000000000

在2g·mol-l--2

g·mol-1)。

1．2

DD

(见ASTM883和ASTM3016)。HPSEC系统由低体积液相色谱部件组成，色谱柱填装小的微孔

颗粒(3pm～20tim)。高效液相色谱仪器和自动数据处理系统用于数据采集和处理。

1．3本标准使用国际单位制单位。

1．4本标准未给出所有相关的安全性，如果有其他的安全性也应结合使用。本标准的使用者有责任建

立安全和健康守则，在操作期间测试规定应用限制。第9章规定了特定的预防措施。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有

的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，但是鼓励根据本标准达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

ASTMD691测定试验方法精密性进行实验室间研究的标准规范

ASTMD883塑料术语定义

AsTMD2857

聚合物稀释溶液黏度的测定方法

ASTMD3016液相排阻色谱法术语及其相互关系使用标准规范

ASTME685液相色谱法用固定波长光度探测装置试验的标准实施规程

3术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3．1

定义Definition

本标准使用塑料技术术语见ASTM883。

4方法概要

4．1本方法为在聚苯乙烯样品稀释溶液注入含有同样溶剂的流动相。流动相将聚合物载人和通过色

谱柱(或系列色谱柱)，柱填料可使用微粒、半刚性有机凝胶、刚性固体、多孔填料，按照聚合物分子大小

顺序分离。自进样开始检测器持续监测从柱中出来的淋洗体积(时间)，从柱中流出分子按照尺寸分离，

并按照其浓度分离的分子量被检测和记录。通过校正曲线，淋洗体积(时间)可以转为分子量，样品的各

种分子量参数可由分子量／浓度数据计算得出。

5意义和范围

5．1一般应用

分子量(M。)和分子量分布(M。D)是聚合物样品的性能参数，在性能研究中广泛使用。例如：观察

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到的分子量分布(MwD)可与设定的聚合反应的动力学和机能相比较。其不同数值将允许理论调整和

经验设定。与之相似聚合物的强度、熔体流动和其他性质依赖于M。和M∞。广泛用于相关参数研

究、处理或产品应用。测定分子量(M。)和分子量分布(MwD)用于聚合物质量控制。

5．2时效性

因为在研究中需要特殊聚合物类型校正，且特殊真实的聚合物／溶剂／柱填料相互反应，本方法仅对

聚苯乙烯有效，避免非排阻效应。方法的许多规则可用于发展其他聚合物体系的HPSEC方法。例如

D

使用通用校正规定(见ASTM3016)。

6单位和符号

6．1单位和符号见表l。

6．2本方法对应单位如下

普通单位／符号sI单位和符号

1mL·rain一1m3·S一1

一1．667×10—8

1×1072—145MPa

dyn·cmpsi=1

表1与函数相关单位和符号

函数普通单位／符号sI单位／符号

基本性能定义分子量(道尔顿)g·tool一1

l1

溶剂流速mL·rain11"13·s

样品重量(质量)mg

样品溶液体积“L．mI，

孔尺寸A

颗粒尺寸

洗脱体积“L，mL

洗脱时间

色谱峰高

2

柱反压d…cmN·rn_2或Pa

8与普通单位相同。

7试验设备

7．1概述

的10倍，HPSEC色谱柱的填料随后讨论。

7．2仪器必要组分

由溶剂储存器、泵系统、进样器、填充柱、溶质检测器、低死体积液相色谱管路和接口、废液储存器、

记录仪和数据处理系统。所有组分安全性和操作应符合以下要求。

7．2．1相关组分见图1，仪器操作在室温下进行，建议在流动相储存器或在流动相储存器和泵系统之

间使用脱气机，以脱去流动相中气泡。典型实验室玻璃仪器和分析天平。

注：可以使用市售的几种系统和部件用于运行HPSEC。

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图1HPSEC系统结构图

7．3溶剂储存器

应保证足够的溶剂以完成实验；同时溶剂应与空气隔绝。必要时可用磁性搅拌。

7．4溶剂泵系统

规定要求泵系统能够以持续稳定和无脉冲的流速将溶剂通过色谱柱。流速应在0．1mL·rain。～

5．0

mL·min_1连续可调，反压不能超过色谱柱制造者规定的限制(例如28MPa)。如果洗脱体积不能

直接测量或校正系统变化，在本条件下测量和运行一个典型分析的时间内流速精密度应低于土3％。

7．5进样器

进样系统的目的是当引入样品进人液流形成尖锐带。阀和进样管装置或者任何液相色谱自动进样

器均可使用。要求包括最小的带展宽，进样器具备在色谱柱产生的反压下工作的能力、进样体积的重现

性、无滞后现象。

7．6色谱柱

cm～50

HPSEC使用均匀高光亮度内壁的不锈钢柱，长度为15cm，建议使用特定接口和管路，具

有较小死体积；填料可使用微粒、半刚性有机凝胶、刚性固体、多孔填料。一般填料微粒有窄尺寸分布，

直径分布在3pm～20p．m。填料也可使用其他形状和孔径。也可装填相关均匀孔径或“混合床”颗粒得

到宽范围孔径用于聚合物分离。如果使用系列色谱柱，推荐色谱柱连接从进样器出口开始，从小孔径到

大孔径排列。

注：柱填料和HPSEC填充柱可使用符合要求的市售凝胶色谱柱。建议本方法的使用者按照生产商提供的指南保

护和使用HPSEC柱。例如可能因为小孔径填料的脆弱性，指南建议使用者改变本标准推荐的系列色谱柱排

列顺序。

7．7检测器

检测器的目的是持续不断监测从色谱柱洗脱的溶质浓度。同时检测器应具有足够的灵敏度和溶质

浓度线性响应。另外检测器不能出现液流中浓度梯度失真的情况。这要求在检测器中的溶液体积施加

严重的限制，例如本方法不接受检测池体积大于15pL的检测器。HPSEC使用的大多数检测器基于

E

光度测量，可使用示差折光检测器，紫外检测器，黏度检测器等。ASTM685提供了使用液相色谱系

统测试光度检测器性能的导则。其他检测器也可适用。微分折射计有适宜的灵敏度和通用性。溶剂和

积不得大于10vtL。

000

注1：分子量远远大于5g·tool_1的聚苯乙烯的折光指数增量dn／dc的变化是很微小的。但检测器在测定聚苯

乙烯数均分子量时将导致平均分子量不可估计的错误。微分折光检测器的主要缺点是要求精确控制温度、

压力和流速以保持稳定信号，获得适宜的灵敏度水平。如大多数有机溶剂温度系数是每开(K)变化10-4RI

单位，因此示差折光检测器检测池的温度应控制在lo_4℃。

注2：过氧化苯甲酰在合成聚苯乙烯时通常用于苯乙烯的自由基引发剂，存在微小浓度的引发剂片段有极强的生

色团，如苯甲酸盐类是过氧化苯甲酰的分解产物，聚合物端基能够显著改变聚苯乙烯的紫外吸收特征(注3)。

因此端基相应浓度的增加降低聚合物平均分子量，检测器响应和聚合物浓度(比尔朗伯定律中的摩尔吸光

系数)之问的关系可引起平均分子量改变。光度检测器(紫外和荧光)对存在极强的生色团端基特别灵敏。

选择检测器和波长是非常重要的，可以保证平均分子量单纯浓度响应。如果不这样做，可能会导致得出错误

的平均分子量和分子量分布。

注3：GarciaRubio，LH．，Ro，N．，R．D．，Macromolecuies，17，1984，p．1998。

3

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7．8管路和接口

MPa的压力。连接色谱柱

所有连接进样器和检测器的管路内径不大于0．25mm，并能够承受42

的接口应尽可能的短，设计成不同式样防止混淆，并具有较小的死体积。

7．9记录器／绘图仪：满量程响应时间应在2s内，或数据处理系统可画出色谱图。宜选择笔响应和信

噪比，使浓度信号不受影响。

7．10数据采集和处理系统

应能提供测定HPSEC色谱峰高或面积积分，处理和报告数据。最好是用计算机或实时数据采集

系统，并可离线或在线处理数据。

注：HPSEC系统的数据采集和处理系统可采用市售计算机软件数据处理系统不是标准化的。现在有几家不同的

生产商提供色谱处理软件，包括HPSEC软件。目前一些使用者开发了自己特定的HPSEC软件。

7．11其他组分

特殊溶剂在线过滤、压力监测器、脉冲阻尼器、流速计、柱温箱、虹吸计数器、绘图仪、原始数据存储

系统、软件等，以及那些与上文提到的基本部件结合经常使用的部件。

7．12HPSEC系统

其他任何符合第12章要求的部件，也可用于HPSEC系统。系统结构图见图1。

8试剂和材料

8．1溶剂：本方法推荐使用四氢呋喃(THF)。任何与HPSEC系统组分和柱填料相容的溶剂并且对聚

mPa·s或更低)又

苯乙烯更好的溶剂可以考虑使用。温度应足够高保持洗脱液在低黏度状态(通常1

不至于沸腾或在检测池中产生气泡。考虑到检测器的限制，溶剂折光指数与聚苯乙烯相似的不能用微

nm)检测器。选择溶剂时应

分折光指数检测器，同时有强紫外吸收的溶剂，如甲苯不能使用紫外(254

当考虑试剂的纯度和一致性，例如：除非是现场蒸馏并用惰性气体隔绝空气保存在玻璃(棕色)瓶中。因

四氢呋晴易与氧气发生氧化反应，产生过氧化物产生紫外吸收并且在蒸发浓缩中有危险性，因此四氢呋

喃应添加抗氧化剂(含量为o．025％～o．1％的2，6-二叔丁基对甲苯酚)或持续搅拌或用惰性气体氦防

止氧化反应发生。

8．2聚合物标准物质：单分散、已知分子量的窄分子量分布聚苯乙烯标准(‰／呱小于1．1)用于校

正。理想状态是基于绝对分子量方法，如端基分析、渗透压法、光散射或超离心法。

8．3低分子量标准物质：低分子量物质，如高纯度邻二氯苯，用于计算塔板数或做内标。在大多数

HPSEC系统用THF做流动相时，硫磺作为良好的内标用于监测流速变化。硫磺在由低分子量组分或

进样空气组成HPSEC的“废”峰之后洗脱，硫磺宜有尽可能高的纯度。

9危害性

9．1本方法使用的溶剂具有毒性或高易燃性，或二者皆有。避免直接与皮肤接触或吸入溶剂蒸气。建

议使用者查阅文献，然后建立安全处理溶剂的程序。相似的预防措施适用于处理低分子量标准物质。

10仪器准备

10．1组装

按照图1组装HPSEC系统，准备好运行。市售仪器按照说明书组装并操作。

10．2温度

本方法不规定操作温度，温度敏感的内部部件(进样管、色谱柱、检测器和连接管路)应相对恒定，并

且对所选溶剂稳定。在校正实验过程中上面提到的内部部件的温度变化范围在3℃。

10．3流速

当选择流速和起始溶剂泵系统柱子和仪器生产商推荐以下方式，建议采用1mL·min_1土

4

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0．1mL·rain～，本方法不要求流速。如需要泵系统应调节使从检测器流出的溶质相对稳定和无脉冲。

用溶剂流出体积或重量监测在足够长的时间段内的流速，在适宜的条件下应保证流量精密度为

4-O．3％。在校正过程中和每次分析前和后均应测定流速。内标(见12．5)或流量监测器，如阻尼泵可

以用于监测流速变化。

10．4检测器

检测器设定和波长选择，对于光度检测器应为溶质检测提供合适的灵敏度，避免引起不当基线噪声

或输出信号过载。

10．5数据处理系统：推荐使用者使用计算机或数据系统生产者设定数据采集和积分参数。

11溶液配制

11．1聚合物样品溶液

可使用带磨口塞子的容量瓶。然后加入从溶剂储存器中取出的溶剂到瓶2／3部分，盖上塞子；室温下使

聚合物溶解，可用磁力搅拌器搅拌或用振荡器振荡加快溶解。本方法不能用加热或超声的方法加快聚

合物溶解，这样会使聚合物降解；待聚合物全部溶解后，加入溶剂定容至刻度。(聚合物溶液可从11．3

ooo

描述的含内标的“储备”液制备)。只要M小于500g·mol，用四氢呋喃溶解的聚苯乙烯溶液非

常稳定，溶液在24h内使用。

11．2聚合物标准溶液

除了两个或更多窄分布“鸡尾酒“聚苯乙烯标准物质，按照11．1配制系列混合标准溶液。这些鸡

000

尾酒式溶液用于分子量校正和测定分离度。对于高分子量聚合物标准(M大于800g·mol一)建

议做单标，并多次稀释溶液以减少校正过程中与溶液中聚合物尺寸相关的问题。

注：为保证良好的精密度，标准和样品每次分析进样质量应一致。

11．3低分子量标准溶液

按照11．1配制低分子量标准溶液(含量为0．1％)，如邻二氯苯稀释标准溶液，用于测定理论塔板

数(见12．1)。低分子量化合物稀释溶液(含量不大于0．01％)也可作为内标加入聚合物溶液。“储备”

液含有内标，如当使用THF时，硫磺可直接在制备聚合物溶液时加入，或在已制备溶液加入等分的

硫磺。

注：典型储备液含有含量为o．03“硫磺，用从溶剂储存器取出的THF制备。常用超声装置帮助硫磺溶解。硫磺

可用微分折光指数和紫外检测器在254nm铡定。

11．4过滤

除了高分子量样品外，建议所有溶液进入仪器之前应用0．2pm～o．5pm滤膜(滤膜孔径不能超过

5tzm)过滤，去除可堵塞色谱柱和系统的微小颗粒和其他物质。过滤器应对溶剂惰性并在过滤时不能

堵塞。

注：溶液中经常有肉眼可见的微凝胶，在过滤时会堵塞滤膜的微孔，在这种情况下，应使用过压装置。如果堵塞情

况发生，聚合物溶解部分在过滤时发生部分转移，堵塞膜在此充当了超滤装置。在这种情况下，滤液中的聚合

物不再表示样品溶质的部分，因此色谱结果值得怀疑。

11．5测试样品溶液的适宜性

HPSEC分析聚合物的进样质量一般在0．05mg～o．5mg之间，可以得到期望的分子量分布宽度

(对于较紧密分布和高分子量的样品，应降低样品量)。本方法假设进样的聚合物质量足够小，聚合物的

流体力学体积和色谱分离机理与进样聚合物质量或浓度无关。如果进样溶液浓度过高，特别是高分子

量聚合物样品，峰淋洗体积(时间)和色谱峰形可能受到影响，导致错误分子量测定。推荐的做法是对未

知样品或标准用一半起始浓度进样(增加检测器灵敏度2倍)，保证峰淋洗是可重复的。如果变化明显，

后面检测应按照低浓度重复进样。lgA“与进样质量之问的关系一般是连续函数。稀释应保证低范围

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质量可提供足够可识别的信噪比。对于聚苯乙烯四氢呋喃溶液，19M。对进样质量作图，斜率是比较小

的，说明重复稀释不会严重影响测定^死。

12系统性能要求

12．1塔板数

塔板数N是无量纲量，与柱效和色谱系统中分散过程相关。多种程序和方法用于估算塔板数N。

本方法建议使用色谱柱制造商评估新柱子的方法。测定塔板数应与本方法其他方法相同条件。例如可

用下列测试条件：

溶剂：四氢呋喃(THF)；

温度：30℃；

流速：1mL·min一1；

测试溶质：邻二氯苯；

浓度：含量不大于0．1％；

进样体积：(1～5)“L。

12．1．1假定溶质峰是均匀并接近高斯分布，式(1)可用于计算塔板数N：

N一16(VR／W)2……………(1)

式中：

VR——测定溶质峰最大时的峰淋洗体积(时问)；

w…一峰底宽度，自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距，见图2。

监测器响

图2测定峰宽

12．1．2塔板数N是无量纲参数，塔板数不管Vk和w用淋洗体积或淋洗时间测量都有同样数值。比

较不同系统的塔板数与色谱柱长度L相关，见式(2)：

N7=N／L……………(2)

12．1．3HPSEC色谱柱要求等于或超过N7为13100塔板／m。如果HPSEC系统不符合上述性能要

求应重新检定或更换色谱柱。在解决HPSEC系统出现柱效相关的问题时使用监测塔板数。

12．2分离度