Guida alla Cromatografia in Size Exclusion per Principianti

• Perché la GPC è importante?
• Come funziona la GPC
• Sistemi GPC

La cromatografia a permeazione di gel (GPC) è una delle tecniche analitiche più potenti e versatili disponibili per comprendere e prevedere le prestazioni dei polimeri. È la tecnica più conveniente per caratterizzare la distribuzione completa del peso molecolare di un polimero.

Waters introdusse commercialmente la GPC nel 1963. Da allora, Waters ha continuato a sviluppare ed esplorare nuove applicazioni GPC e a migliorare la strumentazione che rende la GPC così potente.

Perché la GPC è importante?

La GPC può determinare una serie di parametri importanti. Questi includono il peso molecolare medio numerico, il peso molecolare medio ponderale, il peso molecolare medio ponderale Z e, caratteristica più fondamentale di un polimero, la distribuzione del suo peso molecolare.

Questi valori sono importanti, poiché incidono su molte delle proprietà fisiche caratteristiche di un polimero. Piccole differenze tra lotti in questi valori misurabili possono causare differenze significative nelle proprietà di un polimero importanti per l'utilizzatore. Alcune di queste proprietà includono:

Caratterizzazione dei materiali

Comprendere la composizione di un polimero è particolarmente importante a causa della varietà di resine disponibili per lo stesso scopo, del costo elevato di resine o composti speciali e del valore aggiunto al polimero durante la produzione. Per esempio, il costo di una resina utilizzata in una scheda di un circuito stampato è molto basso, ma il costo della scheda finita è molto alto. Una resina di scarsa qualità può rendere inaccettabile una scheda del circuito finita.

Laddove l'applicazione finale di un polimero richiede prestazioni di precisione o durata in condizioni difficili, la necessità di caratterizzazione del polimero è particolarmente sentita. Poiché la GPC soddisfa queste esigenze meglio di qualsiasi altra singola tecnica, è diventata uno strumento estremamente prezioso per la caratterizzazione dei materiali nell'industria dei polimeri.

Distinguere alta e bassa qualità

Due campioni della stessa resina polimerica possono avere resistenze alla trazione e viscosità della massa fusa identiche e tuttavia differire notevolmente nella loro capacità di essere lavorati a dare prodotti utilizzabili e durevoli. Queste differenze possono essere attribuite a variazioni lievi ma significative nella distribuzione del peso molecolare dei due campioni di resina. Tali differenze, se non identificate, possono causare gravi difetti del prodotto.

Come funziona la GPC

La GPC separa le molecole in soluzione in base alla loro "dimensione effettiva in soluzione". Per preparare un campione per l'analisi GPC, la resina viene prima disciolta in un solvente appropriato.

All'interno del cromatografo a permeazione di gel, la resina disciolta viene iniettata in un flusso continuo di solvente (fase mobile). La fase mobile fluisce attraverso milioni di particelle rigide altamente porose (fase stazionaria) strettamente impaccate in una colonna. Le dimensioni dei pori di queste particelle sono controllate e disponibili in una gamma di dimensioni.

L'ampiezza dei singoli picchi riflette la distribuzione delle dimensioni delle molecole per una data resina e i suoi componenti. La curva di distribuzione è anche nota come curva di distribuzione del peso molecolare (MWD). Complessivamente, i picchi riflettono la MWD di un campione. Più ampia è la MWD, più ampi diventano i picchi e viceversa. Più elevato è il peso molecolare medio, più la curva si sposta lungo l'asse del peso molecolare e viceversa.

Si può osservare con quanta facilità sia possibile confrontare i profili della MWD di due resine. Se il profilo della MWD di una resina in ingresso non corrisponde in modo soddisfacente a quello della resina di controllo (ovvero una resina nota per il suo buon processamento), la resina in ingresso può essere modificata o le condizioni di processo possono essere variate per assicurarsi che la resina venga processata correttamente. Se le differenze tra la resina di controllo e la resina in ingresso sono eccessive, è possibile che la resina in ingresso venga resa al fornitore in quanto inaccettabile.

Sistemi GPC

Nella progettazione della strumentazione per la GPC è necessario soddisfare una serie di requisiti. Sono necessari iniettori per introdurre la soluzione polimerica nel sistema in movimento. Le pompe erogano il campione e il solvente attraverso le colonne e il sistema. I rivelatori controllano e registrano la separazione. Gli accessori di acquisizione dei dati controllano automaticamente il test, registrano i risultati e calcolano le medie dei pesi molecolari. Il cromatografo a permeazione di gel contiene una serie di componenti diversi che interagiscono per fornire prestazioni ottimali del sistema con il minimo sforzo. Schema di un cromatografo a permeazione di gel di base.

Pompa il polimero in soluzione attraverso il sistema.

Polimeri diversi producono soluzioni con viscosità diverse. Per confrontare i dati di un'analisi con la successiva, la pompa deve erogare le stesse velocità di flusso indipendentemente dalle differenze di viscosità. Inoltre, alcuni rivelatori sono molto sensibili alla precisione della velocità di flusso del solvente. Tale flusso costante deve essere una caratteristica fondamentale dello strumento.

Introduce la soluzione polimerica nella fase mobile.

L'iniettore deve essere in grado di eseguire iniezioni di volumi ridotti (per la determinazione del peso molecolare) e di volumi elevati (se si desidera raccogliere le frazioni). L'iniettore non deve disturbare il flusso continuo della fase mobile. Dovrebbe inoltre essere in grado di eseguire automaticamente l'iniezione di campioni multipli quando il volume del campione è elevato.

Separa in modo efficiente i componenti del campione tra loro.

Le colonne ad alta efficienza offrono la massima capacità di separazione e analisi rapide. Ogni colonna deve fornire informazioni riproducibili su periodi estesi a scopo analitico e di raccolta delle frazioni.

Controlla la separazione e risponde ai componenti mentre eluiscono dalla colonna.

I rivelatori devono essere non distruttivi per i componenti che eluiscono, se questi ultimi devono essere raccolti per ulteriori analisi.

Inoltre, i rivelatori devono essere sensibili e disporre di un ampio intervallo lineare per poter rispondere, se necessario, sia a tracce sia a grandi quantità di materiale.

Poiché tutti i composti rifrangono la luce, il rifrattometro differenziale (RI) viene definito rivelatore "universale". Di conseguenza, esso rappresenta il rivelatore più utilizzato per monitorare la distribuzione del peso molecolare. L'indice di rifrazione dei polimeri è costante al di sopra di circa 1000 MW. Pertanto, la risposta del rivelatore è direttamente proporzionale alla concentrazione.

Oltre alle informazioni sulle medie dei pesi molecolari e sulla distribuzione ottenute con il rivelatore RI, l'uso di rivelatori di assorbanza UV può fornire informazioni sulla composizione, mentre i rivelatori light scattering e i viscosimetri in linea forniscono informazioni sulla struttura dei polimeri.

Calcola, registra e riporta automaticamente i valori numerici per Mz, Mw, Mv, Mn e MWD.

I sistemi di elaborazione dati possono anche fornire il controllo completo dei sistemi GPC in modo da consentire l'analisi di un numero elevato di campioni e l'elaborazione automatica dei dati grezzi. Gli odierni software per GPC devono essere in grado di fornire calcoli speciali per l'elaborazione di rivelazioni multiple, la correzione dell'allargamento di banda, speciali routine di calibrazione e la determinazione della ramificazione dei polimeri, solo per citarne alcuni.