聚合物共混物的超高效液相色谱-空间排阻色谱在线联用分离与表征

汪明芳，付 华，付志博，王月荣，章弘扬，张 敏，胡 坪

（1.华东理工大学化学与分子工程学院,上海市功能性材料化学重点实验室,上海 200237；2.青海大学化工学院,西宁 810016；3.华东理工大学药学院,上海市新药设计重点实验室,上海 200237）

在黏合剂、涂料等产品中，合成聚合物作为骨架为其提供黏附力和内聚力［1］，聚合物的结构单元组成、排序、分子量以及分子构象对产品性能的影响十分显著，因此，在实际生产中常将多种不同的合成聚合物共混或共聚以制成具有特殊功能的产品.如，将苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物（SIS）和聚甲基丙烯酸酯（PMMA）混合，可使产品获得更好的初粘和快速的表干性能［2～7］.将这些聚合物共混物与低聚物以及小分子进一步混合，即得到双组分丙烯酸酯黏合剂中的一个组分.失效分析是黏合剂等产品开发的重要环节，其过程中需将共混物的每个组分完全分离后再进行准确表征，从而建立最终产品结构变化与性能失效之间的联系.然而，为了提高共混体系的化学相容性，添加在产品中的多个聚合物组分可能具有相似的化学结构或相近的分子量，这就大大增加了失效分析的难度.

色谱法是聚合物分离和表征的主要方法，其中空间排阻色谱法（SEC）或者基于临界点分离的高效液相色谱法（HPLC）最常用［8～15］.SEC主要用于表征聚合物在相对分子质量上的分散性，而临界点色谱法只可区分单体结构不同的聚合物.二维色谱LC-SEC［16～22］将临界点液相色谱对不同结构类型聚合物的分离能力与空间排阻色谱对不同分子量聚合物的表征能力相结合，有效提高了对聚合物共混体系的分离表征能力.然而，由于聚合物在第一维临界点液相色谱中的流出时间亦依赖于其分子量的大小［23～25］，所得色谱峰较宽，为防止第二维进样体积超载，通常将第一维中某一聚合物色谱峰的一小部分切割至第二维中进行测定，因此测定结果并不能反映该聚合物分子量及分布的整体特征，影响了方法的准确性.使用亚2μm填料作为固定相的超高效液相色谱（UHPLC）是近年来高效液相色谱研究领域的重要进展，用UHPLC搭建的二维色谱亦被应用于食品、生命科学及制药工业中［26～31］，但在聚合物领域的应用报道较少.Uliyanchenko等［32］在双溶剂体系的超高效液相色谱仪上搭建了UHPLC-HPSEC系统，第一维和第二维均使用了超高效液相色谱柱，实现了快速全二维色谱分析，并研究了高流速情况下聚合物在超高压液相色谱中的降解和变形［33］，使用该方法可快速获取复杂混合物中多组分的近似分子量.

二维液相色谱的分离能力可用峰容量来衡量，Giddings［34］提出了二维液相色谱的峰容量（n）的计算方法：

式中：1n和2n分别为是第一维和第二维的色谱峰容量.UHPLC的峰容量高于HPLC，根据公式（1）可知，UHPLC-HPSEC联用可显著提高色谱峰容量.然而，在实际分离过程中这种联用模式的有效峰容量并不高，其丢失率可能达到75%.有效峰容量n2D.effective可以表达为［31］

式中：γ为色谱保留曲线的覆盖率，与二维体系的正交性相关；α为进样展宽带来的一维色谱峰容量校正参数；β为从一维到二维中非理想的样品转移过程引入的峰容量校正参数.当第一维和第二维色谱成正交分离，γ接近1，因此式（2）可简化为

如果第二维采用HPSEC，其样品负载量小，容易出现超载现象和溶剂效应，当大体积的第一维馏分被转移到第二维，将引起第二维色谱峰的展宽和变形，β和2n减小，n2D.effective减小［31］.另外，UHPLCHPSEC在实际的聚合物分离表征中将产生大量组分信息的图谱，增大了分析工作量；且第二维的分析速度太快，聚合物分子链段在流动相中不能形成稳定的分子尺寸，影响了聚合物分子量测定的准确性.

本文设计并搭建了超高效液相色谱-空间排阻色谱二维在线联用系统（UHPLC-SEC），利用UHPLC高的分离能力、窄的色谱峰［35～37］以及小柱径的特点，解决了LC-SEC以及UHPLC-HPSEC联用系统对聚合物分子量表征不够准确的问题.利用聚氨酯胶黏剂中常用的端羟基聚丁二烯（HTPB）对UHPLC-SEC的分离表征性能进行了评价，并将该二维色谱应用于老化前后的SBS，SIS和PMMA共混物的分离和分子量测定.该方法分离能力强，分子量测定重复性好且准确性高，在聚合物降解程度的评估、产品的失效分析及聚合物原材料的质量控制中具有广阔的应用前景.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙腈（色谱级，美国Merck公司）；四氢呋喃（色谱级，美国赛默飞世尔公司）；宽分布HTPB（工业级，相对聚苯乙烯的重均分子量Mw=6292 Da，分散系数PDI=2.38，美国沙多玛公司）；SBS（工业级，Mw=1.22×105Da，PDI=1.36，美国科腾公司）；SIS（工业级，Mw=2.04×105Da，PDI=1.23，美国科腾公司）；PMMA（工业级，Mw=1.15×105Da，PDI=2.19，美国Merck公司）；3种窄分子量分布的HTPB（Mw=1.82×105，3608 Da，826 Da）由本实验室自制，分子量由标准聚苯乙烯校正测得.SBS，SIS和PMMA共混物由3种聚合物按质量比1∶1∶1混合制得.

二维色谱中的第一维使用Waters ACQUITY Arc超高效液相色谱仪，配备Waters 2998 PDA光电二极管阵列检测器和2424 ELSD蒸发光散射检测器（美国Waters公司）；第二维使用Waters 2695凝胶色谱仪，配备Waters 2998 PDA和Waters 2414示差折光检测器（美国Waters公司）；电子驱动的10端口2位阀（美国Waters公司）；ME104型分析天平（梅特勒-托利多国际贸易上海有限公司）.

1.2 二维液相色谱UHPLC-SEC的设计与搭建

由两台独立的液相色谱搭建的UHPLC-SEC二维色谱在线联用系统流程如图1所示.第一和第二维色谱之间以十通阀连接，阀切换由Arc系统上的Empower-3软件控制.十通阀上连接2个200μL的定量环作为接口，用于样品的存储和转移.当十通阀旋转至A位时，一维色谱柱中流出的目标洗脱液充满定量环1.立即旋转十通阀至B位，定量环1与SEC柱连通，环中的样品被第二维的流动相带到SEC柱中分离检测；定量环2则可在停流模式下存储第一维色谱中流出的下一个目标馏分.将十通阀保持在B位直到完成第二维分析，再切回至A位，此时，定量环2中存储的下一个目标洗脱馏分将被转移入第二维色谱中完成分离表征.

1.3 第一维UHPLC分析条件

对于HTPB的分离和表征，采用Agilent Eclipse XDB色谱柱（2.1 mm×100 mm，1.8μm），在临界点条件下（流动相为四氢呋喃和乙腈，体积比为70.7∶29.3）等度洗脱.流动相流速为0.2 mL/min，柱温35℃，进样量7μL.采用ELSD检测，漂移管温度80℃，雾化器温度60℃，气流压力30 psi（1 psi=6.895 kPa）.

对于SIS，SBS和PMMA共混物的分离表征，流动相采用乙腈（A）和四氢呋喃（B），梯度洗脱：0 min，20%B；0～5 min，20%～50%B；5～20 min，50%～100%B.采用ELSD和PDA双检测，PDA检测波长260 nm.其余分离和检测条件同上.

Fig.1 Schemes of two dimensional UHPLC⁃SEC systems

1.4 第二维SEC分析条件

对于HTPB的分离和表征，将1根Agilent polypore预柱（7.5 mm×50 mm，5μm）和3根Agilent polypore色谱柱（7.5 mm×300 mm，5μm）串联使用，柱温40℃；流动相为四氢呋喃，流速1.0 mL/min；采用示差折光检测器检测，检测温度为40℃.

对于SIS，SBS和PMMA共混物的分离表征，SEC分析条件与HTPB相同.

所有数据均采用Empower软件进行处理，目标组分的相对分子质量及分布根据标准聚苯乙烯（相对分子质量范围为268～1.82×106Da）校正曲线进行计算.

1.5 样品的处理和溶液的配制

取适量宽分布HTPB，用四氢呋喃配制成浓度为2.5 mg/mL的样品溶液，用于考察UHPLC-SEC二维色谱在线联用系统的适用性.

取3种自制窄分布HTPB样品，等质量比混合后，用四氢呋喃配制成浓度为2.5 mg/mL的样品溶液，用于考察UHPLC-SEC联用方法的正交性.

称取适量SBS，SIS和PMMA共混物，用四氢呋喃配制成含SBS，SIS和PMMA各1.5 mg/L的样品溶液.另取适量SBS，SIS和PMMA共混物，在200℃下加热3 h后，采用相同方法配制成各聚合物浓度为1.5 mg/L的样品溶液.采用UHPLC-SEC分离并表征该共混物老化前后的成分及分子量的变化.

分别称取适量SBS，SIS和PMMA聚合物，用四氢呋喃配制成浓度为1.5 mg/L的单一聚合物样品溶液.另分别取适量SBS，SIS和PMMA各聚合物，在200℃下加热3 h后，配制成浓度为1.5 mg/L的老化后单一聚合物样品溶液用于比较研究.

2 结果与讨论

2.1 UHPLC-SEC系统的分离表征性能评价

将建立的UHPLC-SEC二维色谱在线联用系统用于宽分布HTPB聚合物的分析，结果如图2（A）所示.由UHPLC谱图可见，2～3 min内HTPB组分被完全洗脱，色谱峰峰形较窄.又由于使用了小柱径的UHPLC色谱柱，流动相体积流量设为0.2 mL/min，峰宽1 min的色谱峰馏分体积仅200μL，可全部存储在定量环中并被一次性转移至第二维SEC中进行分离表征.分别将图2（A）中1～2 min，2～3 min和3～4 min的UHPLC流出液切割转移至SEC中进行测定，由图2（B）可见，1～2 min和3～4 min的流出液在SEC中未检出明显的信号，2～3 min的馏分则出现了明显的色谱峰.

Fig.2 UHPLC chromatogram of HTPB using online UHPLC⁃SEC system(A)and the SEC chromatograms of HTPB fractions at 1—2 min(a),2—3 min(b)and 3—4 min(c)(B)

采用聚苯乙烯标准曲线计算了2～3 min馏分的峰尖分子量（Mp）、重均分子量（Mw）和分散系数（PDI），结果如表1所示.可见，通过UHPLC-SEC二维色谱在线联用系统测得的HTPB的分子量及分子量分布（Mp：3407 Da；Mw：6573 Da；PDI：2.36）与直接采用SEC方法测得的结果（Mp：3526 Da；Mw：6292 Da；PDI：2.38）基本一致，表明该方法的准确度良好.在UHPLC-SEC上连续进样测定3次，Mp，Mw和PDI的相对标准偏差（RSD）分别为5.3%，5.7%和2.6%，表明该方法的重复性良好.

Table 1 Molecular weight and molecular weight distribution of HTPB fraction using UHPLC-SEC

2.2 UHPLC-SEC系统的溶剂兼容性考察

在二维液相色谱中，溶剂兼容性是需考虑的关键问题之一.本研究中临界点UHPLC的色谱条件参考前期研究结果［15］，采用29.3%乙腈和70.7%四氢呋喃作为流动相，而SEC的流动相为四氢呋喃.通过比较四氢呋喃配制的宽分布HTPB样品与液相色谱流动相配制的样品的分子量测定结果来考察溶剂兼容性.由表2数据可见，2种溶剂体系中宽分布HTPB的Mp，Mw和PDI（峰宽）测定结果都十分接近，表明二维色谱系统的溶剂兼容性良好.

Table 2 Solvent effect on the determination of molecular weight and molecular weight distribution of HTPB

2.3 UHPLC-SEC系统的正交性验证

在二维色谱中，为达到最大的峰容量，2个色谱方法的分离机制应该是完全独立的，正交性是多维分离方法分辨能力评估的关键.为了验证UHPLC-SEC二维在线联用系统具有正交性，将3种窄分布的HTPB聚合物混合后进行UHPLC-SEC分析.如图3所示，混合物在第一维UHPLC上只出现1个色谱峰，而在第二维SEC上显示3个摩尔质量不同的HTPB组分峰.上述结果表明，UHPLC是基于聚合物单体组成和结构进行分离的，而SEC是基于分子尺寸进行分离，因此UHPLC-SEC两维分离模式是互补和正交的，可用于复杂共混物中合成聚合物的分离和表征，从而获取各组分化学成分及分子量等重要信息.

Fig.3 UHPLC chromatogram of the blends of the three narrow distributed HTPB(M w:18207 Da,3608 Da,826 Da)using online UHPLC⁃SEC(A)and the SEC chromatogram of HTPB fraction(B)

2.4 UHPLC-SEC在SBS,SIS和PMMA共混物分离表征及降解研究中的应用

为了考察UHPLC-SEC二维在线联用系统的实际适用性，以黏合剂和涂料产品中常用的共混体系SBS，SIS和PMMA为研究对象，考察其降解前后的变化情况.SBS，SIS和PMMA的分子量接近且分布宽，直接采用SEC分析时，降解前后共混物的色谱峰均严重重叠（图4），因此无法准确表征各聚合物的分子量和降解情况.

采用UHPLC-SEC系统对老化前后SBS，SIS和PMMA共混物进行了分离分析.第一维使用超高效C18柱，结合两步梯度洗脱，不仅能分离出PMMA，还可使结构单元类似、含有聚异戊二烯链段的SIS和聚丁二烯的链段的SBS基本实现分离.第一维UHPLC色谱图如图5所示，由于采用了UHPLC窄径色谱柱和梯度洗脱，各聚合物的组分峰均出现在1 min以内，洗脱体积小于200μL.因此，各聚合物组分峰均可被完整地转移至第二维SEC中.

Fig.4 Direct SEC chromatogrms of the fresh(a)and aged(b)blends of PMMA,SBS and SIS

Fig.5 UHPLC chromatogram of UHPLC⁃SEC analysis of the fresh(a)and aged(b)blends of PMMA,SBS and SIS using gradient separation(A)and the UV spectrum of the new fraction in range of 11.5—12.5 min(B)

SIS（或SBS）通常两嵌段和三嵌段共聚物的混合物，由图5可见，老化前的共混物中，SIS和SBS在第一维UHPLC上因组成结构单元不同而被分离，但不同分子量的两嵌段和三嵌段SBS（或SIS）共聚物在第一维色谱中几乎被同时洗脱并形成单一色谱峰.而在第二维的SEC色谱（图6）中，SBS（或SIS）两嵌段和三嵌段共聚物得到了分离，这是由于三嵌段共聚物的分子量大于两嵌段共聚物，在SEC色谱上基于分子尺寸排阻效应得以分开.SIS和SBS嵌段聚合物在UHPLC-SEC上的分离特征再次验证了该二维色谱联用体系具有正交性.

Fig.6 Chromatograms of PMMA(A),SBS(B)and SIS(C)fractions from the fresh and aged blends using UHPLC⁃SEC and the chromatograms of the fresh and aged SBS,SIS and PMMA polymer using direct SEC analysis

图6（A）～（C）显示，采用UHPLC-SEC得到的老化前后共混物中PMMA，SBS和SIS组分的SEC色谱图与采用SEC分析得到的单一聚合物老化前后的色谱图非常相似，两种方法测得的各聚合物的Mp，Mw和PDI也非常接近（表3），相对误差在7.1%以内.SIS峰值对应的相对分子质量高达2.19×105Da，其分子量及分布的测定结果也未受第一维色谱流动相的影响.因此，该UHPLC-SEC技术可有效分离共混物中的各聚合物并准确地测定其分子量及分布.

Table 3 Molecular weight and molecular weight distribution of PMMA,SIS and SBS in the blends using UHPLCSEC and of the individual polymer using SEC

研究聚合物共混物的老化降解产物和降解程度对产品的失效分析极为关键.采用与共混物分析相同的UHPLC-SEC色谱条件对老化后的SBS，SIS、PMMA共混物进行了分离和表征.在老化前后的共混物中，PMMA在第一维ELSD检测器和第二维示差折光检测器中的信号强度均十分接近，色谱峰形状亦相似，且UHPLC-SEC测定的分子量及分布结果基本一致［图6（A）和表3］，表明在共混物老化过程中，PMMA组分几乎不降解，结构稳定.

老化后，共混物中SBS组分的第一维信号比老化前明显降低（图5，保留时间Rt=18.3 min），测得的重均分子量也显著小于老化前共混物中的SBS组分，分子量分布更宽；在第二维的SEC色谱图中［图6（B）］，16～19 min和21～23.5 min处还分别出现了高聚物和低聚物分子副产物的信号，表明老化后SBS聚合物的交联和降解同时发生.单一SBS聚合物老化前后的SEC直接分析结果也证明了这一点.

如图5和图6（C）所示，老化后共混物的第一维和第二维色谱图上均未检测到SIS的信号，说明SIS聚合物的热稳定性差，老化后几乎完全分解，可能是由于异戊二烯具有较大的分子量和较大的支链结构，SIS的降解相对容易发生.单一SIS聚合物老化后的SEC直接分析结果也证明，大部分SIS被降解为宽分布聚合物链段［图6（C）中23 min处的宽峰］.经观察发现，共混物老化后的UHPLC色谱图中出现了一个新的色谱峰（11～12.5 min），且峰值分子量与单一SBS和SIS老化后保留时间为23 min的降解产物基本一致.因此，该降解产物可能为聚苯乙烯-短链丁二烯、聚苯乙烯-短链异戊二烯或聚苯乙烯链段，即热降解发生在丁二烯链段或异戊二烯的双键上［38，39］.

所构建的UHPLC-SEC二维在线联用系统的第一维和第二维均使用双检测器，从而获得的样品信息更丰富，应用范围更宽.共混物的老化降解产物（11～12.5 min）在260 nm处有强烈的紫外吸收，其紫外光谱图与聚苯乙烯相似（λmax=260 nm）［图5（B）］，可能是SBS和SIS降解后残留的聚苯乙烯片段，这为共混物中聚合物组分的老化降解机理研究提供了重要信息.如果在UHPLC-SEC后端连接FTIR，NMR等定性分析工具，对UHPLC-SEC洗脱组分逐一检测，则可获得更多降解产物的组成和结构信息.

3 结 论

设计并搭建了UHPLC-SEC二维色谱在线联用系统，充分利用第一维UHPLC色谱峰窄、流速低的特点，将聚合物组分完整地转移至第二维SEC中进行分离表征，突破了以往基于中心切割模式的LC-SEC系统分子量表征不够准确的局限.该二维色谱联用系统具有良好的正交性和溶剂兼容性，测定重复性好，可以用于复杂的聚合物共混物分子量及分布的准确表征.为聚合物配方产品在生产和应用过程中的失效分析提供了一种重要而有效的手段.