高效聚合物色谱技术在高分子材料分析中的应用进展

张 姝，张育红，刘俊彦，李应成

（中国石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

高分子材料的机械强度、可加工性、结晶度等性能通常与分子量及其分布直接相关，因此，测定分子量及其分布对于高分子材料的研究与生产具有重大意义［1］。基于体积排阻原理（SEC）分离聚合物的GPC常用于测试聚合物分子量及其分布。但自从20世纪60年代商业化后，直至2010年，GPC技术几乎没有突出的进展，本质上依然是一种低分辨率的技术［2］，分离度较低且分析周期长，切换不同的溶剂体系困难，消耗溶剂量较多，无法很好地满足日益复杂的新兴高分子材料的分析需求。

为了更好地满足分离和表征聚合物分子量及其分布的需求，2013年，高效聚合物色谱（APC）应运而生。APC是一项基于SEC、采用新型固定相填料及相关配套系统的分离聚合物的应用技术。得益于色谱柱填料和检测器等技术的革新，APC具有更快的分析速度、更高的分辨率、更灵活的溶剂耐受性，并可显著减少溶剂的消耗、降低分析成本，尤其可按聚合度的不同对聚合物进行精准分离，对研究低聚物的分布更有参考意义，为高分子材料行业的发展与创新提供了更多的支持。

本文介绍了APC的仪器结构、技术优势及主要应用领域，综述了APC在国内外高分子材料领域中的应用，指出了使用APC时需注意的问题，并对APC在高分子材料领域中的发展进行了展望。

1 APC的原理及仪器结构

1.1 APC的分离原理

APC的分离原理与GPC相同，均是利用多孔填料色谱柱将高分子按体积大小进行分离［3］。被分离的高分子聚合物随着流动相进入色谱柱，体积非常大的分子几乎不能通过任何孔，只能沿着填料颗粒之间的间隙通过色谱柱，因而最早从色谱柱中被洗脱出来；体积中等的分子可以通过一部分孔，所以洗脱时间长于体积较大的分子；而小分子可以通过绝大部分的孔，洗脱时间最长，最后才被淋洗出来，从而实现了不同体积聚合物分子的完全分离［4］。

1.2 APC的仪器结构

APC采用了完全优化的低扩散超高效色谱系统，针对有机相和水相聚合物的典型溶剂全面优化了系统流路，体系可以耐受强溶剂，具有四元溶剂梯度，且为配合低扩散色谱系统专门设计了创新性示差折光（RI）检测器，并结合了创新的亚3 μm刚性多孔杂化颗粒填料，可以以更快的速度分离更复杂的聚合物，获得低聚物的更多信息和精确稳定的数据，并且可以实现快速的系统平衡和在不同溶剂体系间灵活地转换，从而大幅提升分析方法的筛选能力和操作人员的效率。

APC系统包括泵、自动进样器、柱温箱、色谱柱和检测器等部件，每个部件均结合了亚3 μm刚性小颗粒填料的优势，优化了低扩散性，以充分发挥色谱柱高分离度的优势。而且APC系统在设计阶段进行了多种苛刻溶剂下材料的耐受性测试，保证了系统的长期稳定性，即使用极端溶剂也依然表现出较高的性能。

1.2.1 泵

APC色谱柱的分离过程会产生较高的柱压，最高达到108Pa。而传统GPC使用的HPLC泵，不是为采用亚3 μm填料的色谱柱设计的，柱压通常只能达到4×107Pa，无法满足快速和高分辨率测定的需求。APC的等度泵（溶剂管理器）可以提供适用于APC色谱柱的柱压和精确的流量，以保证数据的重复性。此外，APC也提供了四元泵，以实现梯度分离。

1.2.2 色谱柱及色谱柱填料

根据van Deemter方程，如要提高液相色谱的柱效，获得更低的塔板高度，需要使用粒径小且均匀的固定相填料，该理论在GPC中也不例外，图1为四氢呋喃溶液中使用不同粒径固定相填料分离分子量为105的聚苯乙烯聚合物的van Deemter方程［5］。从图1可以发现，小粒径颗粒的最佳流速更高，表明使用小粒径颗粒填料可以比使用大粒径颗粒填料实现更快的分离；且小粒径颗粒的曲线斜率比大粒径颗粒的曲线斜率更小，表明若使用高于最佳流速的流速进行分离，填充小粒径颗粒填料的色谱柱比填充大粒径颗粒填料的色谱柱更有效。目前GPC色谱柱填料的粒径通常为5 μm，最佳流速远低于粒径为3 μm和2 μm的填料，无法满足快速分析的需求。

1.2.2 样品的制备与测定。参考行业标准方法《YC/T 380—2010 烟草及烟草制品铬、镍、砷、硒、镉、铅的测定 电感耦合等离子体质谱仪法》[12]进行分析测试。准确称取0.2 g(精确至0.000 1 g)烟草样品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%双氧水，旋紧密封后进行微波消解。消解程序如表1所示。冷却至室温后，将消解罐内的试样溶液用超纯水冲洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超纯水定容至50 mL，混合摇匀。用同样的方法制备试剂空白溶液。

图1 四氢呋喃溶液中使用不同粒径固定相填料分离分子量为105的聚苯乙烯聚合物的van Deemter 方程［5］Fig.1 van Deemter equation curves calculated for polystyrene polymer with molecular mass 105 in tetrahydrofuran for stationary phases with different particle diameters［5］.

APC色谱柱填料是将整个填料球体通过无机材料四乙氧基硅烷和双三乙氧基硅烷经过不完全缩水聚合之后形成的刚性填料［6］，并做表面封端处理，以降低颗粒表面的化学吸附，粒径有1.7 μm和2.5 μm两种，可以满足分子量为200～2×106的聚合物的分离，并可以满足有机相和水溶性聚合物的分离。APC色谱柱有如下优点：1）兼容性高。孔径和孔隙不会随流动相体系变化而变化，所以几乎兼容任何溶剂，同时可灵活地切换溶剂，并且可一步置换溶剂，使开发新方法更具有灵活性；2）机械强度高。耐高流速和高压；3）分辨率高。尤其适用于分析低聚物，获得更多的聚合物分子量分布信息，在数据处理过程中，更高的分辨率意味着有更多低分子量的校正点可被用来建立更精准的标准曲线，从而获得更加准确的分子量及其分布；4）重现性高。连续测试100针环氧树脂得到的分子量的相对标准偏差（RSD）低至0.08%；5）分析速度快。溶剂消耗量低，可以大大节约使用溶剂导致的成本和污染。

而传统GPC的填料通常采用半硬质凝胶，机械性能较低，较高流速产生的柱压会导致凝胶发生一定程度的形变，导致分子量的筛分不够精细，且对压力和温度变化较敏感；此外，传统GPC填料的溶剂兼容性较差，可选择的溶剂种类较少，溶剂置换也较为复杂，而且填料粒径较大，导致分辨率较低，所得结果中会丢失大量的信息，无法满足现代化工行业中对低聚物的测试需求。

1.2.3 柱温箱

APC配置了柱温箱，可以为单根或串联的色谱柱提供稳定的温度环境。柱温箱具有预加热功能，以确保所有色谱柱的温度均保持一致和稳定，而且还可以支持两套串联APC色谱柱和两套GPC串联色谱柱，无需人工干预，即可应用。

1.2.4 检测器

为了兼容高分辨率的APC色谱柱，APC中的RI检测器相比传统RI检测器进行了优化，减少了系统扩散，提升了分离质量。优化后RI检测器的流通池体积仅为1.3 μL，可以维持峰形，实现最大的灵敏度，即使在洗脱出的聚合物浓度较低的情况下，也可以提供准确积分；使用逆流热交换器平衡流入溶剂的温度，优化了热量管理，以减少基线漂移；采用集成式液流管理，有助于减少溶剂消耗，并可自动清除参比流通池，维持最佳基线性能。

此外，APC系统还可以配置紫外、光电二极管阵列、蒸发光散射、质谱、小角或多角度光散射和黏度等检测器，以提供聚合物的更多信息，支持更为复杂的表征。

1.3 APC的技术优势

APC与传统GPC相比，技术优势主要体现在：1）分辨率高。可以分离更复杂的聚合物，尤其适用于低聚物，可获得精确稳定的数据；2）分析速度快。具有较高的分析方法筛选能力；3）灵活性强。可以耐受不同溶剂体系的转换，可以实现快速系统平衡和自动溶剂切换；4）重现性高，可信度高。

2 APC在高分子材料领域中的应用

与传统GPC相比，APC在高分子材料、天然产物［7］、油品［8-10］及药物［11］产品质量控制等领域中具有较好的应用。目前，APC在高分子材料领域中的应用主要集中于聚合物分子量及其分布的快速测定、低聚物分子量的测定、添加剂检测、反应进程监测和高分子支化的结构表征等。表1为目前APC在高分子材料领域有代表性的研究对象及实验条件。

表1 APC在高分子材料领域有代表性的研究对象及实验条件Table 1 Representative research objects and test conditions of advanced polymer chromatography(APC) in polymer materials

2.1 聚合物分子量及其分布的快速测定

在使用传统的GPC方法对聚合物的分子量及其分布进行测试时，通常使用多个串联的色谱柱，由于每根色谱柱的典型分析时间为15 min，因此每次GPC的测试时间通常达到30 min甚至更长，测试效率较低。此外，绝大多数聚合物进行GPC测试时会消耗较多的有机溶剂，成本较高且不利于环保。而APC分析时间较短、分辨率较高、重现性较强。

环氧树脂在改性过程中，分子量及分子量分布是一个重要的指标。崔朋等［12］同时使用APC与GPC对油溶性环氧树脂的分子量及其分布进行了测试，探讨了APC的测试方法和条件，用APC实现了对通用型双酚A-环氧氯丙烷型环氧树脂（E-12）的分子量及其分布的高效、快速、稳定的表征。实验结果表明，使用GPC需要近25 min才能完成测试全过程；而使用APC可在10 min内实现对E-12的高效分离，且谱图具有独特的峰形，可以更好地反映聚合原理，更清晰地显示E-12是一种含有不同聚合度同系分子的混合物（见图2）。而且，APC的重现性较好，测试结果的RSD均低于0.5%，故有望作为指纹图谱用于油溶性低聚物的合成和组成分析。APC可为聚合物的研发和质量监控提供新的途径。

图2 使用GPC（a）和APC（b）测试环氧树脂的谱图［12］Fig.2 Chromatogram of epoxy resin tested by GPC(a) and APC(b)［12］.

在测定高分子材料的分子量及其分布时，为了获得绝对分子量信息，可以将APC与多角度激光散射检测器（MALLS）［21］联用。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的分子量及其分布直接影响PET的力学性能和加工成型性能。传统GPC适合用于分析分子量较低的PET，对于瓶片及特性黏度更高的工业级PET，GPC测试结果的可靠性大幅降低。刘梅等［22］开发了APC-MALLS方法，用于测试不同特性黏度PET的分子量及其分布。实验结果表明，该方法无需使用标准品，RSD小于2%，可作为较好的质量控制方法促进高品质PET的开发。同样针对PET的工业生产，Wang等［23］将APC与RI检测器、MALLS联用，研究了高黏度PET在大气压下通过高流量惰性气体吹扫形成熔融薄膜的后缩聚过程，揭示了分子量呈双重分布的现象，发现纤维级PET在275 ℃下的反应以缩聚为主，确定了PET在熔融反应时的情况，为开发更高性能商用高分子量PET提供了重要的参考。

由于聚合物的应用环境日益复杂，对聚合物结构（如嵌段共聚物、接枝共聚物、共混物等）［24］的剖析需求日益增多。对于新型聚合物结构的剖析，单独的GPC或液相色谱（LC）无法提供足够多的信息，因而常需要采用二维色谱。在APC未出现之前，GPC是二维色谱中最常用的分离技术［25］，因为它与一维色谱中的大多数分离方法具有较好的兼容性［26］。而在当代色谱发展中，APC可为二维色谱分析带来极大优势［5］，因而越来越多地应用于基于二维色谱的复杂聚合物结构的快速剖析中。Pursch等［18］开发了APC+LC二维色谱法，并对酚醛环氧树脂和苯酚酚醛环氧树脂共混物的分子量与化学组成分布进行了分析，获得了该共混物的分子量及其分布，并定性和定量地确定了基质中的杂质。

2.2 低聚物分析

常见的高分子材料均通过单体聚合合成，聚合物中往往存在一些低聚物［4］，而低聚物对材料性能及寿命存在不可忽视的影响。如PET中的低聚物易在喷丝板凝聚变焦，影响纺丝组件使用寿命，或沉积在纤维表面降低纤维品质［27］。通过对聚合物中低分子量部分进行监测，可以提早发现产品开发过程中出现的问题［28］。因此，对高分子聚合物中的低聚物进行分析非常重要。传统GPC的死体积较大、色谱柱填料内径较大、分辨率较低，因而无法较好地得到低聚物的分子量及其分布。而APC色谱柱的填料粒径较小（如4.5 nm的色谱柱填料粒径仅为1.7 μm），且APC色谱仪的死体积低，两者结合可以得到较高的分离度，从而更加精确地测定低聚物的分子量，这对于比较不同聚合物试样中的低聚物分布或确定聚合物试样中特定低聚物的含量［29-30］，具有重要的意义。

王勇军等［31］通过萃取法和沉淀法对纤维级PET、液相增黏和固相增黏高分子量PET及过程试样中的低聚物进行提取，并借助APC对低聚物进行表征。实验结果表明，低聚物的存在会影响产品性能，给后续加工过程带来不便，而采用APC法可高效、稳定地反映PET材料中低聚物组分及含量，对寻找合适的合成工艺起到重要的作用。

2.3 添加剂检测

纯的高分子材料易受热、光、氧化等环境影响而降解，失去优良性能，因此必须添加添加剂，如抗氧剂、热稳定剂及光稳定剂等。近年来，对于聚合物产品性质和添加剂用量也有了更多的要求，例如用于食品包装、医药和玩具的塑料必须遵守相关标准与法规［32］。APC较高的分辨率使它用于聚合物添加剂检测时具有显著优势，将APC与质谱相联用，可实现聚合物分子量与添加剂的同时测定。

Lo等［33］将APC与RI、质谱检测器联用，同时检测聚苯乙烯的分子量及抗氧化剂与光稳定剂的含量（见图3）。该方法可以同时完成聚合物分子量和8种添加剂含量的准确测定，即使添加剂含量不足0.1%（w）也可以准确定量。

图3 添加剂的谱图叠加图及按质量数降序排列的洗脱顺序［33］Fig.3 Overlay of mass chromatograms for additives and their elution order in descending mass order［33］.

2.4 反应进程监测

基于APC具有较高分辨率且可测定低分子量物质的特点，可以将其应用于化学反应进程的监测中，通过测定某一反应物的含量变化以确定反应进行的程度，并可辅助确定反应条件。APC测试时间短，可以缩短工艺筛选、失效分析和产物判断所需时间，且高重现性增加了数据的可信度。

张岩冲［34］使用APC对一个合成含磷环氧树脂的反应进程进行了监测，并对不同温度下的反应完成时间进行了确定。通过APC表征一个分子量仅为216的关键反应物的变化情况，确定了反应进程，其中，反应物9，10-二氢-9-氧-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）及含磷环氧树脂的APC谱图见图4。如使用传统GPC，则由于DOPO的分子量低于GPC色谱柱可测定的分子量范围，无法出峰，因而无法对该反应进行进程监测。

图4 DOPO与环氧树脂的APC谱图［34］Fig.4 The APC curves of DOPO and epoxy resin［34］.

2.5 高分子支化结构的表征

聚合物的加工性能和产品性能与它的支化结构和支化程度密切相关［3］。将APC与多检测器联用，如光散射和黏度检测器，可以扩展检测范围，获得特性黏度、流体动力学半径、分子构象和支化等信息，从而在比传统GPC更快速地得到上述信息的同时，区分线型聚合物与支化聚合物。

Meeker等［35］使用 APC，配备 RI、光散射与黏度检测器，对聚苯乙烯（PS）标准品、宽分子量聚氯乙烯（PVC）和宽分子量聚碳酸酯（PC）进行测定，同时得到了分子量及分布、特性黏度、流体动力学半径等信息，并使用马克-霍温克图考察了特性黏度在整个分子量范围内的分布。通过lgη～lgMw（η为特性黏度）关系曲线，发现在相同分子量下，PS的特性黏度低于PC和PVC，表明其分子密度较高，构型更紧凑；PVC的特性黏度偏离线性，在高分子量区域中有所降低，表明在较高分子量下存在支化。他们还使用类似的方法区分了线型PS和支化PS，解释了聚合物可能经历的结构变化［36］。这为研究支化聚合物的结构与性能之间的关系提供了有利的表征手段。

在实际应用中，APC还存在一定局限性。为了降低理论塔板高度，提升填料的分离效率，APC填料尺寸降至1.7 μm和2.5 μm，但小粒径填料会导致背压显著上升，导致需要相应的高耐压性能的硬件系统与它适配；在较高流速下，一些柔性聚合物链在分离过程中可能产生一定程度的拉伸应力和剪切应力［37］，进而影响测试结果的准确性［5］；且在较高柱压下，一些较高分子量或具有不稳定键的聚合物可能出现键断裂的情况［5］。不过，由于APC硬件系统可以向下兼容，所以该局限性可通过APC硬件结合GPC色谱柱的方式进行规避，APC也适用于一些特殊GPC色谱柱填料的应用场景。

3 结语

APC作为一种高分辨率测试聚合物分子量及其分布的表征手段，已在高分子材料领域中得到许多应用，包括：获得较高的分离度，高效、稳定地测定聚合物中低聚物组分及含量，确定特定低聚物和添加剂的含量；通过APC特有的色谱峰形作为指纹图谱，反映聚合物的聚合原理，监测反应进程，进而优化聚合反应条件；监测实际生产中工艺改变引起的产品质量变化，明晰特定条件下的反应情况，为工艺优化提供参考；与LC进行二维联用，实现共混物的分子量与化学组成分布的快速分析；快速区分线型与支化聚合物，剖析聚合物可能经历的复杂结构变化。APC作为新兴技术，还有待进一步发展，可将APC与其他分离手段建立二维色谱，利用APC分析速度快的优点，在1 min甚至更短时间内进行APC分离，以提高二维色谱的分析速度，获得更多的结构信息。此外，也可以将APC与非常规检测器如MS、NMR等联用，如与在线核磁共振氢谱联用区分共混物和嵌段共聚物。今后可以将APC与更多新兴检测器联用，以满足结构更复杂的高分子材料的分析需求。随着APC技术的不断发展，可在高分子材料的表征与研发方面会发挥更大的作用，促进材料产业的高质量发展。