凝膠色譜法測定超高相對分子質量聚乙烯的相對分子質量及其分布

郭 寧，盛 亮，陳成鑫，史清軍，唐頌超，鄭安吶

凝膠色譜法測定超高相對分子質量聚乙烯的相對分子質量及其分布

郭 寧1，2，盛 亮3，陳成鑫3，史清軍3，唐頌超1，鄭安吶1

（1.華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237；2．上海化工研究院有限公司 聚烯烴催化技術與高性能材料國家重點實驗室，上海 200062；3.北京億路達機電設備有限公司，北京 100081）

采用配有專用IR5-MCT檢測器和GPC快速柱的新型凝膠色譜儀GPC-IR測定超高相對分子質量的聚乙烯試樣的相對分子質量及其分布，對三個超高相對分子質量的聚乙烯試樣進行分析表征。實驗結果表明，該新型凝膠色譜儀可進行極稀試樣溶液的定量測定，測試結果準確度高、重復性良好，操作簡便，完全滿足定量分析要求，克服了傳統高溫GPC無法分析超高相對分子質量聚乙烯的難題。

超高相對分子質量聚乙烯；相對分子質量；相對分子質量分布

超高相對分子質量聚乙烯（UHMWPE）一般是指相對分子質量在150萬以上的聚乙烯，其具有非常優越的機械性能［1-3］。隨著加工工藝的進步，UHMWPE應用已擴大到軍用、醫用等高附加值的新產品領域［2-6］。目前，對UHMWPE的相對分子質量測定方法有3種：黏度法、流變法和凝膠滲透色譜法。黏度法是通過測定多個濃度下稀溶液的相對黏度，作圖得特性黏度，經公式計算出黏均相對分子質量［7-9］。此方法簡單，但影響因素多，結果相差大。另外，采用僅可測得黏均相對分子質量，不能得到相對分子質量的分布情況。流變法是根據UHMWPE流變性能的差異，研究人員采用數據變換關系及一定的轉換模型給出聚合物的相對分子質量［10-13］。但由于流變模型需要進行理論上的完善及驗證，因此這種方法有待進一步的研究。常規凝膠色譜技術是分析相對分子質量及其分布的方法［14-15］。但對UHMWPE而言，相對分子質量及其分布表征存在試樣難溶解、通用型檢測器的檢出限不能滿足極稀溶液的測定、流動性差易堵塞柱子等缺點，故很難實際上用于UHMWPE試樣的分析。

本工作采用配有專用IR5-MCT檢測器和GPC快速柱的新型凝膠色譜儀GPC-IR，分析了UHMWPE的相對分子質量及其分布的情況，解決了目前UHMWPE相對分子質量及其分布的測定存在的問題。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

1，2，4-三氯苯溶劑、正庚烷溶劑：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；UHMWPE試樣1，2，3：自制。

1.2 分析試樣的制備

分別稱取（1±0.1）mg的UHMWPE試樣1，2，3，放入試樣瓶內，剩余的所有過程均由儀器自動完成：將試樣瓶放入自動進樣器常溫區域，加入溶劑8 mL，流量標記物200 μL，采用溫和震蕩及氮氣吹掃除氧，減少氧化和剪切降解，在160 ℃的條件下溶解180 min。

1.3 分析方法

采用西班牙Polymer Char公司的高溫凝膠滲透色譜儀（GPC-IR）對3個UHMWPE試樣進行相對分子質量及其分布的表征，色譜儀配有高靈敏度IR5-MCT檢測器，色譜柱為GPC快速柱（250 mm×10 mm），柱溫箱溫度160 ℃。以含有0.3 g/L 2，6-二叔丁基對甲酚的1，2，4三氯苯為流動相，流速1 mL/min，柱箱溫度160 ℃。試樣注射體積為200 μL，注射時間15 min，每個試樣分析2次。

2 結果與討論

2.1 窄分布聚苯乙烯校正曲線

采用4組16個窄分布聚苯乙烯（PS）標準試樣進行GPC-IR分析，經數據計算，得到相對分子質量和保留體積的對應曲線，即窄分布聚苯乙烯校正曲線，見圖1。從圖1可看出，PS校正曲線的線性相關系數R2= 0.999 1，表明PS相對分子質量和保留體積的相關性良好。

圖1 窄分布聚苯乙烯校正曲線Fig.1 Calibration curve of narrow distribution polystyrene.

2.2 UHMWPE試樣的紅外原始信號

對三個UHMWPE試樣進行表征，得到紅外原始信號譜圖，見圖2和圖3。

圖2 試樣的原始紅外檢測譜圖Fig.2 Sample analysis raw data with Infrared detector.

圖3 試樣的紅外檢測基線譜圖Fig.3 Baseline of infrared detector.

從圖2可看出，同一試樣的兩次分析紅外原始信號峰形非常相似，說明GPC-IR的濃度檢測器原始信號重復性很好。圖2中試樣的信號為0.005 6 V，從圖3可看出，試樣的基線噪音是-8×10-4V，所以信噪比滿足定量要求，可直接分析。

2.3 UHMWPE的相對分子質量

經過對紅外原始信號的處理得到三個UHMWPE試樣的相對分子質量，結果見表1。Mass recovery試樣回收率代表了試樣溶解狀況，從表1可看出，試樣的溶解性良好。三個試樣的Mw分別約為681萬、297萬和391萬，同時，同一試樣兩次分析的重均相對分子質量、數均相對分子質量、相對分子質量分布、黏均相對分子質量的數據重復性良好。

表1 UHMWPE的相對分子質量Table 1 Molecular weight characterization data of ultra high molecular weight polyethylene

2.4 UHMWPE相對分子質量分布

對同一試樣的兩次相對分子質量分布數據進行分析，結果見圖4。dw/dlgM代表了相對分子質量的占比含量，其值越大，則這個相對分子質量的占比越大。從圖4可看出，三個試樣的兩次相對分子質量分布測試結果重復性良好，試樣1的相對分子質量分布在6～7，試樣2和試樣3相對分子質量分布主要集中在6附近。

圖4 試樣兩次分析數據結果Fig.4 Twice analysis results of sample.■ First analysis；● Second analysis

3 結論

1） 采用配有專用IR5-MCT檢測器和GPC快速柱的新型凝膠色譜儀測定UHMWPE試樣的相對分子質量及其分布，定量分析測試結果準確度高、重復性良好，克服了傳統高溫GPC無法分析超高相對分子質量聚乙烯的難題，實現了相對分子質量及其分布的表征。

2）該方法操作簡便，只需分析人員將稱量試樣后的試樣瓶放入自動進樣器常溫區即可，剩余的所有過程均有儀器自動完成。

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（編輯 平春霞）

Determination of molecular weight and its distribution of ultrahigh molecular weight polyethylene by gel chromatography

Guo Ning1，2，Sheng Liang3，Chen Chengxin3，Shi Qingjun3，Tang Songchao1，Zheng Anna1
（1.College of Materials Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2.State Key Laboratory of Polyolefins and Catalysis Technology，Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co.Ltd.，Shanghai 200062，China；3. Beijing Yiluda Electromechanical Equipment Co. Ltd.，Beijing 100081，China）

With special IR5-MCT detector and GPC type rapid column，the new gel chromatography GPC-IR was used to get the molecular weight and its distribution of ultra high molecular weight polyethylene. The molecular weight and its distribution of three kinds of ultra high molecular weight polyethylene were characterized. The experimental results show that the new type of gel chromatography can be used for quantitative determination of extremely dilute the sample solution.The results have a high accuracy，good repeatability and fully meet the requirements of quantitative analysis. The new GPC-IR overcome the traditional high temperature GPC shortcoming that can not analyze the problem of ultra high molecular weight polyethylene.

Ultra-high molecular weight polyethylene；molecular weight；molecular weight distribution

1000-8144（2017）11-1424-04

TQ 325.1

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.11.014

2017-05-22；修改稿日期2017-08-17。

郭寧（1977—），男，河北省石家莊市人，碩士，高級工程師，電話 13818021589，電郵 gnear@163.com。聯系人：鄭安吶，電話 021-64253343，電郵 zan@ecust.edu.cn。