Gelpermeationschromatographie (Raumtemperatur)

Die Gelpermeationschromatographie (GPC), auch als Größenausschlusschromatographie (SEC) bezeichnet, stellt in der Polymeranalytik eine Standardmethode zur Bestimmung der Verteilung der molaren Masse und daraus abgeleiteter Mittelwerte dar. Statt von „molarer Masse“ wird in diesem Zusammenhang häufig auch von der Molmasse oder dem Molekulargewicht gesprochen. Aus der Molmassenverteilung bzw. den mittleren Molmassen lassen sich Rückschlüsse auf zentrale Eigenschaften eines Polymers/Kunststoffs ziehen. Dazu zählen z.B. die Zähigkeit, die Schmelzeviskosität und die elastischen Eigenschaften der Schmelze. Durch den Vergleich der Verteilung der molaren Masse unterschiedlicher Proben lassen sich darüber hinaus Abbau- oder Vernetzungsprozesse nachvollziehen. Die GPC ist damit eine der wichtigsten Charakterisierungsmethoden für Polymere.

Lösungsmittelauswahl

Da es sich bei der GPC um eine flüssigchromatographische Methode handelt ist es unabdingbar, eine Probe für die Untersuchung aufzulösen. Die Auswahl des Lösungsmittels für eine GPC-Analyse ist dabei vor allem von der Löslichkeit des Polymers abhängig. Während etwa THF (u.a. für Polystyrol (PS) oder Polyethylenglycol (PEG)) als Standard angesehen werden kann, ist beispielsweise die Verwendung von Hexafluorisopropanol (HFIP) zur Untersuchung von Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyamiden (PA) weniger verbreitet. Weitere Feinheiten bei der Lösungsmittelauswahl ergeben sich durch mögliche attraktive oder repulsive Wechselwirkungen, denen durch Zusätze (Säuren, Basen oder Salze) entgegengewirkt werden kann. Letztlich können so für die weit überwiegende Zahl an Polymerklassen geeignete GPC-Bedingungen realisiert werden.

Verknüpfung mit anderen Methoden

Die Informationen der Gelpermeationschromatographie (Molmassen und deren Verteilung) können bereits helfen viele wichtige Fragestellungen, so zum Beispiel auch die nach niedermolekularen Bestandteilen (Anteile < 1000 g/mol), zu beantworten. Die Molmasse ist jedoch auch immer mit weiteren Parametern verknüpft. So kann die Zusammensetzung des Polymers variieren oder Anteile mit bestimmten Molmassen können gewisse Eigenschaften besonders stark prägen. Um an Informationen zum Zusammenhang von Molmasse und weiteren Eigenschaften zu kommen sind gekoppelte Methoden zwingend notwendig. Ein Ansatz ist die 2-dimensionale Flüssigkeitschromatographie (2D-LC).

Für eine Kopplung mit spektroskopischen (IR, NMR, …) oder thermischen (DSC, TGA, …) Methoden ist es hingegen meist notwendig die Probe semipräparativ zu fraktionieren. Durch diesen Ansatz können hinsichtlich der Molmassen eng verteilte Anteile (Fraktionen) einer Probe gewonnen werden, wobei pro Fraktion mehrere Milligramm erhalten werden können. Diese Fraktionen lassen sich dann, je nach Erfordernissen, quasi beliebig weiter charakterisieren. Auf diese Weise ist es möglich den Zusammenhang verschiedenster Größen mit der Molmasse zu ermitteln. Zudem ist der Ansatz auf andere Trennmodi (z.B. Flüssigchromatographie (HPLC, von Raumtemperatur bis 200 °C)) übertragbar, sodass weitere Zusammenhänge aufgeklärt werden können.

Anwendungsfelder

• Aufklärung der Molmassenverteilung (auch Molekulargewichtsverteilung genannt) und daraus abgeleiteter Mittelwerte (M_z, M_w, M_n, Ð)
• Schadensanalytik auf molekularer Ebene
• Untersuchung von Batchvariationen und Chargeneffekten
• Beantwortung regulatorischer Fragestellungen (z. B. Anteil < 1000 g/mol)
• Vorfraktionierung für detaillierte chemische Analysen

Die obere Abbildung zeigt einen eigens am Fraunhofer LBF entwickelten und gebauten Fraktionssammler. Anders als kommerzielle Geräte erlaubt dieser die Beheizung des Fraktionierungsventils und der zuführenden Kapillaren. Dadurch können Fraktionen bei variablen Temperaturen gesammelt werden. Auch Polyolefine lassen sich auf diese Weise fraktionieren (vgl. Gelpermeationschromatographie (Hochtemperatur, bis 200 °C)). Je nach Erfordernis stehen am Fraunhofer LBF zudem weitere kommerzielle wie nicht-kommerzielle Geräte zur Verfügung.

Veröffentlichungen:
 

• F. Malz, J. H. Arndt, J. Balko, B. Barton, T. Büsse, D. Imhof, R. Pfaendner, K. Rode, R. Brüll, Analysis of the molecular heterogeneity of poly(lactic acid)/poly(butylene succinate-co-adipate) blends by hyphenating size exclusion chromatography with nuclear magnetic resonance and infrared spectroscopy, J. Chrom. A, 1638 (2021) 461819, DOI: 10.1016/j.chroma.2020.461819
• N. Apel, E. Uliyanchenko, S. Moyses, S. Rommens, C. Wold, T. Macko, R. Brüll, Separation of Branched Poly(bisphenol A carbonate) Structures by Solvent Gradient at Near-Critical Conditions and Two-Dimensional Liquid Chromatography, Anal. Chem. 90 (2018) 5422–5429, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00618
• N. Apel, E. Uliyanchenko, S. Moyses, S. Rommens, C. Wold, T. Macko, K. Rode, R. Brüll, Selective chromatographic separation of polycarbonate according tohydroxyl end-groups using a porous graphitic carbon column, J. Chrom. A, 1488 (2017) 77–84, DOI: 10.1016/j.chroma.2017.01.075