汪明芳，付 華，付志博，王月榮，章弘揚，張 敏，胡 坪

（1.華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,上海市功能性材料化學(xué)重點實驗室,上海 200237；2.青海大學(xué)化工學(xué)院,西寧 810016；3.華東理工大學(xué)藥學(xué)院,上海市新藥設(shè)計重點實驗室,上海 200237）

在黏合劑、涂料等產(chǎn)品中，合成聚合物作為骨架為其提供黏附力和內(nèi)聚力［1］，聚合物的結(jié)構(gòu)單元組成、排序、分子量以及分子構(gòu)象對產(chǎn)品性能的影響十分顯著，因此，在實際生產(chǎn)中常將多種不同的合成聚合物共混或共聚以制成具有特殊功能的產(chǎn)品.如，將苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物（SIS）和聚甲基丙烯酸酯（PMMA）混合，可使產(chǎn)品獲得更好的初粘和快速的表干性能［2～7］.將這些聚合物共混物與低聚物以及小分子進一步混合，即得到雙組分丙烯酸酯黏合劑中的一個組分.失效分析是黏合劑等產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，其過程中需將共混物的每個組分完全分離后再進行準(zhǔn)確表征，從而建立最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化與性能失效之間的聯(lián)系.然而，為了提高共混體系的化學(xué)相容性，添加在產(chǎn)品中的多個聚合物組分可能具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)或相近的分子量，這就大大增加了失效分析的難度.

色譜法是聚合物分離和表征的主要方法，其中空間排阻色譜法（SEC）或者基于臨界點分離的高效液相色譜法（HPLC）最常用［8～15］.SEC主要用于表征聚合物在相對分子質(zhì)量上的分散性，而臨界點色譜法只可區(qū)分單體結(jié)構(gòu)不同的聚合物.二維色譜LC-SEC［16～22］將臨界點液相色譜對不同結(jié)構(gòu)類型聚合物的分離能力與空間排阻色譜對不同分子量聚合物的表征能力相結(jié)合，有效提高了對聚合物共混體系的分離表征能力.然而，由于聚合物在第一維臨界點液相色譜中的流出時間亦依賴于其分子量的大?。?3～25］，所得色譜峰較寬，為防止第二維進樣體積超載，通常將第一維中某一聚合物色譜峰的一小部分切割至第二維中進行測定，因此測定結(jié)果并不能反映該聚合物分子量及分布的整體特征，影響了方法的準(zhǔn)確性.使用亞2μm填料作為固定相的超高效液相色譜（UHPLC）是近年來高效液相色譜研究領(lǐng)域的重要進展，用UHPLC搭建的二維色譜亦被應(yīng)用于食品、生命科學(xué)及制藥工業(yè)中［26～31］，但在聚合物領(lǐng)域的應(yīng)用報道較少.Uliyanchenko等［32］在雙溶劑體系的超高效液相色譜儀上搭建了UHPLC-HPSEC系統(tǒng)，第一維和第二維均使用了超高效液相色譜柱，實現(xiàn)了快速全二維色譜分析，并研究了高流速情況下聚合物在超高壓液相色譜中的降解和變形［33］，使用該方法可快速獲取復(fù)雜混合物中多組分的近似分子量.

二維液相色譜的分離能力可用峰容量來衡量，Giddings［34］提出了二維液相色譜的峰容量（n）的計算方法：

式中：1n和2n分別為是第一維和第二維的色譜峰容量.UHPLC的峰容量高于HPLC，根據(jù)公式（1）可知，UHPLC-HPSEC聯(lián)用可顯著提高色譜峰容量.然而，在實際分離過程中這種聯(lián)用模式的有效峰容量并不高，其丟失率可能達到75%.有效峰容量n2D.effective可以表達為［31］

式中：γ為色譜保留曲線的覆蓋率，與二維體系的正交性相關(guān)；α為進樣展寬帶來的一維色譜峰容量校正參數(shù)；β為從一維到二維中非理想的樣品轉(zhuǎn)移過程引入的峰容量校正參數(shù).當(dāng)?shù)谝痪S和第二維色譜成正交分離，γ接近1，因此式（2）可簡化為

如果第二維采用HPSEC，其樣品負(fù)載量小，容易出現(xiàn)超載現(xiàn)象和溶劑效應(yīng)，當(dāng)大體積的第一維餾分被轉(zhuǎn)移到第二維，將引起第二維色譜峰的展寬和變形，β和2n減小，n2D.effective減?。?1］.另外，UHPLCHPSEC在實際的聚合物分離表征中將產(chǎn)生大量組分信息的圖譜，增大了分析工作量；且第二維的分析速度太快，聚合物分子鏈段在流動相中不能形成穩(wěn)定的分子尺寸，影響了聚合物分子量測定的準(zhǔn)確性.

本文設(shè)計并搭建了超高效液相色譜-空間排阻色譜二維在線聯(lián)用系統(tǒng)（UHPLC-SEC），利用UHPLC高的分離能力、窄的色譜峰［35～37］以及小柱徑的特點，解決了LC-SEC以及UHPLC-HPSEC聯(lián)用系統(tǒng)對聚合物分子量表征不夠準(zhǔn)確的問題.利用聚氨酯膠黏劑中常用的端羥基聚丁二烯（HTPB）對UHPLC-SEC的分離表征性能進行了評價，并將該二維色譜應(yīng)用于老化前后的SBS，SIS和PMMA共混物的分離和分子量測定.該方法分離能力強，分子量測定重復(fù)性好且準(zhǔn)確性高，在聚合物降解程度的評估、產(chǎn)品的失效分析及聚合物原材料的質(zhì)量控制中具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙腈（色譜級，美國Merck公司）；四氫呋喃（色譜級，美國賽默飛世爾公司）；寬分布HTPB（工業(yè)級，相對聚苯乙烯的重均分子量Mw=6292 Da，分散系數(shù)PDI=2.38，美國沙多瑪公司）；SBS（工業(yè)級，Mw=1.22×105Da，PDI=1.36，美國科騰公司）；SIS（工業(yè)級，Mw=2.04×105Da，PDI=1.23，美國科騰公司）；PMMA（工業(yè)級，Mw=1.15×105Da，PDI=2.19，美國Merck公司）；3種窄分子量分布的HTPB（Mw=1.82×105，3608 Da，826 Da）由本實驗室自制，分子量由標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯校正測得.SBS，SIS和PMMA共混物由3種聚合物按質(zhì)量比1∶1∶1混合制得.

二維色譜中的第一維使用Waters ACQUITY Arc超高效液相色譜儀，配備Waters 2998 PDA光電二極管陣列檢測器和2424 ELSD蒸發(fā)光散射檢測器（美國Waters公司）；第二維使用Waters 2695凝膠色譜儀，配備Waters 2998 PDA和Waters 2414示差折光檢測器（美國Waters公司）；電子驅(qū)動的10端口2位閥（美國Waters公司）；ME104型分析天平（梅特勒-托利多國際貿(mào)易上海有限公司）.

1.2 二維液相色譜UHPLC-SEC的設(shè)計與搭建

由兩臺獨立的液相色譜搭建的UHPLC-SEC二維色譜在線聯(lián)用系統(tǒng)流程如圖1所示.第一和第二維色譜之間以十通閥連接，閥切換由Arc系統(tǒng)上的Empower-3軟件控制.十通閥上連接2個200μL的定量環(huán)作為接口，用于樣品的存儲和轉(zhuǎn)移.當(dāng)十通閥旋轉(zhuǎn)至A位時，一維色譜柱中流出的目標(biāo)洗脫液充滿定量環(huán)1.立即旋轉(zhuǎn)十通閥至B位，定量環(huán)1與SEC柱連通，環(huán)中的樣品被第二維的流動相帶到SEC柱中分離檢測；定量環(huán)2則可在停流模式下存儲第一維色譜中流出的下一個目標(biāo)餾分.將十通閥保持在B位直到完成第二維分析，再切回至A位，此時，定量環(huán)2中存儲的下一個目標(biāo)洗脫餾分將被轉(zhuǎn)移入第二維色譜中完成分離表征.

1.3 第一維UHPLC分析條件

對于HTPB的分離和表征，采用Agilent Eclipse XDB色譜柱（2.1 mm×100 mm，1.8μm），在臨界點條件下（流動相為四氫呋喃和乙腈，體積比為70.7∶29.3）等度洗脫.流動相流速為0.2 mL/min，柱溫35℃，進樣量7μL.采用ELSD檢測，漂移管溫度80℃，霧化器溫度60℃，氣流壓力30 psi（1 psi=6.895 kPa）.

對于SIS，SBS和PMMA共混物的分離表征，流動相采用乙腈（A）和四氫呋喃（B），梯度洗脫：0 min，20%B；0～5 min，20%～50%B；5～20 min，50%～100%B.采用ELSD和PDA雙檢測，PDA檢測波長260 nm.其余分離和檢測條件同上.

Fig.1 Schemes of two dimensional UHPLC?SEC systems

1.4 第二維SEC分析條件

對于HTPB的分離和表征，將1根Agilent polypore預(yù)柱（7.5 mm×50 mm，5μm）和3根Agilent polypore色譜柱（7.5 mm×300 mm，5μm）串聯(lián)使用，柱溫40℃；流動相為四氫呋喃，流速1.0 mL/min；采用示差折光檢測器檢測，檢測溫度為40℃.

對于SIS，SBS和PMMA共混物的分離表征，SEC分析條件與HTPB相同.

所有數(shù)據(jù)均采用Empower軟件進行處理，目標(biāo)組分的相對分子質(zhì)量及分布根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯（相對分子質(zhì)量范圍為268～1.82×106Da）校正曲線進行計算.

1.5 樣品的處理和溶液的配制

取適量寬分布HTPB，用四氫呋喃配制成濃度為2.5 mg/mL的樣品溶液，用于考察UHPLC-SEC二維色譜在線聯(lián)用系統(tǒng)的適用性.

取3種自制窄分布HTPB樣品，等質(zhì)量比混合后，用四氫呋喃配制成濃度為2.5 mg/mL的樣品溶液，用于考察UHPLC-SEC聯(lián)用方法的正交性.

稱取適量SBS，SIS和PMMA共混物，用四氫呋喃配制成含SBS，SIS和PMMA各1.5 mg/L的樣品溶液.另取適量SBS，SIS和PMMA共混物，在200℃下加熱3 h后，采用相同方法配制成各聚合物濃度為1.5 mg/L的樣品溶液.采用UHPLC-SEC分離并表征該共混物老化前后的成分及分子量的變化.

分別稱取適量SBS，SIS和PMMA聚合物，用四氫呋喃配制成濃度為1.5 mg/L的單一聚合物樣品溶液.另分別取適量SBS，SIS和PMMA各聚合物，在200℃下加熱3 h后，配制成濃度為1.5 mg/L的老化后單一聚合物樣品溶液用于比較研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 UHPLC-SEC系統(tǒng)的分離表征性能評價

將建立的UHPLC-SEC二維色譜在線聯(lián)用系統(tǒng)用于寬分布HTPB聚合物的分析，結(jié)果如圖2（A）所示.由UHPLC譜圖可見，2～3 min內(nèi)HTPB組分被完全洗脫，色譜峰峰形較窄.又由于使用了小柱徑的UHPLC色譜柱，流動相體積流量設(shè)為0.2 mL/min，峰寬1 min的色譜峰餾分體積僅200μL，可全部存儲在定量環(huán)中并被一次性轉(zhuǎn)移至第二維SEC中進行分離表征.分別將圖2（A）中1～2 min，2～3 min和3～4 min的UHPLC流出液切割轉(zhuǎn)移至SEC中進行測定，由圖2（B）可見，1～2 min和3～4 min的流出液在SEC中未檢出明顯的信號，2～3 min的餾分則出現(xiàn)了明顯的色譜峰.

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)

采用聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線計算了2～3 min餾分的峰尖分子量（Mp）、重均分子量（Mw）和分散系數(shù)（PDI），結(jié)果如表1所示.可見，通過UHPLC-SEC二維色譜在線聯(lián)用系統(tǒng)測得的HTPB的分子量及分子量分布（Mp：3407 Da；Mw：6573 Da；PDI：2.36）與直接采用SEC方法測得的結(jié)果（Mp：3526 Da；Mw：6292 Da；PDI：2.38）基本一致，表明該方法的準(zhǔn)確度良好.在UHPLC-SEC上連續(xù)進樣測定3次，Mp，Mw和PDI的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為5.3%，5.7%和2.6%，表明該方法的重復(fù)性良好.

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

2.2 UHPLC-SEC系統(tǒng)的溶劑兼容性考察

在二維液相色譜中，溶劑兼容性是需考慮的關(guān)鍵問題之一.本研究中臨界點UHPLC的色譜條件參考前期研究結(jié)果［15］，采用29.3%乙腈和70.7%四氫呋喃作為流動相，而SEC的流動相為四氫呋喃.通過比較四氫呋喃配制的寬分布HTPB樣品與液相色譜流動相配制的樣品的分子量測定結(jié)果來考察溶劑兼容性.由表2數(shù)據(jù)可見，2種溶劑體系中寬分布HTPB的Mp，Mw和PDI（峰寬）測定結(jié)果都十分接近，表明二維色譜系統(tǒng)的溶劑兼容性良好.

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

2.3 UHPLC-SEC系統(tǒng)的正交性驗證

在二維色譜中，為達到最大的峰容量，2個色譜方法的分離機制應(yīng)該是完全獨立的，正交性是多維分離方法分辨能力評估的關(guān)鍵.為了驗證UHPLC-SEC二維在線聯(lián)用系統(tǒng)具有正交性，將3種窄分布的HTPB聚合物混合后進行UHPLC-SEC分析.如圖3所示，混合物在第一維UHPLC上只出現(xiàn)1個色譜峰，而在第二維SEC上顯示3個摩爾質(zhì)量不同的HTPB組分峰.上述結(jié)果表明，UHPLC是基于聚合物單體組成和結(jié)構(gòu)進行分離的，而SEC是基于分子尺寸進行分離，因此UHPLC-SEC兩維分離模式是互補和正交的，可用于復(fù)雜共混物中合成聚合物的分離和表征，從而獲取各組分化學(xué)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共混物分離表征及降解研究中的應(yīng)用

為了考察UHPLC-SEC二維在線聯(lián)用系統(tǒng)的實際適用性，以黏合劑和涂料產(chǎn)品中常用的共混體系SBS，SIS和PMMA為研究對象，考察其降解前后的變化情況.SBS，SIS和PMMA的分子量接近且分布寬，直接采用SEC分析時，降解前后共混物的色譜峰均嚴(yán)重重疊（圖4），因此無法準(zhǔn)確表征各聚合物的分子量和降解情況.

采用UHPLC-SEC系統(tǒng)對老化前后SBS，SIS和PMMA共混物進行了分離分析.第一維使用超高效C18柱，結(jié)合兩步梯度洗脫，不僅能分離出PMMA，還可使結(jié)構(gòu)單元類似、含有聚異戊二烯鏈段的SIS和聚丁二烯的鏈段的SBS基本實現(xiàn)分離.第一維UHPLC色譜圖如圖5所示，由于采用了UHPLC窄徑色譜柱和梯度洗脫，各聚合物的組分峰均出現(xiàn)在1 min以內(nèi)，洗脫體積小于200μL.因此，各聚合物組分峰均可被完整地轉(zhuǎn)移至第二維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）通常兩嵌段和三嵌段共聚物的混合物，由圖5可見，老化前的共混物中，SIS和SBS在第一維UHPLC上因組成結(jié)構(gòu)單元不同而被分離，但不同分子量的兩嵌段和三嵌段SBS（或SIS）共聚物在第一維色譜中幾乎被同時洗脫并形成單一色譜峰.而在第二維的SEC色譜（圖6）中，SBS（或SIS）兩嵌段和三嵌段共聚物得到了分離，這是由于三嵌段共聚物的分子量大于兩嵌段共聚物，在SEC色譜上基于分子尺寸排阻效應(yīng)得以分開.SIS和SBS嵌段聚合物在UHPLC-SEC上的分離特征再次驗證了該二維色譜聯(lián)用體系具有正交性.

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

圖6（A）～（C）顯示，采用UHPLC-SEC得到的老化前后共混物中PMMA，SBS和SIS組分的SEC色譜圖與采用SEC分析得到的單一聚合物老化前后的色譜圖非常相似，兩種方法測得的各聚合物的Mp，Mw和PDI也非常接近（表3），相對誤差在7.1%以內(nèi).SIS峰值對應(yīng)的相對分子質(zhì)量高達2.19×105Da，其分子量及分布的測定結(jié)果也未受第一維色譜流動相的影響.因此，該UHPLC-SEC技術(shù)可有效分離共混物中的各聚合物并準(zhǔn)確地測定其分子量及分布.

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產(chǎn)物和降解程度對產(chǎn)品的失效分析極為關(guān)鍵.采用與共混物分析相同的UHPLC-SEC色譜條件對老化后的SBS，SIS、PMMA共混物進行了分離和表征.在老化前后的共混物中，PMMA在第一維ELSD檢測器和第二維示差折光檢測器中的信號強度均十分接近，色譜峰形狀亦相似，且UHPLC-SEC測定的分子量及分布結(jié)果基本一致［圖6（A）和表3］，表明在共混物老化過程中，PMMA組分幾乎不降解，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

老化后，共混物中SBS組分的第一維信號比老化前明顯降低（圖5，保留時間Rt=18.3 min），測得的重均分子量也顯著小于老化前共混物中的SBS組分，分子量分布更寬；在第二維的SEC色譜圖中［圖6（B）］，16～19 min和21～23.5 min處還分別出現(xiàn)了高聚物和低聚物分子副產(chǎn)物的信號，表明老化后SBS聚合物的交聯(lián)和降解同時發(fā)生.單一SBS聚合物老化前后的SEC直接分析結(jié)果也證明了這一點.

如圖5和圖6（C）所示，老化后共混物的第一維和第二維色譜圖上均未檢測到SIS的信號，說明SIS聚合物的熱穩(wěn)定性差，老化后幾乎完全分解，可能是由于異戊二烯具有較大的分子量和較大的支鏈結(jié)構(gòu)，SIS的降解相對容易發(fā)生.單一SIS聚合物老化后的SEC直接分析結(jié)果也證明，大部分SIS被降解為寬分布聚合物鏈段［圖6（C）中23 min處的寬峰］.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，共混物老化后的UHPLC色譜圖中出現(xiàn)了一個新的色譜峰（11～12.5 min），且峰值分子量與單一SBS和SIS老化后保留時間為23 min的降解產(chǎn)物基本一致.因此，該降解產(chǎn)物可能為聚苯乙烯-短鏈丁二烯、聚苯乙烯-短鏈異戊二烯或聚苯乙烯鏈段，即熱降解發(fā)生在丁二烯鏈段或異戊二烯的雙鍵上［38，39］.

所構(gòu)建的UHPLC-SEC二維在線聯(lián)用系統(tǒng)的第一維和第二維均使用雙檢測器，從而獲得的樣品信息更豐富，應(yīng)用范圍更寬.共混物的老化降解產(chǎn)物（11～12.5 min）在260 nm處有強烈的紫外吸收，其紫外光譜圖與聚苯乙烯相似（λmax=260 nm）［圖5（B）］，可能是SBS和SIS降解后殘留的聚苯乙烯片段，這為共混物中聚合物組分的老化降解機理研究提供了重要信息.如果在UHPLC-SEC后端連接FTIR，NMR等定性分析工具，對UHPLC-SEC洗脫組分逐一檢測，則可獲得更多降解產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)信息.

3 結(jié) 論

設(shè)計并搭建了UHPLC-SEC二維色譜在線聯(lián)用系統(tǒng)，充分利用第一維UHPLC色譜峰窄、流速低的特點，將聚合物組分完整地轉(zhuǎn)移至第二維SEC中進行分離表征，突破了以往基于中心切割模式的LC-SEC系統(tǒng)分子量表征不夠準(zhǔn)確的局限.該二維色譜聯(lián)用系統(tǒng)具有良好的正交性和溶劑兼容性，測定重復(fù)性好，可以用于復(fù)雜的聚合物共混物分子量及分布的準(zhǔn)確表征.為聚合物配方產(chǎn)品在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的失效分析提供了一種重要而有效的手段.