Cromatografia por Exclusão de Massa Molecular

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Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
EQO099-Análise Instrumental Orgânica
Maria José O. C. Guimarães
mjg@eq.ufrj.br
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Tipos de Cromatografia
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Introdução
A cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) ou cromatografia de permeação em gel (GPC), é um dos métodos mais utilizados de separação e análise de materiais poliméricos.
Na cromatografia de exclusão por tamanho é possível a determinação simultânea da massa molecular númerica média (Mn), massa molecular ponderal média (Mw) e a distribuição de massa molecular (Mw/Mn) ou polidispersão.
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Mecanismo de Separação
A cromatografia de exclusão por tamanho é uma técnica de fracionamento das cadeias poliméricas, com relação ao volume hidrodinâmico que cada uma delas ocupa em solução.
Cadeia polimérica em forma de “novelo”
Na presença de “bons” solventes e/ou altas temperaturas o volume hidrodinâmico aumenta.
Em “maus” solventes ou baixas temperaturas o volume hidrodinâmico diminui.
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Condição Teta
Em geral uma molécula em solução tende a excluir todas as outras do volume que ela ocupa. Este efeito é chamado de “volume excluído”. 
Uma redução de temperatura tende a reduzir o volume excluído até que em uma dada temperatura mínima conhecida por temperatura teta () ou temperatura de Flory, o volume excluído é zero, não havendo mais exclusão, isto é, uma molécula não sente a presença de nenhuma outra.
Esta temperatura é dependente do solvente usado e portanto, o par solvente-temperatura define a chamada condição .
A condição  é uma condição instável, em que a cadeia polimérica de alta massa molecular em solução, ocupa o menor volume hidrodinâmico, estando na iminência de precipitação, ao mesmo tempo em que a interação polímero-polímero desaparece. 
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Massas Moleculares
Devido a cinética de polimerização, os materiais poliméricos apresentam cadeias com tamanhos diferentes, variando em torno de uma média. Tal fato gera uma polidispersão ou distribuição de massa molecular.
Massa Molecular Numérica Média (Mn) – depende do número de moléculas presentes em solução, qualquer que seja a sua estrutura ou tamanho.
Mn –massa molecular numérica média;
 Mi – massa molecular de moléculas de classe i;
 ni – número de moléculas de classe i
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Massas Moleculares
Massa Molecular Ponderal Média (Mw) – depende do número e massa das moléculas presentes na solução, qualquer que seja a sua estrutura ou tamanho.
Mw – Massa molecular ponderal média;
 Mi – massa molecular de moléculas de classe i;
 ni – número de moléculas de classe i
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Massas Moleculares
Massa Molecular Viscosimétrica Média (Mv) – depende do número, da massa e também da forma das macromoléculas presentes na solução, qualquer que seja a sua estrutura e tamanho.
Mv – Massa molecular viscosimétrica média;
 Mi – massa molecular de moléculas de classe i;
 ni – número de moléculas de classe i
a – constante que depende do tipo de polímero, solvente e da
temperatura.
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Massas Moleculares
Massa Molar Z Média (Mz) - leva em consideração a massa molecular de cada fração, sendo mais sensível as de alta massa molar do que as demais médias, que têm potência inferior.
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Polidispersão
Distribuição de Massas Moleculares
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Faixa de Polidispersão em Polímeros
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Princípio de Fracionamento da SEC
Envolve a separação do polímero a ser analisado em um número muito grande de frações de diferentes massas moleculares. 
A separação ocorre quando uma solução do polímero é bombeada através de uma coluna contendo uma resina (gel) com poros de dimensões conhecidas.
 
Gel poroso de esferas de poliestireno copolimerizado com divinil benzeno e com ligações cruzadas de 5 a 10 microns.
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Resinas Comerciais
Esferas de poli(estireno - divinil benzeno), obtidas por processo em suspensão.
20 - 100 microns
36 - 75 microns
Porasyl D
styragel
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Princípio de Fracionamento da SEC
A separação se efetua pela penetração das cadeias poliméricas nos poros da resina. Ao penetrarem nos poros, as cadeias menores percorrem um caminho maior que as cadeias maiores. Ao final da coluna de separação, cadeias de massa molecular maior serão eluidas primeiro, sendo seguidas pelas cadeias menores.
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Com a escolha correta do tamanho e da distribuição dos poros da resina gel, é possível uma separação contínua das cadeias da amostra polimérica com diferentes massas moleculares.
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Distribuição de Massas Moleculares
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Equipamento para SEC
1 e 3. Reservatórios de solvente; 2. Bomba de injeção, 4. Sistema de colunas, 5,7. detector - analisador; 6. Microprocessador.
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Equipamento 
Bomba com injetor automático e desgaseificador
Pode ser Contínua ou Pulsante
Colunas em aço inox recheadas com resinas porosas
 Resistente a altas pressões.
Capacidade é determinada pelo comprimento, diâmetro e pelo material do recheio.
Número de Pratos Teóricos
VR= Volume de eluição medido no máximo do pico
W= largura do pico medido em sua base usando extrapolação a partir do ponto de inflexão de cada pico
L= comprimento total das colunas
Eficiência da coluna
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Equipamento
Resolução da Coluna – indica a capacidade de uma coluna em separar dois picos.
VR1 e VR2 = Volumes de eluição medidos no máximo de cada pico padrão 1 e 2
W1 e W2 = Largura da base dos picos dos padrões 1 e 2, medidos como acima
M1 e M2 = Massa molecular do pico dos padrões 1 e 2 (M1>M2).
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Equipamento
Detectores
Índice de Refração (IR) - 660nm
Ultravioleta (UV) – 254 nm
Viscosimétrico
Espalhamento de Luz - laser a 670nm de comprimento de onda.
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Diferença de Resposta de Detectores de UV e IR
Borracha de Polibutadieno
Marcador Interno
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Diferença de Resposta de Detectores de UV e IR
Efeito da Concentração de Estireno em Copolímeros de SBR
45% de estireno
30% de estireno
Marcador Interno
Marcador Interno
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Condições de Análise
Taxa de Bombeamento: 
condição padrão : 1mL/min.(erro<0,3% medido com marcadores internos: enxofre superpuro 0,03% m/v)); Condição preparativa: 10mL/min.
Solventes: 
Água, THF, Tolueno, Dimetilformamida (DMF) – amostras solúveis a temperatura ambiente. 
1,2,4-Triclorobenzeno (TCB)- para polímeros solúveis a quente; 
1,1,1,3,3,3 Hexafluorisopropanol (HFIP) – para poliésteres (PET) e poliamidas.
Temperatura de Operação - dependendo do solvente, pode ser próxima da ambiente (40°C); intermediária (75°C) - para borrachas sintéticas ou a 140 ~145°C para os polímeros que solubilizam a quente (poliolefinas). 
Estabilizante térmico (100mg/L)- evita a degradação do solvente e da amostra.
Solução para análise: 10 – 15 mg amostra/50 ml solvente
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Cromatograma com Marcador Interno
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Curva de Calibração
A SEC é um método relativo que precisa de padrões conhecidos de modo a se obter uma curva de calibração. 
Padrões de PS (polimerização aniônica), com faixa de massa molecular de 500 a 2.000.000 Da, medida por uma técnica absoluta (Espalhamento de luz).
A região útil ou de permeação seletiva é definida como o intervalo em que o volume de eluição muda significativamente quando se modifica a massa molar do padrão ou o intervalo onde a curva tem uma baixa inclinação.
Padrões de calibração para 
polímeros naturais e sintéticos
POLYCAL
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Curvas de SEC obtidas com Padrões de PS
Curva de Calibração de SEC
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Conversão da Curva de Calibração de PS para qualquer Polímero
M1 = Massa molar do polímero, 
 M2 = massa molar do poliestireno padrão
A1, K1 (amostra) e a2,K2 (PS) = constantes que dependem do par polímero-solvente
Quando se quer medir a massa molecular de qualquer polímero usando-se padrões de PS é necessário fazer a conversão da curva de calibração original de PS : 
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Curva de Calibração Universal
Polímeros com o mesmo volume hidrodinâmico eluirão no mesmo tempo de retenção. A dependência do volume hidrodinânmico com o volume eluido produz uma única curva, não apenas para
amostras de poliestireno linear ou ramificado, mas também para amostras de poli(metacrilato de metila) (PMMA), poli(cloreto de vinila) (PVC), polibutadieno e copolímeros graftizados.
Volume hidrodinâmico = intM
int = viscosidade intrínseca
M = massa molecular
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Procedimento para Determinação das Massas Moleculares
O cálculo é feito a partir de dados de intensidade versus tempo de eluição, subdividindo-se a curva de distribuição de massa molecular em pequenos intervalos.
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Algumas Aplicações da Técnica de SEC
Monitoramento de Reação de Copolimerização para Produção de SBS
1° Estágio – Bloco de Estireno; 2° Estágio – Dibloco estireno-butadieno; 3° Estágio: Tribloco estireno-butadieno-estireno
Marcador Interno
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Determinação do Tipo de Plastificante em PVC
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Análise dos Componentes de Misturas
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Bibliografia
1.Técnicas de Caracterização de Polímeros, Sebastião Canevarolo Jr, Editora Artliber (2004). 
2. Caracterização de Polímeros - Determinação de Peso Molecular e Análise Térmica, - Elizabete F. Lucas, Bluma G. Soares e Elisabeth Monteiro, e-papers editora (2001).