Механизм деструкции макромолекул в неоднородных гидродинамических полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

На правах рукописи

• - ^ '!

,п - > ЧУБАРОВА

Елена Владимировна

МЕХАНИЗМ ДЕСТРУКЦИИ МАКРОМОЛЕКУЛ В НЕОДНОРОДНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.19 - физика полимеров

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Институте высокомолекулярных соединений Российской Академии наук.

Научный консультант -доктор физико-математических наук, профессор С.Я. Френкель

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Б.П. Будтов, доктор физико-математических наук А.А. Даринский

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Защита диссертации состоится^ ¿.-^АрфЯ. 1998 г. в (!?. часов на заседании диссертационного совета Д 002.72.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при ИВС РАН (199044, Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., 31).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВС РАН. Автореферат разослан<к.|<г<А^/1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ИВС РАН, кандидат физико-математических наук.

Д.А. Дмитроченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксклюзионная жидкостная хроматография (ЭЖХ) - единственный экспресс-метод, позволяющий определять ММР полимеров различной природы в широком диапазоне молекулярных масс (М). Однако, в области /ИИ О6 Да при использовании ЭЖХ возникает проблема деструкции макромолекулярных цепей в процессе анализа, то есть сам метод вносит искажения в ММР исследуемых полимеров. Это привело к фактическому отказу от применения ЭЖХ для анализа ММР полимеров с ультравысокими М.

Цель работы. Установление механизма деструкции макромолекул в неоднородных гидродинамических полях, именно, в наиболее сложном случае - при протекании растворов сквозь пористые среды с бипоровой структурой (упакованные слои хроматографических сорбентов) - позволяет решить задачу корректного анализа ММР полимеров.

Научная новизна работы. Впервые проведено подробное экспериментальное изучение влияния градиента скорости потока и геометрии среды на изменения в ММР и характер разрушения макромолекулярных цепей. Доказана реальная протекаемость внутричастичных (поровых) каналов хроматографических сорбентов. Разработан новый метод хроматогра-фической порометрии. Сформулирован общий механизм сдвиговой деструкции макромолекул. Предложенный механизм подтвержден разра-ботаными скейлинговыми моделями деструкции при плоскопараллельном течении при одновременном воздействии поперечного температурного поля (метод фракционирования в потоке в поле, -ФПТП) и при ЭЖХ.

Практическая значимость работы. Показана принципиальная возможность достоверного анализа ММР полимеров с ультравысокими М (по крайней мере, до ~101 Да) с помощью ЭЖХ. Определены параметры, по которым необходимо оптимизировать хроматографическую систему для определения достоверных ММР. Новый метод проточной хроматогра-фической порометрии (ХПП) позволяет в течение нескольких минут получить кривую распределения пор по размерам в условиях обычного хроматографического эксперимента с использованием стандартного оборудования, по крайней мере, в диапазоне радиусов пор 30+2000 А.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором на II Конференции "Водорастворимые полимеры и их применение", Иркутск, июнь 1982 г.; II Всесоюзном семинаре "Адсорбция и жидкостная хроматография эластомеров", Омск, август 1988 г., конференции ° При-

менение хроматографии на предприятиях химического комплекса" Пермь, май 1989 г., Межотраслевом семинаре "Теория и практика жид костной хроматографии", Уфа, май-июнь 1990 г., расширенном семинар! ОАПС ИВС, октябрь 1997 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 (основных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения четырех глав и выводов (181 страница, в том числе 18 таблиц и 4Е рисунков), приложения (35 страниц, в том числе 5 таблиц и 16 рисунков и библиографии (11 страниц, 110 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Определена цель, практическая значимость работы м сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Дан краткий обзор литературы, связанной с поведением макромолекул в неоднородных гидродинамических полях по четырем основным направлениям: 1) собственно деструкция макромолекул; 2] эффекты миграции; 3) "аномальное" поведение растворов полимеров е пористых средах; 4) концентрационная и скоростная зависимость коэффициента распределения в пористых средах. Анализ литературь позволяет сделать следующие выводы. Можно считать бесспорнс установленным: сам факт сдвиговой деструкции макромолекул; наличие критической массы при данном градиенте скорости; увеличение степени деструкции с увеличением градиента скорости; необходимость временного интервала деструктирующего воздействия для проявления деструкции. Четкого понимания влияния концентрации и термодинамического качества растворителя на деструкцию к настоящему моменту не сформулировано. В самом сложном случае, -при протекании растворов сквозь пористые среды с бипоровой структурой (случай ЭЖХ), - не нашел объяснения факт зависимости степени деструкции от размеров пор сорбента. При изучении деструкции в разбавленных и полуразбавленных растворах ни в одной работе не принимается во внимание возможность возникновения градиентов концентрации под воздействием градиентов скорости. Глава 2. Представлены экспериментальные результаты по изучению

деструкции высокомолекулярного образца ПС с М - 12,07-106

(эффективный гидродинамический радиус /?,=1,39-10"® см) в гидродинамических полях различной сложности.

2.1. Изучалось влияние скорости элюирования и геометрии упакованного слоя на степень деструкции макромолекул (случай ЭЖХ). На первом этапе были подобраны условия хроматографического эксперимента, исключающие деструкцию макромолекул ПС, а именно: аналитическая хроматографическая система из двух стандартных колонок по 30 см длиной и внутренним диаметром 4 мм, упакованных макропористым стеклом (МПС) со средним диаметром пор £Ы00 нм и средним размером частиц с/р= 15,3 мш, обеспечивала при скорости элюирования и=5,9 мл/ч линейную калибровочную зависимость в диапазоне М= 106-И07 в тетрагидрофуране (ТГФ) по узкодисперсным фирменным ПС стандартам (рис. 3.1.1). Специально проведенные эксперименты показали хорошую воспроизводимость результатов и соответствие рассчитанных из хроматограмм и полученных независимыми измерениями характеристик образца ПС. В экспериментах по деструкции раствор образца ПС (Со^0,3 мГ/мп) с помощью дозирующего устройства с объемом петли 20 мкл последовательно вводился в хроматографическую колонку, заполненную определенным сорбентом, при фиксированном и. Элюат собирался, концентрировался до с*0,3 мГ/мл и анализировался на аналитической системе. В качестве сорбентов использовались: МПС, сферические силикагели, кварцевые частицы и стеклянные шарики с различными размерами частиц. Степень деструкции оценивалась по индексу деструкции 1= М п01М п-1, где М п0 и М п - среднем исленные М исходного и подвергнутого деструктирующему воздействию образца

ПС. При расчете / использовались значения М п, усредненные не менее, чем по трем хроматограммам одного и того же элюата, полученным на аналитической системе. Во всех случаях ошибка в определении средних М - менее 5%. Зависимости I от и для пористых и непористых сорбентов аналогичны приведенной на рис. 2.1.1.

0=400 нм, г/р=15,3 мкм

в

■

а

в

а

-.-1-.-1-1-1-1-[-

0 10 20 30 40

Расход и, мл/ч

Рис. 2.1.1. Зависимость индексов деструкции от скорости элюирования для МПС.

10-

о_ &

о

о ье Ш СГ

5-

Довольно неожиданным с точки зрения существующего представления < механизме сдвиговой деструкции [1] как о разрушении изолированно! макромолекулы под воздействием градиента скорости [2], является не монотонный характер зависимости I от и. Для МПС, в среднем, индею деструкции увеличивается с уменьшением размера пор.Наиболее пол ная информация о характере разрушения цепей и количестве разрушен ных макромолекул получена при анализе ММР элюатов. Так, для МПС видно (рис. 2.1.2), что при сопоставимых С/, доля разрушенных макромо лекул различна для разных сорбентов, но при этом характер деструкци! совершенно одинаков, а именно: цепь разрушается по всей длине.

0= 25 ни, и-6,0 ил/ч, I о=115 нм, и=5,7ш/ч, шшшшиашшншшшш, 0=400 им, и=6,1 мл/ч, шшшишшашштт исходное ММР

60 ло

20 О

Л 16

1СП/ИШМ

14 12 10 6 6 4 2 О

Рис. 2.1.2. Молекулярно-массовые распределения элюатов образца ПС полученных при сравнимых расходах и при ЭЖХ на МПС с разным размерами пор и проанализированных на аналитической системе.

Сравнение ММР элюатов, полученных на пористых и непористых сор бентах позволяет сделать вывод, что наличие пор (независимо оп

133 Г-

1 отладим

100 -

0= 25 им, (/=28,7 я СМ15ни, 0=24,7« 0=400 им, и=26,9 млАшшнштштнышт ■ исходное ММР

их размеров) в частицах сорбента может приводить как к увеличению, так и к уменьшению доли разрушившихся макромолекул по сравнению с непористыми частицами, в зависимости от конкретного значения и. Анализ всей совокупности ММР элюатов, полученных на всех исследованных сорбентах, показывает, что для получения достоверных молекуляр-но-массовых характеристик полимеров с ультравысокими М необходимо оптимизировать хроматографическую систему, по крайней мере, по 3-м параметрам: размер пор, размер частиц сорбента, скорость элюирова-ния.

2.2. Изучался эффект торможения макромолекул при протекании растворов сквозь пористые среды, под которым в ЭЖХ понимается увеличение объемов элюирования Уе образца с увеличением и. В ЭЖХ считается, что объем элюирования низкомолекулярного репера (в данном

случае, ортодихлорбензола, у°~т) всегда равен полному поровому объему упакованного слоя V, (то есть суммарному объему межчастичных и внутричастичных каналов). Эксперименты на непористых сорбентах показали: чем меньше с/р, тем сильнее проявляется эффект торможения. Так, для шариков с бр =7,3 мкм, У™ >У°~т при всех, даже минимальных, и. Для сорбентов с размером пор, меньшим, чем размер макромолекул ПС, картина аналогична приведенным на рис. 2.2.1 хроматограммам.

Рис. 2.2.1. Совмещенные по Vt хроматограммы образца ПС в смеси с ортодихлорбензолом, полученные при разных и при ЭЖХ на сферическом силикагеле (8/-300) с размером пор 30 нм. Элюент - ТГФ.

В этом случае при относительно низких и часть макромолекул ПС элюируется с V™ <У°~0В , а часть - с У™>Уе°~ш. По мере увеличения и доля "тормозящихся" макромолекул становится все больше, и при достаточно большой скорости весь полимер элюируется с

У™ > т , то есть с объемами, превышающими Ц. Это означает, что

V,

V.

меняется порядок элюирования, свойственный ЭЖХ.Проводилось фракционирование образца ПС в процессе элюирования при и=15,5 мл/ч на 5/-300 с анализом фракций на аналитической системе. Из ММР фракций и рассчитанных характеристик следует, что наиболее сильно

"тормозящиеся" макромолекулы (с >У°~ов) не разрушаются. При ЭЖХ на пористых сорбентах, размер пор которых превышает размер макромолекул ПС, эффект торможения также присутствует, но при этом

У™ < V, при любых и.

2.3. Изучалось влияние термодинамического качества растворителя на степень деструкции образца ПС при сравнимых и для крайних случаев: хороший растворитель (ТГФ) - растворитель, близкий к 0-растворителю (смеси метилэтилкетона с метанолом); пористый сорбент (МПС с 0«400 нм, с!р =15,3 мкм) - непористый сорбент (стеклянные шарики с с/р=7,3 мкм). Выбор смеси МЭК:МеОН в качестве элюента, близкого к 0-растворителю, позволял сравнить полученные данные с известными из литературы. В смешанных элюентах, так же, как и при ЭЖХ в ТГФ, прослеживается влияние как геометрии среды, так и скорости элюирования на поведение макромолекул ПС. Основным отличием от хроматографии в хорошем растворителе является неполное элюирова-ние макромолекул во всех использованных смешанных элюентах, приводящее к изменению поровой структуры хроматографических слоев.

2.4. Проводились модельные эксперименты с использованием тонких пористых слоев с унимодальным распределением поровых размеров (стеклянные макропористые мембраны). Изучалось влияние размера пор на деструкцию макромолекул как при перемешивании раствора образца ПС (с0=О,3 мГ/мл) над мембранами с разными размерами пор, так и при фильтрации через мембраны. Использовалась стандартная ультрафильтрационная ячейка типа ФМ-02 (НТО РАН) из фторопласта, скорость перемешивания 400 об/мин. Раствор ПС перемешивался без избыточного давления в ультрафильтрационной ячейке над мембранами с 0=580 нм, 0=110 нм и над фторопластовой пленкой в течение 1 часа и 2-х часов. Для каждой подложки через указанные интервалы времени из ячейки отбиралось »1 мл раствора. Отобранные пробы анализировались с помощью ЭЖХ на аналитической системе. Эксперименты по перемешиванию показывают, что доля разрушившихся макромолекул тем больше, чем больше О. Из анализа ММР следует, что характер разрушения макромолекулярных цепей одинаков для разных подложек: макромолекулы разрушаются по всей длине с образованием фрагментов разного размера. Причем заметную долю составляют фрагменты с М<3-106. При ультрафильтрации раствора ПС через мембраны с 0=110 нм, 0=238 нм и 0=286 нм при избыточном давлении 0,5 атм и 1,0 атм (время фильтрации во всех случаях < 30 мин) фильтровалась

приблизительно половина исходного объема раствора ПС. На аналитической системе анализировался как раствор, прошедший через мембрану с определенным размером пор (фильтрат), так и оставшийся над мембраной (концентрат). Полученные ММР показывают, что в большей степени разрушению подвергаются макромолекулы образца ПС, профильтрованного через мембрану с 0=110 нм, меньшим, чем средний размер макромолекул (то есть также, как и при ЭЖХ - рис. 2.1.2). Доля разрушенных макромолекул несколько увеличивается с уменьшением размера пор, хотя она и невелика во всех случаях. Однако при фильтрации раствора ПС через мембрану с 0=110 нм образуется значительное количество фрагментов с М<3-106. Эксперименты по фильтрации показывают также, что величина градиента скорости не является единственным фактором, определяющим возможность разрушения макромолеку-лярной цепи. Так, при ОяЮ3с"1, макромолекулы практически не разрушаются при фильтрации через мембрану с 0=238 нм, а при меньшем на порядок (3, - разрушаются (на мембране с 0=110 нм). 2.5. Эксперименты по ФПТП можно рассматривать как модель поведения макромолекул в относительно простом варианте сдвигового поля (плоско-параллельное течение). Кроме того, оценивалась возможность применения ФПТП для определения ММР синтетических полимеров с М>2-106, так как считается [3], что этот метод не приводит к деструкции макромолекул. Эксперименты по ФПТП проводились на экспериментальной установке (работа выполнена автором в Институте аналитической химии Чешской АН, г. Брно), имеющей следующие размеры и-образного канала: высота - 200 мкм, ширина - 1 см и длина 2x50 см. В качестве элюента использовался ТГФ. Изучалось влияние рабочих параметров: температуры Тс "холодной" и Ть "горячей" стенки, скорости элюирования и и исходной (дозируемой) концентрации полимера в растворе с0, на объемы элюирования \/е и форму фрактограмм узкодисперсных ПС стандартов в диапазоне М- 106-И07 и образца ПС. При изучении влияния и применялась как обычная методика ФПТП, так и методика с остановкой потока на время [3]. Оказалось, что при незначительном изменении АТ=Т^ТС (на 3-н4°С) резко меняется форма фрактограмм, чего никогда не наблюдалось в методе ФПТП в обычном диапазоне М до 2-106. Обнаружено, что с уменьшением с0 увеличивается Уе и меняется форма фрактограмм даже при тех с0, при которых выполняется условие разбавленности раствора с0[?7]<1. Анализ полученных экспериментальных данных, особенно, характера изменений в форме фрактограмм при варьировании и и ^ор, и наличие низкомолекулярных компонентов (с М< 106) на фрактограммах ПС стандартов (с МР=4,4Ю5 и выше), полученных при минимальных 030^50 мкл/мин, привел к предположению о возможной деструкции макромолекул в процессе

фракционирования. Для проверки этого образец ПС с с0=5,0 мГ/мл был проэлюирован при различных фиксированных 1/=5СЬ990 мкл/мин и ¿5(ор. Элюаты собраны, сконцентрированы до с0=0,5 мГ/мл и повторно проанализированы при 1/=50 мкл/мин (рис. 2.5.1). Трансформация первичного распределения с очевидным смещением к очень низким М свидетельствует о наличиии деструкции полимерных цепей в процессе фракционирования. Также очевидно, что деструкция и условия формирования аккумулированной зоны взаимосвязаны.

Рис. 2.5.1. Фрактограммы, полученные при ФПТП в условиях: ¿У=50 мкл/мин, 7с=10°С, ГЛ=20°С. 1 - образец ПС при концентрации раствора с0=5,0 мГ/мл; 2 - элюат образца ПС, полученный при и=50 мкл/мин и р=0; 3 - элюат образца ПС, полученный при и=990 мкл/мин и ?£/ор=2 мин; 4 - элюат образца ПС, полученный при О990 мкл/мин и 4,,ор=10 мин.

Глава 3 посвящена проблеме протекаемости внутричастичных (поровых) каналов хроматографических упаковок. 3.1. Полученные в настоящем исследовании и известные из литературы экспериментальные результаты по деструкции макромолекул с ультравысокими М в ЭЖХ, а именно: немонотонный характер зависимости индексов деструкции от скорости элюирования, эффект торможения, увеличение индексов деструкции с уменьшением размера пор сорбентов, эффекты, наблюдаемые при изменении качества элюента, влияние концентрации на деструкцию, невозможно объяснить, не выходя за рамки общепринятого механизма ЭЖХ, предполагающего наличие стационарной и подвижной фазы в слое сорбента. В работе подробно сопоставляется теория ЭЖХ, изложенная в ряде основных работ, с реальным хроматографическим экспериментом (рис. 3.1.1).

2 о.

45 50 55 60 65

Время элюирования (е, мин

Рис. 3.1.1. Нормированные хроматограммы ПС стандартов, полученные при ЭЖХ на аналитической системе (Ц=5,9 мл/ч), и соответствующая этим хроматограммам калибровочная зависимость.

Для наглядности, можно привести самый простой аргумент: факт существования практически симметричных экспериментальных элюционных кривых в диапазоне М~105-И07 Да противоречит двухфазному механизму ЭЖХ, ибо по имеющимся в литературе оценкам [1], для получения равновесной хроматограммы полимергомолога с М~ 107 на сорбенте с с/р= 10 мкм необходимо время анализа -15 часов. Разительное несоответствие теоретических представлений и реального хроматогра-фического эксперимента, а также модельные эксперименты на мембранах привели к предположению о реальной протекаемости пор сорбента.

3

6

4

3.2. Идея прямого доказательства протекаемости пор сорбента в упакованном слое хроматографической колонки достаточно проста. Нужно каким-то образом пометить слой жидкости, протекающей через колонку и проследить за его движением. В качестве метки использовалась перекись водорода (Н202). Разбавленный раствор Н202 (с0~0,02%) с помощью дозирующего устройства вводился в хроматографическую колонку, упакованную определенным сорбентом при фиксированном расходе (У элюента (Н20). Хроматограммы регистрировались спектрофотометриче-ским детектором на длине волны Д=210 им. Объем дозирующей петли 20 мкл. Общим для всех исследованных сорбентов, сильно отличающихся друг от друга не только размерами пор, но и размерами частиц, является наличие двух элюционных пиков на хроматограмме Н202• На рис. 3.2.1 они отмечены как пик 1, соответствующий относительно малым временам элюирования и пик 2, соответствующий большим Г. Оба пика являются пиками Н202. Это установлено при сравнении спектров фракций, соответствующих пикам 1 и 2, со спектром исходного раствора Н202, с соответствующим разбавлением.

бремя апюирэеаиия г.«

J

Время апюирования I. м

(а)

(б)

Рис. 3.2.1. Хроматограммы Н202, полученные при фиксированных и при ЭЖХ раствора Н202 (Сои0,02%) на колонках, упакованных МПС: <г>от=115 А (пунктирная кривая - хроматограммма ацетона) (а), <г>т=1900 А (б); <г>т - средний радиус гор по данным ртутной порометрии.

В диапазоне и=5 +50 мл/ч отношение времен элюирования, соответствующих максимумам, по каждому сорбенту являются постоянными величинами, не зависящими от и. Такая ситуация возможна только в тол/ случае, если поровая среда представляет собой две группы протекае-мых каналов, значительно отличающихся друг от друга поперечными сечениями, что и приводит к различным скоростям движения меченой

зоны, распределившейся по этим каналам. Тогда высота элюционного пика Н(0 при каждом t будет пропорциональна числу каналов. То есть, хроматограммы являются кривыми распределения скоростей потока внутри каналов порового пространства упакованного слоя или, что то же самое, кривыми распределения каналов по размерам. Чтобы доказать это предположение, необходимо трансформировать элюционную кривую, соответствующую внутричастичным каналам (пик 2), в кривую распределения пор по размерам. Применялся следующий подход. Первые моменты, <t>0 и < f >р, пиков 1 и 2 можно трактовать как средние времена, за которые прокачиваются, соответственно, межчастичный V0 и поровый Vp объемы колонки. Стандартные отклонения элюционных пиков (т0,р можно трактовать как величину, пропорциональную среднему межчастичному или поровому объему. Тогда из соотношений:

VJVp = aüt<jp U <t>v=Vü+^r^LVp V,=V0+Vp (3.2.1)

р

можно определить значения V0, Vp, полный поровый объем колонки (Vt) и рассчитать среднее время <t>t=Vt/U прохождения помеченной зоны в целом по колонке. Сравнение ртутной порометрической кривой для МПС с интегральной элюционной кривой, соответствующей поровым каналам (пик 2), позволило установить конечное эмпирическое выражение для перехода от шкалы t к шкале г :

V ( V

г— < / >, У„ <t>.

TTj (32'2>

где V - геометрический объем пористого слоя (объем пустой колонки). Размерности: [г(/)]=А [0р]=мкм. Уравнение (3.2.2) дает возможность рассчитать порометрическую кривую (рис. 3.2.2):

Г гр

Ich (Г) = JrHp (r)dr / \rHp {r)dr (3.2.3)

rp<¡ rp0

и, соответственно, средний радиус пор <r>Ch сорбента (таблица 3.2.1). Полученные результаты позволяют говорить о новом методе хромато-графической порометрии сорбентов в упакованных слоях. Наиболее важным в данной работе представляется факт установления реальной протекаемости пор сорбента независимо от их размеров. Представление о наличии стационарной фазы в ЭЖХ главным образом основывается [1] на формуле Пуазейля для течения вязкой жидкости в трубе круглого сечения. Наличие порового потока, скорость которого на несколько порядков превосходит пуазейлевскую (рис. 3.2.1), означает, что протекание сквозь среду со сложной поровой структурой отличается от клас-

сического (макроскопического) течения в трубе. Было также обнаружено что для слоя пористого сорбента формула Пуазейля нарушается и с точ ки зрения пропорциональности и перепаду давления АР (рис. 3.2.3).

1.2

—а— ЮмлЛ

100 1000 1000 10000 Радиус пор г, А Радиус пор г, А

(а) (б)

Рис. 3.2.2. Порограммы, рассчитанные из хроматограмм Н202, получен ных при разных фиксированных и при ЭЖХ на МПС: <г>т=115 А (а) <г>т=шЬ А (б) (сплошная кривая - ртутная порометрия). При расчета) использовались реальные (измеренные) значения и.

Таблица 3.2.1. Средние радиусы пор <г>Сл, рассчитанные и; хроматографических порограмм сорбентов.

Заданные характеристики геометрии слоя Расчет

Сорбент <г>, А см с1, см с/р, мкм <г>сь А

МПС 115 30 0,40 9,0 119,0

МПС 1900 30 0,40 15,3 1776,8

в/ 150 30 0,40 10,0 136,1

5/ 30 15 0,39 4,0 33,0

- длина колонки; с/- внутренний диаметр.

ф 30-

с;

/У 2

У

Расход U, мп/ч

Рис. 3.2.3. Зависимость АР от U на колонках длиной 30 см и с внутренним диаметром 0,4 см, упакованных различными сорбентами: 1 - Si, <г>= 150 Д dp=10 мш; 2 - МПС, <г>=115 A, dp=9,0 мш; 3 - МПС, <r>=1900 A, dp=15,3 мш; 4 - стеклянные шарики, cfp=10 мкм.

4

L? 50-

40-

ф 10 -

О -

э

Глава 4 посвящена механизму деструкции макромолекул.

4.1. Анализ литературы и совокупности экспериментальных результатов настоящего исследования позволяют предположить следующий механизм разрушения макромолекул в неоднородных гидродинамических полях. Под воздействием градиентов скорости макромолекулы концентрируются вблизи тех поверхностей геометрического объема, к которым происходит миграция. Как только концентрация макромолекул становится выше критической концентрации перепутывания, образуется перепутанный слой (сетка), удерживающийся на поверхности. Таким образом, под воздействием градиента скорости в сдвиговых полях находится не изолированная макромолекула, а перепутанная сетка. Доказать возможность образования и разрушения слоя в сдвиговых полях можно, моделируя конкретные экспериментальные условия. Автор следовал идеологии скейлингового подхода, развитого в [4] при рассмотрении поведения разбавленного и полуразбавленного раствора вблизи поры.

4.2. Для построения моделей и получения количественных оценок рассчитаны основные макромолекулярные характеристики использованных образцов ПС по известным из литературы соотношениям.

4.3. Модель деструкции при ФПТП.

Эксперименты по изучению влияния скорости элюирования на степень деструкции при ФПТП проводились в диапазоне средних линейных скоростей потока в канале <у>=0,025+0,825 см/с, что соответствует диапазону максимальных градиентов 6<я7,5^250с1. Теория [5] предсказывает

монотонное возрастание размеров макромолекул с увеличениел скорости сдвига (3:

<г2>=<г2>0( 1 + |с2г2) (4.3.1

где <12>й - невозмущенные значения среднего квадрата расстояния меж ду концами цепи при 6=0. Для достижения максимальных размеров мак ромолекулярных цепей, соответствующих транс-конформацции (~0,82/?<5 где <5=1,54 А, а п - число мономеров) в диапазоне М=4,4-106^-12,25-10 необходимы критические градиенты в диапазоне б'»2900+500 с'1. Видно что значения экспериментальных градиентов существенно ниже, чем в При этом минимальный градиент, при котором деструкция образца ПС точно установлена (рис. 2.5.1), имеет значение =15 с \ которое в «30 ра: меньше приведенного выше теоретического значения для максимальноь М. Полученное расхождение приводит к необходимости оценит! концентрацию макромолекул в аккумулированной зоне са при ФПТП Возможность оценки макроскопических размеров зоны, следовательно и св, дает аппроксимационная теория ФПТП, развитая, в основном Гиддингсом, и изложенная, например, в [3]. Рассчитанные значения с, зоны как к моменту ее формирования ^ , так и к моменту полногс элюирования , показывают (таблица 4.3.1), что аккумулирование? вблизи холодной пластины зона в любой момент времени 1£<Ш, представляет собой слой перепутанных макромолекул для всех ПС стандартов, начиная с Ма2Ю6. Концентрация в зоне увеличивается с увеличением с0 и уменьшением <\г>. В таблице приведены также рассчитанные значения расстояний между узлами перепутывания £ I длина, на которой экранируется взаимодействие исключенных объемоЕ [4]) и соответствующие им молекулярные массы перепутывания Ме [4] Видно также, что диапазон значений Ме, соответствует диапазону /V фрагментов разрушившихся макромолекул на фрактограммах элюатоЕ образца ПС (рис. 2.5.1). Это дает возможность предположить, чтс разрушение перепутанных макромолекул происходит по точкал перепутывания. Единственной макроскопической величинок сформированного перепутанного слоя, изменяющейся под воздействиел растягивающего поля, является характерная толщина слоя I Скейлинговый подход [4] позволяет моделировать макромолекулярнук сетку "идеальными" макромолекулярными "цепями", состоящими и; "блобов" размером £ с соответствующими М=Ме. Тогда, следуя этил, представлениям, величину / можно принять за радиус Флори Я идеальной псевдоцепи с размером "блоба" с, то есть:

/ = $ = К]пг (4.3.2;

где К, - число "блобов" в псевдоцепи, или число точек перепутывания,

приходящееся на толщину слоя перепутанных макромолекул /. Относительное удлинение псевдоцепи под воздействием растягивающего градиента скорости в можно можно оценить по соотношению (4.3.1), представленному в виде:

ЛЯ,/Я, =^2/ЗвТг (4.3.3)

где Тг - время реорганизации сетки [4]. Рассчитанные характеристики удлинения псевдоцепи (таблица 4.3.2) показывают, что слой может разрушаться при весьма незначительных относительных удлинениях. При этом, чем больше 4 (таблица 4.3.1), тем меньше относительное удлинение сетки, приводящее к ее разрушению, то есть сетка с меньшими 4 более эластична. Из таблицы 4.3.2 также видно, что удлинение, приходящееся на точку перепутывания, не зависит от 4, и при одном и том же есть величина постоянная для данной М. Критической силе /^10"3 дин, приводящей к разрушению -С-С- связи, соответствует критическая длина цепи 0,994 пЗ [6], что соответствует увеличению на 0,27 А длины проекции единичной -С-С- связи по сравнению с ее проекцией для цепи в транс-конформации. Тогда для сетки критическое соотношение, соответствующее ее разрушению, имеет вид:

ДЛ,/К, =0,27-10"8 (4.3.4)

Сопоставление уравнений (4.3.4) и (4.3.3) приводит к условию разрушения макромолекулярных цепей при ось под воздействием критического растягивающего градиента скорости которое можно записать в виде:

<?с =0,33068 'Ю"8—7 (4.3.5)

В таблице 4.3.2 приведены значения рассчитанные по соотношению (4.3.5), и Сс/1 для зон, сформированных в различных условиях (соответствуют условиям таблицы 4.3.1). Из данных таблицы 4.3.2 видно, что для сеток, имеющих разные расстояния между точками перепутывания (4), значение есть величина постоянная для данной М. Также видно, что в диапазоне М=(4,4-И2,25)-106, для которого предполагалась деструкция макромолекул, значения в близки (Л7=4,4Ю8), или значительно превышают критические значения для данной М. То есть возможность деструкции подтверждается моделью. Постоянство для данной М вытекает из уравнения (4.3.5). С учетом того, что и сделав соответствующие подстановки, критическое соотношение можно записать в виде:

— = 0,33068-10^-—- (4.3.6)

где численная константа имеет размерность [см].

Таблица 4.3.1. Характеристики аккумулированной зоны в зависимости от условий фракционирования.

М-10"6 с0Ю3 <У> Зона при Зона при

Да г/см3 см/с с°'/ 6-1 о5 Мее-

А см 10"6 А СМ 10"6

Да Да

1,0 0,25 0,045 2,09 0,423 0,398 0,33 - -

2,3 0,25 0,045 8,04 0,276 0,170 1,26 1,117 1,727

0,25 0,033 25,65 0,172 0,076 2,84 0,894 1,192

4,4 0,25 0,050 17,89 0,225 0,120 2,63 0,948 1,315

0,25 0,090 7,57 0,430 0,352 2,36 1,027 1,502

0,50 0,026 198,94 0,052 0,010 9,00 0,527 0,494

7,7 0,25 0,053 45,61 0,156 0,065 4,83 0,840 1,074

0,50 0,087 39,30 0,175 0,078 6,97 0,638 0,679

0,25 0,046 116,97 0,102 0,032 10,10 0,638 0,679

12,25 0,30 0,048 105,67 0,110 0,036 7,39 0,809 1,008

1,00 0,046 500,82 0,034 0,005 28,00 0,298 0,191

св - массовая концентрация перекрытия макромолекулярных цепей [4].

Таблица 4.3.2. Характеристики удлинения псевдоцепи и рассчитанные критические значения Сс и в<//.

Зона при Зона при Ме

ШО* е0 Щ, Осег Щ, Сое Ссе/1

к,. -10"3 •10"3

Да с' •10в с-1 с1см~1 •108 С1 с1см'1

СМ см

1,0 13,5 0,002 0,002 1753,4 842,97 - - - -

2,3 13,5 0,068 0,037 99,725 69,253 0,004 0,036 100,11 69,523

9,9 0,913 0,247 10,809 9,916 0,034 0,300 10,784 9,894

4,4 15,0 0,807 0,390 10,398 9,902 0,045 0,389 10,417 9,921

27,0 0,399 0,585 12,455 9,885 0,069 0,582 12,521 9,937

7,8 42,600 1,606 1.311 1,848 0,410 1,603 1,313 1,850

7,7 15,9 9,529 3,140 1,367 1,847 0,328 3,129 1,372 1,854

26,1 12.509 4,015 1,755 1,848 0,934 4,006 1,759 1,853

13,8 78,367 14,502 0,257 0,459 1,989 14,468 0,257 0,459

12,25 14,4 70,216 12,838 0,303 0,459 1,299 12,875 0,302 0,457

13,8 694,31 15,617 0,238 0,458 9,176 15,629 0,238 0,458

Из уравнения (4.3.6) следует, что критический градиент скорости, приходящийся на единицу длины слоя в направлении растяжения и приводящий к разрушению сетки, зависит только от размера составляющих ее макромолекул. Этот вывод согласуется с основополагающей теоретической работой [2]. Предложенная модель позволила легко объяснить нетривиальные результаты, полученные в экспериментах по деструкции при ФПТП. Например, немонотонный характер изменений индексов деструкции в зависимости от скорости элюирования и от времени формирования зоны.

4.4. Доказанная в данной работе протекаемость пор сорбента позволяет смоделировать деструкцию макромолекул в ЭЖХ. Значение критического потока через единичную пору, способного втянуть макромолекулу в пору с расстояния RF от входа, с учетом опущенных в [4] констант, равно:

ж к„Т

J =---—= 1,351 • 10 (4.4.1)

2 %

Размерность [Jc]=caíVc. Зона растворенного вещества с исходной концентрацией с0 поступает в колонку со средней объемной скоростью и,=ир+и0. Макромолекулы стремятся пройти сквозь те поры сорбента, для которых выполняется условие (4.4.1). На рис. 4.4.1 показана интегральная порометрическая кривая для МПС с <n>ch= 1,777-10'5 см, полученная с помощью разработанного метода проточной хроматографи-ческой порометрии (рис. 3.2.2(6)), в зависимости от потока через единичную пору Jr при L/,=9,576 мл/ч. Из рис. 4.4.1 видно, что при данном Ut отток макромолекул возможен только через определенную долю пор Sc, для которых Jr>Jc. Ясно, что значения Sc будут разными при разных Ut-Следовательно, при каждом Ut отток макромолекул возможен лишь с частью порового потока растворителя Up, а именно, с Upc, значение которого определяется Sc.

Радмус пор г, 10'5 см

0,5 10 15 2,0 2 5 3.0 35

-

\

?! а" V_ :

н-1-1-■-1-•-1--—1—Г

0 2 4 6 8

Поровый поток J„ -о " слг/с

Рис. 4.4.1. Порометрическая кривая для МПС с <л>С/,=1,777-Ю"5 см.

Так как всегда Upe < Ut, возникает возможность увеличения концентрацш на первом же слое сорбента в непосредственной близости от поверхно сти частиц, а именно, в слое толщиной RF и эффективной площадью Ес соответствующей суммарной площади поровых каналов, через которьк возможен отток макромолекул при данном Ut. Из рис. 4.4.1 также видне что при данном Ut для части пор из распределения поровый поток чере единичную пору Jr¿2Jc. Это означает, что над этими порами макромоле кулы "захватываются" поровым потоком [4J на расстоянии 2RF от входа i поровый канал, что соответствует внесению дополнительного количест ва макромолекул в слой толщиной 1RF, с соответствующим критически?

объемом . С дальшейшим увеличением Ut будет увеличиватьс;

доля пор, для которых Jr>2JCl соответственно увеличивается доля мак ромолекул, захваченных с расстояния 2RF. Можно предположить, что ка только поровый поток макромолекул, втянутых с расстояния 1Rp сравня ется с поровым потоком макромолекул, захваченных на расстоянии 2Rf произойдет скачкообразное изменение толщины приповерхностноп слоя с 1Rf на 2Rf, и поток макромолекул пойдет только через те каналь для которых Jr>2Jc. В общем случае все вышесказанное можно запи сать в виде уравнения для изменения концентрации de в приповерхно стном слое:

с с с с

Решением уравнения (4.4.2) будет:

U, + U?"Rf) +

pe

pe

Tj(nRF)

pe

1-exp

( r/№-) \ ^ t

\

y(nR

(4.4.2

У

гдеп=2к, к=0, 1,2....

Скачкообразное изменение толщины приповерхностного ело будет происходить при выполнении условия:

= и(£пКр) (4.4/

Порометрические кривые для фиксированных Ц, позволяют численн рассчитать значения с/со по уравнению (4.4.3) с соблюдением услови (4.4.4).

а

I

6 о

О 0 •

..." га

Расход ие ил/ч

(а)

Спсутгтылл

Расход Ц, илЛ

(б)

Рис. 4.4.2. Рассчитанные по модели значения с1с0 и экспериментальные значения I (а), корреляционные значения % !<г>с в зависимости от С (б).

Рассчитанные значения с/с0 при (Л=5,0-н40,0 мл/ч для ЯР=3,587Ю"5 см при ¿=г2=5,354'1СГ3с (гг - время релаксации и - радиус Флори, соответствуют образцу ПС) приведены на рис. 4.4.2(а). На этом же рисунке приведены экспериментальные / для образца ПС, полученные на том же МПС (рис. 2.1.1). Видно, что скачкообразное изменение толщины приповерхностного слоя происходит при тех же Ц что и скачкообразное изменение /. При этом I увеличиваются с уменьшением с/с0. Такую корреляцию между с/с0 и I можно объяснить, сопоставив значения с/с0, приведенные на рис. 4.4.2(а), и значение с0=О,3-Ю"3 г/см3. При всех Ц концентрация с>с*ь =0,434-10"3 г/см3 для образца ПС. Это означает, что над входом в поровый канал при каждом Ц образуется перепутанная макро-молекулярная сетка, которой соответствует определенное £ Чем выше с, тем меньше £ Если £ меньше среднего радиуса пор <г>с, соответствующего той доле Эс полного распределения, через которую осуществляется отток макромолекул при данном и,, то перепутанная сетка легко входит в поровый канал и разрушаться не будет. Если $><г>с, то

возникает возможность общего перепутывания макромолекулярных цепей над поверхностью соседних поровых каналов, что будет приводить к разрушению макромолекул при принудительном втягивании сетки в по-ровые каналы. На рис. 4.4.2(6) приведены рассчитанные по соответствующим с/с0 значения £ /<г>с в зависимости от и,. Из сопоставления с экспериментальными / видно, что, действительно, деструкция становится заметной при 4 1<г>с >1 и увеличивается по мере увеличения этого отношения. В работе показано, что предложенная модель объясняет зависимость фрагментов разрушения от размера пор сорбента, а также скоростную и концентрационную зависимость коэффициента распределения в ЭЖХ.

Выводы

1. Впервые проведено систематическое изучение деструкции макромолекул (на примере образца ПС с М»107 Да) в гидродинамических полях различной сложности. Впервые показано, что во всех случаях деструкция макромолекул происходит одинаково, а именно: цепь претерпевает множественные разрывы с образованием фрагментов, размер которых определяется как градиентом скоростного поля, так и геометрией среды.

2. Предложен общий механизм сдвиговой деструкции. Основные положения: 1) под воздействием градиентов скорости макромолекулы мигрируют к определенным поверхностям геометрического объема, что приводит к концентрированию макромолекул и образованию перепутанной сетки при достижении концентрации, превышающей критическую концентрацию перепутывания для данной массы; 2) под воздействием растягивающего градиента разрушается удерживаемый на поверхности слой перепутанных макромолекул.

3. Предложенный механизм подтвержден разработанными скейлинго-выми моделями деструкции макромолекул в условиях ФПТП и ЭЖХ. В обоих случаях с помощью количественных оценок показано, что в реальных экспериментальных условиях, когда наблюдается деструкция, в действительности образуется слой перепутанных макромолекул. В наиболее простом случае, ФПТП, детально рассмотрено разрушение сетки под воздействием сдвига. Впервые с помощью модели показано, что сетка разрушается по точкам перепутывания на фрагменты, размер которых зависит от конкретных параметров эксперимента (скорости потока, градиента температуры, концентрации вводимой пробы). Выведено выражение для критического градиента, необходимого для разрушения сетки, сформированной макромолекулами данного размера. В случае ЭЖХ скейлинговая модель позволяет объяснить немонотонный характер зависимости индекса деструкции от скорости потока и зависимость индекса деструкции от размера пор сорбента. Полученные из моделей

количественные оценки размеров фрагментов разрушения хорошо согласуются с наблюдаемыми в экспериментах.

4. Для ЭЖХ впервые сформулировано предположение о реальной про-текаемости внутричастичных (поровых) каналов хроматографических сорбентов. Протекаемость пор доказана с помощью нового метода хро-матографической порометрии, позволяющего получить порометричес-кую кривую, по крайней мере, в исследованном диапазоне радиусов пор от 30 А до 2000 А. Доказанная протекаемость пор означает, что: 1) течение жидкости (в данном случае Н20) в бипоровой геометрии хроматографических слоев не моделируется известными из гидродинамики типами течений вязкой жидкости, что подтверждается и нелинейным характером зависимостей перепада давления от расхода, впервые полученных для различных сорбентов; 2) стационарная фаза в упакованном слое сорбента отсутствует, что противоречит общепринятому представлению о механизме ЭЖХ, основанному на двухфазной модели.

5. В результате проведенных исследований показана принципиальная возможность достоверного анализа ММР гибкоцепных полимеров с ультравысокими М. Определены основные параметры, по которым необходимо оптимизировать хроматографическую систему, чтобы исключить деструкцию макромолекул в процессе фракционирования.

В приложении представлены методические разработки по анализу ММР полимеров с ультравысокими М: линейного негидролизованного полиакриламида и полиметилметакрилата. Показаны возможности ЭЖХ в установлении корреляции ММР с эксплуатационными свойствами промышленного органического стекла.

Список основных публикаций по теме диссертации:

1. Нестеров В.В., Чубарова Е.В., Беленький Б.Г.. Особенности гель-проникающей хроматографии линейных негидролизованных полиакриламидов в водных элюентах на немодифицированных кремнеземных сорбентах. - Высокомолек. соед., 1984, т. 26, № 4, с. 864-868.

2. Нестеров В.В., Чубарова Е.В., Беленький Б.Г., Полоцкий А.Е.. Определение молекулярно-массового распределения линейных негидролизованных полиакриламидов с помощью гель-проникающей хроматографии на немодифицированных кремнеземных сорбентах. -1985, т. 27, №5, с. 1104-1107.

3. Нестеров В.В., Чубарова Е.В., Беленький Б.Г.. Особенности эксклю-зионной хроматографии полиметилметакрилатов с молекулярной массой более 2-106. - Высокомолек. соед., 1989, № 8, с. 653-657.

4. Нестеров В.В., Чубарова Е.В., Беленький Б.Г., Куклин Э.А.,

Перов Б.В., Сентюрин Е.Г.. О связи молекулярных параметров органического полиметилметакрилатного стекла с его физико-механическими и эксплуатационными свойствами. - Высокомолек. соед., 1990, т. 32, № 4, с. 817-821.

5. Chubarova E.V., Nesterov V.V.. Study of degradation of high molecular weight polystyrene in the course of size exclusion chromatography. -J. Liq. Chromatogr., 1990, v. 13, № 9, p. 1825-1847.

6. Chubarova E.V., Sudareva N.N., Nesterov V.V. Degradation of high molecular weight polystyrene on macroporous glass membranes. A study mimicking exclusion chromatography. - Polymer Science, Ser. A, 1992, v. 34, № 4, p. 373-377.

7. Chubarova E.V., Nesterov V.V.. Degradation of high-molecular-mass polystyrene during chromatography on porous and nonporous silicate beads: correlations with solvent quality. - Polymer Science, Ser. A, 1994, v. 36, №8, p. 1137-1142.

8. Chubarova E.V., Nesterov V.V. Behavior of macro molecules in nonhomo-geneous hydrodynamic fields: degradation mechanism of macromole-cules. - In: Strategies in size exclusion chromatography. - ACS Symposium Ser., v. 635, Washington: Am. Chem. Soc., 1996, p. 127-156.

Цитированная литература

1. Giddings J.C.. Analysis of fundamental obstacles to the size exclusion chromatography of polymers of ultrahigh molecular weight. - Adv. Chromatogr., 1982, v.20, p. 217-258.

2. Frenkel J.. Orientation and rupture of linear macromolecules in dilute solutions under the influence of viscous flow. - Acta Physicochimica, U.R.S.S., 1944, v. 19, N 4, p. 51-76.

3. Janca J.. Field-flow fractionation: analysis of macromolecules and particles. - Chromatographyc science ser., v. 39, New York and Basel: Dekker, 1988.-336 c.

4. Daoudi S., Brochard F.. Flows of flexible polymer solutions in pores. -Macromolecules, 1978, v. 11, N 4, p. 751-758.

5. Ельяшевич Г.К., Куличихин В. Г., Куличихин С.Г., Малкин А .Я., Фихман В.Д., Френкель С.Я.. Ориентационные явления в растворах и расплавах полимеров. - М.: Химия, 1980. - 280 с.

6. Merrill E.W., Leopairat P.. Scission of non-interpenetrating macromolecules in transient extensional flows. - Polym. Eng. Sci., 1980, v. 20, N 7, p. 505-511.