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Gel Permeation Chromatograph

Q Mn, Mw, Mz, Mz+1 값들은 어떻게 정의되는가 ?

[eqn: M_x = {SUM [H_i M_i^n ]} over {SUM [H_i M_i^n-1 ]} , [ n=1(x=n)," "2(x=w)," " 3(x=z), " "4(x=z+1)]] A  Mn, Mw, Mz, Mz+1 값들은 수학적으로 다음과 같이 정의된다.

여기서, [eqn: H_i]는 각 slice의 높이이고, [eqn: M_i]는 각 slice의 분자량으로 정의된다.

Q Mn, Mw, Mz, Mz+1 값들은 어떠한 성질과 관계가 있는가 ?

A  Mn : brittleness, flow properties, compression

Mw : strength properties, tensile, impact resistance

Mz : elongation, flexibility

Mz+1 : die swell

Q Mn, Mw, Mz, Mz+1 의 절대값들은 각각 어떠한 기기로 측정이 가능한가 ?

A  Mn : End Group Analysis, NMR

Mw : Light Scatter

Mz / Mz+1 : Ultracentrifugation

A  Relative 정량방법이란 분석하려는 물질과 같은 종류의 M값을 알고 있는 표준물을 구하기 어렵기 때문에 이용

되는 방법이다.  즉 합성하기 쉽고 가격이 저렴한 표준물을 이용하여 상대적인 M값을 구하는 방법이다.  이러한           방법은 분석하려는 물질의 분자량을 분자량 값을 알고 있는 다른 종류의 표준물을 이용하여 구하기 때문에 여기           서 구해진 M값은 절대적인 분자량이 아니라 검량선을 작성한 표준물과 비교된 상대적인 분자량 값이다.  이러한           문제를 해결하기 위하여 Q factor를 사용하기도 하는데 이러한 값도 많은 물질에 대해서 연구되어 있지 않았기           때문에 실험에 이용되기는 쉽지 않다..

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Q Relative 정량방법이란 무엇인가 ?

Q Universal 정량방법이란 무엇인가 ?

A  상대적인 분자량은 표준생산품과의 비교만을 원하는 곳에서 주로 사용되는 방법인데 반해 절대적인 분자량은 주로

연구소와 같이 물질을 개발한 경우 정확한 절대 분자량을 얻고자 할 때 이용된다.  이때 사용되는 기기는

Q HV(hydrodynamic Volume)이란 무엇인가?

Viscometer나 light scatter이며 이들은 relative 정량방법에서와 같은 종류의 표준물을 사용하지만 물질의 성질           과는 독립적인 HV(Hydrodynamic Volume)나 빛의 산란을 이용하여 정량을 수행한다.  그러므로 표준물의 종류           와는 상관없이 모든 고분자에 대한 절대적인 정량이 가능하다.

A  HV란 물질이 차지하는 부피를 정의한 것으로서 그 물질이 아무런 외부의 힘을 받지 않고 random한 운동을

하고 있을 때의 부피이다.  HV는 점도와 밀접한 관계를 나타내며 다음 식과 같이 표현된다.

[eqn: HV = M_v [η]]

이러한 HV값은 물질의 종류와는 무관한 값이므로 표준물의 점도를 viscometer에서 구한다면 원하는 분자량에서           의 HV를 구할 수 있다.

Q Polymer hand book의 k와 α값은 어떻게 이용할 수 있나요?

A  이러한 개념은 universal 검량방법에서부터 제시되었다.  universal 검량방법에서는 검량선을 log[M] 대신

log[HV]로 나타내고 이러한 검량선을 이용하여 [eqn: M_V]를 구한다.  이때 log[[eqn: M_V]]와 log[η]으로 plot을 했을 때           형성되는 기울기를 α로, 절편값을 k로 나타낸 것으로서 Mark-Houwink에 의해 제시되었다.  이것은 미리 측정           되어진 값을 이용하여 viscometer가 없이 절대분자량을 구하는 방법이지만 모든 물질에 대한 값이 보고되어 있           지 않다는 단점이 있다.  그러므로 보고되어진 물질에 대해서만 응용될 수 있다.  Waters사에서는 millennium           에서 단지 α와 k값을 입력함으로써 간단히 응용할 수 있게 하였다.  실제적으로 검량에 사용되는 값들은 다음과           같은 식으로 구할 수 있다. ,

[eqn: M_v = {[ [η] over k ]}^-α][eqn: [η] = kM_v ^α]

Q Dispersity란 무엇인가?

A  Dispersity란 물질의 퍼짐도를 나타내는 값으로서 [eqn: D = M_w over M_n]으로 표현된다.  정량방법시 사용되는 narrow 표

준물의 D값은 1.1보다 작아야 한다.  왜냐하면 실험시 사용하는 narrow 표준물의 [eqn: M_p]값을

- 상대적 정량방법에서는 [eqn: M_n]값으로

- Viscometer를 사용하는 universal 정량방법에서는 [eqn: M_v]값으로

근사하여 사용하기 때문이다.  만약 D값이 1.1보다 크다면 이러한 근사에서 많은 오차가 발생하여 실험결과 값에           큰 오차를 유발시킬 수 있다.

Q 제약회사의 제품개발 과정에서 고분자 branch 비율을 알고자 한다.

어떻게 측정할 수 있는가 ?

A  Branch의 비율은 viscometer를 이용하여 구할 수 있는데 이것은 분자량과 점도와의 관계식에서 구할 수 있다.

[eqn: g` = {[η_"branch"]} over {[η_"linear"]}]         Branch의 비율(g`)은

으로 정의된다.  [eqn: [η_"linear"]]은  다음과 같은 비례관계([eqn: log[η] " "∝ " "log[M_v ]])에서 계산적으로 구해지며              [eqn: [η_"branch"]]은 viscometer를 이용하여 실험적으로 구해진다.  즉 viscometer를 이용하면 각각의 분자량에 따른            g`값(비선형 분자의 비율)을 얻을 수 있으며 millennium에서는 이 값을 표 뿐만 아니라 그래프 형식으로도 도시           해 주고 있다.

Q 절대적인 Mw값을 알고자 한다면 어떠한 GPC를 이용해야 하는가 ?

A  절대적인 Mw값은 Light scattering 방법으로 구할 수 있다.  Waters사에서는 GPC-LALLS(Low Angle Laser

Light Scatter) 형태의 light scatter를 제공하고 있으며

- Alliance GPC 2000 / 150GPCV : PD2040 light scatter

- Waters M410 검출기 : 내부에 장착이 가능한  PD2020 light scatter

- 독립적으로 사용을 원하는 경우 : PD2000 light scatter

를 사용할 수 있다.

Light scatter는 GPC/Viscometer에서는 측정이 불가능한 107이상의 분자량을 측정할 수 있으며 고분자의               radius of gyration을 구할 수 있다.

Q 절대적인 Mv값을 알고자 한다면 어떠한 GPC를 이용해야 하는가 ?

A  절대적인 Mv값은 Viscometer를 이용하여 구할 수 있다.  Waters사에서는 Alliance GPC 2000 모델에서

viscometer를 장착하여 절대적인 Mv값을 구할 수 있다.  또한 고분자의 분포에 따른 intrinsic viscosity                ([eqn: η_"int" = lim from { C ->0 } " " ln {η_0 -η} over {η_0 × C}]  )와 branching 정보(g`)를 알 수 있다.

Q QC를 하는 작업장에서 제품에 대한 정확한 결과값보다는 신속한 비교를 원할 경우,

유용한 GPC System과 정량방법은 ?

A  일반적인 실험실에서 수행되는 RI를 이용한 상온 GPC를 이용하면 가능하며 가격이 비교적 저렴한

PS(Polystyrene) 표준물을 이용한 relative 정량방법을 수행하면 가능하다.  Relative 정량방법에는 narrow 표준           물을 이용하는 방법과 broad 표준물을 이용하는 방법이 사용되고 있는데, QC 작업장에서는 간편하고 시간이 비           교적 적게 소요되는 broad 표준물 방법을 이용하는 것이 좋다.  특히 cumulative matching 방법을 이용하면            broad 표준물을 구입하지 않고도 기준이 될 수 있는 제품을 표준물로 이용할 수도 있다.

Q GPC 컬럼 선택방법은 ?

A  GPC column을 선택하는데 가장 중요한 요소는 용해도이다.

◈ 시료가 물에 녹는다면

Ultrahydrogel column 계열을 선택

◈ 유기용매에 시료가 녹을 경우

Styragel column 계열을 사용

Ultrahydrogel column

pH 2-12 사이에서 사용될 수 있으며 20% 유기용매와 같이 사용할 수 있다.

지용성 column

각각의 입자 크기에 따라 HR(High Resolution, 5㎛), HT(High Temperature, 10㎛), HMW(High

Q GPC 컬럼에 채워져 있는 용매는 어떤 것이 있는가 ?

Molecular Weight, 20㎛)의 컬럼을 사용할 수 있으며 resolution은 입자의 크기가 작을수록 좋다.

A  주로 GPC column에 채워져 있는 용매는 THF(Tetrahydro Furan), Toluene, DMF(Dimethyl

Formamide)이다.  단, 상온에서 HFIP(hexafluoroisopropanol)를 용매로 사용할 경우만이 메탄올로 채워진             컬럼을 이용한다.  그러나 HFIP는 1L에 $1000정도로 고가이므로 특별한 경우에만 사용된다.  만약 사용하려는           용매가 앞의 4가지 중에 없다면 용매를 바꾸어서 사용해야 한다.

◈ Chloroform, methylene chloride와 같이 상온에서 분석되는 용매 : THF로 채워진 컬럼

◈ TCB, ODCB와 같이 높은 온도에서 분석되는 용매 : 85-90의 온도에서 toluene으로 채워진 컬럼

◈ DMAC(dimethylacetamide), NMP(n-methylpyrollidone)와 같이 극성인 용매 : DMF로 채워진 컬럼

에서 용매를 바꾸어 사용한다.

Q 하나의 용매로부터 다른 용매로 전환하여 사용할 경우, 방법은 ?

A  ◈ 전환되어지는 두 가지 용매가 서로 섞일 경우 : 0.1-0.2㎖/min의 유속으로 서서히 바꿔준다.

◈ 섞이지 않을 경우 : 두 가지 용매에 다 섞임성이 있는 용매를 선택하여 0.1-0.2㎖/min의 유속을 유지하며                                 순차적으로 바꾸어 주어야 한다.

빠른 유속이나 섞임성이 없는 용매로 전환하려는 경우에는 컬럼에 큰 손상을 주어 컬럼을 사용할 수 없게 될 수           도 있다.

Q GPC 컬럼의 유속은 어느 정도가 적당한가 ?

A  ◈ 일반적인 분석에 사용되는 7.8mm i.d. 분석용 컬럼

최대 1㎖/min을 넘지 않게 사용, 보통 0.7-0.8㎖/min에서 최적의 분리능을 가진다.

◈ 4.6mm i.d.의 narrow bore 컬럼

0.30-0.35㎖/min에서 최적의 분리능을 나타낸다.

이것은 linear velocity를 고려하여 정의된 것으로서 사용되어지는 용매에 따라 조금씩 달라질 수 있다.

만약 컬럼 유속을 적정 유속보다 빠르게 설정한다면 컬럼에 치명적인 손상을 가져온다.

Q 컬럼의 유속이나 온도를 올릴 때 어느 정도의 속도로 상승시켜야 하는가 ?

A  컬럼의 유속이나 온도를 갑자기 상승시키면 컬럼이 심하게 손상될 수 있다.

◈ 유속 : 0㎖/min에서 1㎖/min까지 올리는데 약 60초 정도의 시간이 소요되도록 속도를 증가

◈ 온도 : 상온에서 150℃까지 승온하는데 3-4시간이 소요되도록 단계적으로 승온

Q 컬럼의 pore 크기는 ?

A  ◈ epoxy resin과 같이 작은 분자량을 가지는 시료의 경우

1000, 500, 100, 50Å정도의 작은 크기의 컬럼 사용

◈ PVC와 같이 중간크기의 분자량을 가지는 시료의 경우

1000, 10000, 100000Å 정도의 큰 크기의 컬럼 사용

◈ 시료의 크기를 알지 못하는 경우

mixed bed 형태의 컬럼 사용

또한 시료의 분리능을 올리기를 원한다면 여러 가지 크기의 컬럼을 직렬로 연결하여 사용할 수 있으며 이때는              pore의 크기가 큰 컬럼을 펌프에 가깝게 설치하고 순차적으로 컬럼을 장착한다.  그러나 이러한 순서는                 컬럼의 시료 분리능에는 영향을 주지 않는다.

Q 이동상 준비 방법은 ?

A  대부분의 경우에 HPLC 급의 용매는 필터만을 거친 후 사용한다.

◈ 지용성 GPC에 사용되는 유기용매의 경우 : 0.45㎛의 fluorocarbon 필터 이용

◈ 수용성 GPC에 사용되는 수용액의 경우 : acetate 필터 이용

Q 이동상에 첨가되는 첨가제의 중요성과 사용시기는 ?

` A  GPC의 경우에는 다른 분석과는 다르게 시료간이나 시료와 고정상간에 전기적인 힘이나 수소결합과 같은 힘이

작용하게 되면 분석에 커다란 영향을 주게 된다.  그러므로 몇 가지의 이동상에는 이러한 힘을 막을 수 있는 첨            가제가 필요하다.

예를 들어 DMF, DMAC, NMP 등의 극성용매의 경우, 0.05M Litium Bromide를 첨가한다.  이것은 시료 사            이의 dipole이 형성되어 분리가 안되는 것을 막아주는 역할을 한다.  또한 높은 온도에서 분석이 되는                  polyolefin 계열의 분석에 있어서는 산화를 방지하기 위하여 4L당 1g의 항산화제를 첨가한다.

☞ 첨부표 참고

Q 주입량과 농도는 어떻게 결정하는가 ?

` A   ◈ 분자량 100000인 고분자 : 0.1-0.12% 정도의 농도 (용매 1㎖당 1-1.2㎎의 시료 용해)

◈ 분자량이 3000000 정도의 고분자 : 0.02%보다 작은 농도

◈ 100 정도의 고분자 : 0.2% 정도의 높은 농도로 시료 조제

주입량은 7.8×30㎜의 컬럼을 기준으로 했을 때 100㎕를 넘지 않도록 한다.

☞ 첨부표 참고

Q 결정화도가 높은 시료의 경우, 150℃ 이상에서 분석이 불가능한가 ?

` A   분석시료 중에서 150℃ 이상에서 분석이 수행되는 물질은 현재 거의 없다.  150℃ 이상에서 녹는 시료의

경우에는 먼저 140℃에서 최초로 용해시킨 후 다시 한번 180℃에서 용해를 수행한다.  이렇게 완전히 녹은             시료를 145℃에서 분석을 수행할 수 있다.  이때 계산된 분자량은 210℃까지 올릴 수 있다는 PL사의 제품으             로 분석한 결과와 차이가 없다.

Q 높은 온도에서 분석을 해야 하는 GPC의 경우에는

Dual-Zone heating을 반드시 해야 하는가 ?

` A   분석자들은 보통 높은 온도를 유지하면 시료의 변성을 가져올 수 있다고 생각한다.  그러나 이러한 우려보다는

오히려 두 부분의 가열 영역을 각각 일정하게 유지시키는 것이 더 어렵다.  실제로 PL사의 Hot/Warm Zone             의 경우, 문을 open할 경우 온도를 정확하게 유지시킬 수 없어서 시료와 표준물 사이에 같은 열적환경을 제공             해 줄 수 없다.  참고로 PL사의 온도변화 폭은 ±5℃로 보고하고 있다.

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