嵌段共聚物的临界条件液相色谱分离与表征

　　嵌段共聚物是由两种或者两种以上极性、溶解度或结晶行为等性质不同的聚合物链段通过共价键连接而成的聚合物。因其结构的特殊性，嵌段共聚物可以结合不同种类聚合物的优良性能，在降低聚合物共混物界面能及改善体系相容性等方面有着很好的效果，所以被广泛地应用于热塑性弹性体⑴、信息存储⑷、药物载体和纳米技术等众多领域。嵌段共聚物分子特征不同于均聚物，除了存在分子量分布外，还存在其他的多分散性，如化学组分分布，嵌段长度分布，序列分布等（如），这些参数与嵌段共聚物的性能密切相关，通过对这些参数的调节，能够实现对嵌段共聚物物理性能的调控与设计。

　　嵌段共聚合物的多分散性充分准确地表征嵌段共聚物的这些分布参数，对于我们了解分子特征和物理性能之间的关系，进而设计出性能更加优越的嵌段共聚物，具有非常重要的意义。通常，通过液相色谱方法中*常用的凝胶渗透色谱法（Gelpermeationchromatography，GPC）即可快速准确地测量均聚物的分子量及其分布信息。然而，嵌段共聚物由不同聚合物链段构成，除了具有分子量分布外还有其他多重分布，这些分布信息的表征远比均聚物复杂，分离机理与方法也有所不同。临界条件液相色谱（liquid一种新型的液相色谱技术，在分离和表征嵌段共聚物时，可以使嵌段共聚物的某一类嵌段处于“色谱不可见”（chromatographicinvisible）状态，从而对其他类型嵌段进行表征，因此越来越受到人们的关注和重视。

　　和Belenky等首先利用薄层色谱和液相色谱证明了临界条件的存在。圣彼得堡的学者Gorbunov和Skvortsov则致力于LCCC理论模型的建立和应用技术开发。随后，一批学者陆续开始对LCCC分离聚合物的热力学原理与，分子量不同的同种聚合物在同一时间被洗脱出来。此时被分离的聚合物链在色谱柱中介于吸附和解吸附的临界状态，因此临界条件也叫作临界吸附点（criticaladsorptionpoint，CAP），所以LCCC也被称为在临界吸附点的液相色谱（liquid或者排阻-吸附转换点液相色谱（liquid的流动相和固定相，Fs和Fm分别是固定相体积和流动相体积，分配系数K为流动相与固定相中溶质浓度之比，像其他平衡系数一样，K与标准吉布斯自由能变化（AG°）有关，而AG°进一步表示为熵和焓的变化过程，如式（2）：聚合物液相色谱保留曲线。（A）尺寸排阻色谱模设定为共聚物中A嵌段所对应均聚物的临界条件，使其成为产生影响，AB嵌段共聚物的分离只受到B嵌段长度的影响。同一时间洗脱的聚合物都具有相同长度的B嵌段，因而可以获得B嵌段长度的分布信息。同样采取上述方法，在B嵌段对应均聚物的临界条件下对嵌段聚合物进行二次洗脱，将获得A嵌段长度的分布信息，从而成功地对AB嵌段共聚物进行分离和表征。

　　根据共聚物中“可见”嵌段所在的洗脱模式，可以将LCCC分为两类。**类，是“可见”嵌段在LAC模式下洗脱嵌段共聚物，依据“可见”嵌段的长度对其进行分离。在这类模式下，“可见”嵌段和固定相表面的相互作用要比“不可见”嵌段强，而且焓的相互作用占据主导地位，导致嵌段共聚物的保留时间随着“可见”嵌段长度的增加而快速增加，且成指数关系，所以此类方法往往被限制于分析端基或者较短的嵌段。

　　第二类是“可见”嵌段在SEC模式下洗脱嵌段共聚物，“可见”嵌段和固定相之间的相互作用较弱，同样依据“可见”嵌段的长度来对共聚物进行分离，但因为在SEC模式下熵排除效应占据主导地位，所以保留时间随着“可见”嵌段长度的增加而减少。如：在聚甲基丙烯酸叔丁酯（PtBMA）的临界条件下分离聚甲基丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸叔丁酯嵌段共聚物（PMMA-6-PtBMA）时，PMMA嵌段处于SEC分离模式，PMMA嵌段越长的PMMA-6-PtBMA越先被洗脱出来。目前，LCCC表征嵌段共聚物主要采用第二种模式，通常在SEC下采用标准校正方法对嵌段的分子量分布进行确定。Pasch和Augenstein对聚甲基丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸癸酯两嵌段共聚物（PMMA-6.PDMA）的表征中，分离条件设定在PMMA的临界条件，而PDMA则在SEC模式，成功地对嵌段共聚物进行了分离，而且获得了PDMA嵌段的分子量和多分散性等信息。

　　3临界条件液相色谱分离嵌段共聚物运用LCCC分离和表征嵌段共聚物，首先需要将分离条件设定为某一嵌段对应均聚物的临界条件，使得这一嵌段变得“色谱不可见”。而均聚物的临界条件一般通过调节混合溶剂的组分比例来达到：首先，将不同分子量级分的同种均聚物溶解在热力学良溶剂中，这一系列的聚合物应具有至少三个分子量级分，然后运用SEC获得其色谱图；第二步，为了增加聚合物分子链和固定相之间焓的相互作用，需逐渐向分离体系中加入不良溶剂，当不同分子量级分的聚合物在同一时刻被洗脱出来时，该淋洗条件即是聚合物的临界条件。

　　然而，精确实现和维持临界条件较为困难，分离柱中的固定相、混合溶剂的组分和柱温的变化都需要精确地调控，否则容易出现样品回收率低的问题，下面将从溶剂、固定相选择及温度调控等几个方面总结如何实现聚合物液相色谱分离的临界条件。

　　3.1溶剂的选择我们知道在液相色谱分离聚合物体系中使用热力学良溶剂，聚合物熵的排除作用强于与固定相焓的相互作用，从而可以根据聚合物尺寸对其进行分离，相反，如果体系使用热力学不良溶剂，聚合物与固定相焓的相互作用占主导，可以根据聚合物的化学结构对其进行分离，但当焓的相互作用过强，被分离聚合物则容易在溶液中沉淀出来。只有当混合溶剂的组分调整到恰当的比例时，才会出现焓变和熵变互补的情况，从而达到聚合物的临界条件。

　　混合溶剂的选择取决于被分离嵌段共聚物、固定相的性质，分离温度等条件。如使用正相硅胶柱分离聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物（PS- 6-PMMA）时，可以采用丁丽（MEK，methylethylketone）/环己烷的混合溶液，极性溶剂丁酮为PMMA的良溶剂，极性较小的环己烷为PMMA的不良溶剂，将MEK调整到70vol%左右时，能够达到PMMA嵌段的临界条件，而PS嵌段极性较PMMA弱，所以处在SEC分离模式下。Girod等在对含有聚环氧乙烷（PE0）的嵌段共聚物进行分离的研究工作中，先后采用了十八烷基键合硅胶柱（C18）和氨基键合硅胶柱，其混合溶剂甲醇/4的组分比例也相应产生变化，甲醇含量从88.到93.5vol%，使PE0在这两种硅胶柱中均能处于临界条件。Falkenhagen等在PtBMA的临界条件下对PMMA-6-PtBMA进行分离，当采用C18反相柱时，使用四氢呋喃/乙腈（THF/ACN）极性混合溶剂，而采用正相柱时则需将溶剂调整为极性/非极性混合溶剂，如THF/正己烷。

　　实际上聚合物的保留行为对于溶剂的组成和纯度是很敏感的，溶剂成分的细微变化或者是溶剂受到水的轻微污染，都会对临界条件产生明显的影响。

　　甚至在某些情况下，流动相的组成必须控制在0.1%的精度内才能保持临界条件。此外，当流动相的条件接近临界条件时，不良溶剂组分的增加会使高分子量聚合物趋近于沉淀，导致临界条件仅仅适用于低聚物，有报道指出在临界条件下分离聚合物的分子量上限是100kDa.因此必须找到更好的分离体系，提高分离高分子量聚合物的能力。

　　有实验证明，采用含有两种热力学良溶剂的混合溶剂，可以显著提高在临界条件下分离高分子量均聚物的能力，被分离聚合物的分子量可扩大到2000kDa.然而，采用含有两种良溶剂的二元流动相分离聚合物，会导致聚合物不能完全回收的问题。比如以甲苯/THF为溶剂，硅胶为固定相，在临界条件分离分子量小于200kDa的PMMA，结果只有部分PMMA得到回收或者根本不回收。出现这种情况可能是由于PMMA和固定相硅胶之间的相互吸引作用力太强所致。当使用极性更强的混合溶剂THF/氯仿，在硅胶为固定相的体系下分离PMMA时，则不会出现回收率低的问题。

　　通过加强流动相的流动性的方法（液体中加入大比例的可溶性气体，如THF/C02）可较好地改善上述两个问题（临界条件难以实现和维持）。通过改变流动相的压力，保留模式可以从SEC模式转化到LCCC模式，再到LAC模式。此外，高分子量的聚合物依然可以在临界条件下溶解于此类溶剂。当普通的有机混合溶剂作为液相色谱的流动相时，临界条件色谱分离效率要比SEC或者LAC低得多。然而，运用增强流动性的流动相，LCCC的色谱效率变得至少和SEC模式一样大，这是因为增强流动性液体混合物的粘度很低，高效的毛细管柱在临界条件下产生的色谱效率可以接近100000理论塔板数。

　　另一方面，LCCC中的流动相通常由良溶剂和不良溶剂组成，或者由极性溶剂和非极性溶剂构成，而事实上混合溶剂体系中的一个组分可能会优先吸附在聚合物链或者是固定相上，导致聚合物样品的保留受到被吸附溶剂分子的影响，使得LCCC的分离行为更加复杂。Chang提出的温度梯度相互作用graphy，TGIC）技术，运用温度的变化来代替溶剂组分的变化，在分离过程中采用单一组分的溶剂，通过温度的改变来确定均聚物的临界条件，在此条件下对嵌段共聚物进行分离表征。这种方法因为未使用混合溶剂，所以在分离过程中不会产生基线漂移、优先吸附等问题，不仅可以提高不同实验间的再现性、相同实验的重复性，而且适用于多种检测设备，如红外和光散射等。此外，随着填充料改进技术的进步，在填充料上接枝对温度或者pH值敏感的聚合物，可使填充料的保留性质随着温度或pH值的细微变化而发生较大改变，从而适用于临界条件下的单组分溶剂分离体系。

　　3.2固定相的选择色谱柱是液相色谱分离体系的核心，不同性能的固定相是液相色谱广泛应用的基础。分离柱可以根据固定相的极性进行分类：填充的固定相极性较大的称为正相色谱柱，固定相一般为硅胶颗粒，其表面的硅醇基使得其极性较大，或者选用氨基、氰基和二甲胺基等键合硅胶；填充的固定相为非极性的则称为反相色谱柱，固定相通常为非极性烷基（C4、C8、C18、C30）键合硅胶、苯乙烯和二乙烯基苯以高度交联共聚制备的多孔单分散微球或者石墨化炭黑。

　　固定相的选用通常根据被分离聚合物的性质来决定。首先是对固定相极性的选择：当被分离的嵌段共聚物中两种嵌段极性相差较大时，如要在极性嵌段的临界条件下分离，一般采用填充极性固定相的正相色谱柱，因为极性嵌段和极性固定相的相互作用力强，通过调整极性/非极性混合溶剂的比例，能够达到极性嵌段的临界条件。另一方面，非极性嵌段和极性固定相的相互作用力较弱，分离过程中处于SEC分离模式，从而可以根据非极性嵌段的长度对嵌段共聚物进行分离；如果在非极性嵌段的临界条件下对嵌段共聚物进行分离则通常选用反相色谱柱，原理亦然。例如：Pasch等在分离PS-6-PMMA时，PS嵌段可以在填充硅胶颗粒的正相色谱柱中达到临界条件，但是PMMA的分离模式却处于LAC，容易导致不可逆吸附现象的出现。为了解决这个问题，将分离柱调整为C18反相柱，在THF/ACN混合溶剂的洗脱下，达到PS的临界条件，PMMA也随之转变为SEC分离模式。Hiller等在聚异戊二烯（PI）的临界条件下分离聚异戊二烯-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物（PI-6-PMMA），因为PI的极性弱于PMMA，PI与C18有更强的焓的相互作用，故选用的是填充C18的反相柱。

　　其次，固定相的孔径尺寸对嵌段共聚物的分离也存在着影响，如Abdulahad等采用二氯甲烷/ACN（57/43v/v）的混合溶剂，分别研究了在孔径为50A、120A和300A的C18固定相中，聚合物的液相色谱分离行为。实验发现固定相孔径越大，达到聚合物临界条件所需的温度越高，这是因为固定相和聚合物之间的焓的相互作用随着孔径增大而减小，要保持聚合物的临界条件，需要更高的温度来弥补这一部分减小的焓损失，从而使体系达到熵焓互补的状态。Pasch等，在PMMA的临界条件下使用正相色谱柱，对PS-6-PMMA和PDMA-6-PMMA进行了分离，实验结果显示随着正相柱孔径的增大，所用的混合溶剂中非极性溶剂正己烷的比例也需相应增大，从而增强了PMMA和固定相之间焓的相互作用。这些实验现象都与Wang等模拟的结果十分吻合。

　　3.3温度的调控在大多数使用混合溶剂的分离体系中，色谱柱温度一般恒定在室温。然而，在使用单组分纯溶剂的分离体系中，则往往需要通过调节分离温度达到聚合物的临界条件。例如：Mack.等证明了在使用单组分溶剂分离聚合物时，通过调节温度能够更加精确地达到聚合物的临界条件。此外，在之前介绍的分离PS-6-PI和PI-6-PMMA的研究中，Chang等与Hiller等采用二恶烷为溶剂，将色谱柱温度调节到47. 7丈和54丈，可以使PI嵌段处于临界条件。

　　4临界条件液相色谱分离嵌段共聚物的应用LCCC可以单独对嵌段共聚物中某种嵌段的长度进行表征，有着其他表征手段不具备的优势，因此被越来越多地用于表征嵌段共聚物的化学组分和嵌段长度分布。表1总结了自1990年以来，运用LCCC方法对嵌段共聚物进行分离的实例‘其中对处于临界条件的嵌段进行了分类并详细归纳了溶剂组分和所选固定相等。

　　表la列出了聚丙烯酸酯类嵌段处于临界条件下的研究工作，如PMMA，PDMA，PtBMA等嵌段。其中，研究较多的是PS-6-PMMA嵌段共聚物，分离时采用极性相差较大的二元混合溶剂，如二氯甲烷（DCM‘dichloromethane）混合溶剂’或者非极性/极性溶剂组合，如环己烷（cyclohexane）/MEK‘正己烷（re-hexane混合溶剂’在PMMA的临界条件下‘选择正相色谱柱分离完成。

　　Falkenhagen等分别采用正相和反相色谱柱分离PMMA-PtBMA嵌段共聚物，在正相色谱柱中采用82vol%的THF和正丁烷的混合溶剂使PMMA嵌段处于临界条件‘而减少THF的比例到43vol%可以使PtBMA嵌段达到临界条件；相反，在反相液相色柱中选用THF/ACN的组合，将THF的含量从’也可以使分离条件从PMMA的临界条件变为到PtBMA的临界条件。同样采用THF/ACN的溶剂组合，在反相液相色谱柱中达到PMMA的临界条件，使聚甲基丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸丁酯嵌段共聚物（PMMA-6-PBMA）得到有效分离。

　　PMMA的临界条件也可通过调节分离温度达到，例如：Hiller等采用纯的乙酸乙酯作为溶剂，在柱温为10丈时达到PMMA的临界条件，成功将PI- 6-PMMA从其相应的均聚物中分离出来，并进一步联用核磁共振（NMR）测定了共聚物的化学组分。此外，在PDMA、聚丙烯酸丁酯（PBA）、PBMA、聚丙烯酸异冰片酯（Pz'BoA）嵌段的临界条件下，也可对含有这些嵌段的嵌段共聚物进行LCCC分离。

　　PS广泛应用于嵌段共聚物的合成，要达到PS嵌段的临界条件，通常采用不良溶剂和良溶剂的组合，如THF/环己烷‘THF/正己烷’THF/异辛烷等（表11））‘其中THF/异辛烷的混合溶剂使PS嵌段处于接近临界条件的状态，再通过调节温度对PS-6-PI进行有效地分离。

　　而THF/ACN的溶剂组合往往被用于反相色谱柱中，适用于PS-6-PMMA的分离和表征‘可使PMMA嵌段能够处于SEC分离模式，有利于分离分子量较大的嵌段共聚物。值得注意的是在PS-6-PE0的分离过程中，通过调整THF/H20的比例，可以使PS嵌段在不同孔径和粒径的固定相中均达到临界条件。在THF中加54mol%的C02气体，制备成流动性较强的溶剂，也可使聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物（PS-6-PMA）在PS的临界条件下得到分离。此外，采用THF/正己烷的混合溶剂，可在PS的临界条件对聚苯乙烯-聚丁二烯（PS-6-PB）、聚苯乙烯-聚乳酸（PS-6-PLA）进行分离表征。

　　含有聚环氧烷的嵌段共聚物应用非常广泛（表‘PE0因其低毒性、完全水溶性和优异的溶液流变性，在工业和医药上更加得到了普遍运用。含有PE0嵌段的嵌段共聚物可以在反相或正相色谱柱中进行分离，如使用C18反相柱和ACN/H2O混合溶剂使PE0嵌段达到临界条件，根据PP0聚合程度或嵌段长度可成功分离聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（PE0-6-PP0-6-PE0）’采用80vol%甲醇（Me0H）和20vol%H20的混合溶剂，可以在PE0的临界条件下将PE0-6-PP0从PE0-6-PP0-6-PE0中分离出来。而运用填充氨基键合或者二羟基丙烷基键合极性固定相的正相色谱柱分离含有PE0的嵌段共聚物时，则常采用甲醇/H20的混合溶剂。在分离PE0-6-PS嵌段共聚物时‘多采用H：0和一种有机溶剂（甲醇、ACN或THF）的二元组合，在氨基键合正相色谱柱或者C18、C8反相色谱中，根据PS嵌段的长度进行分离。Achmed等。随后，Malik等进一步研究了含有高环氧烷嵌段如聚环氧丁烷（PB0）和聚环氧己烷（PH0）的两亲性嵌段共聚物的LCCC分离，在反相柱中使用一系列不同比例的THF/H20混合溶剂使PB0或PH0达到临界多嵌段共聚物。

　　表Id*后总结了一些其他类型嵌段共聚物在临界条件液相色谱中的分离。例如：Chang等在C18反相柱中，分别选用DCM/ACN混合溶剂和二恶烷单组分溶剂使PS-6-PI中的PI嵌段达到临界条件，发现“不可见”嵌段PI会对嵌段共聚物的保留行为产生影响，说明在嵌段所对应的均聚物临界条件下，共聚物中的相应嵌段不能够完全变为“色谱不可见，‘。此外，一些实验研究了在PB、PCl、聚乙烯吡啶烷酮（pvp）、聚（2-乙基-2-唑啉）（PEt0x），聚二甲基硅氧烷（PDMS）等嵌段的临界条件下，根据嵌段共聚物中其他类型嵌段的长度对共聚物进行分离的行为。

　　目前，虽然有大量的实验证明LCCC分离方法的有效性和准确性，但不可忽视的是LCCC在嵌段共聚物分子量和化学组分的测定上依然存在着偏差，这些偏差或是因为方法本身存在的原因，但是，LCCC可以得到其他测试手段无法获得的信息，所以运用LCCC分析表征嵌段共聚物依然是目前*有效的方法之一，这一结果与LCCC分离嵌段共聚物的理论基础十分吻合。然而，接下来采用和真实聚合物链更加接近的自回避链（selfavoidwalk，SAW）模型时，由于考虑了聚合物链节之间的体积排阻效应，模拟结果显示“不可见”嵌段对于嵌段共聚物的保留行为产生了影响，也就是说嵌段在其对应的均聚物的临界条件下不会完全“不可见，‘。Zhu等在B嵌段对应均聚物的临界条件下对AB、ABA及BAB嵌段共聚物进行分离，发现采用无规链（randomwalk，RW）模型模拟聚合物链时，AB及BAB嵌段共聚物中的B嵌段能够达到”色谱不可见“，而由于受到链结构的影响，BAB三嵌段共聚物中的B嵌段无法”色谱不可见“。而采用SAW链模型时，AB，ABA，BAB嵌段共聚物中B嵌段均无法达到完全的”色谱不可见“。

　　这与先前Chang的实验结果十分吻合。

　　Ziebarth等和Patel等研究了异质共聚物（heteropolymer）在不均表面选择性吸附的现象。

　　通过MonteCarlo模拟方法得到了一些引起异质共聚物选择性吸附的规律。同时Ziebarth等还通过MonteCarlo模拟方法研究了无规共聚物的化学组分对于临界吸附点（CAP）的影响，得到的结果和Brun提出的理论公式十分吻合。而Zhu等则进一步运用MonteCarlo模拟技术研究了AB二元统计共聚物的化学组分（/）和单体序列排布（入）对于CAP的影响。其中A链节与固定相无相互作用，而B链节与固定相之间有吸附作用。X是衡量共聚物中两种单体排列顺序的参数，/b是B链节在AB共聚物中所占的比例。模拟的结果显示，只有当X为常数或者X的分布很窄时，才可以根据共聚物的化学组分对其进行有效地分离，且保留体积随着丸值的增大而增大，而当X的分布较宽时，统计共聚物的分离效果将大大减弱甚至无法有效分离。

　　6总结和展望目前，LCCC在分离和表征嵌段共聚物方面具有其他表征手段无法比拟的优势，因此众多研究人员一直致力于LCCC方法的理论完善和技术开发。

　　随着嵌段共聚物更加广泛地应用和合成技术的进步，尤其是可控/离子与可控/活性自由基聚合方法的运用，可以制备出接枝共聚物、星形聚合物，树形聚合物等。这些聚合物具有更加复杂的链结构与分子量、化学组分分布，因此LCCC方法将进一步拓展到这些新型聚合物的分离表征中去。

　　另外，在利用临界条件液相色谱的方法分离传统线性嵌段共聚物时，不论是实验还是计算机模拟都发现在分离过程中，嵌段共聚物的“不可见”嵌段依然可以对保留行为产生影响，并且这种影响随着“不可见，‘嵌段长度的增加而增大28.此时”不可见“嵌段所在的条件已经不是严格意义上的临界条件，因此，有必要开展进一步的实验和理论研究，继续探索和完善LCCC的分离原理，以便更好地解释上述现象和疑问。