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12/07/2024

Determinación de la distribución de pesos moleculares (GPC/SEC)

Pesos moleculares

La cromatografía se desarrolló a principios del siglo pasado como un método capaz de separar una mezcla en sus diferentes componentes individuales.

Los sistemas cromatográficos constan de una columna rellena con dos fases, una móvil y otra estacionaria, que pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. La fase estacionaria permanece en su posición y no se mueve durante el proceso de separación, mientras que la fase móvil se desplaza a través de esta fase estacionaria.

Sistema de separación por cromatografía en columna.

Sistema de separación por cromatografía en columna.

La separación se da debido a la interacción de los distintos componentes de las mezclas con ambas fases. Aquellas moléculas más afines a la fase estacionaria se quedarán más tiempo retenidas en la columna, mientras que aquellas moléculas más afines a la fase móvil se moverán más rápidamente a través de esta.

Técnica de GPC/SEC

La técnica de GPC/SEC es un tipo de cromatografía de líquidos que emplea una fase estacionaria solida porosa cuyo mecanismo de separación se basa en el tamaño de las moléculas en solución, en lugar de otras interacciones químicas, de ahí el nombre de cromatografía de exclusión de tamaño (SEC, por sus siglas en ingles). La fase móvil puede fluir a través de estas partículas sólidas, así como a través de los poros de estas. Tradicionalmente, el medio poroso estaba formado por un gel y, por tanto, se acuñó también el nombre de cromatografía de permeación en gel (GPC, por sus siglas en inglés), por lo que ambos términos hacen referencia a la misma técnica analítica.

Muchas de las propiedades de los materiales poliméricos y plásticos utilizados en la industria y el consumo diario como la resistencia mecánica y la elasticidad proceden del entrelazamiento de las cadenas poliméricas. Generalmente, cuanto más largas son las cadenas, más entrelazadas están y más duro y resistente será el material, por lo que, en función del tamaño de la cadena las propiedades del material serán unas u otras, aun asumiendo una misma composición química. Además, todos los polímeros sintéticos contienen una distribución de longitudes de cadena polimérica, de hecho, es imposible sintetizar polímeros en los que todas las cadenas tengan la misma longitud. La técnica de GPC/SEC permite separar las cadenas de diferente longitud y medir su abundancia relativa. Hay que tener en cuenta que diferencias pequeñas en cuanto a la longitud de las cadenas puede suponer una gran diferencia en cuanto a propiedades de los materiales.

Distribución de peso moleculares y su abundancia relativa.

 Distribución de peso moleculares y su abundancia relativa.

La GPC/SEC tiene dos usos principales: caracterizar polímeros y separar mezclas en diferentes fracciones tales como polímero, oligómero, monómero y aditivos no poliméricos.

Para la determinación de la distribución de pesos moleculares de una muestra polimérica es necesario llevar a cabo una calibración con un patrón polimérico de peso molecular conocido. Para ello, existen dos metodologías en función de los detectores utilizados para el análisis: la GPC/SEC convencional y la GPC/SEC con multidetector.

Técnica de GPC/SEC convencional

En la GPC/SEC convencional se utiliza un único detector que habitualmente suele medir bien la absorbancia en el UV-Vis, o bien el índice de refracción diferencial. Durante el análisis, la columna de GPC/SEC separa las moléculas del polímero en función de su tamaño en disolución y el detector determina la cantidad de material eluído en función del tiempo de retención en la columna. Este tiempo de retención es convertido a peso molecular mediante el uso de una curva de calibrado obtenida de la misma manera con patrones de un polímero de distintos pesos moleculares conocidos obteniendo así una gráfica que relaciona el tiempo de retención con el peso molecular. Durante los cálculos, el pico de la muestra que eluye de la columna se divide en “slices”, y el tiempo de retención de cada slice se utiliza para determinar su peso molecular. El área o altura del corte permite determinar el porcentaje de este con respecto al total de la muestra, es decir, la abundancia relativa. A partir de los datos de porcentaje y peso molecular se calcula la distribución del peso molecular.

Aunque la técnica de GPC/SEC convencional está ampliamente extendida presenta una serie de limitaciones que se presentarán a continuación. Si el patrón utilizado para crear la curva de calibrado tiene una estructura química similar al de la muestra de interés, el cálculo realizado con la curva de calibración preparada será más exacto. Sin embargo, si la naturaleza química de ambos polímeros es diferente, los resultados obtenidos tan solo podrían ser comparativos. Esto se debe a que las columnas de GPC separan en función del tamaño en disolución, no en función del peso molecular. Cuando se realizan los cálculos de la GPC/SEC convencional, se asume que cierto tamaño en disolución corresponde a cierto peso molecular. Sin embargo, diferentes tipos de polímeros con diferentes naturalezas químicas pueden formar esferas de diferente tamaño para pesos moleculares iguales.

Comparación de tamaños de dos polímeros de mismo peso molecular en un mismo disolvente.

Comparación de tamaños de dos polímeros de mismo peso molecular en un mismo disolvente.

Además, esta técnica proporciona una información bastante limitada ya que, pese a que la columna separa las moléculas de polímero en función de su tamaño en solución, el detector únicamente determina la concentración de las moléculas que eluyen de la columna. Su tamaño en disolución, aunque crucial para el mecanismo de separación, no se mide en el análisis por lo que, comparativamente hablando, la GPC/SEC convencional no es una técnica rica en información.

Técnica de GPC/SEC con multidetector

Por estos motivos, surge la técnica de GPC/SEC con multidetector. Esta técnica combina un detector de concentración como los que se usan en la metodología convencional junto con otros detectores como pueden ser un viscosímetro o un detector de dispersión de luz o “light scattering”. De esta manera, se pueden calcular valores de peso molecular que no dependen de la química de los patrones utilizados para la calibración y determinarse otras propiedades de los polímeros.

La técnica de GPC con multidetector más común es la que combina un detector de concentración con un viscosímetro. El viscosímetro mide la viscosidad de la disolución de los materiales que, junto con la información de la concentración de los distintos componentes separados en la columna cromatográfica, permite obtener información sobre el comportamiento de las moléculas poliméricas en disolución. Antes de comenzar los análisis, en el caso de esta técnica, se calibra el detector de concentración y del viscosímetro con un patrón de concentración, viscosidad intrínseca y peso molecular conocidos. Del mismo modo, durante este proceso se determina el tiempo de retardo entre ambos detectores.

La medición de la viscosidad intrínseca permite determinar los pesos moleculares mediante la calibración universal. Este es un método que permite el cálculo de pesos moleculares independientemente de la química de los patrones empleados para la calibración. Este tipo de calibración hace uso del hecho de que la viscosidad intrínseca y el peso molecular están relacionados con el tamaño de las moléculas en solución mediante el volumen hidrodinámico. Por tanto, si se genera una curva de calibración para un conjunto de patrones de peso molecular y viscosidad intrínseca conocidas frente al tiempo de retención, esto sería equivalente a la relación del tamaño en disolución frente al tiempo de retención. Y puesto que la columna separa en función a este tamaño en disolución, se generará la misma curva de calibración independientemente de los patrones empleados.

Dispersión estática de la luz

Otra de las herramientas de detección más utilizadas en GPC/SEC es la dispersión estática de la luz. Este método consiste en irradiar el material que es eluido en la columna con un láser y medir la intensidad de la luz dispersada. Esta técnica es más compleja que la viscometría y tiene algunas limitaciones prácticas. Sin embargo, la combinación con un detector de concentración puede revelar mucha información sobre las moléculas del polímero en disolución. Este detector mide una propiedad, denominada ratio Raleigh, que está directamente relacionada con el peso molecular y la concentración de la molécula en disolución por lo que para llevar a cabo una calibración del sistema es necesario utilizar un patrón de concentración y peso molecular conocidos.

Una de las principales limitaciones de esta técnica se da cuando las moléculas presentan un tamaño en disolución muy reducido. En este caso, las moléculas actúan como un único punto dispersando la luz de forma simétrica en todas direcciones dando lugar a señales poco intensas en el detector lo cual puede dificultar la medición mediante el uso de este detector.

Finalmente, cabe destacar que también existe la posibilidad de usar ambos detectores junto con el detector de concentración. De esta manera, la calibración se realizaría de la misma manera que en el caso del método que utiliza únicamente el detector de “light-scattering” pero incluyendo también la información de viscosidad del patrón utilizado para la calibración. De esta manera, se obtendría información tanto del peso molecular como de la viscosidad intrínseca de las moléculas de polímero de las muestras.

En AIMPLAS contamos con el equipamiento necesario para dar soporte a las empresas del sector del plástico mediante la técnica de GPC/SEC.

Ejemplos de aplicación GPC/SEC

Algunos ejemplos en los que se ha podido aplicar esta técnica de manera exitosa incluyen:

  • Análisis comparativos en un proceso de síntesis: comparación de la evolución del peso molecular de un polímero a lo largo de la reacción de síntesis midiendo extractos a diferentes tiempos.
  • Análisis comparativos del grado de reciclado químico: comparando el peso molecular obtenido antes y después de someter el producto a uno o varios procesos de reciclado químico.
  • Caracterización de materiales: determinación del peso molecular de un polímero mediante calibración universal o triple detección.
  • Evaluación de defectos: comparando productos con algún tipo de problema funcional con otro producto similar que no presenta el error o evaluando el peso molecular mediante calibración absoluta o triple detección con la intención de evaluar si este puede ser la causa del problema observado.