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Polystyrolanalyse Gleichzeitige GPC-Analyse von Polystyrol mit Antioxidanz-Additiv

Autor / Redakteur: Sascha Giegold* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Anwendung mehrerer analytischer Methoden bringt zusätzlichen Infor­mationsgewinn, erhöht allerdings in der Regel auch den Zeitbedarf. Lesen Sie, wie die Kopplung zweier Detektoren bei der Polystyrolanalytik nicht nur mehr Ergebnisse liefert, sondern auch einfach durchzuführen ist.

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Styropor (Polystyrol) lässt sich mit einer Detektorkombination in einem Lauf umfassend analysieren.
Styropor (Polystyrol) lässt sich mit einer Detektorkombination in einem Lauf umfassend analysieren.
(Bild: Wolfgang Kruck - Fotolia.com)

Die Analyse von Polymeren und den darin enthaltenen Additiven wird zumeist mit zwei unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Um das Molekulargewicht des Polymers zu bestimmen, verwendet man eine Gel-Permeations-Chromatographie (GPC). Zur Untersuchung des Additivs wird zusätzlich eine Flüssigchromatographie (HPLC) mit UV-Detektion benutzt.

Die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) für die Analyse hydrophober Polymere ist traditionell das meist verwendete Verfahren, gekoppelt an einen Differenzialbrechungsindex-Detektor (RID). Wenn jedoch Spuren von UV-absorbierenden Zusätzen (Additiven) neben der Hauptkomponente, z.B. einem synthetischen Polymer, in der Probe vorhanden sind, werden diese mit einem UV- oder Photodioden-Detektor (PDA) für hochsensitive Nachweise analysiert. Erst die Kombination eines RI- und UV-Detektors macht es möglich, eine gleichzeitige Analyse der Hauptkomponente neben den geringen Spuren von Additiven durchzuführen.

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Dies erlaubt zum einen die Berechnung der Molekulargewichtsverteilung des Polymers, zum anderen die Qualifizierung der Zusätze durch UV-Spektren und den quantitativen Nachweis über die Kalibration. Hierzu wird die neue i-Series – eine integrierte HPLC mit PDA – verwendet, die die direkte Verbindung mit einem RID-20A Brechungsindex-Detektor unterstützt.

GPC-Analyse von Polystyrol mit Antioxidationsmittel

Verschiedene Arten von Zusätzen, wie Weichmacher, Antioxidationsmittel, Schmiermittel, Vulkanisierungsbeschleuniger und Flammenhemmstoffe, werden im Allgemeinen zu Polymeren hinzugefügt. Als Beispiel wird eine Analyse von Irganox 1010 gezeigt, ein typisches phenolisches Antioxidationsmittel, das in kleinen Mengen zu Polystyrol (PS) hinzugefügt wird. Abbildung 1 zeigt die analytisch erhaltenen Ergebnisse nach einer 5 μl Injektion des Zusatz-enthaltenden PS (5 g/l); Abbildung 2 zeigt das Spektrum des Irganox 1010, das mit dem in der Prominence-i integrierten PDA-Detektor aufgenommen wurde (analytische Bedingungen auf www.laborpraxis.de). Die KF-804L analytische Säule, die eine lineare Kalibrationsgerade ermöglicht, wurde mit Stabilisator-freiem Tetrahydrofuran (THF) als mobile Phase verwendet. Der Irganox 1010 Peak wurde direkt nach dem PS detektiert, der bei ungefähr 7,5 Minuten eluiert (s. Abb. 1).

Der Additiv-Peak, der kaum durch den Brechungsindex-Detektor erkannt wird, konnte durch die hohe Empfindlichkeit des PDA-Detektors durch Optimierung der Detektionswellenlänge detektiert werden, was dadurch die genaue Quantifizierung erlaubt. Außerdem ist die qualitative Analyse des Irganox 1010 durch die Verwendung des UV-Spektrums möglich, das mit dem PDA-Detektor aufgenommen wurde (s. Abb. 2a).

Lineare Kalibration: Abbildung 2b zeigt die Kalibrationsgerade des PS, die unter den angeführten analytischen Bedingungen generiert wurde. Hier wurde eine Säule verwendet, die eine geradlinige Kalibrierung ermöglichte. Die erzeugte Kalibration zeigt ausgezeichnete Linearität über einen Molekulargewichtsbereich von 3950 bis 197 000, mit einem Korrelationskoeffizienten größer als R2 = 0,999. Abildung 3 zeigt die Molekulargewichtsverteilung für das Zusatz-enthaltende PS mit den analytischen Bedingungen aus Tabelle 1. Die schwarze Spur zeigt die Molekulargewichtsdaten als eine Differenzialkurve, und die blaue Spur zeigt die Daten als eine Integralkurve. Das Gewichtsmittel Molekulargewicht (Mw) und Anzahlmittel Molekulargewicht (Mn) beträgt 26078 respektive 15422. In diesem Fall beträgt die Molekulargewichtsverteilung (Polydispersität: Mw/Mn) ungefähr 1,69.

Abbildung 3b zeigt die Kalibrationsgerade des Irganox 1010. Die Kalibrierung, die über einen Konzentrationsbereich von 10 bis 100 mg/l aufgenommen wurde, zeigt eine ausgezeichnete Linearität mit einem Korrelationskoeffizienten größer R2 = 0,999. Mithilfe dieser Kalibration wurde der Gehalt des Irganox 1010 aus Abbildung 1 mit 10,8 mg/g des Polystyrols (PS) berechnet.

Fazit: Detektor-Kopplung bringt Mehrwert

Die Kopplung eines differenziellen Brechungsindex-Detektors mit einem PDA-Detektor ermöglicht die gleichzeitige Analyse des Molekulargewichts eines Polymers und der quantitativen Bestimmung des Additivs. Da zur Bestimmung des Molekulargewichts und des Gehaltes des Zusatzes die gleiche Software zur Steuerung der HPLC und Auswertung der Daten verwendet wird, ist für den Einsatz dieser Anwendung kein erhöhter Schulungsaufwand notwendig, was diese Analyse gerade für den Routinebetrieb auszeichnet. Die Verwendung der i-Series Kompakt-HPLC ermöglicht eine robuste Analyse mit intuitiver und einfacher Handhabung.

* Dr. S. Giegold: Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

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