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Feldfluss-Fraktionierung Molekulare Parameter von Polyacrylamidlösungen mit Feldfluss-Fraktionierung bestimmen

Autor / Redakteur: Derek Lohmann*, Christoph Johann**, Werner-Michael Kulicke*, Dierk Roessner** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wasserlösliche Polymere wie Polyacrylamidlösungen weisen unterschiedliche Alterungsphänomene auf, die ihre Eigenschaften wesentlich beeinflussen können. Mithilfe der asymmetrischen Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung (aF4) lassen sich die molekularen Parameter von Polyacrylamidlösungen schnell und zuverlässig bestimmen. Gegenüber der klassischen Größenausschlusschromatographie (SEC) bringt die Methode zusätzliche Vorteile.

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Abb. 1: Zur Bestimmung der molekularen Parameter von Polyacrylamidlösungen eingesetzt: die Fraktioniereinheit für die asymmetrische Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung Eclipse.
Abb. 1: Zur Bestimmung der molekularen Parameter von Polyacrylamidlösungen eingesetzt: die Fraktioniereinheit für die asymmetrische Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung Eclipse.
( Bild: Wyatt Technology Europe )

Natürliche und synthetische Polymere weisen eine Verteilung in ihren Molmassen und Teilchengrößen auf. Diese sind bei natürlichen Polymeren (z.B. Cellulose, Stärke) auf variierende Wachstumsbedingungen zurückzuführen. Bei synthetischen Polymeren sind differierende Reaktionsbedingungen Ursache für polymerhomologe Mischungen mit heterogenen Molmassen und Teilchengrößen.

Die absolute Bestimmung der Molmassen- und Teilchengrößenverteilung ist vielfach aber von besonderer Wichtigkeit. So ist bei Latex-Farben eine breite Verteilung der Teilchengrößen notwendig [1]. Bei Medizinprodukten wie Hydroxyethylstärke reicht die Ermittlung von Mittelwerten ebenfalls nicht aus, da bei Anwesenheit einer hochmolekularen Flanke das Risiko eines anaphylaktischen Schocks gegeben ist. Diese Flanke drückt sich nicht in den Mittelwerten aus, sondern kann nur über die Verteilung detektiert werden [2].

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Zeitabhängige Änderungen der Viskosität sind in der medizinischen, kosmetischen und pharmazeutischen Industrie häufig. Die dort verwendeten Systeme sind jedoch meist mehrphasig, sodass Alterungseffekte dort u.a. auf Unterschiede in der Kristallinität oder Phasentrennungseffekte zurückgeführt werden können.

Alterung von PAA-Lösungen

Wasserlösliche Polymere hingegen sind einfachere Systeme, die für verschiedenste technische Anwendungen verwendet werden. Um ihre Effektivität zu erhöhen oder neue Anwendungsfelder erschließen zu können, wurden diese Polymere intensiv im Hinblick auf ihre Lösungsstruktur untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bei verschiedenen Polymeren unterschiedliche Alterungsphänomene auftreten können. In der Vergangenheit wurde intensiv über Alterungsphänomene von Polyacrylamidlösungen berichtet [3, 4, 5, 6] und es schien daher interessant, mit neueren Geräten zu untersuchen, ob auch bei aktuellen Polyacrylamid-Proben (PAAm) Alterung bzw. Änderung der Konformation in Lösung zu beobachten sind.

Es wurde eine ausgewählte PAAm-Probe von Fluka (Herstellerangabe: M = 5 bis 6 · 106 g/mol) und ein breit verteilter Standard von Polymer Standard Service (PSS, Herstellerangabe M = 5,6 · 106 g/mol, Mw/Mn = 10,37) mittels gekoppelter Anlagen aus Größenausschlusschromatographie (SEC) und asymmetrischer Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung (aF4), Vielwinkellichtstreu-Detektor (MALS) und Brechungsindexdetektor (dRI) zur Konzentrationsbestimmung im Hinblick auf ihre Teilchengrößen, Molmassen und deren Verteilungen charakterisiert.

Für Untersuchungen mittels Viskosimetrie und die Beurteilung der Lichtstreumessungen (Wiederfindungsrate) ist die genaue Kenntnis der Polymerkonzentration notwendig. Da Polymeren immer eine gewisse Menge Wasser anhaftet, musste der Trockengehalt durch Thermogravimetrie bestimmt werden (s. Tab. 1). Untersuchungen mittels Infrarot-Spektroskopie (IR) und Kohlenstoff-Kernresonanzspektroskopie (13C-NMR) sollten sicherstellen, dass es sich bei dem eingesetzten Polymer nicht um teilweise verseifte Proben oder Copolymere handelt. Bei beiden Proben konnten weder per IR noch 13C-NMR Restmonomer-Anteile (Acrylsäure, Acrylamid) oder Copolymere nachgewiesen werden.

In einem weiteren Schritt wurden viskosimetrische Messungen mit verschiedenen Salzgehalten durchgeführt, um einen durch ionische Seitengruppen hervorgerufenen Polyelektrolyteffekt identifizieren zu können und zusätzlich über eine [η]-M-Beziehung [7] die Größenordnung für die mittlere Molmasse der Proben zu erhalten. Die [η]-M-Beziehung wird durch [η] = 0,0194 · M0,7 beschrieben.

Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, dass sich die intrinsische Viskosität über eine Lagerzeit von einer Woche nur im Rahmen der Messgenauigkeit ändert. Die verschiedenen Salzkonzentrationen bzw. ein veränderter pH-Wert haben ebenfalls nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis und die da-raus ermittelte Molmasse. Es ist allerdings auffällig, dass der ermittelte Wert deutlich unter dem vom Hersteller angegebenen Wert liegt. Da die Viskosimetrie nur eine Relativmethode ist, wurde zur weiteren Charakterisierung eine gekoppelte Anlage SEC-MALS-dRI verwendet. Zum Einsatz kamen hier Säulen der Firma Toso-Haas (Toso-Haas PWXL 6000, 5000, 4000 und 3000), die Flussrate des Eluenten (0,1 M NaNO3 mit 200 ppm NaN3) betrug 0,5 ml/min. Exemplarisch ist in Abbildung 2 das Elutionsdiagramm von PAAm-Fluka gezeigt. Dabei ist eine gute Trennung zu sehen. Lediglich zu sehr kleinen Radien und Molmassen macht sich die geringe Signalintensität in den Detektoren als Fehlerquelle bemerkbar.

Die Ergebnisse für die Molmassen und Teilchengrößen sind in Tabelle 3 gelistet.Die Werte weichen um etwa 50 Prozent von den Herstellerangaben ab. Als Möglichkeit für diese Abweichung kommen u.a. eine Abtrennung von hochmolekularen Bestandteilen auf der Vorsäule oder eine Degradation auf der Säule in Betracht.

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Weitere Charakterisierung mittels aF4

Um diese auszuschließen bzw. quantifizieren zu können, wurde eine aF4-Fraktioniereinheit (Wyatt, Eclipse 2) zur weiteren Charakterisierung verwendet. Der Eluent (0,1 M NaNO3 mit 200 ppm NaN3) wurde mit einem konstanten Kanalfluss von 1,4 ml/min mit einer isokratischen Pumpe der Agilent 1100-Serie gefördert. Mittels eines Eclipse2-Steuermodules und der Eclipse Software (Wyatt) wurden Quer- und Injektionsfluss gesteuert. Ein exponentieller Abfall des Querflusses zeigte sich im Laufe der Messungen als deutlich besser geeignet als ein linear abfallender Querfluss. Auch hier ist die Trennung gut (s. Abb. 3), allerdings ist der Molmassenverlauf durch die sehr geringen Injektionsmengen und dem damit verbundenen geringen Signal/Rausch-Verhältnis speziell im dRI leicht verrauscht. Die ermittelten Molmassen und Teilchengrößen decken sich mit denen der SEC- und Viskositätmessungen, allerdings bleibt dadurch auch die Diskrepanz zwischen Herstellerangaben und ermittelten Messwerten erhalten (s. Tab. 4).

Zusammenfassung

Mit der aF4 konnte gezeigt werden, dass keinerlei Aggregate vorhanden sind, sodass eine Abtrennung dieser auf der Vorsäule der SEC ebenfalls ausgeschlossen werden kann. Da die mittels aF4-MALS-dRI ermittelten Werte nur geringfügig höher als die mittels SEC-MALS-dRI bestimmten Werte sind, kann auch Degradation auf der Säule ausgeschlossen werden. Es konnte gezeigt werden, dass aF4-MALS-dRI eine schnelle und verlässliche Methode zur Bestimmung von Molmassen- und Teilchengrößenverteilungen ist. Dabei bietet die aF4 gegenüber der SEC Vorteile in Bezug auf Scherstabilität und Abtrennung von Aggregaten.

Literatur

[1] H. Thielking, D. Roessner, W.-M. Kulicke, Anal. Chem. 67, p.3229, 1995

[2] W.-M. Kulicke, D. Roessner, W. Kull, starch/stärke 45(12), p. 445, 1993

[3] H.C. Haas, R.L. MacDonald, J. Polym. Sci. Polym. Letters 10, p. 461, 1972

[4] W.-M. Kulicke, J. Klein, Angew. Makromol. Chemie 69, p. 189, 1978

[5] W.-M. Kulicke, R. Kniewske, Makromol. Chem. 181, p.823, 1980

[6] W.-M. Kulicke, R. Kniewske, Makromol. Chem. 182, p.2277, 1981

[7] W.-M. Kulicke, N. Böse, Polymer Bulletin 7(4) p. 205, 1982

*Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, Universität Hamburg, 20146 Hamburg**Wyatt Technology Europe GmbH, 56307 Dernbach

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