微波加熱於分析聚合物的分子量分布情形之應用

2006-12-01

微波加熱於分析聚合物的分子量分布情形之應用

西元 1975 年,微波加熱首次被用在化學實驗室中常壓下的消化(Digestion),使得原本需耗時 1~2 hrs 的前處理工作縮短至 15 分鐘以內完成,有效減少了整個化學分析的時間。自此以後,除了微波消化外,更有實驗室將微波加熱用在水解(Hydrolysis)、萃取(Extraction)及有機和無機合成(Synthesis)。 在對聚合物進行多種化學分析之前,如重量分析、黏度分析、聚合物單體分析以及添加物成分分析時,往往需要先以溶劑將該聚合物完全溶解後,再進到液相層析儀(HPLC)、凝膠滲透層析儀(GPC)或光散射儀(Light scattering)進行上述幾項化學分析。有些聚合物在室溫下的溶劑中即可完全溶解,另有部分聚合物則需經過加熱後才能完全溶解。例如聚苯乙烯(PS)與聚碳酸酯(PC)皆很容易在室溫下完全溶解,然而聚烯烴(Polyolefins)與聚脂(ABS) 則需加熱後才可以將固相完全溶解。傳統分析是將聚合物與溶劑置入烘箱加熱予以溶解,此操作需耗時 1.5 至3 小時,因為高溫氧化的時間長容易導致聚合物結構破壞,繼而造成分析結果偏差,解決的方式是在聚合物中添加抗氧化劑改善。倘若改用微波加熱,由於可以快速升溫並在短時間將聚合物完全溶解,因此並不會改變聚合物的原始結構。

微波加熱可加速聚合物的溶解速度

在進行聚合物溶解的過程,微波先照在混合的溶劑快速升溫,隨後較高溫的溶劑得以快速將聚合物溶解。由下表1 中得知多種聚合物可溶解的溫度條件與溶劑,除了甲苯無法自行吸收微波必須另加入一微波吸收子(Carboflon,為鐵氟龍內充填碳黑所構成)才能加熱外,其餘的溶劑皆比水容易吸收微波快速升溫。

表1. 各種聚合物可溶解的溫度條件與溶劑

欲溶解聚合物可針對其特性選擇適合的溶劑,常用的溶劑有三氯苯、二甲基代乙醯胺(DMAC)、二甲基代甲醯胺(DMF)、鄰二氯苯(ODCB)、四氫呋喃(THF)等。 下圖1 為多種不同溶劑在相同微波功率加熱下的升溫速率比較曲線。

圖1. 不同溶劑於相同微波功率加熱下的升溫速率比較曲線

微波加熱與傳統加熱方式的效率比較

將 20mg 樣品加入 20mL 三氯苯,分別以烘箱與微波加熱對四種聚合物進行結果比較。傳統方式將樣品及溶劑置入反應容器並用鋁蓋密封後放進烘箱,溫度145℃,每隔 30 分翻轉一次並加熱達 90 分鐘。微波方式是將樣品及溶劑置入鐵弗龍瓶(GreenChem 型密閉瓶,CEM 公司)後蓋上瓶蓋鎖緊,3 分鐘升溫至 145℃,持溫 10 分鐘,冷卻 2 分鐘後開瓶將樣品倒出。兩種方法溶解經 GPC 測分子量,除 LDPE 外其餘皆相近(±10%內),但微波時間明顯較短,利於多數實驗的進行。

表2. 以烘箱與微波加熱對四種聚合物進行前處理之分子量結果比較

微波加熱有效提升分子量的分析效率

儘管十多年前已經開始了微波化學的應用,但對於微波加速溶劑反應而言,至今仍在初期的發展上,且隨著微波加熱可應用的領域擴大以及發展的方法逐漸增多,加上其省時與容易操作的特點,它已逐漸廣泛為市場接受。在進行 GPC 分子量分佈的分析上,藉由微波加熱可快速達到樣品溶解的目的,但不會造成聚合物結構的改變。因此,微波加熱相較於傳統烘箱加熱確實節省了許多時間,加上其多重安全機制的設計,在諸多操作優點的基礎上更同時兼顧了人員的安全。

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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參考文獻

  • Microwave Accelerate Dissolution of Polymer for Molecular Weight Analysis, CN LeBlanc,CEM Corporation,POB200,Matthew,NC,USA