Compte-rendu TP Chromatographie d\'exclusion stérique PDF

Preview

Summary

Compte-rendu d'analyse SEC, M.Perruchot...

Description

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

Travaux Pratiques de Chromatographie d’Exclusion Stérique

Introduction Dans ce TP, nous allons découvrir une technique d’analyse chimique : la chromatographie d’exclusion stérique (SEC). Nous allons comprendre l’instrumentation de cet appareil, réaliser une calibration et réaliser l’analyse de différents polymères. Nous allons vous présenter cette technique de caractérisation et les différentes parties de son instrumentation. Puis nous discuterons de la calibration de cette machine et nous déterminerons son domaine d’utilisation. Enfin, nous présenterons l’analyse d’un polymère connu ainsi que celle d’un polymère préparé en laboratoire.

1

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

Présentation du chromatographe SEC et instrumentation Un chromatographe d’exclusion stérique a pour but de déterminer la masse molaire d’un polymère. La masse molaire de ce polymère permet d’avoir des informations sur ses propriétés mécaniques ainsi que sur la longueur de ses chaînes et sa viscosité. Lors d’une analyse par chromatographie d’exclusion stérique, on injecte un polymère qui sera amené par un solvant (phase mobile) à travers une colonne constituée d’une phase stationnaire. Cette phase stationnaire est un poreux de taille de porosité connue. Plus les molécules sont petites et plus le polymère sera retenu contrairement à un polymère constitué de molécules plus imposantes qui ne rentrera pas ou peu dans les porosités de la phase stationnaire. Lors de ce TP, le solvant utilisé est le TétraHydroFurane communément appelé THF. Il est très intéressant de par sa grande polarité et le fait qu’il n’absorbe pas du tout à la longueur d’onde d’analyse. On l’utilise aussi pour ses très petites molécules qui dissolvent très bien les polymères.

Molécule de THF

Les gaz dissous sont éliminés

Un capteur de pression évite les fuites. Le débit est régulé car on désire une pression constante. Ici P=59 bar Colonne chromatographique : tube en acier qui contient la phase stationnaire, poreuse (=éponge) de taille de pores calibrée. La colonne se trouve dans un four thermostaté (35°C) (aucune influence de la température extérieure sur le temps de rétention

2

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

La dernière partie est un détecteur UV-visible à longueur d’onde spécifique (ici 254nm). On mesure l’absorbance selon la loi de Beer Lambert. Puisque le solvant n’absorbe pas, on ne voit que le passage du polymère. On réalise une mesure de la densité optique/temps. Un deuxième détecteur peut être ajouté en série qui mesure une différence d’indice de réfraction. L’échantillon à analyser est introduit par un injecteur manuel dans une boucle de 20µL. Il possède deux positions : -

Position LOAD : la boucle est isolée, on injecte le polymère à l’aide d’une seringue. Position INJECT : La phase mobile passe dans la boucle et entraîne l’échantillon.

Initialement, on dispose de monomères en solution. La polymérisation engendre la création de liens covalents entre les motifs monomères mais aussi des chaînes un peu plus petites ou un peu plus longues. En effet, il est très dur d’avoir des chaînes de masse molaire égales. Le but de la polymérisation est d’avoir la dispersion la plus fine, ce qui donne des pics plus fins. Si la dispersion en taille des chaînes est très grande, le signal obtenu comprendra d’abord les chaînes les plus longues puis les moyennes et enfin les plus petites. On définit un indice de polydispersité Ip qui est proportionnel à la dispersion en taille des chaînes. Plus les chaînes sont mono-disperses (tailles proches), plus Ip est proche de 1.

Analyses d’échantillons par SEC Dans ce TP, nous allons analyser deux échantillons de polymère avec cette technique de SEC : -

Un polymère commercial, de masse molaire connu et d’indice de poly molécularité faible. Un polymère préparé au laboratoire, de masse molaire et d’indice de poly molécularité inconnus.

Courbe de calibration On dispose de plusieurs polymères (voire oligomères) dont on connait les masses molaires, ce sont des polymères conventionnels. Le styrène a une masse molaire de 584g/mol, il est très visqueux. Les polymères dont nous disposons sont des « polystyrènes » de masse molaire différentes. Pour faire du polystyrène, on casse la double liaison C==C et on crée des radicaux aux extrémités. Ce sont ces motifs qui vont se lier avec d’autres radicaux. Connaitre la masse molaire permet de savoir le nombre de monomères. Il existe plusieurs types de colonne et afin de choisir la mieux adaptée, il faut connaître le domaine de linéarité de la colonne.

3

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

Courbe de calibration

100000

Temps de rétention min : 6,087 min

M = -6223,7 .temps de rétention + 53245

Masse molaire (g/

Masse molaire max : 20650g/mol

Domaine linéaire

Temps de rétention max : 8,98 min

1000

Masse molaire min : 580g/mol

100 5

6

7

8

9

10

11

Temps de rétention (min)

On peut observer que pour des masses molaires très grandes, les chaîne sont mal séparées car elles ont du mal à rentrer dans les poreux (domaine non linéaire supérieur). Pour des masses molaires petites et des masses molaires très petites, elles explorent les mêmes cavités poreuses. Il y a donc un domaine non linéaire inférieur où des masses molaires ne peuvent plus être différenciées. Entre ces deux domaines non linéaires on observe que la réponse de la colonne est linéaire, c’est le domaine d’utilisation de la colonne.

Analyse d’un polymère commercial Dans cette partie, nous allons étudier un polymère commercial de masse molaire connue et d’indice de poly molécularité connu. D’après le fournisseur sa masse molaire est de 9200 g/mol. On dissout 1mg de ce polymère dans 2mL de THF. On introduit 20µL dans la boucle plusieurs fois en évitant d’introduire des bulles d’air. Le surplus de produit va directement à la poubelle.

4

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

Chromatogramme du polymère commercial Le THF est à 99,9% pur, il contient des stabilisants. Ces stabilisants captent l’humidité (H20) qui sont des molécules très petites donc elles vont loin dans les porosités. Il faut donc du temps entre deux analyses.

Tableau de résultats du polymère commercial On mesure le temps de rétention au max d’absorbance. On trouve un temps de rétention de 6,72 min ce qui correspond à une masse molaire de 8835 g/mol et un indice de polydispersité de 1,02. La masse molaire expérimentale différente de la valeur constructeur peut être expliquée par le fait que l’analyse a été lancée alors que l’appareil n’était pas stable. La masse molaire du styrène est de 104 g/mol. Le nombre de motifs :

8835 104

= 85 𝑚𝑜𝑡𝑖𝑓𝑠. 5

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

L’indice polydispersité est égal à celui annoncé par le fournisseur. Le zéro de l’absorbance est réalisé à t=0 et correspond au solvant. Un pic vers le bas n’est pas une absorbance négative, c’est une impureté qui absorbe encore moins le solvant.

Analyse d’un polymère préparé au laboratoire Dans cette partie, nous allons analyser un polymère dont on ne connait pas la masse molaire ni l’indice de polymolécularité.

Chromatogramme du polymère de laboratoire

Tableau de résultats du polymère de laboratoire

6

Licence Pro ANAMAT

TP SEC Quentin BRABANT/Arnaud Mathurina

Le polymère a été préparé de la même manière que le polymère commercial, 1mg de polymère dans 2mL de THF. On obtient une masse molaire de 6571 g/mol pour un temps de rétention de 6,95 minutes ce qui correspond au résultat expérimental. L’indice de polydispersité est de 1,32 ce qui est supérieur au polymère commercial qui est utilisé pour calibrer l’appareil. La dispersion en taille des chaînes est donc plus importante, la polymérisation n’est pas parfaitement réalisée.

Conclusion Dans ce TP, nous avons découvert la chromatographie d’exclusion stérique, une technique de caractérisation de polymères qui fonctionne par la séparation ses chaînes. Elle permet aussi de juger la qualité de la polymérisation grâce à la largeur à mi-hauteur des pics. Le temps d’analyse est plutôt court mais le temps de mise en situation de l’appareil est long (stabilité) et le temps entre deux analyses peut être long à cause de l’humidité. Cet appareil nécessite aussi une calibration grâce à des polymères connus et chaque colonne possède un domaine d’utilisation qu’il faut connaître afin de ne pas obtenir de faux résultats. L’analyse d’un chromatogramme nous donne beaucoup d’informations qui renseignent sur les propriétés mécanique d’un polymère.

7...