ISO 16564:2004标准方法测定天然橡胶摩尔质量的改进以提高测量精度

《Polymer Testing》：Improvement of the ISO 16564:2004 Standard Method for Molar Mass Determination of Natural Rubber to Enhance Measurement Accuracy

　　

天然橡胶（NR）的摩尔质量是一个关键结构参数，强烈影响其加工行为和最终力学性能。然而，由于其复杂的分子结构和固有的天然网络结构，使用常规方法准确表征NR的摩尔质量仍然具有挑战性。在本研究中，研究人员系统分析了ISO 16564:2004标准方法在基于SEC的NR摩尔质量测定中的局限性，并提出了相应的优化策略。根据ISO 16564:2004程序制备并分析了NR样品。研究人员定量评估了溶解和过滤过程中不溶凝胶和微凝胶的损失，并测定了色谱分析中的样品回收率。此外，研究人员采用尺寸排阻色谱-多角度光散射（SEC-MALS）研究NR组分与色谱柱之间的吸附相互作用。结果表明，应用ISO标准方法时发生了显著的样品损失，累积损失达到约35.0 wt%。通过系统优化取样策略、溶解条件、滤膜孔径以及引入四丁基溴化铵（TBABr）作为解吸剂，总样品损失从35.0 wt%降低至26.9 wt%。优化后的方法有效减少了由溶解、过滤和柱吸附引起的样品损失，从而提高了在目前基于THF的SEC条件下摩尔质量和摩尔质量分布（MMD）表征的代表性和可靠性。

**论文解读：改进天然橡胶摩尔质量测定的ISO 16564:2004标准方法**

天然橡胶（NR）作为重要的天然高分子材料，其摩尔质量和摩尔质量分布（MMD）直接影响加工行为与最终力学性能。然而，NR因含有不溶凝胶和微凝胶等网络结构，传统尺寸排阻色谱（SEC）方法难以获得完整准确的分子结构信息。现行ISO 16564:2004标准方法在溶解、过滤和色谱分离过程中存在显著的样品损失，导致高摩尔质量组分丢失，测量结果缺乏代表性。为此，青岛科技大学研究人员系统分析了该标准方法的局限性，并提出了一系列优化策略，在《Polymer Testing》期刊上发表了相关成果，旨在提高THF基SEC条件下NR摩尔质量表征的准确性与可靠性。

研究人员开展的工作包括：定量评价溶解与过滤过程中的不溶凝胶和微凝胶损失；测定SEC分析中的样品回收率；利用SEC-MALS探究NR组分与色谱柱的吸附作用。通过优化采样策略、溶解模式、溶解时间、滤膜孔径及引入四丁基溴化铵（TBABr）作为解吸剂，总样品损失从35.0 wt%降至26.9 wt%，显著提升了测量结果的代表性。

主要关键技术方法：
研究人员采用SEC-MALS系统分析NR的分子结构；通过称重法测定不溶凝胶含量（溶解前后质量差）和滤后微凝胶含量（过滤前后浓度差）；色谱样品回收率通过收集洗脱液并称重计算；优化过程涉及均质化多点采样、37°C振荡溶解（220 rpm，20 mm振幅）、延长溶解至72小时、比较0.22、0.45、1.00 μm PTFE滤膜效果；在溶剂和流动相中加入3 g·L^-1 TBABr，并预平衡色谱柱24小时以抑制吸附。所有定量实验均重复三次以保障精度。

研究结果：
3.1 不溶凝胶含量：ISO标准法溶解后实际浓度仅为0.819 mg·mL^-1，约18.1 wt%的样品以不溶凝胶形式损失，摩尔质量数据缺失这一组分。
3.2 过滤过程中微凝胶的损失：0.45 μm滤膜过滤后，平均浓度降至0.699 mg·mL^-1，微凝胶损失约11.8 wt%，进一步加剧了高摩尔质量组分的丢失。
3.3 样品回收率的测定：色谱分析中洗脱回收率约94.9%，表明约5.1 wt%样品因不可逆吸附保留于色谱柱固定相，且SEC-MALS显示高摩尔质量组分出现异常洗脱行为（摩尔质量随洗脱体积增加而升高），偏离理想SEC机制。
3.4 ISO 16564:2004测试程序的优化
3.4.1 采样方法的优化：均质化多点采样使可溶组分升至82.3 wt%，不溶凝胶降至17.7 wt%，且重均摩尔质量（M_w）的RSD显著降低，提高了重复性与代表性。
3.4.2 振荡溶解方法的优化：连续振荡溶解（220 rpm）相比静态溶解提高RI信号强度，高摩尔质量组分（>10⁶ g·mol^-1）比例增加，证实机械能促进网络解离。
3.4.3 溶解时间的优化：随溶解时间延长（24至96小时），不可溶凝胶含量从18.1 wt%降至72小时时的13.5 wt%，M_w在72小时达到最大；96小时略有下降，归因于氧化降解，因此72小时为最优。
3.4.4 滤膜孔径的优化：从0.22 μm增至1.00 μm，RI信号增强，微凝胶损失减少约1.0 wt%，M_w递增；但过大的孔径可能引入未解离聚集体，需结合解吸剂使用以平衡损失与分辨率。
3.4.5 解吸剂的影响：在溶剂、流动相及色谱柱中引入TBABr（3 g·L^-1），样品C（双重TBABr加柱预处理）的回收率达97.4%，异常洗脱行为被显著抑制（M_w,abs-洗脱时间曲线不再上扬），M_w略降表明聚集体解离，获得更真实的分子尺寸信息。
3.5 优化程序的综合效果：最终优化方案使不溶凝胶降至13.5 wt%，过滤微凝胶降至10.8 wt%，回收率升至97.4%，累积样品损失从35.0 wt%降至26.9 wt%；M_w在优化过程中先升（减少高摩尔质量组分丢失）后微降（TBABr解离松散聚集体），被认为更可靠。

讨论部分指出，尽管优化方案显著改善了NR摩尔质量表征，但完全分子级溶解仍是理想目标，以最小化聚集偏差，尤其在SEC-MALS中。目前THF基体系下，1.00 μm滤膜与TBABr联用是实用折中方案。结论部分翻译：
传统ISO 16564:2004在NR摩尔质量表征中表现出显著局限性，因为溶解、过滤及色谱分析中的样品损失阻碍了对可测可溶部分的代表性表征。为解决这一问题，研究人员系统优化了采样策略、溶解模式、溶解时间、过滤条件及解吸剂的引入等五个关键方面。其中，将3 g·L^-1 TBABr同时加入溶解溶剂和流动相对抑制固定相异常吸附、提高样品回收率起到关键作用。该处理结合37°C下72小时振荡溶解及1.00 μm PTFE滤膜过滤，共同改善了样品分散性并减少了预处理中的样本排除。与ISO标准法相比，优化方案将不溶凝胶与过滤微凝胶的总损失从29.9 wt%降至24.3 wt%，色谱回收率从94.9%升至97.4%，累积样品损失从35.0 wt%降至26.9 wt%。这些改进表明，优化程序有效减少了SEC分析中的样品损失，提高了目前THF基SEC条件下摩尔质量表征的代表性和可靠性。总之，该优化框架增加了当前THF基SEC条件下NR组分的可检测比例，提供了对天然橡胶可溶部分的更具代表性的表征。然而，在合适溶剂系统中实现NR的完全分子级溶解仍是最大限度减少聚集偏差（尤其在SEC-MALS测量中）的理想途径。这些发现为未来研究含凝胶复杂聚合物体系及开发更合适的溶剂系统和表征方法（如非对称流场流分离技术AF4）提供了有用基础。