ISO 13885-1:1998
(Main)Binders for paints and varnishes — Gel permeation chromatography (GPC) — Part 1: Tetrahydrofuran (THF) as eluent
Binders for paints and varnishes — Gel permeation chromatography (GPC) — Part 1: Tetrahydrofuran (THF) as eluent
Liants pour peintures et vernis — Chromatographie par perméation de gel (GPC) — Partie 1: Utilisation de tétrahydrofurane (THF) comme éluant
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Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13885-1
First edition
1998-12-15
Binders for paints and varnishes — Gel
permeation chromatography (GPC) —
Part 1:
Tetrahydrofuran (THF) as eluent
Liants pour peintures et vernis — Chromatographie par perméation
de gel (GPC) —
Partie 1: Utilisation de tétrahydrofurane (THF) comme éluant
A
Reference number
ISO 13885-1:1998(E)
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ISO 13885-1:1998(E)
Contents
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Definition .2
4 Principle.2
5 Apparatus .2
6 Eluent.5
7 Calibration of the apparatus .6
8 Sampling.8
9 Preparation for the test .8
10 Conditions of analysis .9
11 Data acquisition and evaluation.9
12 Precision.12
13 Test report .13
Annex A (informative) Further information.17
Annex B (informative) Bibliography .23
Annex C (informative) Example of a data sheet for a polymer standard .24
© ISO 1998
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic
or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
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Printed in Switzerland
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© ISO
ISO 13885-1:1998(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
International Standard ISO 13885-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 35,
Paints and varnishes,
Subcommittee SC 10, Test methods for binders for paints and varnishes.
ISO 13885 will consist of the following parts, under the general title Binders for paints and varnishes — Gel
permeation chromatography:
Part 1: Tetrahydrofuran (TMF) as eluent
Part 2: N,N-dimethylacetamide (DMAC) as eluent
Part 3: Water as eluent
At the time of publication of this part of ISO 13885, parts 2 and 3 were still at the planning stage.
Annexes A to C of this part of ISO 13885 are for information only.
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INTERNATIONAL STANDARD © ISO ISO 13885-1:1998(E)
Binders for paints and varnishes — Gel permeation
chromatography (GPC) —
Part 1:
Tetrahydrofuran (THF) as eluent
WARNING — This part of ISO 13885 may involve hazardous materials, operations and equipment. It does
not purport to address all of the safety problems associated with its use. It is the responsibility of the user
of this part of ISO 13885 to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability
of regulatory limitations prior to use. A specific hazard statement appears in clause 6.
1 Scope
This part of ISO 13885 is one of a series of standards dealing with the sampling and testing of paints, varnishes and
related products.
It describes conditions for the determination of the molecular-mass distribution, number-average molecular mass M
n
and mass-average molecular mass M of polymers that are soluble in THF (tetrahydrofuran) by gel permeation
w
1)
chromatography (GPC) .
It is possible that, in spite of the good repeatability obtained with this method, it cannot be used with certain polymer
types because of specific interactions, such as adsorption within the sample/eluent/column system.
The method is not an absolute one and requires calibration with commercially available unbranched-polystyrene
standards that have been characterized by absolute methods. The results for samples of polymers other than
polystyrene are therefore only comparable within groups of samples of the same type.
The conditions specified in this part of ISO 13885 are not suitable for the GPC analysis of polymer samples with M
w
6
values greater than 10 (see annex A).
No correction methods, e.g. for the elimination of peak broadening, are included in this part of ISO 13885. If
absolute molecular-mass values are required, an absolute method, e.g. membrane osmometry for M or light
n
scattering for M , must be used.
w
2 Normative references
The following standards contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of this part of
ISO 13885. At the time of publication, the editions indicated were valid. All standards are subject to revision, and
parties to agreements based on this part of ISO 13885 are encouraged to investigate the possibility of applying the
most recent editions of the standards indicated below. Members of IEC and ISO maintain registers of currently valid
International Standards.
ISO 1513:1992, Paints and varnishes — Examination and preparation of samples for testing.
ISO 5725-1:1994, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 1: General
principles and definitions.
1) Also known as size exclusion chromatography (SEC).
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2)
ISO 15528:— , Paints and varnishes — Sampling.
ASTM D 3536-91, Test method for molecular weight averages and molecular weight distribution by liquid exclusion
chromatography (gel permeation chromatography — GPC).
ASTM D 5296-92, Test method for molecular weight averages and molecular weight distribution of polystyrene by
high performance size-exclusion chromatography.
3 Definition
For the purposes of this part of ISO 13885, the following definition applies.
3.1
gel permeation chromatography
a chromatographic method in which the completely dissolved molecules of a polymer sample are fractionated on a
porous column material, separation taking place according to the size of the molecule (or more precisely the size of
the polymer coil which forms in this elution solvent)
NOTE 1 Small molecules diffuse into the pores of the column material more frequently and are therefore retarded more than
large molecules. Thus large molecules are eluted earlier, small molecules later. Under the test conditions given, the retention
volume is solely a function of the size of the molecule.
NOTE 2 This is a special form of liquid chromatography.
4 Principle
The polymer content of a sample is determined, the sample is then diluted with eluent to give a concentration of less
than 5 g/l and an aliquot of the diluted sample is injected into the GPC system. The concentration of the molecules
eluted from the column is measured in order of decreasing coil size with a concentration-sensitive detector, typically
a differential refractometer. The molecular-mass distribution, the quantities M and M and the heterogeneity or
n w
polydispersity M /M are calculated from the resultant chromatogram with the aid of a calibration curve that has
w n
been determined for the particular GPC system.
5 Apparatus
The apparatus shall consist of the components shown in figure 1, which are described below.
It is essential that all components which come into contact with the eluent or the sample solution, are resistant to
them and do not exhibit adsorption or memory effects in any form. The individual components of the GPC
apparatus, which in this case uses THF as eluent, shall be linked with stainless-steel capillary tubes.
5.1 Eluent supply
The eluent reservoir shall provide the eluent with adequate protection against external influences such as the
atmosphere and light, if necessary by means of a blanket of inert gas over the surface of the liquid. The eluent
reservoir shall have sufficient capacity for the apparatus to be brought to the equilibrium between elution solvent
and the surface of the column material and for several analyses to be conducted.
The eluent shall be degassed, either before it is introduced into the reservoir or by use of a device fitted between
the reservoir and the pump, to prevent malfunctions of the pump or the formation of bubbles in the detector. The
method of degassing used, e.g. bubble trap, online purging with helium, or vacuum degassing, is open to choice but
shall be stated in the test report.
2) To be published. (Revision of ISO 842:1984 and ISO 1512:1991)
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5.2 Pump
The pump ensures that the eluent flow through the column is as smooth and pulse-free as possible. The flow rate
shall be 1 ml/min. To fulfil these requirements, the pump shall operate at optimum efficiency at this flow rate.
Either the pump shall be designed to ensure that the level of detector noise specified in 5.6 is maintained or a pulse
dampener shall be fitted immediately downstream of the pump.
The parameter which characterizes a polymer molecule of a particular size is the volume eluted between injection of
the sample solution and elution of the polymer. The reproducibility of measurement of this volume shall be better
than 0,3 %. If the retention volume is not measured by a flow meter whose design provides adequate accuracy, but
only indirectly from the elution time, the constancy of the pumping rate and the reproducibility of the pumps used are
more critical: the constancy and reproducibility of about 1 % that can currently be achieved over long operating
times is inadequate for the molecular-mass measurement reproducibility required. When the chromatograms are
evaluated on the basis of time, it is therefore necessary to check that the flow conditions during calibration and
analysis are the same, e.g. by using internal standards in the calibration and sample solutions, and, if the flow
conditions are not the same, making appropriate corrections. The internal standards used shall be stated in the test
report.
5.3 Injection system
The injection system serves to introduce a predetermined, precise amount of the sample solution into the eluent
stream in a rapid and smooth fashion.
When filling the sample loop with sample solution and subsequently introducing the sample solution into the eluent
stream, the volume of liquid used shall be great enough to ensure that, even if laminar-flow effects occur, the
sample loop is completely filled with the sample solution and subsequently completely flushed out.
Memory effects from the previous sample solution in the injection system shall be avoided by suitable design or by
adequate flushing.
5.4 Columns
The apparatus shall have one or more columns connected in series and packed with spherical porous material, the
diameter of the pores corresponding to the size of the polymer molecules being analysed.
The packing material typically consists of a styrene/divinylbenzene copolymer (S/DVB), produced by a special
polymerization process, which swells only slightly in the solvent and therefore does not deform under the pressure
developed at the flow rate of 1 ml/min.
In addition to these macroporous spherical S/DVB particles, packing materials based on other organic monomers or
on silicon dioxide (silica) are also used. The criterion for their use is that no adsorptive interaction shall occur
between their surface and the polymer molecules in the sample. Furthermore, the sample being analysed shall not
be changed, either chemically or structurally, within the chromatographic system.
Certain polymers can interact with the surface of the packing material, e.g. by adsorption, and other effects can
sometimes interfere with the GPC separation mechanism. Details of such effects and notes on possible remedies
are discussed in annex A. If it is intended to compare analyses by different laboratories of such polymers, the
laboratories shall agree on details of the test conditions that are not covered by this part of ISO 13885.
It is practically impossible to obtain two columns with the same pore radius distribution and quality of packing. To
meet the objective of this part of ISO 13885 of obtaining results that agree as well as possible in different
laboratories using different GPC apparatus with the same sample, it is necessary to adhere to the minimum
requirements specified below with regard to peak broadening (expressed in terms of a number of theoretical plates)
and separation performance. The values actually obtained shall be stated in the test report.
3
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a) Number of theoretical plates
The number of plates shall be determined, for the apparatus used, from the peak width at half height (see figure 2).
Inject 20 ml of a solution of ethylbenzene (concentration 1 g/l) on to the column and evaluate the chromatogram
obtained under the same conditions as are used for analysing polymers, according to equation (1):
2
100
V
e
Theoretical plate number N = 5,54 × × . . . (1)
L
W
1/2
where
V is the retention volume or time to the peak maximum;
e
W is the peak width at half height (see figure 2) — use the same units for V and W;
1/2 e
L is the length, in cm, of the column/column system.
Determine the peak width at half height either electronically from at least 30 data points per peak or manually on a
chromatogram where the peak is at least 2 cm wide at half height and at least 15 cm high at the peak maximum.
Express the result as the number of theoretical plates per metre of total column length. To meet the requirements of
this part of ISO 13885, a column system shall have at least 20 000 plates/m.
NOTE Please consult annex A with regard to tailing and fronting (asymmetry) of the peak used to calculate the plate count.
b) Separation performance
To ensure adequate resolution, the log M versus retention volume V calibration curve for the column system used
10 e
shall not exceed a specified gradient. This parameter shall be measured using a pair of polystyrene standards
which elute in the area of the peak maximum for the polymer sample under investigation or shall be obtained from
the calibration curve and evaluated as
VV−
eM, x
eM,()10×x
Separationperformance= > 6,0 . . . (2)
Column cross-sectional area
where
3
V is the retention volume for polystyrene of molecular mass M , in cm ;
e,Mx x
3
V is the retention volume for 10 times that molecular mass, in cm ;
e,(10 · Mx)
2
the column cross-sectional area is in cm .
Select M such that the peak maximum for the polymer sample under investigation lies approximately halfway
x
between these two retention volumes.
NOTE See annex A regarding the minimum resolution required by ASTM D 5296-92, clause 12, equation (3).
5.5 Column temperature control
Carry out the test at room temperature or at a temperature of up to 40 °C. The temperature of the column shall not
change by more than 1 °C during the analysis (see annex A). Conduct the calibration and sample analyses at the
same temperature. When analyses are to be carried out by different laboratories for comparison, the column
temperature shall be agreed upon.
5.6 Detector
Use a differential refractometer detector. The cell volume shall not exceed 0,010 ml.
4
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NOTE Concerning the restriction to a single detector type, see annex A.
If samples consisting of copolymers or polymer blends are to be analysed, ensure that all the components give a
similar response factor (ratio of detector signal to concentration of analyte in the eluate or, in the case of the
differential refractometer, specific refractive index increment n (usually expressed as dn/dc), i.e. mathematically:
k
i
0,2<< 5 . . . (3)
k
j
where
k and k are the response factors for components i and j, respectively;
i j
dn/dc is the change in the refrative index n related to the change in the concentration c.
If the ratio of the response factors does not fall within this range in the analysis of a set of samples, a different
detector or combination of detectors may be used. If it is intended to compare the results obtained by different
laboratories for such a set of samples, the type of detector shall be agreed upon. If a different detector is used, the
reasons for using it shall be stated in the test report. See annex A.
The detector response obtained using the sample loadings specified in this part of ISO 13885 should, at the lowest
setting for electronic damping, exhibit a noise level of less than 1 % of the maximum height of the polymer peak. As
the noise level is influenced by variations in pressure, temperature and flow rate, particularly in the differential
refractometer, suitable measures shall be taken to maintain a constant temperature and to damp out pulses.
5.7 Flowrate meter
As described in 5.2, the most important parameter in the elution of a certain size of molecule is the retention
volume. The type of flowrate meter used to measure this parameter shall be stated in the test report. If the retention
volume is determined indirectly, e.g. from the elution time, the assumptions made and the measurements carried
out shall also be explained in the test report.
5.8 Data acquisition
In the simplest setup, the signals from the detector are recorded by a chart recorder, though usually they will be
recorded by means of an electronic data system together with information on the retention volume (see clause 11
for details).
6 Eluent
The eluent shall consist of tetrahydrofuran (THF) with the following specification:
Assay > 99,5 %;
Water < 0,05 %;
Peroxides < 0,005 %.
It may be stabilized with max. 250 ppm of 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol to prevent the formation of peroxides.
The peroxide level in the tetrahydrofuran shall be checked before use, e.g. with test strips, and stated in the test
report.
WARNING — THF is highly flammable. The user of this part of ISO 13885 should refer to appropriate safe
handling procedures.
In exceptional cases, which shall be explained in the test report, it may be necessary to incorporate additives in the
THF eluent up to a maximum of 10 g/l, to avoid problems in the analysis of certain samples (see annex A for
details).
5
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Discard the eluent after using it to condition the column and for the actual analyses, and do not return it to the eluent
reservoir.
7 Calibration of the apparatus
Calibrate the GPC apparatus with a series of unbranched-polystyrene standards of narrow molecular-mass
distribution (see annex A) and whose molecular masses have been determined by independent, absolute methods.
The result is a calibration curve for the evaluation of GPC analyses of polystyrene samples. If this calibration curve
is used to analyse samples of other compositions, containing molecules with other structures, the results shall be
[1]
expressed as the "polystyrene-equivalent molecular mass" .
7.1 Specification for the calibration standard
The molecular-mass distribution of the standard shall be narrower than the limits given below as a function of the
peak-maximum molecular mass M :
p
M , 2 000 g/mol M /M < 1,20
p w n
6
2 000 g/mol < M , 10 g/mol M /M < 1,05
p w n
6
10 g/mol < M M /M < 1,20
p w n
The peak-asymmetry factor A/B for each chromatogram, calculated from the peak half-widths A and B at half height
before and after the perpendicular through the peak maximum shall lie in the range
A
= 1,00 0,15 . . . (4)
±
B
The half-widths A and B shall be determined either from electronically acquired data on peaks defined by at least
60 data points or manually on a peak with a width of at least 2 cm at half height and a height of at least 15 cm.
The following minimum requirements shall be fulfilled in the characterization of each individual polystyrene standard
used for calibration:
a) At least one average molecular-mass value M , M or M (see equations in 11.2) shall be determined by an
n w z
absolute method. The M -values are used for calibration, but there is no absolute method of determining M .
p p
Therefore the procedure for obtaining the M -values (e.g. calculation by M and M or iterative GPC
p n w
calibration, starting with the M -values associated with the peak maximum, and re-evaluation of M ) must be
w w
specified in the data sheet of the standard.
b) At least one method shall be used to determine the molecular-mass distribution.
c) All the parameters involved in these methods and used in the calculations shall be stated in the test report.
d) The results and data for each batch analysed shall be presented in a form that can be re-evaluated by the user.
NOTE An example of a data sheet of this type is given in annex C.
Should the calibration standards give a shoulder on either side of the peak, pre-peaks or a tailing peak, the area
represented by these anomalies shall be less than 2,0 % of the peak area, otherwise the calibration standard shall
be rejected.
Hexylbenzene (M = 162) shall be used as the standard with the lowest molecular mass on the calibration curve.
If the calibration standards in the low-molecular range are separated so well that the peaks of the individual
oligomers can be recognized, their actual molecular mass, including the terminal groups, shall be used in the
calculations.
6
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7.2 Preparation of the calibration solutions for injection
Shake the calibration standards in the eluent at room temperature as described in 9.1, and store at room
temperature.
Filter the solutions manually through a 0,2 mm to 0,5 mm membrane filter. If the filter shows signs of blocking, the
solution is unsuitable for calibration purposes.
The solutions shall be used within 48 h.
Several calibration standards may be injected and analysed at the same time, as long as all the peaks are
separated down to the baseline.
The concentration of the individual calibration standards in the injection solution, as a function of the peak-maximum
molecular mass, shall be
M , 50 000 g/mol 1,0 g/l
p
6
50 000 g/mol < M , 10 g/mol 0,5 g/l
p
6
10 g/mol < M 0,1 g/l
p
The quantities injected on to the column shall be matched to the capacity of the column by adjusting the injection
volume, and not the concentration. The injection volumes determined in accordance with the requirements of
clause 10 shall be used both in calibration runs and in sample analyses.
7.3 Conditions for calibration runs
The conditions for a calibration run shall, with the exception of the concentration of the injection solutions, be
identical to those for the sample analyses.
7.4 Measurement of retention volume/time
The retention volume or retention time shall be measured from the start of injection to the point on the baseline at
which the peak reaches its maximum height. In determining this point, a baseline drift of 5 % of the peak height,
measured from injection to after the impurity peaks, is acceptable. If the drift is greater or the baseline is unsteady in
the area of the peak, the analysis shall be repeated.
The repeatability of the analysis time shall be better than 0,3 %. When the retention time is measured rather than
the retention volume, it shall be checked against an internal standard of known retention time and, if necessary, a
correction made.
7.5 Plotting the calibration curve
The calibration curve shall be plotted with log M as the ordinate and the retention volume V or corrected
10 p e
retention time t as abscissa. At least two calibration points shall be measured per decade of molecular mass and
R
there shall be at least five calibration points altogether. In the low molecular mass range, the calibration curve shall
be extrapolated from the hexylbenzene peak to the impurity peaks. In the high molecular mass range, the peak of
the first calibration standard eluted shall lie before the high molecular mass limit of the sample, and the volume for
the exclusion column shall be determined.
The results of the calibration runs can be fed into a computer or recorded in the form of a table or in the form of one
or more regression curves. They shall be available at all times in the form of hard copy for direct checking. Since
the evaluation of the chromatograms involves their conversion into differential distribution curves in which the
reciprocal of the first derivative of the calibration curve is required (see 11.3), the following requirements shall be
met:
a) If the calibration curve is expressed as an equation of the form log M = f(V or t ), it shall be possible to
10 e R
differentiate the equation.
7
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b) In all other cases:
the calibration curve shall be described by at least 20 equidistantly spaced coordinate pairs per decade of
M, and the values in one of the sets of coordinates log M, V or t shall be equidistant;
10 e R
the first derivative shall be calculated by regression analyses over a maximum of five consecutive
coordinate pairs.
To check how well the calibration curve thus produced fits the measurements, the percentage deviation for each
calibration point, given by
−
MM
p,calibration value p,calculated
× 100 . . . (5)
M
p,calibration value
shall be plotted against V or t . From this graph, it should be posible to assess whether the positive or negative
e R
deviations are random along the V or t axis. Calibration-curve fits which exhibit trends in the deviation plot over
e R
particular elution ranges are unsuitable. If such distributions of residuals cannot be improved upon with the
regression models (see annex A) available in a laboratory, the results must be expected to contain greater errors
and this shall be stated in the test report.
The test for the distribution of residuals is not appropriate to calibration curves obtained by methods in which the
measured points and those on the calibration curve automatically coincide, as is the case with a connected series of
straight lines and with uncompensated spline algorithms. With these methods, other means must be used to ensure
that the calculated calibration curves contain no physically impossible areas, e.g. regions with a positive slope.
8 Sampling
Take a representative sample of the product to be tested, as described in ISO 15528.
Examine and prepare samples of paints and varnishes for testing, as described in ISO 1513.
9 Preparation for the test
9.1 Preparation of the injection solution
Weigh an aliquot of the polymer sample and dissolve in THF from the eluent reservoir of the chromatograph in
which it is to be analysed. Store the solution at room temperature. The concentration of the injection solution is not
an independent quantity. It depends on the total volume of the column used, and the injection volume. See
clause 10 for details.
Shake the solution at room temperature to ensure complete dissolution and homogenization; in the case of samples
with a mean molecular mass of less than 700 000 g/mol, a magnetic stirrer may be used. The use of ultrasonic
energy is not permitted because of the risk of degradation. The use of heat should preferably also be avoided.
Exceptions, e.g. for PVC, shall be justified in the test report.
As a rule, polymer samples shall be weighed f
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13885-1
Première édition
1998-12-15
Liants pour peintures et vernis —
Chromatographie par perméation
de gel (GPC) —
Partie 1:
Utilisation de tétrahydrofurane (THF) comme
éluant
Binder for paints and varnishes — Gel permeation chromatography
(GPC) —
Part 1: Tetrahydrofuran (THF) as eluent
A
Numéro de référence
ISO 13885-1:1998(F)
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ISO 13885-1:1998(F)
Sommaire
1 Domaine d'application.1
2 Références normatives .1
3 Définition .2
4 Principe.2
5 Appareillage .2
6 Éluant.5
7 Étalonnage de l'appareillage .6
8 Échantillonnage .8
9 Préparation de l'essai.9
10 Conditions d'analyse.9
11 Collecte et évaluation des données.10
12 Fidélité .13
13 Rapport d'essai .14
Annexe A (informative) Informations complémentaires.18
Annexe B (informative) Bibliographie .24
Annexe C (informative) Exemple de fiche de données pour un étalon de polymère .25
© ISO 1998
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque
forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 • CH-1211 Genève 20 • Suisse
Internet iso@iso.ch
Imprimé en Suisse
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© ISO
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
La Norme internationale ISO 13885-1 a été élaborée par le comité technique ISO /TC 35, Peintures et vernis, sous-
comité SC 10, Méthodes d'essai des liants pour peintures et vernis.
L'ISO 13885 comprendra les parties suivantes, présentées sous le titre général Liants pour peintures et vernis —
Chromatographie par perméation de gel (GPC):
Partie 1: Utilisation de tétrahydrofurane (THF) comme éluant
Partie 2: N,N-diméthylacétamide (DMAC) comme éluant
Partie 3: Eau comme éluant
Au moment de la publication de la présente partie de l’ISO 13885, les parties 2 et 3 étaient encore au stade
proposition.
Les annexes A à C de la présente partie de l’ISO 13885 sont données uniquement à titre d’information.
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NORME INTERNATIONALE © ISO ISO 13885-1:1998(F)
Liants pour peintures et vernis — Chromatographie
par perméation de gel (GPC) —
Partie 1:
Utilisation de tétrahydrofurane (THF) comme éluant
AVERTISSEMENT — La présente partie de l’ISO 13885 peut impliquer l'utilisation d'appareillages et de
matériaux dangereux, ainsi que la mise en œuvre de modes opératoires dangereux. Elle n’est pas censée
aborder tous les problèmes de sécurité liés à son utilisation. Il incombe à l'utilisateur de la présente partie
de l’ISO 13885 d'établir des pratiques appropriées en matière d'hygiène et de sécurité, et de déterminer
l'applicabilité des limitations réglementaires avant toute utilisation. Une déclaration de danger spécifique
figure dans l’article 6.
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 13885 fait partie d'une série de normes traitant de l'échantillonnage et des essais
des peintures, vernis et produits assimilés.
Elle décrit les conditions de détermination de la distribution de la masse moléculaire, de la masse moléculaire
moyenne en nombre M et de la masse moléculaire moyenne en masse M des polymères solubles dans le
n w
1)
tétrahydrofurane par chromatographie par perméation de gel .
Il se peut que, malgré la bonne répétabilité obtenue avec cette méthode, celle-ci ne puisse être utilisée avec
certains types de polymères à cause de certaines interactions spécifiques, comme l'adsorption au sein du système
échantillon/éluant/colonne.
Cette méthode n'est pas absolue et nécessite un étalonnage d'après des étalons de polystyrène disponibles dans le
commerce et caractérisés par des méthodes absolues. Les résultats concernant des échantillons de polymères
autres que le polystyrène ne sont donc comparables qu'au sein de groupes d'échantillons du même type.
Les conditions fixées dans la présente partie de l’ISO 13885 ne conviennent pas pour l'analyse par
6
chromatographie par perméation de gel d'échantillons de polymère dont les valeurs de M sont supérieures à 10
w
(voir annexe A).
La présente partie de l’ISO 13885 ne présente pas de méthodes de correction, par exemple pour l'élimination de
l'élargissement de pic. Si des valeurs de masse moléculaire absolue sont requises, il faut utiliser une méthode
absolue, par exemple par membrane osmométrique pour M ou par diffusion de la lumière pour M .
n w
2 Références normatives
Les normes suivantes contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui en est faite, constituent des
dispositions valables pour la présente partie de l’ISO 13885. Au moment de la publication, les éditions indiquées
étaient en vigueur. Toute norme est sujette à révision et les parties prenantes des accords fondés sur la présente
partie de l’ISO 13885 sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les éditions les plus récentes des normes
indiquées ci-après. Les membres de la CEI et de l'ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur
à un moment donné.
1) Également connue sous l’appellation «chromatographie d’exclusion par la taille».
1
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ISO 1513:1992,
Peintures et vernis — Examen et préparation des échantillons pour essais.
ISO 5725-1:1994, Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure — Partie 1: Principes
généraux et définitions.
2)
ISO 15528:— , Peintures et vernis — Échantillonnage.
ASTM D 3536-91, Test method for molecular weight averages and molecular weight distribution by liquid exclusion
chromatography (Gel Permeation Chromatrographie — GPC).
ASTM D 5296-92, Test method for molecular weight averages and molecular weight distribution of polystyrene by
high performance size-exclusion chromatography.
3 Définition
Pour les besoins de la présente partie de l’ISO 3451, la définition suivante s'applique.
3.1
chromatographie par perméation de gel
méthode chromatographique selon laquelle les molécules complètement dissoutes d'un échantillon de polymère
sont fractionnées sur un matériau de colonne poreux, la séparation s'effectuant en fonction de la taille de la
molécule (ou plus précisément en fonction de la taille de la bobine de polymère qui se forme dans ce solvant
d'élution)
NOTE 1 Les petites molécules diffusent plus souvent dans les pores du matériau de la colonne et sont donc retardées par
rapport aux molécules de grande taille. Par conséquent, les grandes molécules sont éluées avant les petites. Dans les
conditions d'essai données, le volume de rétention est seulement fonction de la taille de la molécule.
NOTE 2 Il s'agit d'une forme spéciale de chromatographie en phase liquide.
4 Principe
La teneur en polymère d'un échantillon est déterminée, puis l'échantillon est dilué avec de l'éluant de façon à
obtenir une concentration de moins de 5 g/l, et une partie aliquote de l'échantillon dilué est injectée dans le système
de chromatographie par perméation de gel. La concentration des molécules éluées dans la colonne est mesurée
par ordre de taille décroissante, avec un détecteur sensible à la concentration, par exemple un réfractomètre
différentiel. La distribution de la masse moléculaire, les quantités M et M , ainsi que l'hétérogénéité ou la
n w
polydispersité M /M , sont calculées à partir du chromatogramme qui en résulte, à l'aide d'une courbe d'étalonnage
w n
qui a été déterminée pour ce système particulier de chromatographie par perméation de gel.
5 Appareillage
L'appareillage doit comporter les éléments représentés à la figure 1 et décrits ci-dessous.
Il est essentiel que tous les éléments qui sont en contact avec l'éluant ou la solution échantillon soient résistants à
ces produits et ne présentent ni adsorption ni effets mémoire d'aucune sorte. Les éléments de l'appareillage de
chromatographie par perméation de gel, qui dans ce cas utilise le tétrahydrofurane comme éluant, doivent être
reliés au moyen de tubes capillaires en acier inoxydable.
5.1 Alimentation en éluant
Le réservoir d'éluant doit protéger correctement l'éluant contre les influences extérieures, notamment l'atmosphère
et la lumière, si nécessaire au moyen d'une couche de gaz inerte recouvrant la surface du liquide. Le réservoir
2) À publier. (Révision de l’ISO 842:1984 et de l’ISO 1512:1991)
2
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d'éluant doit avoir une capacité suffisante pour que l'appareillage puisse atteindre l'équilibre entre le solvant
d'élution et la surface de matériau de la colonne, et pour que plusieurs analyses puissent être effectuées.
L'éluant doit être dégazé avant d'être introduit dans le réservoir, ou au moyen d'un dispositif installé entre le
réservoir et la pompe, pour empêcher toute défaillance de la pompe ou la formation de bulles dans le détecteur. Le
choix de la méthode de dégazage utilisée — piège à bulles, purge en ligne à l'hélium ou dégazage par le vide, par
exemple — est libre, mais la méthode choisie doit être mentionnée dans le rapport d'essai.
5.2 Pompe
La pompe permet d'obtenir un débit d'éluant dans la colonne aussi régulier que possible et égal à 1 ml/min. Pour
cela, la pompe doit fonctionner au rendement maximal à ce débit.
La pompe doit être conçue de façon à maintenir le niveau de bruit du détecteur comme spécifié en 5.6, ou un
amortisseur de pulsations doit être installé immédiatement en aval de la pompe.
Le paramètre qui caractérise une molécule de polymère d'une taille donnée est le volume élué entre l'injection de la
solution échantillon et l'élution du polymère. La reproductibilité du mesurage de ce volume doit être supérieure à
0,3 %. Si le volume de rétention n'est pas mesuré au moyen d'un débitmètre permettant d'obtenir l'exactitude
adéquate, mais seulement indirectement à partir du temps d'élution, la constance du débit de pompage et la
reproductibilité des pompes utilisées sont plus critiques: la constance et la reproductibilité d'environ 1 % que l'on
obtient actuellement sur de longues périodes de fonctionnement ne conviennent pas pour la reproductibilité requise
du mesurage de la masse moléculaire. Lorsque les chromatogrammes sont évalués sur la base de la durée, il est
donc nécessaire de vérifier que les conditions de débit pendant l'étalonnage et l'analyse sont identiques, en utilisant
par exemple des étalons internes dans la solution d'étalonnage et la solution échantillon, et, si les conditions de
débit ne sont pas identiques, en effectuant les corrections appropriées. Les étalons internes utilisés doivent être
mentionnés dans le rapport d'essai.
5.3 Système d'injection
Le système d'injection sert à introduire une quantité prédéterminée et précise de la solution échantillon dans le flux
d'éluant, de façon rapide et régulière.
Lorsque la solution échantillon est versée dans la boucle d'échantillonnage, puis introduite dans le flux d'éluant, le
volume de liquide utilisé doit être suffisant pour que, même s'il se produit des effets de flux laminaire, la boucle
d'échantillonnage soit complètement remplie de solution échantillon, puis rincée à grande eau.
Il faut éviter, par une conception appropriée ou un rinçage adéquat, tout effet mémoire induit par la solution
échantillon précédente dans le système d'injection.
5.4 Colonnes
L'appareillage doit comporter une ou plusieurs colonnes raccordées en série et remplies d'un matériau poreux
sphérique, le diamètre des pores correspondant à la taille des molécules de polymère faisant l'objet de l'analyse.
Le matériau de remplissage est en principe constitué d'un copolymère de styrène/divinylbenzène (S/DVB), produit
selon un procédé spécial de polymérisation, qui gonfle peu dans le solvant et ne se déforme donc pas sous la
pression appliquée au débit de 1 ml/min.
Outre ces particules de S/DVB sphériques macroporeuses, d'autres matériaux de remplissage sont également
utilisés, à base d'autres monomères organiques ou de dioxyde de silicium (silice). Le critère d'utilisation est
l'absence d'interaction d'adsorption entre leur surface et les molécules de polymère présentes dans l'échantillon. De
plus, l'échantillon faisant l'objet de l'analyse ne doit pas être modifié, ni chimiquement ni structurellement, au sein du
système de chromatographie.
Certains polymères peuvent réagir avec la surface du matériau de remplissage, par exemple par adsorption, et
d'autres effets peuvent parfois interférer avec le mécanisme de séparation par chromatographie par perméation de
gel. L'annexe A décrit ces effets et propose des solutions. S'il s'agit de comparer des analyses de ces polymères
effectuées par différents laboratoires, les laboratoires doivent convenir des détails des conditions d'essai non
prévues par la présente partie de l’ISO 13885.
3
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Il est pratiquement impossible d'obtenir deux colonnes ayant la même distribution de rayons des pores et la même
qualité de remplissage. Pour réaliser l'objectif de la présente norme, qui est d'obtenir des résultats le plus
concordants possible lors d'essais réalisés dans différents laboratoires, avec différents appareillages de
chromatographie par perméation de gel, sur un même échantillon, il est nécessaire de satisfaire aux prescriptions
minimales spécifiées ci-dessous en ce qui concerne l'élargissement de pic (exprimé en termes de nombre de
plateaux théoriques) et l'efficacité de séparation. Les valeurs obtenues doivent être mentionnées dans le rapport
d'essai.
a) Nombre de plateaux théoriques
Le nombre de plateaux doit être déterminé, pour l'appareillage utilisé, à partir de la largeur de pic à mi-hauteur (voir
figure 2). Injecter 20 μl d'une solution d'éthylbenzène (concentration 1 g/l) dans la colonne et évaluer le
chromatogramme obtenu dans les mêmes conditions que pour l'analyse des polymères, à l’aide de l'équation (1):
2
V
100
e
Nombre de plateaux théoriques N=×55, 4 × . . . (1)
WL
12/
où
V est le volume ou le temps de rétention jusqu'au maximum du pic;
e
W est la largeur de pic à mi-hauteur (voir figure 2); utiliser les mêmes unités pour V et W;
1/2 e
L est la longueur, en centimètres, de la colonne/du système de colonne.
Déterminer la largeur de pic à mi-hauteur soit électroniquement à partir d'au moins 30 points d'information par pic,
soit manuellement sur un chromatogramme où le pic mesure au moins 2 cm de largeur à mi-hauteur et au moins
15 cm de hauteur au maximum du pic.
Exprimer le résultat comme étant le nombre de plateaux théoriques par mètre de longueur totale de colonne. Pour
être conforme aux prescriptions de la présente partie de l’ISO 13885, un système de colonne doit comporter au
moins 20 000 plateaux/m.
NOTE Il est conseillé de consulter l'annexe A pour ce qui concerne la traînée et le front (asymétrie) du pic, permettant de
calculer le nombre de plateaux.
b) Efficacité de séparation
Pour obtenir une résolution adéquate, la courbe d'étalonnage ayant pour coordonnées log M en fonction du
10
volume de rétention V pour le système de colonne utilisé ne doit pas excéder une pente donnée. Ce paramètre
e
doit être mesuré au moyen d'une paire d'étalons de polystyrène qui éluent dans la zone du maximum du pic, pour
l'échantillon de polymère examiné, ou tiré de la courbe d'étalonnage et évalué à l’aide de l’équation (2):
VV−
,Mx
e e, 10× Mx
()
Efficacité de séparation = > 6,0 . . . (2)
Section de la colonne
où
est le volume de rétention pour le polystyrène de masse moléculaire , en centimètres cubes;
V M
e,Mx x
V est le volume de rétention pour 10 fois cette masse moléculaire, en centimètres cubes;
e,(10 · Mx)
la section de la colonne est exprimée en centimètres carrés.
Choisir M de sorte que le maximum du pic pour l'échantillon de polymère étudié se trouve à peu près à mi-chemin
x
entre ces deux volumes de rétention.
NOTE Voir annexe A pour la résolution minimale requise par la norme ASTM D 5296-92, article 12, équation (3).
4
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5.5 Contrôle de la température de colonne
Réaliser l'essai à température ambiante ou à une température n'excédant pas 40 °C. La température de la colonne
ne doit pas varier de plus de 1 °C au cours de l'analyse (voir annexe A). Effectuer l'étalonnage et les analyses
d'échantillons à la même température. Si les analyses doivent être effectuées par différents laboratoires à des fins
de comparaison, la température de la colonne doit faire l'objet d'un accord.
5.6 Détecteur
Utiliser un détecteur à réfractomètre différentiel. Le volume de la cellule ne doit pas excéder 0,010 ml.
NOTE Pour le cas d'une limitation à un détecteur de type simple, voir annexe A.
Si l'on doit analyser des échantillons constitués de copolymères ou de mélanges de polymères, s'assurer que tous
les composants donnent le même facteur de réponse (rapport du signal du détecteur à la concentration d'analyte
dans le produit élué, ou, dans le cas du réfractomètre différentiel, augmentation de l'indice de réfraction spécifique ν
(généralement exprimé par dn/dc), c'est-à-dire mathématiquement:
k
i
. . . (3)
02,<<5
k
j
où
k et k sont les facteurs de réponse pour les composants i et j, respectivement;
i j
dn/dc est le changement de l'indice de réfraction n lié au changement de la concentration c.
Si le rapport des facteurs de réponse n'entre pas dans cette plage lors de l'analyse d'une série d'échantillons, on
peut utiliser un détecteur différent, ou une autre combinaison de détecteurs. S'il s'agit de comparer les résultats
obtenus par différents laboratoires pour une telle série d'échantillons, le type de détecteur doit faire l'objet d'un
accord. Si un détecteur différent est utilisé, il faut en donner les raisons dans le rapport d'essai. Voir annexe A.
Il convient que la réponse du détecteur, obtenue en utilisant l'enregistrement de l'échantillon comme spécifié dans
la présente partie de l’ISO 13885, donne, pour le réglage minimal de l'amortissement électronique, un niveau de
bruit atteignant moins de 1 % de la hauteur maximale du pic de polymère. Les variations de pression, de
température et de débit influant sur le niveau de bruit, surtout dans le cas du réfractomètre différentiel, il faut
prendre les mesures adéquates pour maintenir une température constante et amortir les pulsations.
5.7 Débitmètre
Comme décrit en 5.2, le paramètre le plus important dans l'élution d'une certaine taille de molécules est le volume
de rétention. Le type de débitmètre utilisé pour mesurer ce paramètre doit être mentionné dans le rapport d'essai. Si
le volume de rétention est déterminé indirectement, par exemple à partir du temps d'élution, les hypothèses
formulées et les mesurages effectués doivent être expliqués dans le rapport d'essai.
5.8 Collecte des données
Dans le montage le plus simple, les signaux en provenance du détecteur sont enregistrés par un enregistreur de
diagrammes, mais en général ils sont enregistrés par un système électronique d'acquisition de données, avec les
informations sur le volume de rétention (pour tout détail, voir article 11).
6 Éluant
L'éluant doit être constitué de tétrahydrofurane (THF), répondant aux spécifications suivantes:
Pureté du produit > 99,5 %
Eau < 0,05 %
Peroxydes < 0,005 %
5
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Il peut être stabilisé avec au maximum 250 ppm de 2,6-di- -butyl-4-méthylphénol, pour empêcher la formation
tert
de peroxydes.
Le niveau de peroxyde dans le tétrahydrofurane doit être vérifié avant utilisation, par exemple au moyen de bandes
d'essai, et mentionné dans le rapport d'essai.
AVERTISSEMENT — Le tétrahydrofurane est très inflammable. Il convient que l'utilisateur de la présente
partie de l’ISO 13885 se réfère aux procédures de sécurité concernant la manutention.
Dans certains cas exceptionnels, qui doivent être expliqués dans le rapport d'essai, il peut être nécessaire
d'incorporer des additifs dans l'éluant de tétrahydrofurane, jusqu'à un maximum de 10 g/l, pour éviter des
problèmes lors de l'analyse de certains échantillons (pour tout détail, voir annexe A).
Une fois qu'il a servi au conditionnement de la colonne et aux analyses, jeter l'éluant; ne pas le remettre dans le
réservoir.
7 Étalonnage de l'appareillage
Étalonner l'appareillage de chromatographie par perméation de gel (GPC) avec une série d'étalons de polystyrène,
de distribution de masse moléculaire étroite (voir annexe A), dont les masses moléculaires ont été déterminées par
des méthodes indépendantes et absolues. Le résultat est une courbe d'étalonnage permettant d'évaluer les
analyses par GPC d'échantillons de polystyrène. Si cette courbe d'étalonnage est utilisée pour analyser des
échantillons d'autres compositions, contenant des molécules ayant d'autres structures, les résultats doivent être
[1]
exprimés en tant que «masse moléculaire équivalent-polystyrène» .
7.1 Spécifications relatives à l'étalon
La distribution de la masse moléculaire de l'étalon doit être plus étroite que les limites indiquées ci-dessous comme
fonction de la masse moléculaire maximale au pic, M :
p
M < 2 000 g/mol M /M < 1,20
p w n
6
2 000 g/mol < M < 10 g/mol M /M < 1,05
p w n
6
10 g/mol < M M /M < 1,20
p w n
Le facteur d'asymétrie du pic A/B pour chaque chromatogramme, calculé à partir des demi-largeurs de pic A et B,
à mi-hauteur, avant et après la perpendiculaire passant par le maximum du pic, doit se situer dans la plage
suivante:
A
=±10,,0 015 . . . (4)
B
Les demi-largeurs A et B doivent être déterminées soit à partir de données électroniques sur les pics, définies par
au moins 60 points d'information, soit manuellement sur un pic d'une largeur d'au moins 2 cm à mi-hauteur et d'une
hauteur d'au moins 15 cm.
Les prescriptions minimales suivantes doivent être respectées pour la caractérisation de chaque étalon de
polystyrène utilisé pour l'étalonnage:
a) Au moins une valeur de masse moléculaire moyenne, M , M ou M (voir équations en 11.2) doit être
n w
z
déterminée par une méthode absolue. Les valeurs M sont utilisées pour l'étalonnage, mais il n'existe pas de
p
méthode absolue permettant de déterminer M . Par conséquent, la méthode permettant d'obtenir les valeurs
p
M (par exemple calcul par M et M ou étalonnage itératif par GPC, en démarrant avec les valeurs M
p n w w
associées au maximum du pic et réévaluation de M ) doit être spécifiée dans la fiche technique de l'étalon.
w
b) Une méthode au moins doit être utilisée pour déterminer la distribution de la masse moléculaire.
6
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c) Tous les paramètres impliqués dans ces méthodes et utilisés pour les calculs doivent être mentionnés dans
le rapport d'essai.
d) Les résultats et les informations concernant chaque lot analysé doivent être présentés de façon à pouvoir être
réévalués par l'utilisateur.
NOTE L'annexe C montre un exemple de fiche technique de ce type.
Si les étalons donnent un épaulement de chaque côté du pic, des fronts de pics ou des traînées du pic, la surface
occupée par ces anomalies doit être inférieure à 2,0 % de la surface de pic; dans le cas contraire, l'étalon servant à
l'étalonnage doit être rejeté.
L'hexylbenzène (M = 162 g/mol) doit servir d'étalon de masse moléculaire la plus faible sur la courbe d'étalonnage.
Si les étalons dans la gamme de faible masse moléculaire sont si bien séparés que les pics de chaque oligomère
sont reconnaissables, leur masse moléculaire réelle, avec les groupes terminaux, doit être utilisée dans les calculs.
7.2 Préparation des solutions d'étalonnage pour injection
Agiter les étalons dans l'éluant, à température ambiante, comme décrit en 9.1, et les conserver à température
ambiante.
Filtrer les solutions manuellement à travers une membrane filtrante de 0,2 μm à 0,5 μm. Si le filtre montre des
signes de blocage, la solution ne convient pas pour l'étalonnage.
Les solutions doivent être utilisées dans les 48 h.
Plusieurs étalons peuvent être injectés et analysés en même temps, dans la mesure où tous les pics sont séparés
jusqu'à la ligne de base.
La concentration de chaque étalon dans la solution d'injection, étant fonction de la masse moléculaire du maximum
du pic, doit être la suivante:
M < 50 000 g/mol 1,0 g/l
p
6
50 000 g/mol < M < 10 g/mol 0,5 g/l
p
6
10 g/mol < M 0,1 g/l
p
Adapter les quantités injectées dans la colonne à la capacité de la colonne en réglant le volume d'injection, et non la
concentration. Les volumes d'injection déterminés conformément aux prescriptions énoncées à l'article 10 doivent
être utilisés à la fois pour les étalonnages et pour les analyses d'échantillons.
7.3 Conditions de réalisation des étalonnages
Les conditions de l'étalonnage doivent, à l'exception de la concentration des solutions d'injection, être identiques à
celles des analyses d'échantillons.
7.4 Mesurage du volume/temps de rétention
Le volume de rétention ou le temps de rétention doit être mesuré à partir du début de l'injection jusqu'au point de la
ligne de base où le pic atteint sa hauteur maximale. Pour déterminer ce point, une dérive, au niveau de la ligne de
base, de 5 % de la hauteur de pic est admise, la mesure étant effectuée entre l'injection et la zone située après les
pics d'impureté. Si la dérive est plus importante ou si la ligne de base est instable dans la zone du pic, l'analyse doit
être répétée.
La répétabilité du temps d'analyse doit être meilleure que 0,3 %. Si l'on mesure le temps de rétention plutôt que le
volume de rétention, il faut le contrôler par rapport à un étalon interne dont on connaît le temps de rétention, et le
corriger si nécessaire.
7
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7.5 Traçage de la courbe d'étalonnage
La courbe d'étalonnage doit comporter log en ordonnée et le volume de rétention ou le temps de rétention
M V
10 p e
corrigé t en abscisse. Au moins deux points d'étalonnage doivent être mesurés par puissance de 10 de la masse
R
moléculaire, et il doit y avoir au moins cinq points d'étalonnage en tout. Dans la plage de masse moléculaire faible,
la courbe d'étalonnage doit être extrapolée du pic d'hexylbenzène aux pics d'impureté. Dans la plage de masse
moléculaire élevée, le pic du premier étalon élué doit se trouver avant la limite de masse moléculaire élevée de
l'échantillon, et le volume d'exclusion de la colonne doit être déterminé.
Les résultats des étalonnages peuvent être mis sur ordinateur ou enregistrés sous forme de tableau ou d'une ou
plusieurs courbes de régression. Ils doivent être disponibles à tout moment sur support papier, pour contrôle direct.
L'évaluation des chromatogrammes impliquant leur conversion en
...
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