ISO 16014-5:2012
(Main)Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography — Part 5: Method using light-scattering detection
Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography — Part 5: Method using light-scattering detection
Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne et de la distribution des masses moléculaires de polymères par chromatographie d'exclusion stérique — Partie 5: Méthode utilisant la détection par diffusion lumineuse
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16014-5
First edition
2012-07-01
Plastics — Determination of average
molecular mass and molecular mass
distribution of polymers using size-
exclusion chromatography —
Part 5:
Method using light-scattering detection
Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne
et de la distribution des masses moléculaires de polymères par
chromatographie d’exclusion stérique —
Partie 5: Méthode utilisant la détection par diffusion lumineuse
Reference number
ISO 16014-5:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO 16014-5:2012(E)
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ISO 16014-5:2012(E)
Contents Page
Foreword . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 2
5 Principle . 2
5.1 SEC . 2
5.2 Light-scattering SEC . 2
6 Reagents . 2
6.1 Eluent . 2
6.2 Reagent for column evaluation . 3
6.3 Calibration standards . 3
6.4 Reagent for flow rate marker . 3
6.5 Additives . 3
7 Apparatus . 3
7.1 General . 3
7.2 Eluent reservoir . 4
7.3 Pumping system . 4
7.4 Injector . 4
7.5 Columns . 4
7.6 Detector . 5
7.7 Tubing . 5
7.8 Temperature control . 5
7.9 Recorder and plotter . 5
7.10 Data-processing system . 5
7.11 Other components . 5
8 Procedure . 5
8.1 Preparation of calibration solutions . 5
8.2 Preparation of a solution for determining the L-point . 5
8.3 Preparation of sample solutions . 5
8.4 Preparation of solutions for column performance evaluation . 6
8.5 Setting up the apparatus . 6
8.6 Operating parameters . 6
8.7 Number of determinations . 6
9 Calibration . 6
9.1 Calibration of concentration-sensitive detector and light-scattering detector . 6
9.2 Determination of delay volume . 8
9.3 Normalization of detector sensitivity . 8
9.4 Determination of refractive index increment . 8
10 Data acquisition and processing . 8
10.1 Data acquisition . 8
10.2 Evaluation of data and correction of chromatograms . 8
10.3 Data processing . 9
11 Expression of results .10
11.1 Calibration curve .10
11.2 Calculation of average molecular mass .12
11.3 Differential molecular mass distribution curve .12
11.4 Cumulative molecular mass distribution curve .12
12 Precision .13
13 Test report .13
© ISO 2012 – All rights reserved iii
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ISO 16014-5:2012(E)
13.1 General .13
13.2 Apparatus and measurement parameters .13
13.3 Calibration of the system .13
13.4 Calibration curve .14
13.5 Results .14
Annex A (informative) Round-robin test .15
Annex B (informative) Information on light scattering .17
Annex C (informative) Calibration curve in low molecular mass range .21
Bibliography .23
iv © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 16014-5:2012(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. 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.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 16014-5 was prepared by Technical Committee ISO/TC 61, Plastics, Subcommittee SC 5, Physical-
chemical properties.
ISO 16014 consists of the following parts, under the general title Plastics — Determination of average molecular
mass and molecular mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography:
— Part 1: General principles
— Part 2: Universal calibration method
— Part 3: Low-temperature method
— Part 4: High-temperature method
— Part 5: Method using light-scattering detection
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16014-5:2012(E)
Plastics — Determination of average molecular mass and
molecular mass distribution of polymers using size-exclusion
chromatography —
Part 5:
Method using light-scattering detection
1 Scope
This part of ISO 16014 specifies a general method for determining the average molecular mass and the
molecular mass distribution of polymers using SEC-LS, i.e. size-exclusion chromatography coupled with light-
scattering detection. The average molecular mass and the molecular mass distribution are calculated from
molecular mass data and mass concentrations determined continuously with elution time. The molecular mass
at each elution time is determined absolutely by combining a light-scattering detector with a concentration-
sensitive detector. Therefore, SEC-LS is classified as an absolute method.
For the applicability of the method, see ISO 16014-1:2012, Clause A.1.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 472, Plastics — Vocabulary
ISO 16014-1:2012, Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of
polymers using size-exclusion chromatography — Part 1: General principles
ISO 16014-2, Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of polymers
using size-exclusion chromatography — Part 2: Universal calibration method
ISO 16014-3:2012, Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of
polymers using size-exclusion chromatography — Part 3: Low-temperature method
ISO 16014-4:2012, Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of
polymers using size-exclusion chromatography — Part 4: High-temperature method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 472 and ISO 16014-1 and the
following apply.
3.1
light-scattering detection
LS detection
a technique for determining the mass or size of polymer molecules in solution by measuring the light scattered
by the polymer molecules
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ISO 16014-5:2012(E)
3.2
refractive index increment
dn/dc
rate of change of the refractive index n of a polymer solution as a function of the mass concentration c
NOTE 1 It is also called the “specific refractive index increment” in the literature.
NOTE 2 The limiting value of dn/dc at zero concentration is commonly used in light scattering.
3.3
L-point
measured data point of a low molecular mass compound on the graph of molecular mass vs. elution time used
for justification of the polynominal fit of the calibration curve and/or construction of the calibration curve.
NOTE In the lower molecular mass region, the LS signal is too low to calculate molecular mass. Therefore the
measurement of the L-point is needed for justification or construction of the molecular mass calibration curve for the whole
range of molecular mass. The L-point is determined by measuring an oligomer of the polymer or an organic compound with
a similar chemical structure to the oligomer.
4 Symbols
R radius of gyration of a polymer molecule in solution nm
g
3 −2
A second virial coefficient for a polymer molecule in solution cm⋅mol⋅g
2
−3
c mass concentration of polymer in solution g⋅cm
−1
dn/dc refractive index increment cm⋅g
H excess signal intensity of a concentration detector at the ith elution time
i
I excess signal intensity of scattered light at the ith elution time
LS,i
3
V volume eluted during data acquisition time (interval) cm
e
5 Principle
5.1 SEC
For a discussion of size-exclusion chromatography in general, see ISO 16014-1:2012, Clause 4.
5.2 Light-scattering SEC
In SEC-LS, polymer molecules eluted from the SEC columns are irradiated by a beam of monochromatic
visible light. The light scattered by the molecules is continuously detected by a light-scattering detector. Since
the eluate is a dilute polymer solution, the intensity of the scattered light is approximately proportional to the
product of the molecular mass and the mass concentration of the polymer molecules. The scattered-light
intensity divided by the concentration therefore gives the molecular mass at a particular elution time. The
values of the molecular mass and the mass concentration or mass fraction at each elution time are used to
calculate the molecular mass distribution and the average molecular mass of the polymer.
6 Reagents
6.1 Eluent
For a general discussion of eluents, see ISO 16014-1:2012, 5.1.
For examples of eluents used for SEC measurements at temperatures below and above 60 °C, see Annex B of
ISO 16014-3:2012 and Annex B of ISO 16014-4:2012, respectively.
2 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 16014-5:2012(E)
6.2 Reagent for column evaluation
For examples of low molecular mass compounds used for column evaluation, see ISO 16014-3:2012, 5.2, for
measurements at temperatures below 60 °C and ISO 16014-4:2012, 5.2, for those above 60 °C.
6.3 Calibration standards
Since the Rayleigh ratios of toluene and benzene are well-known, these solvents are recommended for
determining the calibration constant of the light-scattering detector (see Annex B, Clause B.2).
Aqueous solutions of potassium chloride (KCl) or sodium chloride (NaCl) are used for determining the calibration
constant of a refractive index detector. The concentration dependence of the differential refractive index of the
solutions is used to calculate the constant.
A low molecular mass, monodisperse polymer is used to determine the delay volume between the light-
scattering and concentration-sensitive detectors. This polymer may also be used to calibrate the angular
dependence of the detector sensitivity of a multiple-angle light-scattering detector. The radius of gyration R of
g
the polymer molecule used to calibrate the detector sensitivity, should preferably be less than 10 nm. A radius
of gyration less than 5 nm is desirable. Other compounds with a well-known R value may also be used.
g
Polymer reference materials are used for molecular mass calibration ranges from 20 000 to 50 000.
Low molecular mass organic compounds or oligomers of the polymer in the sample under investigation are
used for determining the “L-point”.
6.4 Reagent for flow rate marker
See ISO 16014-1:2012, 5.4.
For examples of compounds suitable for use as a flow rate marker, see ISO 16014-3:2012, 5.4, for measurements
at temperatures below 60 °C and ISO 16014-4:2012, 5.4, for those above 60 °C.
6.5 Additives
See ISO 16014-1:2012, 5.5.
Some examples of additives are given in ISO 16014-3:2012, 5.5, for measurements below 60 °C and
ISO 16014-4:2012, 5.5, for those above 60 °C.
7 Apparatus
7.1 General
A typical schematic diagram of an SEC-LS system is shown in Figure 1, which is similar to that shown in
ISO 16014-1:2012, Figure 1. The main difference is that a light-scattering detector is connected in series with
the concentration-sensitive detector. The light-scattering detector and concentration-sensitive detector may
also be connected in parallel. Any component that meets the performance requirements specified for this
method may be used.
Either commercially available SEC-LS systems or SEC-LS systems assembled in the laboratory may be used
for this method, provided they meet the levels of performance required.
© ISO 2012 – All rights reserved 3
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ISO 16014-5:2012(E)
Key
1 eluent reservoir 5 columns 9 computer
2 pump 6 light-scattering detector 10 printer
3 in-line filter 7 concentration-sensitive detector 11 to waste
4 injector 8 display
Figure 1 — Schematic diagram of a typical SEC-LS system
7.2 Eluent reservoir
See ISO 16014-1:2012, 6.2, and ISO 16014-3:2012, 6.2.
7.3 Pumping system
See ISO 16014-1:2012, 6.3, and ISO 16014-3:2012, 6.3.
7.4 Injector
See ISO 16014-1:2012, 6.4, and ISO 16014-3:2012, 6.4.
7.5 Columns
7.5.1 General
See ISO 16014-1:2012, 6.5.1, ISO 16014-3:2012, 6.5, and ISO 16014-4:2012, 6.5.
7.5.2 Determination of theoretical plate number
See ISO 16014-1:2012, 6.5.2.
7.5.3 Determination of resolution factor
See ISO 16014-1:2012, 6.5.3.
7.5.4 Determination of asymmetry factor
See ISO 16014-1:2012, 6.5.4.
4 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 16014-5:2012(E)
7.6 Detector
7.6.1 Concentration-sensitive detector
See ISO 16014-1:2012, 6.6.
7.6.2 Light-scattering detector
This detector shall continuously monitor the intensity of the light scattered by the eluent coming off the columns.
Commercially available light-scattering detectors that may be used include single detectors set at a very low
angle and detectors which can be set up at two or more angles.
To avoid band-broadening of the chromatogram, the volume of the flow cell shall be as small as possible.
7.7 Tubing
See ISO 16014-1:2012, 6.7.
7.8 Temperature control
See ISO 16014-1:2012, 6.8.
7.9 Recorder and plotter
See ISO 16014-1:2012, 6.9.
7.10 Data-processing system
See ISO 16014-1:2012, 6.10.
7.11 Other components
See ISO 16014-1:2012, 6.11.
An in-line filter is necessary to remove any particulates which might cause noise (spikes) in the output of the
light-scattering detector.
8 Procedure
8.1 Preparation of calibration solutions
Prepare solutions of a monodisperse polymer for determining the delay volume between the two detectors.
The concentration of the solutions shall be such that the light-scattering detector and concentration-sensitive
detector provide a signal intensity sufficient for data handling. A typical concentration of the polymer is 5 mg/ml
to 10 mg/ml for low molecular mass polymers.
These polymer solutions may also be used for correcting or normalizing the sensitivity of the light-scattering detector.
8.2 Preparation of a solution for determining the L-point
A solution for determining the L-point may be prepared, if required, by dissolving appropriate oligomers or other low
molecular mass compounds in a suitable solvent. Typically, the concentration of this solution is 1 mg/ml to 5 mg/ml.
8.3 Preparation of sample solutions
See ISO 16014-3:2012, 7.2, for measurements below 60 °C and ISO 16014-4:2012, 7.2, for those above 60 °C.
© ISO 2012 – All rights reserved 5
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ISO 16014-5:2012(E)
8.4 Preparation of solutions for column performance evaluation
See ISO 16014-3:2012, 7.3.
8.5 Setting up the apparatus
See ISO 16014-3:2012, 7.4.
8.6 Operating parameters
8.6.1 Flow rate
See ISO 16014-3:2012, 7.5.1.
8.6.2 Injection masses and injection volumes
See ISO 16014-3:2012, 7.5.2.
8.6.3 Column temperature
See ISO 16014-3:2012, 7.5.3.
8.6.4 Detector sensitivity
The signal intensity depends on the amount of sample injected, on the specific refractive index increment dn/dc
for a refractive index detector, on the absorbance per unit mass concentration for a UV detector, and on the
average molecular mass of the sample for a light-scattering detector. The detector sensitivity shall be set to
obtain a strong peak signal for the sample, in order to ensure accurate data handling.
The linear relationship between solute concentration and peak height shall be maintained by keeping the
−5 −4
sensitivity at the same setting. Recommended sensitivities are 1 × 10 to 9 × 10 RI units at full scale for a
refractive index detector and around 0,1 to 0,9 absorbance units at full scale for a UV detector.
8.7 Number of determinations
See ISO 16014-3:2012, 7.6.
9 Calibration
9.1 Calibration of concentration-sensitive detector and light-scattering detector
9.1.1 General
Since SEC-LS is an absolute method, the concentration-sensitive and light-scattering detectors shall be
properly calibrated so as to give the correct Rayleigh ratio and mass concentration, respectively, at each
elution time. When using a refractive index detector as the concentration-sensitive detector, the calibration
constants of the refractive index detector and the light-scattering detector shall be determined by one of the
three calibration methods given in 9.1.2, 9.1.3 and 9.1.4. If another type of concentration-sensitive detector
is being used, such as an ultraviolet/visible detector or an infrared detector, the calibration constants of the
concentration-sensitive detector and the light-scattering detector shall be determined by the method given in
9.1.3 or that given in 9.1.4.It should be noted that the relative uncertainty of the calibration constant is directly
proportional to that of the molecular mass at each elution time and to that of the average molecular mass.
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 16014-5:2012(E)
9.1.2 Calibration method A
In this method, the calibration constant k of a refractive index detector is determined by measuring the output
RI
I of the detector for standard solution(s), such as an aqueous solution of NaCl with known dn/dc and known
RI
concentration c, and calculating the constant from the following equation:
dn
k =× cI (1)
()
RI RI
dc
The calibration constant for the light-scattering detector is determined from the ratio of the detector output
produced by a calibration sample to the Rayleigh ratio of the calibration sample. Pure filtered toluene is often
used as the calibration sample, and is recommended because its Rayleigh ratio is well-known and because it
provides a strong scattered-light signal.
Once the constant k has been determined, the mass concentration c at the ith elution time can be calculated
RI i
from the following equation:
k
RI
c = H (2)
ii
ddnc
()
where H is the intensity of the signal from the refractive index detector.
i
9.1.3 Calibration method B
In this method, the calibration constant for the concentration-sensitive detector is determined from the SEC
chromatogram produced by a total injected mass m of a polymer sample of known dn/dc, such as a solution
Tot
of polystyrene in THF, using the following equation:
m
1
Tot
k = ddnc (3)
()
RI
V
H
e
∑ i
i
where
H is the intensity of the signal from the concentration-sensitive detector;
i
V is the volume eluted.
e
Care shall be taken to ensure that the flow rate remains constant throughout the calibration and subsequent
sample measurements. In this method, the mass of polymer injected shall be completely eluted from the columns.
The calibration constant for the light-scattering detector is determined by the method described in 9.1.2
(calibration method A).
9.1.4 Calibration method C
In this method, both light-scattering and concentration SEC chromatograms are produced for a standard
polymer solution of known M and dn/dc. A combined calibration constant k is then calculated from the
w c
following equation:
H
i
∑
dn
i
k = M (4)
cw
dc
I
∑ LS,i
i
where I is the intensity of the signal produced from the scattered light observed by the light-scattering detector.
LS,i
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ISO 16014-5:2012(E)
The mass-average molecular mass M at the ith elution time can be calculated directly from this constant using
i
the following equation:
I
k
LS,i
c
M = (5)
i
ddnc H
()
i
In the case of a two-angle light-scattering detector, it is possible to correct for the angular dependence of the
signal when determining the molecular mass. In such cases, the calibration constant k of the concentration-
c
sensitive detector can be calculated from the following equation:
AV
pe
k = (6)
c
()ddnc cV
i
where
A is the total peak area;
p
c is the mass concentration of the sample solution injected;
V is the volume injected;
i
V is the volume eluted.
e
9.2 Determination of delay volume
Determine the interdetector delay volume by aligning the apex of the peak in the light-scattering chromatogram
with that in the concentration chromatogram. If the volume of the tubing forming the delay volume is changed,
determine the delay volume again.
9.3 Normalization of detector sensitivity
For a multiple-angle light-scattering detector, the detector sensitivity at different angles shall be determined
from the output signal produced at each angle in order to ensure that the same value of the Rayleigh ratio is
given for identical scattered-light intensities. This is done by injecting a polymer solution of the kind described in
6.3 and recording the output signal from each detector. The output signal from each detector is then normalized
with respect to a standard detector. A detector set at 90° is often chosen for this.
9.4 Determination of refractive index increment
In SEC-LS measurements using light-scattering and refractive index detectors, the value
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 16014-5
Première édition
2012-07-01
Plastiques — Détermination de la masse
moléculaire moyenne et de la distribution
des masses moléculaires de polymères par
chromatographie d’exclusion stérique —
Partie 5:
Méthode utilisant la détection par
diffusion lumineuse
Plastics — Determination of average molecular mass and molecular
mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography —
Part 5: Method using light-scattering detection
Numéro de référence
ISO 16014-5:2012(F)
©
ISO 2012
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 16014-5:2012(F)
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de l’ISO à l’adresse ci-après ou du comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 16014-5:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 2
5 Principe . 2
5.1 SEC . 2
5.2 SEC avec diffusion lumineuse . 2
6 Réactifs . 2
6.1 Éluant . 2
6.2 Réactif pour évaluation de la colonne . 3
6.3 Étalons pour étalonnage . 3
6.4 Réactif pour marqueur de débit . 3
6.5 Additifs . 3
7 Appareillage . 3
7.1 Généralités . 3
7.2 Réservoir d’éluant . 4
7.3 Système de pompage . 4
7.4 Injecteur . 4
7.5 Colonnes . 4
7.6 Détecteur . 5
7.7 Tube . 5
7.8 Contrôle de la température . 5
7.9 Dispositif d’enregistrement et de traçage de la courbe . 5
7.10 Système de traitement des données . 5
7.11 Autres éléments . 5
8 Mode opératoire . 5
8.1 Préparation des solutions d’étalonnage . 5
8.2 Préparation d’une solution pour la détermination du point L . 5
8.3 Préparation des solutions échantillons . 6
8.4 Préparation de solutions pour l’évaluation des performances de la colonne . 6
8.5 Réglage de l’appareillage . 6
8.6 Paramètres de fonctionnement . 6
8.7 Nombre de déterminations . 6
9 Étalonnage . 6
9.1 Étalonnage du détecteur sensible à la concentration et du détecteur de diffusion lumineuse . 6
9.2 Détermination du volume de retard . 8
9.3 Normalisation de la sensibilité du détecteur . 8
9.4 Détermination de l’incrément de l’indice de réfraction . 8
10 Acquisition et traitement des données . 8
10.1 Acquisition des données . 8
10.2 Évaluation des données et correction des chromatogrammes . 9
10.3 Traitement des données . 9
11 Expression des résultats .10
11.1 Courbe d’étalonnage .10
11.2 Calcul de la masse moléculaire moyenne .12
11.3 Courbe de la distribution des masses moléculaires différentielles .13
11.4 Courbe de la distribution des masses moléculaires cumulées .13
12 Fidélité .13
13 Rapport d’essai .13
© ISO 2012 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 16014-5:2012(F)
13.1 Généralités .13
13.2 Appareillage et paramètres de mesure .13
13.3 Étalonnage du système .13
13.4 Courbe d’étalonnage .14
13.5 Résultats .14
Annexe A (informative) Essai interlaboratoires .15
Annexe B (informative) Informations relatives à la diffusion lumineuse .17
Annexe C (informative) Courbe d’étalonnage pour une plage de masses moléculaires faibles .21
Bibliographie .23
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 16014-5:2012(F)
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 Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. 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.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 16014-5 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 61, Plastiques, sous-comité SC 5, Propriétés
physicochimiques.
L’ISO 16014 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Plastiques — Détermination de la
masse moléculaire moyenne et de la distribution des masses moléculaires de polymères par chromatographie
d’exclusion stérique:
— Partie 1: Principes généraux
— Partie 2: Méthode d’étalonnage universelle
— Partie 3: Mesurage aux basses températures
— Partie 4: Mesurage aux températures élevées
— Partie 5: Méthode utilisant la détection par diffusion lumineuse
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NORME INTERNATIONALE ISO 16014-5:2012(F)
Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne
et de la distribution des masses moléculaires de polymères par
chromatographie d’exclusion stérique —
Partie 5:
Méthode utilisant la détection par diffusion lumineuse
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 16014 spécifie une méthode générale pour la détermination de la masse moléculaire
moyenne et de la distribution des masses moléculaires de polymères à l’aide de la SEC-LS, c’est-à-dire de la
chromatographie d’exclusion stérique associée à la détection par diffusion lumineuse. La masse moléculaire
moyenne et la distribution des masses moléculaires sont calculées à partir des données de masse moléculaire
et des concentrations en masse déterminées en continu avec le temps d’élution. La masse moléculaire à
chaque temps d’élution est déterminée dans l’absolu en associant un détecteur à diffusion lumineuse à un
détecteur sensible aux concentrations. La méthode SEC-LS est donc classée comme méthode absolue.
En ce qui concerne l’applicabilité de la méthode, voir l’ISO 16014-1:2012, A.1.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 472, Plastiques — Vocabulaire
ISO 16014-1:2012, Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne et de la distribution des
masses moléculaires de polymères par chromatographie d’exclusion stérique — Partie 1: Principes généraux
ISO 16014-2, Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne et de la distribution des masses
moléculaires de polymères par chromatographie d’exclusion stérique — Partie 2: Méthode d’étalonnage universelle
ISO 16014-3:2012, Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne et de la distribution des
masses moléculaires de polymères par chromatographie d’exclusion stérique — Partie 3: Mesurage aux
basses températures
ISO 16014-4:2012, Plastiques — Détermination de la masse moléculaire moyenne et de la distribution des
masses moléculaires de polymères par chromatographie d’exclusion stérique — Partie 4: Mesurage aux
températures élevées
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 472 et l’ISO 16014-1 ainsi
que les suivants s’appliquent.
3.1
détection par diffusion lumineuse
détection LS
technique permettant de déterminer la masse ou la taille des molécules de polymère en solution en mesurant
la lumière diffusée par les molécules de polymère
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ISO 16014-5:2012(F)
3.2
incrément de l’indice de réfraction
dn/dc
taux de variation de l’indice de réfraction n d’une solution de polymères en fonction de la concentration en masse c
NOTE 1 Dans la littérature, il est également appelé «incrément de l’indice de réfraction spécifique».
NOTE 2 La valeur limite de dn/dc à concentration zéro est couramment utilisée dans la diffusion lumineuse.
3.3
point L
point de données mesurées d’un composé de faible masse moléculaire sur le graphique de la masse moléculaire
en fonction du temps d’élution, utilisé pour la justification de l’ajustement polynomial de la courbe d’étalonnage
et/ou pour le tracé de la courbe d’étalonnage
NOTE Dans la zone des masses moléculaires faibles, le signal LS est trop faible pour calculer la masse moléculaire.
Il est donc nécessaire de mesurer le point L pour la justification ou le tracé de la courbe d’étalonnage de la masse
moléculaire pour la totalité de la plage des masses moléculaires. Le point L est déterminé en mesurant un oligomère du
polymère ou un composé organique ayant une structure chimique similaire à l’oligomère.
4 Symboles
R rayon de rotation de la molécule de polymère en solution nm
g
3 -2
A second coefficient du viriel d’une molécule de polymère en solution cm mol g
2
-3
c concentration en masse du polymère en solution g cm
-1
dn/dc incrément de l’indice de réfraction cm g
H intensité de signal excédentaire d’un détecteur de concentration au ième temps
i
d’élution
I intensité de signal excédentaire d’une lumière diffusée au ième temps d’élution
LS,i
3
V volume élué durant le temps d’acquisition des données (intervalle) cm
e
5 Principe
5.1 SEC
Pour une présentation concernant la chromatographie d’exclusion en général, voir l’ISO 16014-1:2012, Article 4.
5.2 SEC avec diffusion lumineuse
En SEC-LS, les molécules de polymère éluées à partir de colonnes de chromatographie d’exclusion stérique
sont irradiées par un faisceau de lumière visible monochromatique. La lumière diffusée par les molécules
est détectée en continu par un détecteur de diffusion lumineuse. Comme l’éluat est constitué d’une solution
de polymère diluée, l’intensité de la lumière diffusée est approximativement proportionnelle au produit de la
masse moléculaire et de la concentration en masse des molécules de polymère. L’intensité lumineuse diffusée
divisée par la concentration donne donc la masse moléculaire à un temps d’élution particulier. Les valeurs
de la masse moléculaire et la concentration en masse ou la fraction massique à chaque temps d’élution sont
utilisées pour calculer la distribution des masses moléculaires et la masse moléculaire moyenne du polymère.
6 Réactifs
6.1 Éluant
Pour une présentation générale des éluants, voir l’ISO 16014-1:2012, 5.1.
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ISO 16014-5:2012(F)
Pour des exemples d’éluants utilisés pour les mesurages par SEC à des températures inférieures et supérieures
à 60 °C, voir respectivement l’Annexe B de l’ISO 16014-3:2012 et l’Annexe B de l’ISO 16014-4:2012.
6.2 Réactif pour évaluation de la colonne
Des exemples de composés à faible masse moléculaire utilisés pour l’évaluation de la colonne sont
donnés dans l’ISO 16014-3:2012, 5.2, pour des mesurages à des températures inférieures à 60 °C et dans
l’ISO 16014-4:2012, 5.2, pour des mesurages à des températures supérieures à 60 °C.
6.3 Étalons pour étalonnage
Comme les rapports de Rayleigh du toluène et du benzène sont bien connus, ces solvants sont recommandés
pour déterminer la constante d’étalonnage du détecteur de diffusion lumineuse (voir B.2 en Annexe B).
Des solutions aqueuses de chlorure de potassium (KCI) ou de chlorure de sodium (NaCl) sont utilisées pour
déterminer la constante d’étalonnage d’un détecteur d’indice de réfraction. La relation de dépendance à la
concentration de l’indice de réfraction différentiel des solutions est utilisée pour calculer la constante.
Un polymère monodispersé à faible masse moléculaire est utilisé pour déterminer le volume de retard entre le
détecteur de diffusion lumineuse et le détecteur sensible à la concentration. Ce polymère peut également être
utilisé pour l’étalonnage de la dépendance angulaire de la sensibilité d’un détecteur de diffusion lumineuse à
angles multiples. Il convient que le rayon de rotation R de la molécule de polymère utilisée pour étalonner
g
la sensibilité du détecteur soit de préférence inférieur à 10 nm. Un rayon de rotation inférieur à 5 nm est
souhaitable. D’autres composés dont la valeur R est bien connue peuvent également être utilisés.
g
Des matériaux de référence polymères sont utilisés pour des intervalles d’étalonnage de la masse moléculaire
compris entre 20 000 et 50 000.
Des composés organiques de faible masse moléculaire ou des oligomères du polymère dans l’échantillon
étudié sont utilisés pour déterminer le «point L».
6.4 Réactif pour marqueur de débit
Voir l’ISO 16014-1:2012, 5.4.
Pour des exemples de composés destinés à être utilisés comme marqueur de débit, voir l’ISO 16014-3:2012, 5.4
pour des mesurages à des températures inférieures à 60 °C et l’ISO 16014-4:2012, 5.4, pour des mesurages
à des températures supérieures à 60 °C.
6.5 Additifs
Voir l’ISO 16014-1:2012, 5.5.
Des exemples d’additifs sont donnés dans l’ISO 16014-3:2012, 5.5, pour des mesurages à des températures
inférieures à 60 °C et dans l’ISO 16014-4:2012, 5.5, pour des mesurages à des températures supérieures à 60 °C.
7 Appareillage
7.1 Généralités
Un schéma type de système SEC-LS est présenté à la Figure 1; celui-ci est similaire au système présenté dans
l’ISO 16014-1:2012, Figure 1. La principale différence est qu’un détecteur de diffusion lumineuse est connecté
en série avec le détecteur sensible à la concentration. Le détecteur de diffusion lumineuse et le détecteur
sensible à la concentration peuvent également être connectés en parallèle. Tout élément satisfaisant aux
exigences de performances spécifiées pour la présente méthode peut être utilisé.
Des systèmes SEC-LS disponibles dans le commerce ou des systèmes SEC-LS assemblés en laboratoire
peuvent être utilisés pour cette méthode, à condition qu’ils satisfassent aux niveaux de performances requis.
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ISO 16014-5:2012(F)
Légende
1 réservoir d’éluant 5 colonnes 9 ordinateur
2 pompe 6 détecteur de diffusion lumineuse 10 imprimante
3 filtre en ligne 7 détecteur sensible à la concentration 11 vers rebut
4 injecteur 8 écran
Figure 1 — Représentation schématique d’un système SEC-LS type
7.2 Réservoir d’éluant
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.2 et l’ISO 16014-3:2012, 6.2.
7.3 Système de pompage
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.3 et l’ISO 16014-3:2012, 6.3.
7.4 Injecteur
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.4 et l’ISO 16014-3:2012, 6.4.
7.5 Colonnes
7.5.1 Généralités
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.5.1, l’ISO 16014-3:2012, 6.5 et l’ISO 16014-4:2012, 6.5.
7.5.2 Détermination du nombre de plaques théoriques
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.5.2.
7.5.3 Détermination du facteur de résolution
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.5.3.
7.5.4 Détermination du facteur d’asymétrie
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.5.4.
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ISO 16014-5:2012(F)
7.6 Détecteur
7.6.1 Détecteur sensible à la concentration
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.6.
7.6.2 Détecteur de diffusion lumineuse
Ce détecteur doit surveiller en continu l’intensité de la lumière diffusée par l’éluant provenant des colonnes.
Certains détecteurs de diffusion lumineuse disponibles dans le commerce pouvant être utilisés comprennent des
détecteurs uniques disposés à très petit angle et des détecteurs qui peuvent être disposés à deux angles ou plus.
Pour éviter l’étalement des pics du chromatogramme, le volume de la cellule de débit doit être le plus faible possible.
7.7 Tube
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.7.
7.8 Contrôle de la température
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.8.
7.9 Dispositif d’enregistrement et de traçage de la courbe
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.9.
7.10 Système de traitement des données
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.10.
7.11 Autres éléments
Voir l’ISO 16014-1:2012, 6.11.
Un filtre monté en ligne est nécessaire afin d’éliminer des particules pouvant provoquer un bruit de fond
(impulsions fines) en sortie du détecteur de diffusion lumineuse.
8 Mode opératoire
8.1 Préparation des solutions d’étalonnage
Préparer des solutions de polymère monodispersé afin de déterminer le volume de retard entre les deux
détecteurs. La concentration des solutions doit être telle que le détecteur de diffusion lumineuse et le détecteur
sensible à la concentration produisent une intensité de signal suffisante pour le traitement des données. Une
concentration de polymère type est de 5 mg/ml à 10 mg/ml pour les polymères à faible masse moléculaire.
Ces solutions de polymère peuvent également être utilisées pour corriger ou normaliser la sensibilité du
détecteur de diffusion lumineuse.
8.2 Préparation d’une solution pour la détermination du point L
Une solution permettant de déterminer le point L peut être préparée, si nécessaire, en dissolvant des oligomères
appropriés ou d’autres composés dont la masse moléculaire est faible dans un solvant approprié. Typiquement,
la concentration de cette solution est de 1 mg/ml à 5 mg/ml.
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8.3 Préparation des solutions échantillons
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.2, pour des mesurages à des températures inférieures à 60 °C, et l’ISO 16014-4:2012,
7.2, pour des mesurages à des températures supérieures à 60 °C.
8.4 Préparation de solutions pour l’évaluation des performances de la colonne
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.3.
8.5 Réglage de l’appareillage
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.4.
8.6 Paramètres de fonctionnement
8.6.1 Débit
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.5.1.
8.6.2 Masses d’injection et volumes d’injection
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.5.2.
8.6.3 Température de la colonne
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.5.3.
8.6.4 Sensibilité du détecteur
L’intensité du signal dépend de la quantité d’échantillon injectée, de l’incrément de l’indice de réfraction
spécifique dn/dc pour un détecteur d’indice de réfraction, de l’absorbance par concentration unitaire en masse
pour un détecteur UV, et de la masse moléculaire moyenne de l’échantillon pour un détecteur de diffusion
lumineuse. La sensibilité du détecteur doit être réglée afin d’obtenir, pour l’échantillon, un signal de crête
puissant afin de garantir un traitement précis des données.
La relation linéaire entre la concentration de soluté et la hauteur du pic doit être maintenue en ne modifiant
-5 -4
pas le paramétrage de la sensibilité. Les sensibilités recommandées sont comprises entre 1 × 10 et 9 × 10
unités RI pleine échelle pour un détecteur d’indice de réfraction et entre 0,1 et 0,9 unités d’absorbance pleine
échelle pour un détecteur UV.
8.7 Nombre de déterminations
Voir l’ISO 16014-3:2012, 7.6.
9 Étalonnage
9.1 Étalonnage du détecteur sensible à la concentration et du détecteur de diffusion lumineuse
9.1.1 Généralités
Étant donné que la méthode SEC-LS est une méthode absolue, les détecteurs sensible à la concentration et
de diffusion lumineuse doivent être convenablement étalonnés afin de donner respectivement le rapport de
Rayleigh et la concentration en masse corrects à chaque temps d’élution. Lorsque l’on utilise un détecteur
d’indice de réfraction comme détecteur sensible à la concentration, les constantes d’étalonnage du détecteur
d’indice de réfraction et du détecteur de diffusion lumineuse doivent être déterminées au moyen de l’une
des trois méthodes d’étalonnage données en 9.1.2, 9.1.3 et 9.1.4. Si un autre type de détecteur sensible à la
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concentration est utilisé, par exemple un détecteur ultraviolet/visible ou un détecteur infrarouge, les constantes
d’étalonnage du détecteur sensible à la concentration et du détecteur de diffusion lumineuse doivent être
déterminées par la méthode donnée en 9.1.3 ou celle donnée en 9.1.4. Il convient de noter que l’incertitude
relative de la constante d’étalonnage est directement proportionnelle à celle de la masse moléculaire à chaque
temps d’élution et à celle de la masse moléculaire moyenne.
9.1.2 Méthode d’étalonnage A
Dans cette méthode, la constante d’étalonnage k d’un détecteur d’indice de réfraction est déterminée en
RI
mesurant la sortie I du détecteur pour une (des) solution(s) étalon comme une solution aqueuse de NaCl pour
RI
laquelle le rapport dn/dc et la concentration sont connus et en calculant la constante à partir de l’Équation (1):
dn
k =× cI (1)
()
RI RI
dc
La constante d’étalonnage du détecteur de diffusion lumineuse est déterminée à partir du rapport suivant:
donnée de sortie du détecteur fournie par un échantillon d’étalonnage sur rapport de Rayleigh de l’échantillon
d’étalonnage. Du toluène pur filtré est souvent utilisé comme échantillon d’étalonnage et est recommandé car
son rapport de Rayleigh est bien connu et parce qu’il donne un puissant signal de lumière diffusée.
Une fois que la constante k a été déterminée, la concentration en masse c au ième temps d’élution peut être
RI i
calculée à partir de l’Équation (2):
k
RI
c = H (2)
ii
ddnc
()
où H est l’intensité du signal du détecteur d’indice de réfraction.
i
9.1.3 Méthode d’étalonnage B
Dans cette méthode, la constante d’étalonnage pour le détecteur sensible à la concentration est déterminée à
partir du chromatogramme SEC produit par une masse injectée totale m d’un échantillon de polymère dont le
Tot
rapport dn/dc est connu, comme par exemple une solution de polystyrène dans du THF, l’aide de l’Équation (3):
m
1
Tot
k = ddnc (3)
()
RI
V
H
e
∑ i
i
où
H est l’intensité du signal provenant du détecteur sensible à la concentration;
i
V est le volume élué.
e
Il faut veiller à ce que le débit reste constant tout au long de l’étalonnage et des mesurages de l’échantillon qui
suivent. Dans cette méthode, la masse de polymère injectée doit être e
...
Questions, Comments and Discussion
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