Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation and Multiangle Light Scattering for Molar Mass Analysis of Polysaccharide Derivatives

Abstract

Molar mass and molar mass distribution of polymers are parameters of fundamental importance as they influence the performance of the polymer in applications. Polysaccharide derivatives are a class of polymers that have attracted significant scientific and commercial interest as they can be manufactured from a wide range of abundant sources in nature and thereby often are both cheap and biocompatible. However, the molar mass analysis of such derivatives is not always easy with commonly used analytical techniques mainly due to their large size. One technique that has shown its applicability to molar mass analysis of very large polymers, among them polysaccharide derivatives, is the combination of field-flow fractionation (FFF) with multiangle light scattering (MALS). This thesis describes the further evaluation and development of FFF-MALS for molar mass analysis of polymers, especially polysaccharide derivatives. The methodology has been successfully applied to different industrially important derivatives of starch and cellulose. Among the results the separation enabled the detection of ultra-high molar mass components in cellulose derivatives and facilitated further investigations on its chemical structure. The investigations include discussions on suitable experimental conditions, such as polymer concentration, flow rate and choice of programmed field function, for the separation of polysaccharide derivatives with FFF. The MALS technique, especially the extrapolation procedure involved, was investigated with respect to the accuracy of the determined molar masses for very large polymers.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Polymerer är en grupp av kemiska ämnen som vi idag har stor användning av för, bland annat, tillverkning av olika plaster. Det finns polymerer av en mängd olika typer varav de baserade på stärkelse och cellulosa, såkallade cellulosa- och stärkelsederivat, är av särskilt industriellt och vetenskapligt intresse då de är både biokompatibla och finns i mycket stora mängder i naturen. Att de dessutom är förnyelsebara och därmed anses mer miljövänliga jämfört med polymerer baserade på petrokemiska produkter är ytterligare en fördel. Vi kommer idag i kontakt med polymerer baserade på stärkelse och cellulosa i stort sett överallt; som tillsatser i papper och i byggnadsmaterial, som betong och färg, men också som förtjockare i mat och som en del i läkemedelsformuleringar. Polymerer är stora molekyler, vilket kan exemplifieras med att en polymer ofta har en molekylvikt på 100 000 vilket kan jämföras med vatten som bara har en molekylvikt på 18. Det är just polymerens storlek som gör den annorlunda och så lämplig i många tekniska produkter, som t.ex förtjockare och för att tillverka förpackningsfilmer. Polymerers storlek kan dock variera och inom de flesta användningområden spelar dess storlek stor roll för produktens slutliga funktion. Det är därför inte förvånande att det finns ett stort intresse av att kunna bestämma storleken på polymerer inom både utveckling, optimering och kontroll av produkter med polymerer. Att bestämma storleken är dock inte alltid så lätt särskilt som de polymermolekyler som ingår i polymeren sällan har en och samma storlek och eller molekylvikt. Flervinkelljusspridning är en teknik med vilken man kan mäta molekylvikten av polymerer, dock ger metoden endast en medelmolekylvikt. Fältflödesfraktionering är en separationsmetod med vilken man kan fraktionera stora molekyler från mindre. Genom att koppla en ljusspridningsdetektor till fältflödesfraktionering kan man bestämma molekylvikten på de storleksfraktioner av polymeren som separerats med fältflödesfraktionering och därmed få en bild av molekylviktsfördelningen. Arbetet presenterat i denna avhandlingen beskriver utvärderingen och utvecklingen av dessa metoder för att bestämma både medelmolekylvikten och molekylviktsfördelningen. Arbetet har fokuserats på analys av stärkelse- och cellulosaderivat då de är industriellt viktiga samtidigt som de ofta är svåra att analysera med andra metoder bland annat på grund av sin väldigt höga molekylvikt. Metoden har använts för att bestämma medelmolekylvikten och molekylviktsfördelningen för flera olika typer av både stärkelse- och cellulosaderivat. Tyngdpunkten har legat på att finna lämpliga betingelser för en så god separation som möjligt mellan polymerer av olika storlek; detta genom att optimera de flödesförhållanden som styr storleksseparationen i fältflödesfraktionering. Kombinationen av metoder har visat sig vara väl lämpad för denna typ av analyser. Som exempel detekterades i en typ av cellulosaderivat, förutom den förväntade polymeren, en tidigare okänd komponent som hade en extremt hög molekylvikt på cirka 108, vilket är mycket högre än förväntat i denna typ av cellulosaderivat. Att bestämma molekylvikten hos så stora polymerer med flervinkelljusspridning är ej trivialt för så extremt höga stora polymerer och riktigheten i erhållna molvikter kan ifrågasättas. Därför har en undersökning av riktigheten av de molekylvikter som erhålls med flervinkelljusspridningstekniken utförts med slutsatser om hur man skall gå tillväga för att erhålla värden av störst tillförlitlighet. I en vidare studie visade sig andra celulosaderivat av samma typ också innehålla komponenter med extremt hög molekylvikt. En undersökning för att identifiera komponenten utfördes och visade att den består av cellulosarelaterat material. Fältflödesfraktionering kopplat till flervinkelljusspridning har visat sig vara en en kombination som väl lämpar sig för molviktsanalys av polymerer, särskilt de som är av hög eller extremet hög molekylvikt. Då det existerar få andra metoder som kan utföra denna typ av analyser på så stora polymerer kan därför metoden vara av stort värde för de som är intresserad av sådana polymerer.

• author: Andersson, Mats
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Schimpf, Martin E., Department of Chemistry, Boise State University, Boise, ID, USA
• organization: Production and Materials Engineering
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: polysaccharide derivatives ethylhydroxyethyl cellulose, molar mass analysis, asymmetrical flow field-flow fractionation, multiangle light scattering, polymer size distribution, Polymer technology, biopolymers, Polymerteknik
• pages: 130 pages
• defense location: Lecture hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund Institute of Technology, Lund
• defense date: 2003-09-25 10:30:00
• ISBN: 91-628-5757-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004), Production and Materials Engineering (011028000)
• id: 48e4e75d-70c7-4d2e-a58e-d224b2ecf443 (old id 466208)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:23:02
• date last changed: 2018-11-21 21:04:30