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Development of New Liquid Chromatographic Techniques for the Characterization of Poly(Bisphenol A Carbonate)

Apel, Nico :
Development of New Liquid Chromatographic Techniques for the Characterization of Poly(Bisphenol A Carbonate).
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development of New Liquid Chromatographic Techniques for the Characterization of Poly(Bisphenol A Carbonate)
Language: English
Abstract:

The processing and application properties of polymers in general and of Poly(bisphenol A carbonate) (PC) in particular strongly depend on their composition (molar mass distribution, architecture, chemical moiety). Thus, a comprehensive knowledge of the molecular parameters is required for a rational material development. However, the overall structure of polymer chains is a difficult-to-access function with regard to molar mass distribution (MMD) on the one hand and the complex chain architecture on the other hand. Unfortunately, there are no comprehensive characterization methods available that can extract information on the structure of branched PCs so far. Therefore, the aim of this work was the development of a liquid chromatographic method that allows a PC separation according to chain structure types and quantification with regard to molar masses as well as proportions of these species. In the first part of this thesis, the critical conditions of PC on a PGC stationary phase were established applying the eluent systems CHCl3/TCB and CHCl3/DCB. At these conditions a separation of PC according to the number of hydroxyl end-groups was observed, which was confirmed by MALDI-TOF-MS analysis of the eluting fractions. Analysis of a branched PC sample revealed that a separation of branched structures based on the hydroxyl end-groups could not be achieved with the developed method. Furthermore, a gradual change in the separation selectivity was observed over time, which was explained by the formation of polymer monolayers on the stationary phase and thus necessitated a continuous adjustment of the mobile phase composition. However, in contrast to methods already known in the literature, the presented method was suitable for the identification of linear PC structures with two hydroxyl end-groups. Thus, the developed method can be used to investigate PC degradation products, which might be formed upon hydrolysis or oxidation during the application period of the material. Furthermore, the method may be highly valuable to monitor the end-capping during the PC synthesis, which is used to control the molar masses on the one hand and on the other hand protects the polymer chains from degradation. Taking into account the drawbacks of porous graphitic carbon as stationary phase for the separation of PC, a normal-phase silica stationary phase was chosen as alternative. However, working at conditions for LCCC also did not lead to the desired PC separation according to branching. Thus, a novel chromatographic approach was developed where the mobile phase composition is varied around the critical point by a solvent gradient (solvent gradient at near-critical conditions, SG-NCC). To elucidate the underlying separation mechanism, a branched sample was subjected to SG-NCCC and the eluting fractions were collected. These were analyzed by MALDI-TOF-MS and TD-SEC, and the THPE contents in the individual fractions were quantified. Thus, it could be confirmed that the method indeed separated according to molar masses, hydroxyl end-groups as well as branching. In order to improve the separation performance the developed method was hyphenated with a separation according to molar mass to an on-line 2D-LC (SG-NCC × SEC). In the corresponding 2D contour plots individual linear and branched structures could be identified and their content could be determined by a quantitative detector. Based on theory of liquid adsorption chromatography an earlier elution of polymer chains with lower molar masses was expected, as the number of repeating units defines the interaction strength. However, a reversal of that elution order was observed in the SG-NCC chromatogram when moving from linear to branched chains. This phenomenon could be explained by end-group effects described in the literature, which may affect the strength of the interactions with the stationary phase depending on their arrangement along the chain. In order to further characterize the branched and linear structures that could be separated by the developed 2D-LC analysis the method was augmented by TD and additional insights into the polymer chain structure could be obtained. Moreover, for the first time, the degree of branching was investigated in a 2D-LC experiment, the corresponding 2D contour plot could be established and the individual structures were quantified. Furthermore, the absolute molar mass distribution of the specific spots was extracted. Therefore, 2D-LC with TD offered an experimental opportunity to determine the detailed polymer chain composition in a branched PC sample for the first time. This method could be exploited to investigate the predictive power of statistical Monte-Carlo (MC) simulation models. MC models have been developed aiming at a statistical determination of the chain structure of branched PC in order to predict the resulting material processing properties. However, MC simulations are based on empirical data evaluations and involve a number of model assumptions. The chain structures of branched PC predicted by MC simulations were compared with experimental data that are accessible by the newly developed 2D-LC with TD. For that purpose, the MMDs as well as proportions of linear and branched structures in a PC sample could be quantified by LC and the outcomes were compared with MC simulations. The results revealed fair agreement and deviations could be explained by assumptions in the MC models. In order to improve the predictive power of the MC simulations, additional branched PC samples differing in degree of branching and molar masses might be investigated in further studies. The determined proportions of branched and linear structures may be compared with the outcomes of MC models and the MC simulation should be further optimized, if required. Furthermore, the information on the degree of branching that could be determined in the 2D-LC with TD might be correlated with chain structures derived from MC simulations. In that way, the comprehension on the structure composition of branched PC might be deepened, the predictive power of rheological simulations could be improved and tailor-made synthesis of branched PC materials may be developed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften von Polymeren im Allgemeinen, und von PC im Besonderen, hängen stark von deren Aufbau (Molmassenverteilung, Architektur, chemische Zusammensetzung) ab. Daher ist eine genaue Kenntnis dieser molekularen Parameter eine notwendige Voraussetzung für eine sinnvolle Materialentwicklung. Der genaue strukturelle Aufbau der Polymerketten stellt jedoch eine schwer zugängliche Funktion mit Blick auf Molmassenverteilungen auf der einen Seite und der komplexen Kettenarchitektur auf der anderen Seite dar. Leider gibt es bis heute keine Charakterisierungsmethoden, die den komplexen strukturellen Aufbau verzweigten PCs aufklären können. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung einer flüssigchromatographischen Methode, die eine Trennung von PC nach komplexen Kettenstrukturen ermöglicht. Des Weiteren sollen diese Kettenstrukturen hinsichtlich ihrer Anteile und Molmassen quantifiziert werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden zu diesem Zweck die kritischen Bedingungen von PC in einer PGC-Säule unter der Verwendung der Eluentensysteme CHCl3/TCB und CHCl3/DCB bestimmt. Bei diesen Bedingungen konnte eine Trennung von PC nach der Anzahl der Hydroxyl-Endgruppen beobachtet werden, was durch das Sammeln der eluierenden Fraktionen der entsprechenden Signale und anschließende MALDI-TOF-MS-Analysen bestätigt werden konnte. Die Untersuchung einer verzweigten PC-Probe zeigte, dass eine Trennung verzweigter Strukturen auf Grundlage der Hydroxyl-Endgruppen mit der entwickelten Methode nicht möglich war. Des Weiteren konnte ein graduelle Veränderung der Selektivität der Trennung beobachtet werden, die durch die Bildung monomolekularen Schichten auf der stationären Phase erklärt werden konnte und eine stete Anpassung der Zusammensetzung der mobilen Phase benötigte. Allerdings eignete sich die Methode im Gegensatz zu bereits in der Literatur beschrieben zur Identifikation linearer PC-Strukturen mit zwei Hydroxyl-Endgruppen. Die entwickelte Methode stellt somit eine Möglichkeit zur Untersuchung von Abbauprodukten in PC-Materialien dar, die sich aufgrund von Hydrolyse- oder Oxidationsreaktionen während der Anwendungsphase bilden. Des Weiteren gestattet die Methode während der Synthese eine Überwachung der Terminierung, die einerseits benötigt wird, um die Molmassenverteilung des entstehenden Materials zu kontrollieren und andererseits die Polymerketten vor Abbau schützt. Unter Beachtung der Nachteile von PGC als stationärer Phase zur Trennung von PC wurde eine Normalphasensäule als Alternative gewählt. Allerdings führte das Arbeiten unter kritischen Bedingungen nicht zu der gewünschten Trennung von verzweigtem PC. Daher wurde eine neue chromatographische Methode entwickelt, bei der die Zusammensetzung der mobilen Phase in der Nähe der kritischen durch die Verwendung von Lösungsmittelgradienten variiert wurde (SG-NCC). Um den zugrundeliegenden Trennmechanismus aufzuklären, wurde eine verzweigte Probe unter der neuentwickelten SG-NCC-Methode aufgetrennt und die eluierenden Fraktionen gesammelt. Die Untersuchung der Fraktionen mittels MALDI-TOF-MS, TD-SEC und die Bestimmung der THPE-Gehalte in den einzelnen Fraktionen bestätigte, dass eine Trennung sowohl nach Molmassen, Hydroxyl-Endgruppen und Verzweigungen vorlag. Um die Trennleistung zu erhöhen, wurde die entwickelte Methode mit einer Trennung nach Molmassen zu einer online 2D-LC (SG-NCC × SEC)erweitert. In den entsprechenden 2D-Konturplots konnten einzelne lineare und verzweigte Strukturen durch einen quantitativen Detektor identifiziert. Auf der Grundlage der Theorie der Wechselwirkungsflüssigchromatographie wird für Polymere mit kleineren Molmassen auch eine entsprechend frühere Elution erwartet, da die Anzahl der Wiederholungseinheiten die Stärke der Wechselwirkungen bestimmt. Im Gegensatz dazu konnte in dem SG-NCC-Chromatogramm eine Umkehr der Elutionsreihenfolge beim Übergang von den linearen zu den verzweigten Ketten beobachtet werden. Diese Beobachtung konnte durch in der Literatur beschriebene Endgruppeneffekte erklärt werden, die die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Kette und stationärer Phase in Abhängigkeit ihrer Positionierung entlang der Kette beeinflussen können. Um die verzweigten und linearen Strukturen die durch die entwickelte 2D-LC Analyse getrennt werden konnten, detaillierter zu charakterisieren, wurde die Methode durch einen Dreifachdetektor (TD) erweitert, so dass die Untersuchung des strukturellen Kettenaufbaus des PC verbessert werden konnte. So konnte erstmalig der Verzweigungsgrad in einem 2D-LC-Experiment untersucht und der entsprechende 2D-Konturplot bestimmt werden. Des Weiteren konnten die einzelnen Strukturen quantifiziert und deren absolute Molmassenverteilungen ermittelt werden. Daher bietet die beschriebene Methode zum ersten Mal eine experimentelle Option zur Untersuchung des strukturellen Kettenaufbaus verzweigten PCs. Dies konnte dazu verwendet werde, den Vorhersagekraft statistischer Monte-Carlo (MC) Simulationsmodelle zu überprüfen. MC-Modelle sind im vorliegenden Fall mit dem Ziel entwickelt worden, den strukturellen Kettenaufbau verzweigten PCs durch statistische Methoden zu bestimmen und so die resultierenden rheologischen Verarbeitungseigenschaften des Materials vorherzusagen. Allerdings basieren diese MC-Simulationen auf empirischen Daten und umfassen eine Reihe an Modellannahmen. Diese Kettenstrukturen des verzweigten PCs, die durch MC-Simulationen vorhergesagt werden, wurden mit experimentellen Daten vergleichen, die durch die neuentwickelte 2D-LC-Methode und die Kopplung mit TD erstmals zugänglich sind. Zu diesem Zweck wurden die Molmassenverteilungen und Anteile der linearen und der verzweigten Strukturen in einer PC-Probe mittels Flüssigchromatographie quantifiziert und mit denjenigen von MC-Simulationen verglichen. Die Ergebnisse lieferten ein hohes Maß an Übereinstimmungen und auftretende Abweichungen konnten durch die Modellannahmen der MC-Simulationen erklärt werden. Um die Vorhersagekraft der MC-Simulationen zu optimieren, sollten in weiteren Untersuchungen zusätzliche verzweigte PC-Proben, die sich hinsichtlich ihrer Verzweigungsgrade und Molmassen unterscheiden, charakterisiert werden. Die jeweils ermittelten Anteile an verzweigten und linearen Strukturen könnten mit den Ergebnissen der MC-Simulationen verglichen und diese entsprechend optimiert werden. Des Weiteren könnten die Informationen über den Verzweigungsgrad, die durch die Kopplung des Dreifachdetektors mit der 2D-LC-Methode gewonnen werden, mit denjenigen korreliert werden, die aus den MC-Simulationen abgeleitet werden können. Auf diese Weise könnte das Verständnis des strukturellen Aufbaus verzweigten PCs vertieft, die Vorhersagekraft rheologischer Simulationen verbessert und letztendlich maßgeschneiderte Reaktionsführungen entwickelt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry
07 Department of Chemistry > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
Date Deposited: 26 Jun 2018 05:46
Last Modified: 26 Jun 2018 05:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-74631
Referees: Rehahn, Prof. Dr. Matthias and Busch, Prof. Dr. Markus
Refereed: 28 May 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7463
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