長鎖分岐ポリスチレンの異常な SEC 溶出挙動に関する研究
松香
菊川本川地口良信守正憲＊ 1
之＊ 1也＊ 2剛＊ 3The studies on abnormal elution behavior of long-chain branchedpolystyrene in SEC
Yoshinori MATSUMOTO
Nobuyuki KAGAWA
Moriya KIKUCHI
Seigou KAWAGUCHI

Many long chain branched polymers show the abnormal size exclusion chromatography（SEC）behavior, inwhich the solute is eluted by the non-size exclusion effects. In order to clarify the factor which affects the abnormal
SEC elution behavior, the randomly branched polystyrenes were prepared by the radical copolymerization of styrene
with divinylbenzene, fractionated, and characterized by SEC-MALS measurements.

1．緒言を想定した上で実験値を理論と比較する必要がある。
他の方法、例えば分光学的手法を用いて分岐構造や分高分子の分岐構造は力学特性［1 − 5］、熱力学的作

岐密度に関する直接的な知見が得られる場合には溶液用［6］、ガラス転移温度等［7］に影響を与える可能のデータと合わせることによってより詳細な解析が可性があるため、高分子材料の加工性や性能を改良する能になる。一方、多分散な分岐高分子は分子量と分岐上で重要な因子である。従って、高分子の分岐構造、は重疊するため、特性解析には自ずと限界がある。近特に長鎖分岐構造を特性化することは本質的に重要な

年，高分子の分離分析技術の 1 つであるサイズ排除ク課題である。

ロマトグラフィ（SEC）に多角度光散乱検出器（MALS）

高分子溶液の性質は長鎖分岐の有無に比較的敏感でを付けた SEC − MALS 法が開発され，多分散試料に対あるので、溶液の研究から長鎖分岐の有無や分岐密度しても SEC による分子量分別と各溶出成分の重量平などに関連する情報が得られる。しかしながら、分岐均分子量 M w および z −平均二乗回転半径〈S 2〉z を同と溶液物性との関係は一義的ではなく、分岐形成の過時に測定できる簡便かつ有用な分析手法の 1 つとして程に関する知見に基づいて、あくまで分岐の形（型）広く普及されてきた。

＊1
＊2
＊3

東ソー分析センター 四日市事業部
山形大学工学部
山形大学大学院 有機材料システム研究科

SEC − MALS から得られる M w と〈S 2〉z1/2 の値から、分岐に関する情報を得ることができる。この方法は、1949 年に Zimm と Stockmayer が報告した理論に基づ
55

TOSOH Research & Technology Review Vol.63（2019）

いている［8］。分子量が同じ直鎖高分子と分岐高分子常溶出成分）であることを提示し、非サイズ排除効果

では、分岐高分子の方がより分子サイズが小さくなる。

によって溶出が遅延した高分子量成分が、低分子量成

この関係は収縮因子 g s を用いて次式で定義される。

分と共溶出することによって異常溶出挙動が発現すると報告した。Podzimek らは、異常溶出成分にはカラ〈S2〉
br〈S2〉l M（gs ＝）⑴

ム充填剤と物理的な相互作用（アンカー効果）が働くと考えた。しかし、非サイズ排除効果の詳細なメカニ

2

ここで、〈S 〉は平均二乗回転半径、下付き文字 br はズムは不明である。

分岐鎖を、l は直鎖を、M は同一分子量であることをこのような異常な SEC 溶出挙動が観測される場合、意味する。一般にランダムに分岐したポリマーでは、異常溶出成分には次の相互作用が働く可能性が考えら分子量が増大するとともにポリマー鎖中の分岐数が増れる。

加する。分岐の度合いは、単位分子量当たりの分岐数ⅰ）カラム充填剤との（物理的、または化学的）相互作用γM によって表される。ランダム型、星型、櫛型のポリマーについて、収縮因子とγM、または星型ポリマーⅱ）カラム内における試料間の相互作用の腕の数 f との関係を表す多くの理論式が報告されて通常の SEC では、上記の相互作用が働かないことがいる［8 − 10］。例えば、ランダム型の 4 官能性分岐鎖前提である。しかし、異常な溶出挙動が観測される系

では、g s は次式で与えられる［8］。

においては、この前提が成り立っていない可能性が考えられる。

1
gs ＝
1/2
1/2M/6）［（1＋γM＋（4γM M/3π）］⑵

得るため、異常溶出成分と、正常な溶出挙動を示す成したがって、分岐高分子鎖の分岐に関する情報は、同
2

本研究では、異常溶出のメカニズムに関する知見を1/2分（通常溶出成分）をそれぞれ分取 SEC によって分

一 M w の分岐鎖と線状鎖の〈S 〉 の比から、⑴、⑵式画し、詳細に解析することにより、異常溶出に関与すを用いて得られる［10］。なお、最新の高出力レーザーる因子を定量的に評価した。さらに、異常溶出成分とが付いている MALS 装置でも、原理上の問題から通常溶出成分に分子間相互作用が働いているか調査し21/2〈S 〉z

21/2> 10 nm の高分子でないと正確に〈S 〉zを決た。

定することは難しい。ポリスチレンの分子量で考えると M w > 8 × 104 に対応する。一方、粘度検出器（VIS）を用いた粘度法では M w ＝ 1 × 103 までの分子サイズに関係する物理量が測定可能である［11 − 13］。

2．実

験［1］試料の調製

長鎖分岐を含む高分子の SEC − MALS 測定では、一スチレン（St、99.0％、富士フィルム和光純薬製）部の成分で理想的なサイズ排除機構での分離が行われは、蒸留精製により重合禁止剤を除去したものを用いていないような挙動がしばしば観察される［10 − 11，

た。所定量の St、及びジビニルベンゼン（DVB、96 ％、21/2

13 − 15］。すなわち、溶出の後半では〈S 〉zが保持容新日鉄住金製）を凍結脱気した後に封管し、120℃の量とともに増大する傾向が見られる。
〈S 〉z vs.M w のオイルバスに浸して、無触媒熱バルク（共）重合を行う

プロットにおいても低分子量側で湾曲（アップターン）ことで、直鎖ポリスチレン（PSt）、及び長鎖分岐を有する異常性が見られ、分岐解析の大きな妨げとなってする PSt を重合した。重合条件、及び得られたポリマーいる。同様の傾向は SEC − VIS 測定から得られる固有の M w 、及び分子量分布（M w/M n）を Table 1 に示す。

粘度［η］にも見られる。Podzimek らは、高度に分合成物はメタノール（99.0％、山一化学工業製）で岐した高分子量の長鎖分岐が異常溶出の原因成分（異再沈殿した後、PTFE フィルター（孔径 10μm）でろ2

Table１
sampleL
B3
B4a56

Polystyrenes prepared radical bulk (co-)polymerization
DVBPolym. TimeConv.

Mw×10－4 a(wt％)

(hr)

(％)

（g mol－1）－0.020
0.020

4.0
3.0
4.0

61.3
41.0
52.9

32.3
50.4
60.8

Mw/Mna
2.09
2.53
2.87

Determined by SEC calibrated with polystyrene as a standard in THF.

東ソー研究・技術報告第 63 巻（2019）

過し、40℃で一晩真空乾燥した。得られた PSt はいず価すると推定されたため、M w 及び〈S 2〉z の計算には、れも THF（99.0％、関東化学製）に可溶であった。長高散乱角側の結果を用いた。

鎖分岐 PSt の分子量分別は、溶離液にクロロホルム（99.0％、純正化学製）、カラムに東ソー製 GMHHR − H（21.5mmI.D. × 30cm）、日本分析工業製のリサイクル
分取 SEC システム（NEXT）を用いて、室温で 7 mL−13．結果と考察［1］重合した PSt の SEC 溶出挙動
Fig.2 に、 重 合 し た PSt の SEC 曲 線 と〈S 2〉z1/2 を

min の流速で行った。

示す。SEC 曲線より、St のみで重合した直鎖 PS の Lに対して、DVB を加えて合成した B3、B4 は約 23.8

［2］SEC − MALS 測定
多角度光散乱検出器（MALS、Wyatt Technology 製

mL 以下の高分子量成分が増大しており、分岐鎖が合DAWN HELEOS、レーザー波長λ＝ 658 nm）を備え成されているものと推定された。一方、約 23.8mL 以

た SEC − MALS を用いて測定した。SEC 測定は、溶上の低分子量領域においては、各試料の SEC 曲線は離液に THF、脱ガス装置に日本分光製 DG − 2080 − 53、一致しており、ほぼ直鎖成分であること、B3 と L は、ポンプに Agilent 製 1100 シリーズアイソクラティック

同一溶出体積の〈S 2〉z1/2 がほぼ同じであり、B3 は L

ポンプ、カラムオーブンに日本分光製 CO − 2060 Plus、と同様にサイズ排除に従って正常溶出されたものと考RI 検出器に東ソー製 RI − 8020 を用いて、カラム温度えられた。一方、より高分子量成分が多く含まれる−125 ℃、1.0 mL min の流速で行われた。分析カラムは

B4 には異常な溶出挙動、すなわち約 24 mL 以上におShodex 製 KF − 806L を三本連結して用いた。MALS のいて〈S 2〉z1/2 が溶出体積とともに増大する傾向が見ら校正は既報に従って行った［16］。Fig.1 に、各溶出体れた。Fig.3 に〈S 2〉z1/2 と M w の両対数プロットを示

積の q 2 に対する（KC p/R θ）1/2 のプロットを示す。こす。B4 では M w < 約 5 × 105 の低分子量領域においてこで、K は光学定数、C p はポリマーの質量濃度、R θ湾曲（アップターン）が確認された。一方、M w > 約 5は散乱角度θにおける過剰レイリー比である。q は散× 105 の高分子量領域では、B4 は B3 と同一線上に並乱ベクトルの絶対値であり、散乱角θ と溶媒の屈折率 n 0 を用いて q ＝ 4πn0sin（θ /2）/γで定義される。

：L［KCp/Rθ］1/2×103(g－1/2mol1/2)

各溶出体積における濃度は非常に希薄であるため、濃度効果の第 2 ビリアル係数の影響を無視し、式⑶を用いて Fig.1 で示した Berry プロットの切片及び初期勾配から、M w 及び〈S 2〉z をそれぞれ決定した。

(11
KCp 1/2＝ 1/2 1＋ 〈S2〉z q2＋…
Mw6Rθ［ ］)⑶

2が、B4、25mL ではq が小さくなる低散乱角側で、（KC p/R θ）1/2 の急激な落ち込みが確認された。Berry プロッ

Fig.１：B425mL

2.5
1.5

23mL

1.00.5

Fig.1 に示すように、試料 B3 と L ではいずれの溶出体積においても Berry プロットはほぼ直線であった

：B3

3.0

21mL0246q2×104（nm－2）

8

Berry plots of (KCp/Rθ)1/2 as a function q2 forsynthesized polystyrenes at the indicated retention
volume by SEC-MALS.

トが大きく湾曲する原因として、異常溶出によって溶出成分が多分散性を有している可能性が考えられた。
性を有する試料では高分子量成分の影響が強く表れる、さらに、高分子量成分では散乱角依存性（非等方性散乱）が強いため、低散乱角（低い q 2）では、高分子量成分は低分子量成分に比べて散乱強度は著しく高い。従って、低散乱角側の方が高散乱角側よりも勾配が大きくなり、結果として Berry プロットが大きく湾曲したと推定された。大きく湾曲した Berry プロット
では、低散乱角側で、見かけ上高分子量成分を過大評〈S2〉z1/2(nm)散乱光強度（∝ R θ）は M w に比例するため、多分散

100

LB3B450B4018B3L20222426
Retention Volume (mL)

28Fig.２ 〈S2〉z 1/2 vs retention volume plots of synthesized
polystyrenes determined by SEC-MALS. SEC curves
is also shown here.

57

TOSOH Research & Technology Review Vol.63（2019）

んでおり、収縮因子 g s と単位分子量当たりの分岐数

original はいずれも、同一溶出体積における〈S 2〉z1/2

γ M が同値であると考えられた。

が一致しておらず、見かけ上はサイズ排除に従って溶

21/2

Fig.3 中、 直 鎖 PSt（L） の〈S 〉z−20.60

1.17 × 10 M w

21/2は、〈S 〉z＝出しているように見える溶出初期の領域であっても、（実線）で表された。この結果は中実際には異常溶出していると考えられる。Fr1 では約2＝ 1.18 ×23mL 以上において、〈S 2〉z1/2 がほとんど変化しない（約10 − 2M w0.6）とほぼ一致した。異常溶出が示された B4100nm）ことが確認された。これより、約 23mL 以上について、式⑴、⑵と直鎖 PSt の実験値を用いてγMで溶出した成分のほとんどが異常溶出成分であり、低6分子量の通常溶出成分がほとんど含まれていないと推1/2

村らにより報告された結果［17］（〈S 〉zを求めた。Fig.3 に示すように、B4 の M w > 約 5 × 1021/2の領域における〈S 〉z−6はγM ＝ 1.5 × 10 とする計算曲線（破線）によって表すことができた。したがっ5定された。
Fig.5 に示すコンホメーションプロットにおいて、て、分岐点間分子量（1/γM）は 6.7 × 10 であると決

異常溶出しなかった Fr3 のみが真の値を示している定された。Table 1 に示した St と DVB のモノマー仕と推定された。Fr3 の分岐点間分子量（1/γM）は 5.9−4込みは［DVB］/［St］＝ 2 × 10 である。アゼオトロー× 105 であり、original の値（6.7 × 105）よりも 10％プ共重合（r 1 ＝ r 2 ＝ 1）を仮定し、ペンダント 2 重結程度低い値であった。異常溶出した Fr1、Fr2、及び合も同じ反応性ですべて消費されたとすると、γM ＝original では、Fr3 よりも同一溶出体積の〈S 2〉z1/2 が1.5 × 10 − 4 である。実測された分岐数γM は、重合反大きくなる傾向が見られた。この原因として、サイズ応から期待される値の 1/100 程度である。ポリマー鎖排除機構によって分離された Fr3 では、〈S 2〉z1/2 と M wに取り込まれた DVB のペンダント 2 重結合の反応性の重み付けは同じであるが、非サイズ排除機構によっの低下や立体障害などが低下の原因であると考えられて分離された多分散成分（Fr1、Fr2、及び original）

る。

では、z 平均値である 〈S 2〉z1/2 の方が重量平均値であ［2］分子量分別成分の SEC 溶出挙動

る M w より高分子量成分の影響を強く反映するためで異常な溶出挙動を示した B4 試料の高分子量成分にあると考えられた。

対して分取 SEC 装置を用いて分画を行った。Fig.4、及び Fig.5 に、未分別（original）、及び分別品（Fr1 − 3）認された。一方、低分子量の分画成分である Fr3 ではほぼ正常な溶出挙動を示した。Fr3 では 19.6mL から溶出ピークの立上がりが見られることから、19.6mL〈S 2〉z1/2(nm)の分画成分である Fr1、Fr2 では異常な溶出挙動が確以下に現れる M w > 5 × 106 の成分が異常溶出成分でであった。約 20 ～ 23mL の領域において、Fr1、Fr2、Fr2

Fr3original

Fr1 Fr2 Fr3 original

100500あると推定された。なお、Fr1、Fr2、original における溶出の立ち上がりは、それぞれ 18.7、19.0、19.3mL

Fr1150について SEC − MALS 測定した結果を示す。高分子量1820222426Retention Volume (mL)28

Fig.４ 〈S 2〉1/2 vs retention volume plots of original (B4shown Table 1) and fractionated polystyrenes
determined by SEC-MALS. SEC curves is also
shown here.

〈S 2〉z1/2(nm)

102

LB3
B4
10105

106107M w (g mol－1)

Fig.３58

Conformation plots for synthesized polystyrenes
determined by SEC-MALS. The solid line is theextrapolated value, and the broken line is thetheoretical value calculated by eq. (1), (2) when
γM＝1.5×10－6.

〈S 2〉z1/2(nm)Fr1Fr2Fr3original

10210105106107

M w (g mol－1)

Fig.５

Conformation plots for original and fractionatedpolystyrenes determined by SEC-MALS.

東ソー研究・技術報告第 63 巻（2019）

ここで、P x（q ）は MALS から得た散乱形状因子、w は［3］異常溶出成分の解析
異常溶出成分と通常溶出成分に分子間相互作用が働重量分率である。下付き文字 a は異常溶出成分を、nいているか検証した。検証方法として、異常溶出成分、は通常溶出成分を表す。なお、計算に用いた異常溶及び通常溶出成分の各単独成分と、混合成分の溶出挙出成分は、Fr1、23.6 mL（M w ＝ 7.1 × 106、〈S 2〉z1/2 ＝動との比較を試みた。仮に、分子間相互作用なしに各105nm）のデータを、通常溶出成分は Fr3 のデータを成分が共溶出するのであれば、各単独成分の足し合わ用いた。

せによって混合成分の溶出挙動が再現できると考えら

Fig.6（a）に、計算に用いた異常溶出成分と通常溶出れる。しかし、異常溶出成分は微量であり、実験的に成分 の Berry プ ロ ッ ト を、Fig.6（b）に Fr2 の Berry必要量を分取することが困難であったため、実験デー

プ ロットの実験結果とフィッティング曲線を示す。

タを元に計算によって比較した。以下に計算方法を記

Fig.6（b）より、溶出体積によらず Berry プロットの実述する。

験値はフィッティング曲線にてよく表された。図には式⑷を用いて任意分量の異常溶出成分を通常溶出成示さないが、Fr1 と original についても、Fr2 と同様に、分に混合した場合の散乱形状因子 P x（q ）を計算し、式実験値の Berry プロットをよくフィッティングするこ⑸に代入することで Berry プロットを計算し、実験値とができた。これより、異常溶出成分と通常溶出成分とフィッティング可能であるか調べた。に分子間相互作用が働いていないことがわかった。
Berry プロットのフィッティング計算に用いた、異waMaPa(q)＋wnMnPn(q)P（q）＝x
waMa＋wnMn

常溶出成分の SEC 曲線をそれぞれ見積もった結果をFig.8 に示す。なお、濃度 C p は式⑹を元に、RI から［KCp/Rθ］1/2×103(g－1/2mol1/2 )2.0(a)
Frl, 23mL

1.522mL
21mL

1.020mL
Fr3, 23.6mL

0.500246q2×104（nm－2）(b)Fr2, 23mL

1.522mL

1.021mL
20mL0.500246q2×104（nm－2）

8001820222426
Retention Volume (mL)

20〈S2〉z1/25010wa001820222426
Retention Volume (mL)(c)original
100〈S2〉z1/2original40
Cp (μg/mL)

10

Fr1

Cp (μg/mL)

wa(b)Fr2100

wa (wt％),〈S2〉z1/2 (nm)wa (wt％),〈S2〉z1/2 (nm)〈S2〉z1/2

20wa (wt％),〈S2〉z1/2 (nm)Fr1

Cp (μg/mL)(a)Fr1

Fig.７

82.0

Berry plots of (KCp/Rθ)1/2 as a function q2 for fractionated polystyrenes at the indicated retention
volume by SEC-MALS. (a) Fr1 at various volume and Fr3 at 23.6mL which were assumed as
normally and abnormal elution components, respectively. (b) curve fitting results for Fr2. (◯)
is experimental and, broken line is fitting curve.

10050

求めた。

⑸

［KCp/Rθ］1/2×103(g－1/2mol1/2 )＋ α( )KCp 1/2－1/2＝［MwP(q)］
Rθ

Fig.６

常 溶 出 成 分 の 重 量 分 率 wa を Fig.7 に、wa を 元 に 異⑷1050
wa0018 20 22 24 26 28Retention Volume (mL)wa (defined as weight fraction of abnormal elution component) vs retention volume plots estimatedusing eq. (4), (5) for (a)Fr1, (b)Fr2, and (c)original.〈S2〉z1/2 vs retention volume plots and SEC
curves shown here.

59

TOSOH Research & Technology Review Vol.63（2019）0018202224
26
Retention Volume (mL)

Fig.８

1050

1000018202224
26
Retention Volume (mL)50

40
Cp (μg/mL)

1050

100(c)original

20〈S2〉z1/2 (nm)Cp (μg/mL)〈S2〉z1/2 (nm)100(b)Fr2

Cp (μg/mL)

20〈S2〉z1/2 (nm)(a)Fr1100018 20 22 24 26 28
Retention Volume (mL)

SEC curves of total components (solid line) and abnormal elution components estimated usingeq. (4), (5) (broken line) for (a)Fr1, (b)Fr2, and (c)original.〈S2〉1/2 (◯) is also shown here.

I ＝ k・（dn/dc）
・Cp⑹

I は RI 検出器の信号強度、k は装置固有の定数を示す。

5．参考文献［１］César A. García-Franco, Bruce A. Harrington,

SEC 曲線の面積比から見積もった異常溶出成分の含有David J. Lohse, Macromolecules ,39,7（2006）

率は、original（B4）、Fr1、Fr2 においてそれぞれ 1.6、

［２］D. Yan, W.-J.Wang, S. Zhu, Polymer , 40, 7（1999）

86、25％であった。original では異常溶出成分が非常［３］Wasserman, S. H., Graessley, W. W., Polym. Eng.に少なく、2％以下のわずかな異常溶出成分が全体の溶出挙動に影響していることがわかった。一方、Fr1
ではほとんどが異常溶出成分であった。Fr1 は単分散に近く、かつほとんどが異常溶出成分であることから、

Sci ., 36,6（1996）［４］C. K. Chai, J. Creissel, H. Randrianantoandro,

Polymer , 40, 15（1999）［５］F. Snijkers, E. van Ruymbeke, P. Kim, H. Lee, A.

サイズ排除による分離はほとんどされておらず、非サ

Nikopoulou, T. Chang, N. Hadjichristidis, J. Pathak,

イズ排除効果による分離が主体であったと考えられ

D Vlassopoulos, Macromolecules , 44, 21（2011）

る。

［６］M. Gauthier, J. Chung, L. Choi, T. T. Nguyen,J. Phys. Chem. B, 102, 17（1998）.
［７］K. L. Wooley, C. J. Hawker, J. M. Pechan, and J.

4．まとめ

M. J. Fréchet, Macromolecules , 26, 7（1993）

長鎖分岐高分子においてしばしば観測される、サイズ排除によらない異常な SEC 溶出挙動の要因を調べるため、ランダム分岐型の長鎖ポリスチレン（平均分5［８］M. Kurata, M. Fukatsu, H. Sotobayashi, andH. Yamakawa, J. Chem. Phys., 41, 139（1964）［９］W. Burchard, Adv. Polym. Sci ., 143, 113（1999）

岐点間分子量（1/γM）は 5.9 × 10 ）について、異常［10］S.Podzimek, Wiley 2011. DOI:［978-0470386170］.

溶出に関与する因子を評価した。分取 SEC を用いて［11］S. Podzimek, T. Vlcek, and C. Johann, J. Appl.

分子サイズにより分画した成分を SEC − MALS を用いて評価した結果、見かけ上サイズ排除に従って分離しているような場合でも、すなわち溶出体積が増大するにつれて〈S 2〉z1/2 が減少するような場合でも、実際には異常溶出が発現していることがわかった。重合し6たポリスチレンでは、M w ＝約 5 × 10 以上の高分子量成分が異常溶出の原因成分であると判明した。この異常溶出成分は、約 2wt% のわずかな量であっても全体の溶出挙動に影響を及ぼし、結果としてコンホメーションプロットから計算した分岐点間分子量を約10％程度高く見積もることが示された。

Polym. Sci ., 81, 7（2001）［12］K.Tribe, G.Saunders, and R.Meissner, Macromol.

Symp ., 236（2006）［13］F. J. Stadler, J. Kaschta, H. Münstedt, Rheologica

Acta , 48, 5（2009）［14］S. Podzimek, T. Vlcek, J. Appl. Polym. Sci ., 82, 2（2001）［15］M. Wintermantel, M. Antonietti, and M. Schmidt.

J. Appl. Polym. Sci ., 52（1993）［16］M. Kikuchi, R. Nakano, Y. Jinbo, Y. Saito, S.
Ohno, K. Enomoto, A. Narumi, O. Haba, and S.

異常溶出の原因として、異常溶出成分と通常溶出成

Kawaguchi, Macromolecule , 48, 16（2015）

分の間に分子間相互作用が働く可能性について調査し［17］Y. Nakamura, Y. Wan, J. W. Mays, H. Iatrou, N.

た結果、分子間相互作用が働かないことが示された。

Hadjichristidis, Macromolecules , 33, 22（2000）

60