● 2D − HPLC を用いた高分子材料の組成解析
東ソー分析センター

四日市事業部

解析グループ東ソー分析センター

四日市事業部

平井松本
香川貴康
良憲
信之

で貢献することを目指すものである。

1．はじめにプラスチック、ゴム、繊維など、高分子材料は身の回りのあらゆる製品に利用されている。高分子の特性

2．共重合体の組成分布解析の一つに、分子量が単一ではなく分布を持つことが挙共重合体のキャラクタリゼーションにおいて、分子げられ、通常はその平均値および分布の広がりの程度量の測定にはゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）をが材料を特徴づける値として用いられている。また、用いるケースが最も多いのではないかと考えられる。

近年ではより高機能な製品の開発を目的に、複数種の粘度法や沈降速度法など、高分子の平均分子量を求めモノマーから成る共重合体や、多成分系の高分子が設る方法は多く存在するが、GPC は他の手法と異なり、計されることも一般的となっている。

分子量分布まで評価可能な点で優位である。

共重合系において、各モノマーの反応性比は異なる一方、共重合組成を評価する手法としては、フー場合が多く、モノマーの消費率の変化に伴い、徐々にリエ変換赤外分光法（FT − IR）や核磁気共鳴分光法

組成の異なる共重合体が生成する。結果として、生成（NMR）、元素分析法などが一般的である。しかしな物の組成は均一とならず、ばらつきが生じる（図１）。

がら、これら手法より得られるのは試料全体の平均組

このため、共重合体試料では分子量分布に加え、組成成のみであり、単独で組成分布を評価する事は不可能の分布も存在している。

である。組成分布を評価するためには、まず GPC 分

この分子量分布および組成分布は、合成高分子の熱取などで分子量分別を行い、分画した成分ごとに FT −的・機械的性質に直接影響を及ぼすパラメータである。

IR や NMR などを用いて組成分析する必要がある。

したがって、分子構造を詳細に把握する事は、材料のGPC の検出器として FT − IR を接続し、各分子量で機能性制御に不可欠であり、こうした背景から共重合の IR スペクトルを連続的に得る GPC ／ FT − IR 法はそ体の構造解析の重要性は高まっている。の一例であり、本技術により詳細なキャラクタリゼー

そこで本報告では、高分子材料の組成解析手法としションが可能となった 1,2）。ただし、分子量毎に分画て近年発展を遂げている、二次元（2D）−高速液体ク

してもなお、得られる値は各分子量での平均値であり、ロマトグラフィー（HPLC）法の技術についてまとめ同じ分子量の中での組成のばらつきについては知り得た。なお、本技術は「産業と技術革新の基盤を作ろう」ないという課題も残っていた（図２− a, b）。という SDGs の目標に対し、分析技術の進展という形

近年、HPLC を用いた組成解析の有効性が明らかと各モノマーの反応性比が等しい各モノマーの反応性比が異なる

6：6

2：10

5：5

3：7

4：4

4：4

3：3

4：2

2：2

3：1
各分子量でとの比率が等しい（組成分布なし）

図１

各分子量でとの比率が異なる（組成分布あり）

高分子共重合体における組成分布のイメージ図

107

TOSOH Research & Technology Review Vol.64（2020）c）2D－HPLC
成分 A の比率［％］b）GPC ／ FT－IR

成分 A の比率［％］

成分 A の比率［％］a）GPC 分取＋FT－IR（NMR）

Log M

Log M

得られる組成情報△（平均組成）◯（平均組成）◎（分布の広がり）感度◎△◯

所要時間×◎◯

図２Log M

組成分布解析手法とそれぞれの特徴なり、分子量に依存せず極性のみで共重合体を分離す
ΔH＝0る「GPEC（Gradient Polymer Elution Chromatograph）」

ΔH＝TΔS（サイズ排除モード）（臨界吸着点）

ΔS＝0（分配／吸着モード）

分子量という手法が確立された。
今回紹介する 2D − HPLC は、この GPEC と GPC を組み合わせて分子量と組成、両方の分布を解析する手法である（図２− c）。以下ではまず、GPEC について概説する。
保持容量

図３3．HPLC による組成解析

各分離モードにおける分子量と保持容量の関係

HPLC では、固定相（カラム充填剤）と移動相（溶媒）のいずれに溶質が分配しやすいかの違いで成分が分離

なお、図３に示すように、サイズ排除モードと分配される。この時の分離係数 K は、ギブスの自由エネ／吸着モードでは分子量に対する溶出の順序が逆の挙

ルギー変化Δ G と関連しており、⑴式で表すことが動となる事が知られている。

できる 3）。

ところで⑴式において、Δ H とΔ S が変動すると

( )

( )

( )

ΔH
ΔS
ΔG
K ＝ exp －＝ exp －・exp
RTRRTき、K ＝ 1、つまり固定相と移動相への分配性が等⑴しくなる点もまた存在する。この状態は臨界吸着点（ G：自由エネルギー、H：エンタルピー
T：絶対温度、
S：エントロピー ）（CPA:Critical Point of Adsorption）と称され、CPA で⑴式の右辺、エンタルピー項は溶質と固定相の相互性 質 が 知 ら れ て い る。 こ の CPA を 用 い た HPLC の作用、エントロピー項は溶質の分子サイズの変化にそ手 法 と し て、「LCCC（Liquid Chromatography at the

れぞれ対応する。GPC は HPLC の一種であるが、溶Critical Conditions」 と「GPEC」 の 2 つ が 存 在 す る。

質は充填剤と相互作用しない事が前提である。これは両者の違いは移動相が単一か、溶媒グラジエントを用Δ H ＝ 0 の条件であるため、分子サイズの違いのみいているかである。LCCC は、ある 1 成分の CPA にで成分が分離される。

合わせた移動相を用いるため、精密な成分分離が可能

は同じ組成の成分は分子量に依らず同時に溶出する

一方、理想的な分配 / 吸着クロマトグラフィーでは、となる 4）。しかし、1 成分の CPA に移動相を固定する溶質の立体配座の変化は起こらず（Δ S ＝ 0）、分配ことで、分析対象が 3 成分系以上の場合や連続的な組係数はエンタルピー変化によってのみ決まるとされて成分布を有する試料の場合は十分な効力を発揮できないる。ただし、実際には固定相との相互作用の際に、い。

立体配座の変化が少なからず生じるため、分配係数はこれに対し、GPEC では、多成分系試料にも適用がΔ H とΔ S の関数となる。すなわち、順相、逆相と可能である。分離の原理図を図４に示す。一般的な呼ばれる一般的な HPLC の条件では、サイズ排除モーHPLC と同様、GPEC では試料を良溶媒に溶解して注ドと分配／吸着モードが足し合わさった複雑な溶出挙入するが、系内には貧溶媒を満たしておき、試料をカ動を示す。

ラム内で析出させる。その後、移動相の良溶媒比率を108

東ソー研究・技術報告第 64 巻（2020）

析出再溶解

貧溶媒溶出（臨界吸着点）

良溶媒

図４

良溶媒比率を上げていく

カラム

GPEC による分離の原理

徐々に上昇させていくと、析出した試料が再溶解し、最大の特徴は 1 次元目のカラムの後ろに設けられある組成に達したときカラムから溶出する。この溶出た「切替バルブ」である。切替バルブには複数のルー

5）時の移動相が、その成分の CPA に相当する 。グラプが設置されており、1 次元目のカラムを通過した後ジエントにより溶媒組成が連続的に変わるため、CPAの試料溶液を等量ずつ溜めていく事が可能となる。各が異なる複数成分についても順次溶出させる事が可能

ループに溜められた試料溶液はその後、流路を切り替となる。

えることで 2 次元目のカラムに順次導入され、1 次元目とは異なる機構で分離される。

ただし、GPEC の課題として、分子量約 1 万以下の低分子量成分は保持時間に分子量依存性が出る事や、逆に高分子量成分では再溶解が遅れ、正確な保持時間

5．2D − HPLC による組成分布解析事例紹介を評価できないケースが存在する事も報告されている 5）。

［1］エチレン−酢酸ビニル共重合体（EVA）の組成分
布解析
エチレンに酢酸ビニル（VA）を共重合して製造さ4．2D − HPLC 測定原理

れる EVA 樹脂は、低温特性や耐候性に優れるという二次元クロマトグラフィーとは、異なる分離条件を特徴がある。VA 含量によりゴム弾性や接着性などの組み合わせて 2 段階での分離を行う手法の総称であ特性が変化し、低 VA グレードはフィルムやシートに、り、通常のクロマトグラフィーではピークが重なって高 VA グレードは接着用途に利用される。今回は、VA

6）

しまうような類似成分が共存する場合に有効である 。

含量 80.0wt％の EVA について、2D − HPLC による組

前述の通り、高分子共重合体には分子量と組成に関す成分布解析を実施した。

る分布が存在するため、分子サイズによる分離を行う⑴

試料および測定条件

GPC と、化学組成による分離を実現する GPEC の組

EVA は Scientific Polymer Products 製 で、 平 均 VAみ合わせでの評価が効果的である。2D − HPLC の装置

含量 80.0wt％の試料を用いた（※平均 VA 含量は、1H構成を図５に示す。

− NMR によって測定されたメーカー付与値）
。また、

2 次元目

移動相 2

試料

1次元目

切替バルブ

移動相 1

図５

2D－HPLC の装置構成図

109

TOSOH Research & Technology Review Vol.64（2020）

組成検量線作成用の試料として、Scientific Polymer［2］スチレン−ブタジエンゴム（SBR）の組成分布解析

Products 製の VA 含量の異なる EVA、および較正曲線

SBR は耐摩耗性や耐熱性、耐老化性に優れ、加工性作成用として東ソー製のポリスチレン（PS）を用いた。

も高い事から、自動車用タイヤやホースなど多くの用また、各種分析条件は表１に示した。

途で利用されている合成ゴムである。SBR の材料特性
は、スチレン（St）とブタジエンの共重合比を変える⑵事で変化する事が知られている 7）。今回は、市販 SBR（St

解析結果解析結果を鳥瞰図、および等高線図で示す（図６−含量：23.4wt％）について、分子量に対する共重合組a,b）。各図において、VA と表示された軸は GPEC よ成の変化を 2D − HPLC により評価した。

り求めた VA 組成を、Log M と表示された軸は GPC⑴

試料および測定条件より求めた分子量の対数値をそれぞれ示す。今回用いSBR は ス ペ ク ト ラ・ フ ォ ー ラ ム 製 で、 平 均 St 含

た EVA は、VA 含量が約 80wt％、分子量約 10 万の地量 23.4wt％の試料を用いた（※平均 St 含量は、1H −点をピークトップとし、そこからほぼ同心円状にピーNMR によって測定されたメーカー付与値）。また、組クが広がっている事が読み取れた。また、図６− b 中

成検量線作成用の試料として、スペクトラ・フォーラの赤色の太線は、各分子量における平均 VA 含量を記

ム製のポリブタジエン、および NIST 製のポリスチレしたものである。以上より、本試料は分子量に対するン（PSt）、較正曲線作成用として東ソー製の PSt を用

組成分布は存在しないと判断した。また、メーカー付いた。また、2D − HPLC 分析条件は表２に示した。

与値から大きく組成の異なる共重合体は含まれておらず、組成のばらつきの小さい試料であると考えられる。

⑵

解析結果得られた結果を 2 次元等高線図として示す（図７）。

EVA の組成分布解析のための 2D－HPLC 測定条件

表１

装置：1290 lnfinity Ⅱ 2D－LC システム（Agilent 製）■1 次元目（GPEC）
カラム ：TSKgel ODS－100V（4.6mmI.D.×7.5cm）（東ソー製）
移動相 ：A 液…水／ MeOH＝80 ／ 20、B 液…THF
A ／ B＝50 ／ 50（0min.）→25 ／ 75（60min.）→20 ／ 80（70min.）
流速：0.05mL ／ min.
試料濃度：1.0mg ／ mL
注入量 ：20μL■2 次元目（GPC）（東ソー製）
カラム ：TSKgel SuperAWM－H（4.6mmI.D.×7.5cm）
溶離液 ：THF
流速：0.7mL ／ min.
検出器 ：蒸発型光散乱検出器（ELSD）（Agilent 製）

a）b）
VA 含量［wt％］400Output［mV］

300
200
10039042ndLog（G5MPC）

80

6770］

％

wt［VA180）

ECGP（st9070345Log M

67スケールバーは ELSD の出力電圧（mV）に相当する。また、図中の赤色の太線は各分子量における平均 VA 含量を示す

図６110a）2D－HPLC による EVA（VA＝80wt％）の鳥瞰図、b）2D－HPLC によるEVA（VA＝80wt％）の等高線図

東ソー研究・技術報告表２第 64 巻（2020）

SBR の組成分布解析のための 2D－HPLC 測定条件

装置：1290 lnfinity Ⅱ 2D－LC システム（Agilent 製）■1 次元目（GPEC）
カラム ：TSKgel ODS－80Ts（4.6mmI.D.×25cm）（東ソー製）
移動相 ：A 液…アセトニトリル、B 液…THF
A ／ B＝70 ／ 30（0min.）→0 ／ 100（25min.）
流速：0.4mL ／ min.
試料濃度：1.0mg ／ mL
注入量 ：20μL■2 次元目（GPC）（東ソー製）
カラム ：TSKgel SuperHM－M（6.0mmI.D.×15cm）
溶離液 ：THF
流速：0.6mL ／ min.
検出器 ：蒸発型光散乱検出器（ELSD）（Agilent 製）

リマーブレンドの分離定量への活用も可能であり、今St 含量［wt％］30

後さらに適用範囲は広がると考えられる。

25207．参考文献

1510１）A. J. P. Van Zyl, S. M. Graef, R. D. Sanderson,B.
3456Log M

78スケールバーは ELSD の出力電圧（mV）に相当する。
また、図中の赤色の太線は各分子量における平均 St含量を示す

図７2D－HPLC による SBR（St＝23.4wt％）の等高線図

Klumperman, H. Pasch, J. Appl. Polym. Sci ., 88,2539（2003）
２）P. J. DesLauriers, D. C. Rohlfing, E. T. Hsieh,Polymer, 43, 159 − 170（2002）
３）H.Pasch, B.Trathnigg, HPLC of Polymers , 17 − 23（1997）

分子量に対して組成が均一であれば、等高線は真横に４）M. Janco, T. Hirano, T. Kitayama, K. Hatada, D.

広がる事になるが、今回の試料では左斜め方向に傾い

Berek, Macromolecules , 33, 1710 − 1715（2000）

た楕円となっており、低分子量側ほど St 含量が高い

５）香川信之、岡﨑玲子、伊藤明、分析化学、59（9）、傾向にあると言える。
なお、分子量 100 万付近の領域に注目すると、等高線が低 St 側に尾を引くように広がっている様子が確認される。この部分については、実際に高分子量側に低 St 成分が含まれる可能性もあるが、GPEC で再溶

793（2010）
６）H.Pasch, B.Trathnigg, Multidimensional HPLC ofPolymers , 95 − 98（2013）７）藤本邦彦、右田哲彦、松井正行、粕谷辰男、材料、16（166）、466 − 468（1967）

解が遅れた高分子量成分が検出されている可能性が高いと推定される。

6．まとめ
機能性材料を開発する上で、材料の分子特性を詳細に把握することは必須である。従来、高分子共重合体の組成分布解析には、GPC 分取などを組み合わせる必要があり、分析に工数を要した。本稿で紹介した
2D − HPLC 技術は、オンラインで分子量分布と組成分布解析を実現し、短時間でより詳細な高分子のキャラクタリゼーションを可能とするものである。共重合組成の評価の他にも、グラフト化反応の進行の確認、ポ111