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Q&A

高分子材料用のNMR

多成分ポリマーシステムの特性評価入門

ポリマーの特性評価を効果的に行うためには、低コストかつ高精度が不可欠であり、低磁場核磁気共鳴(NMR)分光法により、コストが高く破壊的な方法から代わるきっかけとなるデータが提供されています。

最近のウェビナーでは、オーバーン大学の助教授であるブライアン・S・ベッキンガム博士とオックスフォード・インストゥルメンツのマルセル・ラッヘンマン氏が、NMR分光法がどのようにポリマーの組成・微細構造・物性を特徴づけ、合成反応をモニターするかを説明しています。

ライブQ&Aセッションのハイライトをお読みいただくか、ウェビナーの全文をオンデマンドでご覧ください。

Marcel Lachenmann, Oxford Instruments

Dr. Bryan S. Beckingham, Auburn University

Blue Polymers

Q: X-Pulseの温度可変範囲(VT)とは何ですか?VTレンジ以上のサンプルを分析することは可能ですか?

ML: X-PulseのVTレンジは20~60℃で、ポリマーや他の種類の化学薬品など、多くの用途に役立ちます。しかし、すべての化学物質がこの低い温度で溶解できるわけではありません。可変温度の限界よりもやや高い温度でも可能です。72℃でのデータがありますが、ハイエンドでの限界をすべてテストしたわけではありません。200℃は難しいでしょうが、異なる温度範囲についてのお問い合わせには喜んで対応します。

Q: 統合や計算を自動で行うことで、ユーザーの手計算をなくすことはできますか?

ML: はい、積分や計算は自動で行うことができます。装置に付属のMestrelab Mnova処理ソフトウェアはスクリプト化することができますので、スクリプトを使用して完全自動処理を行うことができます。

Q: 分析するポリマーの代表的な平均分子量と、分析可能と思われる分子量の高いポリマーを教えてください。

BB: 私たちが作っている材料のほとんどは、ローエンドでは1モルあたり5,000グラムからハイエンドでは1モルあたり15万グラムになります。ローフィールドについては、それ以上のテストはしていません。PulsarのNMR管内で架橋ネットワーク重合を行ったことがありますが、ここでは必ずしもポリマーを追跡しているわけではなく、モノマーを追跡しています。NMRチューブの中で得られるもの以外に、実用的な限界があるかどうかはわかりません。

Q: ビニル系共重合体・ブレンド・合金などの低磁場NMRの応用を知っていますか?

ML: ビニル系共重合体には確かに用途がありますが、ブレンドや合金についてお話ししたいと思います。私たちは、人々が興味を持っているポリマー業界でのアプリケーションの種類についてもっと知りたいと思っています。感度は十分でしょうか?それは素晴らしい質問で、サンプルとアプリケーションに依存します。例えば、これはビニルコポリマーではありませんが、ポリスチレン-コ-ブタジエンポリマーやポリマー組成物を使用することができます。これは是非とも皆さんと相談したいところです。

BB: ビニル共重合体システムについて補足します。私は、ポリプロピレンについて話していると仮定しています。私たちは、産業界のパートナーと一緒に、低磁場装置でポリプロピレンを使った研究をしてきました。プロピレンは溶解度の問題からNMRを行うのが難しいので、高磁場での測定と同じ問題が発生します。これらの系の感度は脂肪族領域にあり、一般的にポリマーにとってはより厄介な領域です。

Q: ポリスチレンのNMRでは、CとHの脂肪族性による高い電界吸収がないのはなぜですか?

BB: ポリスチレンの脂肪族ピークがありますが、1.9ppmほど低下しています。バックボーンのCH2基は1~2ppmの範囲にあります。共重合体や混合物の分析では、これらのピークはあまり使用しない傾向にあります。ビニル基を使った方が積分には使いやすいからです。ビニル基は使用できますが、最後の質問で申し上げたように、脂肪族領域はポリマー、特にこのような炭化水素ポリマーの場合、より複雑です。しかし、ここで示したスペクトルの多くから切り取っただけです。

Coloured Polymers

ML: それは、多くの人が考えるNMRとは少し違っていて、卓上型NMRが、最も簡単に情報を得ることができるものに集中している、ということがよくわかります。スペクトル全体を見る必要はありませんが、必要なのは、スペクトルの中で最も簡単に得られる部分を見ることで、必要な答えが得られるのです。

Q: ピークデコンボリューションは、このベンチトップNMRのピーク分解能に役立つのでしょうか?

ML: 我々は多くのピークデコンボリューションを行ってきましたが、特定のサンプルのデータを分析するのに役立ちます。実際のサンプルにもよりますが、リファレンスデコンボリューションは私たちの場合はうまく機能しました。また、グローバルなスペクトルデコンボリューションが可能なMnovaソフトウェアも使用しています。私は数学者というよりも分光学者なので、数学的アルゴリズムよりもデータを信頼する傾向があります。経験から言えることは、これは有用な手法であり、デコンボリューションの適用に注意を払えばうまくいくということです。

Q: ポリマーのデータは全て純粋なまま取得されたのですか、それとも何か溶媒を使用されたのですか?

BB: 今回お見せしたサンプルはすべて重水素化クロロホルムを使用しています。

ML: ポリマーは固体であることが多いのですが、X-Pulseは溶液状態か液体のサンプルしか測定できないため、ポリマーを何かに溶かす必要があります。ブライアンが言っていたように、ポリマーには必ずしも重水素化溶媒を使用する必要はありません。MQC+のようなリラクソメーターの場合、サンプルは何にも溶解していません。ポリマーはきちんと測定されているので、チューブの中に固体を捨てて、そこから良いリラクソメトリーのデータを得ることができます。

BB: 重水素化クロロホルムを使用した唯一の理由は、同じサンプルを高磁場で分析していたため、重水素化溶媒を必要としていたからです。私たちは通常のクロロホルムで分析を行っていますが、同じように良いデータを得ることができます。

Q: ポリマーを溶かす温度は? 卓上型NMRによる高温測定は可能ですか?

BB: 当社の測定値はすべて室温で溶解されています。Pulsarには新型のX-Pulseのような温度制御がないので、すべての測定はPulsarの内部温度(約37度)で行われました。

ML: 温度管理をしなくても、試料を温めてPulsarに入れることができます。サンプルを温めてPulsarに入れればいいのですが、測定中に温度が下がってしまうので、短時間での測定には最適です。複数回のスキャンが必要な場合は、さらに複雑になります。より高い温度での測定も可能です。

Q: 卓上型NMRはリアルタイムの連続測定に使えますか?

ML: これはアプリケーションにもよりますが、連続した測定は可能です。平均的な測定にどれくらいの時間がかかるかは、溶液中のポリマーの量、濃度、アプリケーションで要求されているものにも依存します。1回のスキャンから16回・32回以上のスキャンまで、達成すべき信号対雑音のレベルによって異なります。

BB: 私たちが実行している標準的な測定は、ほとんどが約30分です。

ML: フローの面白いところは、T1を気にする必要がないので、ある程度繰り返し回数を減らすことができます。ポリマーの場合は、一般的にT1をあまり気にする必要はありません。その結果、測定時間を短縮する方法があります。私が過去に行ったポリマーアプリケーションの中には、一般的に取得時間が10分のオーダーであったものもあります。しかし、それは比較的低い信号レベルを見ていたからです。もしあなたが見ている成分が非常に高い信号レベルを持つ何かの組成に興味を持っていたならば、あなたの測定のために数秒で済ませることができます。

BB: 私たちは反応速度論の研究をしていますが、ここではスキャンの回数を大幅に減らしています。モノマーのみを対象としているので、反応のリアルタイム測定のように低分子の測定を行う場合は、1分以内で十分なシグナルを得ることができます。

X-Pulse: 高分解能広帯域ベンチトップNMR分光器

X-Pulseは、高い均質性と温度安定性を備えた60MHzの永久磁石を使用しており、液体冷媒を使用していないため、ほとんどの学術研究室や工業化学実験室に簡単に設置できます。

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