CH634661A5

CH634661A5 - Powder for chromatographic separations

Info

Publication number: CH634661A5
Application number: CH1508077A
Authority: CH
Inventors: Joseph Jack Kirkland; Wallace Wen-Chuan Yau
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1976-12-08
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1983-02-15
Also published as: FR2373316B1; IT1089344B; JPS5371899A; DE2754252A1; IE45932L; SE442591B; FR2373316A1; DE2754252C2; CA1101827A; JPS6410779B2; SE7713892L; IE45932B1; LU78658A1; GB1592885A; NL7713517A; DK544977A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Pulver für chromatographische Trennungen, welches in der Trennungszone von Chromatographen verwendet werden kann.

Die US-PS-3 505' 785 beschreibt oberflächlich poröse Mi-i5 krosphäroide, die einen mittleren Durchmesser im Bereich von 5 bis 500 [xm haben und aus einem undurchlässigen Kern und einer Vielzahl von den Kern umhüllenden Einfachschichten aus kolloidalen anorganischen Teilchen einer mittleren Grösse im Bereich von 0,005 bis 1,0 [im bestehen. Die US-PS-3 855 172 20 beschreibt Mikrosphäroide, die durchgehend porös sind und einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 20 [im aufweisen. Sie bestehen aus kolloidalen anorganischen feuerfesten Teilchen mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,005 bis 1,0 [xm.

25 Die Verwendung von Mikrosphäroiden dieser Art für die Chromatographie, insbesondere die Grössenausschlusschroma-tographie, ist allgemein bekannt. Bei dieser Anwendung werden poröse Mikrosphäroide als Füllmaterial für die Trennungszone des Chromatographen verwendet. Sie bewirken die Trennung 30 der Komponenten einer Probe auf der Grundlage von Unterschieden in der hydrodynamischen Grösse der Komponenten. Das Molekulargewicht (MG) der Komponenten kann als Funktion der hydrodynamischen Grösse berechnet werden. Eine graphische Darstellung der bei einem gegebenen Retentionsvolu-35 men (VR) für ein bestimmtes Füllmaterial eluierten Molekulargewichtsfraktion ergibt, dass bei einem gegebenen Porenvolumen im Füllmaterial bestimmte Molekulargewichtsfraktionen auf Grund ihrer grossen Abmessung vollständig ausgeschlossen werden und bestimmte Molekulargewichtsfraktionen auf Grund 40 ihrer geringen Grösse vollständig durchlaufen. Zwischen diesen beiden Extremen liegt ein Bereich von Molekulargewichtsfraktionen, die durch Berührung mit den porösen Teilchen bevorzugt zurückgehalten oder verzögert werden ; Materialien, die diese Molekulargewichtsfraktionen enthalten, können durch 45 dieses spezielle Füllmaterial fraktioniert werden.

Die tatsächliche Arbeitsbeziehung in der Grössenaus-schlusschromatographie ist die Molekulargewichts-Eichkurve, die normalerweise eine logarithmische graphische Darstellung des Molekulargewichts in Abhängigkeit vom Rückhalte- oder 50 Retentionsvolumen ist. Molekulargewichts-Eichkurven weisen charakteristischerweise einen im wesentlichen linearen Teil auf, so dass das Molekulargewicht einer zurückgehaltenen Fraktion einer Probe genau bestimmt werden kann, wenn das Rückhaltevolumen für diese bestimmte Molekulargewichtsfraktion im li-55 nearen Teil der Molekulargewichts-Eichkurve auftritt, und weniger genau ist, wenn es ausserhalb dieses linearen Bereichs auftritt. Molekulargewichts-Eichkurven weisen charakteristischerweise lineare Teile auf, die sich über ungefähr zwei Dekaden in der log. Molekulargewichtsskala für eine einzelne Poren-60 grosse erstrecken. Um eine Eichkurve mit einem linearen Teil zu erhalten, der sich über mehr als zwei Dekaden der Molekulargewichtsskala erstreckt, verwendet man gewöhnlich eine chromatographische Trennungszone, die aus zahlreichen Säulen besteht, von denen jede eine andere Porengrösse hat. Wie in 65 «Know More About Your Polymer», herausgegeben 1976 von Waters Associates, Milford, Mass., beschrieben, kombiniert man zur Ausdehnung des linearen Bereichs der Molekularge-wichts-Eichkurve in einer solchen Weise, dass Materialien, die

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einen weiten Bereich von Molekulargewichtsfraktionen enthalten, getrennt und nachgewiesen werden können, vier oder fünf Säulen, die jeweils Molekulargewichts-Eichkurven aufweisen, deren lineare Teile einander überschneiden.

Leider tritt die erwartete lineare Molekulargewichtseichung nicht auf. Der geradlinige Teil der Molekulargewichts-Eichkurve für die kombinierten Teilchen kann in dieser Weise vergrös-sert werden, aber das Maximum scheinen nur etwa drei Dekaden zu sein. Dies ist häufig weniger als der Molekulargewichtsbereich, der in normalen Probenzusammensetzungen zu finden ist.

Das erfindungsgemässe Pulver für chromatographische Trennungen, zur Verwendung in der Trennungszone von Chromatographen, enthaltend im wesentlichen eine Vielzahl von gesonderten, porösen Makroteilchen, von denen jedes einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 500 jxm hat, ist im Patentanspruch 1 charakterisiert.

Der hier gebrauchte Ausdruck «mittlere Porengrösse» bezeichnet die volumenmässige mittlere Porengrösse. Um den maximalen Bereich des geradlinigen Teils der Molekulargewichts-Eichkurve zu erreichen, müssen die Porengrössen der Typen von bimodaler Verteilung um etwa eine Grössenordnung auseinander liegen. Der hier gebrauchte Ausdruck «bimodale Porenverteilung» ist nicht so zu verstehen, dass die Verwendung von mehr als zwei Arten von Teilchengrössenverteilungen ausgeschlossen ist, so lange benachbarte Verteilungsweisen im wesentlichen parallele lineare, einander nicht überschneidende Teile ihrer Eichkurven aufweisen, wobei die mittleren Porenvolumina jeder der beiden benachbarten Verteilungsweisen um etwa eine Grössenordnung getrennt sind.

Die für die Zwecke der Erfindung geeigneten Makroteilchen können feuerfeste Teilchen beispielsweise aus Siliciumdioxyd oder Aluminiumoxyd sein, oder sie können aus vernetzten Polymergelen bestehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Makroteilchen feuerfeste Makroteilchen, die hauptsächlich aus Siliciumdioxyd bestehen, wobei die Komponente der bimodalen Porenverteilung mit dem kleineren mittleren Porendurchmesser 30 bis 60%, vorzugsweise etwa 40 bis 60%, insbesondere 40 bis 55 % des gesamten Porenvolumens der Makroteilchen in der Trennzone ausmacht und ein Anteil von 45 bis 55 % besonders bevorzugt wird, während der Rest des gesamten Porenvolumens durch die Komponente der bimodalen Porenverteilung mit dem grösseren mittleren Porendurchmesser beigetragen wird. Die Trennungszone kann aus einer Vielzahl von Makroteilchen bestehen, von denen jedes eine bimodale Porenverteilung aufweist, oder sie kann auch einer Vielzahl von Makroteilchen mit der gleichen Porenverteilung in jedem Teilchen in Kombination mit einer Vielzahl von Makroteilchen mit einer anderen Porenverteilung bestehen.

Das Patent betrifft auch eine Verwendung des erfindungsge-mässen Pulvers. Diese Verwendung ist im Patentanspruch 7 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine repräsentative Eichkuve des Molekulargewichts in Abhängigkeit vom Rückhaltevolumen im log. Massstab.

Fig. 2 zeigt eine Eichkurve für die aus sechs verschiedenen Teilchen mit unterschiedlichen Porengrössen bestehende Trennungszone.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitschromatographen mit der Einspritzstelle 12 für die Trägerflüssigkeit, der Trennungszone 13 und dem Detektor 14 und zeigt insbesondere Trennungszonen, die aus 1 und 2 getrennten Säulen bestehen.

Fig. 4 zeigt eine repräsentative Eichkurve für eine bimodale und eine polymodale Trennungszone.

Fig. 5 zeigt schematisch teilweise aufgeschnitten eine Ausführungsform eines vollständig porösen Makroteilchens mit bimodaler Porenverteilung.

Fig. 6 zeigt schematisch und teilweise aufgeschnitten eine 5 zweite Ausführungsform eines vollständig porösen Makroteilchens mit bimodaler Porenverteilung.

Fig. 7 zeigt schematisch und teilweise aufgeschnitten eine Ausführungsform eines oberflächlich porösen Makroteilchens mit bimodaler Porenverteilung.

io Fig. 8 zeigt einen Vergleich der Eichkurve, die unter Verwendung von zwei der in Fig. 2 dargestellten Teilchen mit sich nicht überschneidenden Teilchengrössenverteilungen erhalten worden ist, mit einer Eichkurve, die unter Verwendung von fünf der in Fig. 2 dargestellten Teilchen, deren Teilchengrössenver-teilungen sich sämtlich überschnitten, erhalten wurde.

Fig. 9 zeigt eine Eichkurve, die unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten bimodalen Teilchen erhalten wurde.

Für die Grössenausschlusschromatographie wird ein Chromatograph, wie er schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, verwen-2o det. Das zu trennende Material wird an einer Einspritzstelle 12 in einen Trägerflüssigkeitsstrom gespritzt und unter Druck durch eine chromatographische Trennungszone 13 einem Detektor 14 zugeführt. Beim Durchgang durch die Trennungszone berühren die Materialien im Trägermedium das Füllmaterial in 25 der Trennungszone, wobei sie während einer Zeit, die für ihr Molekulargewicht (MG) charakteristisch ist, zurückgehalten werden. Nach einer gewissen Zeit, nachdem ein grösseres Volumen des Trägermediums durch die Chromatographiesäule gelaufen ist, wird das vorübergehend vom Füllmaterial zurückge-30 haltene Material aus der Säule eluiert. Mit dem Detektor wird bestimmt, wann jede Komponente des Materials die Trennungszone verlässt.

Das Ausgangssignal des Detektors ist ein charakteristischer Peak, wie er in Fig. 4 unten schematisch dargestellt ist. 35 Als Trennungszonen werden für die Grössenausschlusschro-matographie im allgemeinen Säulen verwendet, die mit porösen Teilchen, wie sie in den US-PSen-3 505 785 und 3 855 172 beschrieben werden, oder in neuerer Zeit mit den makroporösen Mikrosphäroiden, die in der US-Patentanmeldung 639 111 40 (15.6.1976) beschrieben werden, gefüllt sind.

Für die Verwendung solcher Füllmaterialien ist eine typische Beziehung von log MG (eine Funktion des hydrodynamischen Radius des gelösten Stoffs (solute hydrodynamic radius) in Abhängigkeit vom Rückhaltevolumen (VR) durch die einzel-45 ne ausgezogene Linie auf der linken Seite von Fig. 1 dargestellt. Das begrenzende Zurückhaltevolumen am Punkt A ist als Gesamtausschlussvolumen bekannt, das durch die maximale Porengrösse, die für die Durchdringung durch die gelösten Stoffe verfügbar ist, die aus dem Eluat des inneren Porenvolumens 50 (internal porosity elute) bei diesem Rückhaltevolumen vollständig abgewiesen werden, bestimmt wird. Die gelösten Stoffe, die diesem Molekulargewicht und einem höheren Molekulargewicht entsprechen, werden durch das System nicht fraktioniert. Der Punkt B stellt das Volumen der Spezies dar, die die inneren 55 Poren des Füllmaterials vollständig durchdringen, und ist als Gesamtpermeationsvolumen bekannt. Materialien, die diesem und einem niedrigeren Molekulargewicht entsprechen, können somit durch dieses Trennsystem praktisch nicht fraktioniert werden. Der Unterschied zwischen den Rückhaltevolumina A 60 und B stellt eine teilweise Permeation der gelösten Stoffe dar, und innerhalb dieses Volumens findet die Trennung statt. Der Unterschied zwischen dem Rückhaltevolumen bei B und dem Rückhaltevolumen bei A ist eine Funktion des gesamten inneren Porenvolumens des Füllmaterials. Zwischen den Rückhalte-65 volumina bei A und B ist ein ungefähr linearer Bereich der Kurve von log MG in Abhängigkeit vom Rückhaltevolumen (Punkte C bis D) vorhanden, der durch die folgenden Gleichungen dargestellt wird:

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VR = Q-Q, • log MG und

MG = Dje-D2VR

(1)

(2)

C2 ist die Neigung des geradlinigen Teils der Eichkurve (in ml/Dekade-MG), und Q ist der Abschnitt dieses geradlinigen Teils. Um Auskunft über das Molekulargewicht aus dieser Eichkurve zu erhalten, werden Versuchschromatogramme und die vorstehende Gleichung 2 verwendet. Dj bezeichnet den Abschnitt dieses linearen Teils der Eichkurve und D2 ihre Neigung. Diese Gleichungen sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden zur Charakterisierung von Makromolekülen weitgehend verwendet.

Die additiven Charakteristiken von zwei gleichen Säulen, die in der Grössenausschlusschromatographie verwendet werden, sind allgemein bekannt. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das Verbinden von zwei identischen Säulen (gleiche Teilchen, gleiche Länge) mit identischen Eichkurven, die durch die beiden ausgezogenen Linien dargestellt sind, gleichbedeutend mit einer Verdoppelung der Länge einer einzelnen Säule. Wie in der Abbildung dargestellt, wird durch Verbinden dieser.beiden Säulen das insgesamt verfügbare Porenvolumen erhöht und damit der Bereich des Retentionsvolumens zwischen gesamter Permeation und gesamtem Ausschluss erhöht, jedoch der gleiche Molekulargewichtsfraktionsbereich aufrecht erhalten. Wie Fig. 1 zeigt, bleibt, wenn zwei Säulen verbunden werden, der Bereich der Molekulargewichtsfraktion bei etwa 3000 bis 80 000, obwohl das Retentionsvolumen verdoppelt wird. Die Eichkurve für die Kombination der beiden Säulen ist durch die gestrichelte Kurve dargestellt. Die additive Funktion, die diese Beziehung beschreibt, lautet

C2 = S(C^l i

D2 = 1/2 (1/D2);

oder (3) (4)

Die Polymerfraktionierung wird üblicherweise mit Füllungen vorgenommen, die die weitestmögliche Porengrössenverteilung aufweisen. Dies wird normalerweise dadurch erreicht, dass man mehrere Säulen von unterschiedlicher Porengrösse verbindet und hierdurch ein Trennsystem ausbildet, das den interessierenden Molekulargewichtsbereich erfasst. Fig. 2 zeigt eine Reihe von Molekulargewichts-Eichkurven für sechs verschiedene chromatographische Trennzonen, von denen jede mit porösen Siliciumdioxydteilchen mit verschiedenen Porengrössen gefüllt ist. Die Bezeichnung und das mittlere Porenvolumen für diese sechs Teilchen sind in der folgenden Tabelle genannt.

Bezeichnung

1 PMS-50

2 PMS-300

3 PMS-600

4 PMS-800

5 PMS-1500

6 PMS-4000

Porengrösse (Â) 60 125 195 300 750 3500

Diese Teilchen wurden nach den in der US-Patentanmeldung 639 111 (15.6.1976) und in der US-PS 3 782 075 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Die Stäbchendiagramme rechts in Fig. 2 geben den geradlinigen Bereich jeder Eichkurve an. Um eine geradlinige kombinierte Eichkurve, die einen Molekulargewichtsbereich von 103 bis 106 überspannt, zu erreichen, würde üblicherweise eine Kombination von sechs Säulen verwendet, von denen jede aus den einzelnen Teilchen, die den sechs Diagrammen entsprechen, besteht.

Es wird nun die in Gleichung 3 gegebene Beziehung ausgenutzt, um die Genauigkeit, Vielseitigkeit und Eignung des Grös-

senausschlussprozesses zu verbessern. Diese Beziehung sagt eine bisher nicht erkannte Erscheinung voraus, dass nämlich zur Erzielung einer weiten linearen Beziehung von log MG zu Retentionsvolumen eine Reihe von Säulen mit sich wesentlich über-5 schneidenden geradlinigen Molekulargewichtsfraktionierungs-bereichen (d.h. geradlinigen Teilen) nicht verwendet werden sollte. Statt dessen sollten Säulen, die nur zwei Porengrössen aufweisen, die so gewählt sind, dass die geradlinigen Teile der Kurve von Molekulargewicht in Abhängigkeit vom Retentions-io volumen sich nicht überschneiden, verwendet werden. Hierdurch wird ein weit grösserer linearer Bereich in der Eichkurve erhalten. Wie in Fig. 4 repräsentativ dargestellt, ergibt eine polymodale porenverteilung in der Trennzone einen engen geradlinigen Teil auf der Molekulargewichts-Eichkurve während eine 15 bimodale Verteilung einen viel grösseren linearen Teil ergibt. Die Eichkurve für die polymodale Verteilung umschliesst nicht die gesamte Molekulargewichtsverteilung der Probe innerhalb ihres geradlinigen Bereichs, während dies bei der Eichkurve für die bimodale Verteilung der Fall ist.

20 Der Vorteil der Verwendung von Chromatographiesäulen mit bimodaler Porenverteilung, gleichgültig, ob Säulen mit einheitlicher Porengrösse verbunden oder Säulen, die ein physikalisches Gemisch von Teilchen enthalten, die zwei Porengrössen aufweisen, verwendet werden, ist daher aus Fig. 4 ersichtlich. 25 Molekulargewichts-Eichkurven des Typs, den die bimodale Porengrössenverteilung zeigt, werden besonders bevorzugt, wenn versucht wird, ein Polymerisat mit der unten in der Darstellung gezeigten Art der Molekulargewichtsverteilung zu charakterisieren.

30 Einen quantitativen Vergleich einer polymodalen Porengrössenverteilung mit dem System der bimodalen Porengrössenverteilung zeigt Fig. 8. Diese Abbildung zeigt eine Polystyrol-Eichkurve für eine polymodale und eine bimodale Trennzone. Die Gruppe von Säulen, die verwendet werden, um die polymo-35 dale Verteilung hervorzubringen, ist mit einem Füllmaterial gefüllt, das in Fig. 2 mit 1,2,4,5 und 6 bezeichnet ist. Die einzelnen Säulen weisen sich wesentlich überschneidende Eichkurven wie beim üblichen Modus auf. Der ungefähre geradlinige Bereich der Eichkurve (die gestrichelte Linie ist die geradli-40 nige Anpassung) dieser kombinierten Gruppe von weiten Porenverteilungen umfasst nur 2,5 Molekulargewichtsdekaden. Im Gegensatz hierzu ergibt die in Fig. 8 dargestellte bimodale Verteilung, die durch Verbinden von Säulen von nur zwei Porengrössen erhalten wird (die der Teilchen 1 und 5 in Fig. 2) eine 45 geradlinige Molekulargewichts-Eichkurve, die sich über mehr als vier Dekaden des Molekulargewichts erstreckt.

Um diese überraschenden und verbesserten Ergebnisse zu erzielen, dürfen die einzelnen Eichkurven für die in der bimodalen Verteilung verwendeten beiden Porengrössen sich nicht 50 überschneiden. Dies wird durch Wahl von Teilchen mit der geeigneten Porengrösse erreicht. Die mittleren Porengrössen der bimodalen Verteilung sollten einen Abstand von etwa einer Grössenordnung haben. Mit diesem bimodalen Weg werden lineare Eichkurven erhalten, die bis zu fünf Dekaden des Mole-55 kulargewichtsbereichs umfassen. Mit einer trimodalen Anordnung des gleichen Typs könnten geradlinige Teile der Eichkurve, die bis zu sieben Dekaden des Molekulargewichtsbereichs umfassen, erhalten werden. Abgesehen von Molekulargewichts-Eichkurven, die sich nicht überschneiden, muss das innere Po-60 renvolumen der beiden Verteilungsweisen derart sein, dass die geradlinigen Teile der Eichkurven im wesentlichen parallel verlaufen. Der Ausdruck «im wesentlichen parallel» besagt, dass die Formen der geradlinigen Teile der Eichkurven nicht genau parallel verlaufen müssen, vorausgesetzt, dass eine gewisse Ab-65 weichung von der Geradlinigkeit in Kauf genommen werden kann. Beispielsweise zeigt Fig. 8, dass die überschneidende polymodale Eichkurve, die den Stand der Technik darstellt, über den vorausgesagten Bereich bei weitem nicht geradlinig ist.

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Wenn 30 bis 60%, vorzugsweise 40 bis etwa 60%, insbesondere etwa 40 bis 55 % und, was besonders bevorzugt wird, etwa 45 bis 55 % des Gesamtporenvolumens der Makroteilchen in jeder Trennzone in der Komponente der bimodalen Porenverteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse enthalten sind, während der Rest auf die Komponente mit der grösseren mittleren Porengrösse entfällt, sind die geradlinigen Teile der einzelnen Eichkurven im wesentlichen parallel. Fig. 9 veranschaulicht die Abweichung von der Geradlinigkeit in der Eichkurve, wenn das Verhältnis der Porenvolumina 40:60 beträgt. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform sollten jedoch auf jede Komponente der bimodalen Porenverteilung etwa 50% des gesamten Porenvolumens des Makroteilchens in der Trennzone entfallen, um die Abweichung von der Geradlinigkeit in der Eichkurve zu verringern.

Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn Füllmaterialien mit sehr enger Porengrössenverteilung verwendet werden. Die Porengrössenverteilungen jedes bimodalen Systems sollten 1,0 oder weniger (2ô) betragen, wie die üblichen log-normalen Diagramme der Quecksilberporosimetrie zeigen. Bereiche von 0,5 (26) werden bevorzugt. Innerhalb dieser Bereiche ist die Porengrössenverteilung ein unbedeutender Faktor bei der Bestimmung des D2-Wertes der Eichkurve und das Innenvolumen der Teilchen ist massgebend bei der Bestimmung des D2-Wertes der Eichkurve. Wenn die Porengrössenverteilung grösser ist als die vorstehend genannten Werte, bestimmt die Wechselbeziehung von Porengrössenverteilung plus Innenvolumen die Neigung der Eichkurve.

Die gemäss der Erfindung angewandte bimodale Porenverteilung kann nach einer von zwei Methoden erreicht werden. Die bimodale Porenverteilung kann durch eine Vielzahl von Mikroteilchen, die sämtlich eine bimodale Porenverteilung aufweisen, eingestellt werden. In diesem Fall kann eine einzige Säule, wie sie im oberen Tejl von Fig. 3 dargestellt ist, verwendet werden. Die bimodale Porenverteilung kann aber auch durch Verwendung einer Vielzahl von Makroteilchen, die eine einheitliche Porenverteilung aufweisen, und eine Vielzahl von Makroteilchen mit einer anderen Porenverteilung eingestellt werden. Zwar können Teilchen mit verschiedenen Porengrössenverteilungen in einer Säule gemischt werden, jedoch ist die Füllung dieser Säulen weniger zweckmässig. Am besten ist die Verwendung von zwei oder mehr Säulen, von denen jede mit Teilchen eines bestimmten Typs gefüllt ist.

Einzelteilchen mit der zur Erzielung der bimodalen Porenverteilung gewünschten Porengrösse können nach den Verfahren, die in den oben genannten Patentschriften und Patentanmeldungen beschrieben werden, hergestellt werden. Polymere Gele, Aluminiumoxyd und der weite Bereich von feuerfesten Teilchen, die in diesen Patentschriften und Patentanmeldungen genannt sind, können verwendet werden, jedoch ist Siliciumdioxyd das bevorzugte Material, insbesondere für chromatographische Trennungen. Teilchen mit einer bimodalen Porenverteilung können entweder vollständig poröse oder oberflächlich poröse Makroteilchen sein. Unter dem hier gebrauchten Ausdruck «Makroteilchen» ist das (entweder vollständig oder oberflächlich poröse) Verbundmakroteilchen mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 bis 500 um zu verstehen. Das vollständig poröse Teilchen ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses Makroteilchen 15 hat einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 500 [im. Bevorzugt werden Makroteilchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 5 bis 50 (im. Das Makroteilchen besteht aus einer Vielzahl von Mikroteilchen 16, die jeweils einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,005 bis 1,0 (im, vorzugsweise von etwa 0,005 bis 0,5 [im haben. Die einzelnen Mikroteilchen bestehen ihrerseits aus einer Vielzahl von Ultramikroteilchen 17 mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 30,0 nm, vorzugsweise von 2 bis 20 nm. Zwischen allen Mikroteilchen sind Mikroporen 18 und zwischen allen Ultramikroteilchen Mikroporen 19 vorhanden. Im allgemeinen können diese Teilchen jede beliebige Form haben, jedoch wird die Kugelform bevorzugt, so dass die Makroteilchen in Wirklichkeit Makrokügelchen, die Mikroteilchen Mikrokügelchen und die 5 Ultramikroteilchen Ultramikrokügelchen sind. Durch die Kugelform dieser Materialien wird ihre Leistung in Chromatographiesäulen verbessert.

Als Alternative kann, wie in Fig. 6 dargestellt, das vollständig poröse Makroteilchen 15 aus einem Kern 20, der aus einer io Vielzahl von Ultramikroteilchen 21 mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 nm besteht, und einer Haut, die aus einer Vielzahl von Mikroteilchen 22 mit einem Durchmesser im Bereich von je etwa 0,1 bis 1,0 [im oder vorzugsweise 0,1 bis 0,5 um besteht, bestehen. Die nach den heute bekann-15 ten Verfahren hergestellten, vollständig porösen Makroteilchen haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,5 bis 50 [im.

Eine Ausführungsform eines oberflächlich porösen Makroteilchens ist in Fig. 7 dargestellt. Dieses Makroteilchen 22 hat 20 einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 500 [im, vorzugsweise von 5 bis 50 ji i i' nd besteht aus einem undurchlässigen Makrokern 24 und einer Hülle aus einer Vielzahl von gleichen Einfachschichten aus gleichen kolloidalen anorganischen Mikroteilchen 25, die miteinander verbunden sind und den Kern 25 umgeben. Jedes Mikroteilchen hat einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,005 bis 1,0 [im oder vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 (im und macht etwa 0,2 bis 25 % des Gesamtvolumens des Makroteilchens aus. Das Mikroteilchen kann dem in Fig. 5 dargestellten Mikroteilchen, das vollständig aus Ultramikroteil-30 chen besteht, oder dem in Fig. 7 dargestellten Mikroteilchen gleichen, das aus einem undurchlässigen Mikrokern 27 und einer Hülle aus einer Vielzahl von gleichen Einfachschichten aus gleichen kolloidalen anorganischen Ultramikroteilchen 28 besteht, die mit dem Kern verbunden sind und ihn umgeben. 35 In beiden Fällen, d.h. bei den vollständig porösen und den oberflächlich porösen Teilchen, werden die Poren zwischen den einzelnen Mikroteilchen im Makroteilchen als Makroporen 30 bezeichnet, die eine Art der bimodalen Porenverteilung darstellen, während die Poren zwischen den einzelnen Ultramikroteil-40 chen als Mikroporen 31 bezeichnet werden, die die andere Art der bimodalen Porenverteilung darstellen. Nach der neueren Terminologie werden die Poren der hier als «Mikroporen» bezeichneten Grösse als «Mesoporen» bezeichnet.

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Beispiel 1

Nachstehend wird die Herstellung von «pellicular» Teilchen mit bimodaler Porengrössenverteilung beschrieben. Ein solcher Aufbau ist in Fig. 7 dargestellt.

50 75 g des chromatographischen Trägers «Zupax» (hergestellt von der Anmelderin) (<37 [im) wurde mit 800 ml 0,5 %iger Reinigungslösung für Laboratoriumsgeräte «Lakeseal» 30 Minuten sachte gerührt. Die überschüssige Lösung wurde durch Dekantieren entfernt, worauf mit destilliertem Wasser gewa-55 sehen wurde. Diese Massnahmen wurden siebenmal wiederholt. Das erhaltene Pulver wurde dann auf einem groben Sinterglasfilter filtriert und an der Luft getrocknet. Das trockene Pulver wurde dann in einen groben Sinterglastrichter von 7,6 cm Durchmesser gegeben und mit 100 ml einer 0,5 %igen Lösung 60 des Antistatikmittels und Formentrennmittels «Zelec DX» (hergestellt von der Anmelderin) 5 Minuten gerührt. Die behandelten Perlen wurden abfiltriert und dann zweimal mit 200 ml destilliertem Wasser gewaschen und im Trichter unter vermindertem Druck getrocknet.

65 Die Perlen wurden dann mit 100 ml 10%igem Kieselsol, hergestellt aus dem Produkt «Ludox AS» (Siliciumdioxydteil-chen von etwa 140 Â Teilchengrösse, hergestellt von der Anmelderin) (125 g 30%iges Siliciumdioxyd in «Ludox AS», mit

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destilliertem Wasser auf 400 g verdünnt), behandelt. Das Gemisch aus Perlen und Kieselsol wurde 15 Minuten im Trichter unter häufigem leichtem Rühren stehen gelassen. Das überschüssige Siliciumdioxyd «Ludox» wurde dann abfiltriert und der erhaltene nasse Kuchen viermal durch vorsichtiges Aufschlämmen mit etwa 400 ml Leitungswasser und Filtration gewaschen. Der Kuchen wurde dann der Trocknung im Filter unter Vakuum an der Luft überlassen. Dieses Material wurde dann eine Stunde bei 150 °C im Wärmeschrank mit Luftdurchwirbe-lung getrocknet. Eine kleine Probe wurde zur Messung der Oberfläche entnommen.

Die vorstehend beschriebene Behandlung mit dem Antistatikmittel «Zelec DX» und dem Kieselsol wurde noch dreimal wiederholt, wobei sich eine Kruste aus den Kieselsol-Ultrami-kroteilchen von 140 Â Teilchengrösse auf der Oberfläche der 2000 Â grossen Siliciumdioxyd-Mikroteilchen bildete, die ursprünglich die Kruste der Teilchen des chromatographischen Trägers «Zipax» bildeten. Die endgültigen Teilchen wurden getrocknet und 2 Stunden b.ei 650 °C erhitzt, um die organische Zwischenschicht auszubrennen und die Teilchen zu einem mechanisch stabilen Zustand zu sintern. Diese gesinterte Probe wurde dann 2 Stunden in einem grossen Uberschuss von 0,001-molarem Ammoniumhydroxyd unter häufigem Rühren stehen gelassen. Die Teilchen wurden dann zweimal mit einem grossen Überschuss von destilliertem Wasser durch Dekantieren gewaschen, auf einem groben Sinterglastrichter filtriert, an der Luft getrocknet und 2 Stunden in einem umgewälzten Luftbad bei 150 °C erhitzt. Das endgültige Material wurde mit Sieben aus nichtrostendem Stahl trocken gesiebt, wobei 45 g einer Fraktion einer Teilchengrösse von <38 [xm erhalten wurden.

Die Oberfläche der während der Synthesestufen erhaltenen Produkte wurde nach der Stickstoffströmungsmethode gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:

Probe Oberfläche, m2/g

Ursprünglicher chromatographi- 0,89, 0,99

scher Träger «Zipax»

Erste Behandlung mit kolloida- 2,03, 2,09

lem Siliciumdioxyd «Ludox AS»

Zweite Behandlung mit kolloi- 2,35, 2,46

dalem Siliciumdioxyd «Ludox

AS»

Dritte Behandlung mit kolloida- 3,07 3,01

lem Siliciumdioxyd «Ludox AS»

Vierte Behandlung mit kolloida- 3,38, 3,50

lem Siliciumdioxyd «Ludox AS»

2 Stunden bei 650 °C gesintert 2,67, 2,67

Endgültiges rehydratisiertes Ma- 2,85, 2,86

terial

Die Porenmessung bei dieser Probe durch Quecksilberporo-simetrie ergab drei Knickpunkte in der Quecksilberintrusions-kurve, einen bei etwa 10 (im, der das Eindringen von Quecksilber zwischen die Einzelteilchen darstellt, einen Knickpunkt bei etwa 0,07 |xm (700 Â), der die Makroporen zwischen den Sol-mikroteilchen in der Kruste des ursprünglichen chromatographischen Trägers «Zipax» darstellte, und einen Knickpunkt bei etwa 0,006 [xm (60 Â), der die Poren zwischen den 140 Â-Ultramikrosolteilchen darstellte, die nach dem hier beschriebenen Verfahren in vielen Schichten auf den ursprünglichen chromatographischen Träger «Zipax» aufgebracht wurden. Auf die bimodale Porenverteilung entfielen die folgenden Volumina:

Makroporen (700 Â) 0,011 cm3/g Mikroporen (60 Â) 0,014 cm3/g

Diese Werte zeigen, dass die endgültigen Teilchen die gewünschte bimodale Porengestaltung mit einer Grössendifferenz von etwa einer Dekade zwischen den beiden verschiedenen Porengrössen und ungefähr gleichen Porenvolumina für jede Porengrösse aufwiesen.

5 Beispiel 2

Teilchen der in Fig. 6 dargestellten Art können wie folgt hergestellt werden: 15 g poröse Siliciumdioxyd-Mikrokügel-chen (PSM-40 ; Poren von 47 Â), hergestellt gemäss den US-PSen-3 782 075 und 3 855 172 der Anmelderin, wurden mit io200 ml 0,001-molarem Ammoniumhydroxyd behandelt, 10 Minuten unter gelegentlichem Rühren stehen gelassen und in einer 250 ml-Polyäthylenflasche 2 Minuten (vom Beginn) bei etwa 2000 UpM zentrifugiert. Der klare Uberstand wurde dekantiert. Zum nassen Kuchen wurden 100 ml einer mit Ammo-15 niumhydroxyd auf pH 7 eingestellten 0,5 %igen Lösung des Antistatikmittels «Zelec DX» gegeben. Das System wurde vorsichtig aufgeschlämmt und dann 10 Minuten unter gelegentlichem leichtem Rühren stehen gelassen. Das erhaltene Gemisch wurde eine Minute in der oben beschriebenen Weise zentrifugiert. Die 20überschüssige Lösung des Antistatikmittels «Zelec DX» wurde dekantiert. Der nasse Kuchen wurde zweimal mit 200 ml destilliertem Wasser (mit Ammoniumhydroxyd auf pH 7 eingestellt) durch vorsichtiges Aufschlämmen, Zentrifugieren für 1 Minute und Dekantieren gewaschen.

25 Zu diesen behandelten Teilchen wurden 50 ml eines auf pH 8 eingestellten 5 %igen (Gewicht) Kieselsolgemisches von 2000 Â gegeben. (Das Sol kann nach dem von W.Stober, A.Fink und E.Bohn in J. Colloid, Inter. Sei. 26 (1968) 62 beschriebenen Verfahren hergestellt werden). DasGemisch wurde 30 sorgfältig aufgeschlämmt und gelegentlich 10 Minuten gerührt. Dieses Gemisch wurde in der oben beschriebenen Weise zentrifugiert und dekantiert. Das überschüssige Sol wurde zurückgehalten. Die beschichteten Perlen wurden dann zweimal mit 200 ml destilliertem Wasser (pH 7) durch Aufschlämmen, Zen-35 trifugieren und Dekantieren gewaschen. Die bei der zweiten Wäsche bei dieser Behandlung dekantierte Flüssigkeit war klar. Der nasse Kuchen wurde dann auf einem 3 (xm-Filter («Nucle-pore») filtriert und 2 Stunden im Wärmeschrank mit Luftdurch-wirbelung bei 150 °C getrocknet. Die Probe wurde dann eine 40 Stunde im Muffelofen bei 700 °C gebrannt. Ein geringer Teil dieses Materials wurde unter dem Abtastelektronenmikroskop untersucht. Hierbei wurde ausgezeichnete Bedeckung der Oberfläche der ursprünglichen Perlen mit dem Kieselsol von 2000 Â Teilchengrösse festgestellt. Keine unbedeckten Stellen 45 waren auf den Teilchen erkennbar.

Nachdem die gebrannte Siliciumdioxydteilchen über Nacht in 0,01-molarer Salzsäure hydrolysiert worden waren und die Säure durch Waschen mit destilliertem Wasser entfernt worden war, wurde eine zweite Schicht von 2000 Ä-Kieselsol auf die 50 PSM-Teilchen in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebracht. Das Material wurde erneut mit dem Antistatikmittel «Zelec DX» und anschliessend mit dem 2000 Ä-Sol (25 ml «frisches» Sol plus zurückgewonnenem überschüssigem Sol aus der ersten Behandlung) in der oben beschriebenen Weise behan-55 delt. Die Prüfung dieses Materials mit dem Abtastelektronenmikroskop ergab, dass der zweite Überzug in der gewünschten Weise geschichtet war. Nur sehr wenig blosse Stellen waren auf den Perlen sichtbar, und nur eine sehr geringe Überbrückung von Teilchen wurde festgestellt.

60 Eine dritte, vierte, fünfte und sechste Behandlung der Perlen wurde im wesentlichen in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt, um die gewünschte Kruste aus Kieselsolteilchen von 2000 Â Durchmesser auf den Teilchen auszubilden. Diese behandelten Perlen wurden eine Stunde bei 65 750 °C gebrannt und in der vorstehend beschriebenen Weise durch Behandlung mit verdünnter Säure rehydrolysiert. Die Untersuchung der endgültigen Perlen mit dem Abtastelektronenmikroskop ergab gute Bedeckung, jedoch war es nicht mög

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lieh, die genaue Dicke der gewünschten oberflächlich porösen Kruste zu erkennen.

Die Eichkurve von log Molekulargewicht in Abhängigkeit vom Retentionsvolumen für eine Säule dieser Teilchen von

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25 cm Länge und 0,62 cm Innendurchmesser ist in Fig. 9 dargestellt. Auf Grund des bei diesen Verteilungsweisen auftretenden Unterschiedes in den inneren Volumina ergibt sich eine gewisse Abweichung von der Geradlinigkeit.

C

5 Blatt Zeichnungen

Claims

634 661 PATENTANSPRÜCHE

1. Pulver für chromatographische Trennungen, zur Verwendung in der Trennungszone von Chromatographen, enthaltend, im wesentlichen, eine Vielzahl von gesonderten porösen Makro-teilchen, von denen jedes einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 500 [im hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver eine bimodale Porengrössenverteilung aufweist, wobei die mittlere Porengrösse für jeden Verteilungsmodus derart ist, dass die geradlinigen Teile der Molekulargewichts-Eichkurve für jede Porengrösse in der bimodalen Verteilung sich im wesentlichen nicht überschneiden, und jeder Verteilungsmodus ein solches Porenvolumen hat, dass diese geradlinigen Teile im wesentlichen parallel verlaufen, wobei die mittleren Porengrössen der Komponenten der bimodalen Verteilung um etwa eine Grös-senordnung auseinander liegen und auf die Komponente der bimodalen Verteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse 30 bis 60% des gesamten Porenvolumens und auf die Komponente der bimodalen Verteilung mit der grösseren mittleren Porengrösse 70 bis 40% des gesamten Porenvolumens entfallen.

2. Pulver gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Komponente der bimodalen Porengrössenverteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse 40 bis 55 %, z.B. 45 bis 55%, des gesamten Porenvolumens und auf die Komponente der bimodalen Porengrössenverteilung mit der mittleren Porengrösse 45 bis 60%, z.B. 45 bis 55%, des gesamten Porenvolumens entfallen.

3. Pulver gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Makroteilchen oberflächlich poröse Makroteilchen mit einem undurchlässigen Kern und einer Hülle aus einer Vielzahl von gleichen Einfachschichten aus sich berührenden und den Kern umgebenden kolloidalen Mikroteilchen sind, die einen Durchmesser von 0,005 bis 1,0 [im, z.B. 0,1 bis 0,5 um haben und 0,2 bis 25% des gesamten Volumens des Makroteil-chens ausmachen, wobei die Makroteilchen einen Durchmesser von 5 bis 50 [xm haben.

4. Pulver gemäss Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Makroteilchen in der Hauptsache aus Siliciumdi-oxyd bestehen und auf die Komponente der bimodalen Porengrössenverteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse 40 bis 55 %, z.B. 45 bis 55 % des gesamten Porenvolumens und auf die Komponente der bimodalen Porengrössenverteilung mit der grösseren mittleren Porengrösse 60 bis 45 %, z.B. 45 bis 55 % des gesamten Porenvolumens entfallen.

5. Pulver gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Makroteilchen vollständig porös sind und jedes Makroteilchen aus einer Vielzahl von Mikroteilchen besteht, die einen Durchmesser von 0,005 bis 1,0 jxm haben, wobei Makroteilchen einen Durchmesser von etwa 5 bis 50 [im haben und wobei die Makroteilchen in der Hauptsache aus Siliciumdioxyd bestehen und auf die Komponente der bimodalen Porengrössenverteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse 40 bis

55 %, z.B. 45 bis 55 % des gesamten Porenvolumens und auf die Komponente der bimodalen Porengrösse 60 bis 45 %, z.B. 45 bis 55 % des gesamten Porenvolumens entfallen.

6. Pulver gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Makroteilchen vollständig porös sind und einen Kern aus einer Vielzahl von Ultramikroteilchen mit einem Durchmesser von 1 bis 30 nm und eine Hülle aus einer Vielzahl von Mikroteilchen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 [im aufweisen, wobei die Makroteilchen einen Durchmesser von 5 bis 50 [im haben, wobei die Makroteilchen im wesentlichen aus Siliciumdioxyd bestehen und auf die Komponente der bimodalen Verteilung mit der kleineren mittleren Porengrösse 40 bis 55%, z.B. 45 bis 55% des gesamten Porenvolumens und auf die Komponente der bimodalen Verteilung mit der grösseren Porengrösse 60 bis 45 %, z.B. 45 bis 55 % des gesamten Porenvolumens entfallen.

7. Verwendung des Pulvers gemäss Patentanspruch 1 zur chromatographischen Trennung, wobei man a) das zu trennende Material in ein Trägermedium gibt,

b) das Trägermedium mit einer Trennungszone in Berüh-5 rang bringt, die das genannte Pulver enthält, und c) das Ausmass der Zurückhaltung der Materialien durch die Trennungszone bestimmt.