DE3528218A1

DE3528218A1 - Method for determining the molecular-weight distribution of cellulose

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Publication number: DE3528218A1
Application number: DE19853528218
Authority: DE
Inventors: Ortwin Dr. Bobleter; Wolfgang Innsbruck Schwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-21
Filing date: 1985-08-06
Publication date: 1986-03-06
Also published as: AT380742B; ATA266684A

Abstract

A method is described for determining the molecular-weight distribution of non-derivatised cellulose by means of gel permeation chromatography. Undiluted cadoxene is used to dissolve the cellulose and as the mobile solvent. <IMAGE>

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER MOLEKULARGEWICHTSVER-PROCEDURE FOR DETERMINING THE MOLECULAR WEIGHT

TEILUNG VON CELLULOSE Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung underivatisierter Cellulose durch Gelpermeationschromatographie (GPS), bei welchem die Cellulose in einem unter der Bezeichnung Cadoxen bekannten Lösungsmittel gelöst wird, welches aus dem Cadmiumkomplex Cd(en)3(OH)2, NaOH, en und Wasser besteht (en = Ethylendiamin (1,2-Diamino-ethan)) und 4,5 - 5,2 g Cd/100 ml enthält und 0,2 - 0,5 normal an NaOH ist, woraufhin aus der Lösung eine Probe gebildet und einer mit einem Gel gefüllten Säule aufgegeben wird, welche die Anteile der Cellulose nach ihrer Permeationsgeschwindigkeit trennt. DIVISION OF CELLULOSE The invention relates to referred to a method for determining the molecular weight distribution underivatized Cellulose by gel permeation chromatography (GPS), in which the cellulose in a solvent known as cadoxene is dissolved, which consists of the cadmium complex Cd (en) 3 (OH) 2, NaOH, en and water (en = ethylenediamine (1,2-diamino-ethane)) and 4.5-5.2 g Cd / 100 ml and 0.2-0.5 normal NaOH is, whereupon a sample is formed from the solution and one filled with a gel Column is applied, which the proportions of cellulose according to their permeation rate separates.

Die Anwendung der GPC auf Cellulose setzt ein Lösungsmittel voraus, das eine hohe Lösekraft aufweist und zu einer möglichst stabilen und unempfindlichen Celluloselösung führt.The use of GPC on cellulose requires a solvent, that has a high dissolving power and is as stable and insensitive as possible Cellulose solution leads.

Als das zur Zeit am meisten wirksame derartige Lösungsmittel gilt Cadoxen, das sich durch seine Oxidationsbeständigkeit und Farblosigkeit auszeichnet. Die Bezeichnung wurde erstmals 1957 von den Entdeckern Jayme und Neuschäffer auf einen Cadmiumkomplex mit der Summenformel Cd(en)3(OH)2 angewendet.It is considered to be the most effective such solvent at present Cadoxene, which is characterized by its resistance to oxidation and colorlessness. The name was first used in 1957 by the explorers Jayme and Neuschäffer a cadmium complex with the empirical formula Cd (en) 3 (OH) 2 is used.

wobei en = Ethylendiamin (1,2-Diamino-ethan) bedeutet. Die Bezeichnung beschränkt sich nicht auf den Metallkomplex als solchen, sondern gilt auch für dessen wäßrige, Ethylendiamin enthaltende Lösung, welche innerhalb der oben angegebenen Grenzen optimale Lösungseigenschaften für Cellulose aufweist, sofern sie gemäß einem Vorschlag von Henley die angegebene Menge von NaOH enthält (vgl. W. Brown, Svensk Papperstidning årg. 70, Nr. 15, 15 augusti 1967, Seite 458 ff.).where en = ethylenediamine (1,2-diamino-ethane). The designation is not limited to the metal complex as such, but also applies to it aqueous, ethylenediamine-containing solution, which is within the above specified Has limits optimal solution properties for cellulose, provided that they are according to a Henley's suggestion contains the specified amount of NaOH (cf. W. Brown, Svensk Papperstidning årg. 70, No. 15, 15 August 1967, page 458 ff.).

Der erste Versuch, die Molekulargewichtsverteilung underivatisierter Cellulose dadurch zu erfassen, daß diese in Cadoxen aufgelöst und die Lösung gelchromatographisch untersucht wird, wurde von Eriksson (vgl. Svensk Papperstidning arg. 70, Nr. 19, 15 oktober 1967, Seite 610 ff.) berichtet. Ausgehend von der Annahme, daß die Qualität der Lösung durch nachträgliche Verdünnung nicht verschlechtert werde, wurde bei diesen Versuchen die mit reinem Cadoxen gewonnene Celluloselösung im Verhältnis 1:1 mit Wasser verdünnt und in gleicher Weise verdünntes Cadoxen als Laufmittel bei der GPC verwendet. Die vorgeschlagene Verdünnung hat den offensichtlichen Vorteil, daß die Viskosität herabgesetzt wird und damit die Durchflußgeschwindigkeit steigt, und daß außerdem die verwendeten Gele vom Lösungs- bzw.The first attempt to underivatize the molecular weight distribution Cellulose can be detected by dissolving it in cadoxene and the solution by gel chromatography is examined, was by Eriksson (cf. Svensk Papperstidning arg. 70, no. 19, October 15, 1967, page 610 ff.) Reported. Assuming that the quality the solution would not be deteriorated by subsequent dilution at the cellulose solution obtained with pure cadoxen in relation to these experiments Diluted 1: 1 with water and cadoxene diluted in the same way as a mobile solvent used at the GPC. The suggested dilution has the obvious advantage of that the viscosity is reduced and thus the flow rate increases, and that, in addition, the gels used from the solution or

Laufmittel weniger angegriffen werden. Als daher festgestellt wurde, daß die von Eriksson angegebenen Gele auf Polyacrylamid-Basis, aber auch Gele auf Polysaccharid-Basis vom Lösungsmittel angegriffen werden und die Säulenfüllung schon nach wenigen Tagen eine starke Braunfärbung aufweist, hätte es nahegelegen, mit noch stärkerer Verdünnung, als in der Literatur empfohlen, zu arbeiten. Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß die bisher allgemein empfohlene Verdünnung des Cadoxens zwar zu geringerer Schädigung des Säulenmaterials führt, daß die durch die Herabsetzung der Viskosität an sich zu erwartende Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Druck jedoch nicht eintritt. Es stellte sich im Gegenteil heraus, daß bei Verwendung der üblichen Mischung aus Cadoxen und Wasser im Verhältnis 1:1 nach dem Aufgeben der Probe auf die Säule ein starker Druckanstieg auftritt, Unter der Annahme, daß dieser auf eine Verstopfung der Säule zurückzuführen sei, welche durch das Ausfällen der gelösten Cellulose hervorgerufen wird, wurde auf die übliche Verdünnung der Probe verzichtet und auch als Laufmittel reines Cadoxen herangezogen, Voraussetzung für den Erfolg dieser Maßnahme war natürlich die Verwendung eines bei dem entsprechend höheren pH-Wert noch stabilen Gels. Die Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß zur Lösung der Cellulose und als Laufmittel unverdünntes Cadoxen verwendet wird, daß ein bei einem pH-Wertl3 stabiles Gel eingesetzt wird, und daß die Temperatur des Analysensystems insbesondere des Detektorteiles der zur GPC verwendeten Anlage innerhalb von etwa + C,10C konstant gehalten wird und die Analyse in an sich bekannter Weite durch Messung der Änderung des B£echungsindex erfolgt.Eluents are less likely to be attacked. When it was therefore established that the gels given by Eriksson based on polyacrylamide, but also gels Polysaccharide base are attacked by the solvent and the column filling already shows a strong brown color after a few days, it would have been obvious to use even greater dilution than recommended in the literature to work. The invention on the other hand is based on the knowledge that the previously generally recommended dilution of the cadoxene leads to less damage to the column material that the the reduction in viscosity per se to be expected increase in the flow rate but does not occur at constant pressure. On the contrary, it turned out that when using the usual mixture of cadoxene and water in a ratio of 1: 1 after application of the sample to the column there is a sharp increase in pressure, below the assumption that this was due to a clogging of the column, which caused by the precipitation of the dissolved cellulose has been reduced to the usual No dilution of the sample is required and pure cadoxene is also used as the eluent, A prerequisite for the success of this measure was of course the use of a with the correspondingly higher pH value, the gels are still stable. The invention is thus characterized in that undiluted for the solution of the cellulose and as a mobile solvent Cadoxene is used so that a gel which is stable at a pH value is used, and that the temperature of the analysis system, in particular of the detector part of the for GPC used plant within about + C, 10C constant held and the analysis to a known extent by measuring the change in the refractive index he follows.

Wie erwähnt, ist der Begriff des unverdünnten Cadoxens nur innerhalb gewisser Grenzen definiert, welche eingangs angegeben worden sind. Laufmittel und Lösungsmittel sollen erfindungsgemäß innerhalb dieser Grenzen liegen, wobei es unschädlich ist, wenn das Laufmittel eine höhere Konzentration aufweist als das Lösungsmittel, da hiedurch keine Ausfällung des gelösten Stoffes hervorgerufen werden kann.As mentioned, the concept of undiluted cadoxene is only within certain limits are defined, which were specified at the beginning. Solvent and According to the invention, solvents should be within these limits, whereby it is harmless if the solvent has a higher concentration than the solvent, since this cannot cause any precipitation of the dissolved substance.

Abgesehen davon, daß das verwendete Gel bei dem vor allem durch den Gehalt an NaOH bestimmten pH-Wert der Lösung bzw.Apart from the fact that the gel used in the mainly by the NaOH content determined pH value of the solution or

des Laufmittels stabil sein soll, ist es wünschenswert, daß die daraus aufgebaute Säule hohe Durchflußraten und damit geringe Versuchszeiten ermöglicht. Diese Bedingungen werden erfüllt, wenn ein semi-rigides, mechanisch und chemisch stabiles Gel, aufgebaut aus hydrophilen Vinyl-Polymeren mit Hydroxylgruppen an der Matrix-Oberfläche verwendet wird.of the solvent is to be stable, it is desirable that the from it built column enables high flow rates and thus short test times. These conditions are met when a semi-rigid, mechanically and chemically stable gel, made up of hydrophilic vinyl polymers with hydroxyl groups on the Matrix surface is used.

Um gut reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, hat es sich als wesentlich herausgestellt, die Temperatur des Chromatographiesystems in engen Grenzen konstant zu halten. Abweichungen von mehr als i 0,10 C erweisen sich bereits als ausgesprochen störend.In order to achieve well reproducible results, it has been found to be essential found that the temperature of the chromatography system is constant within narrow limits to keep. Deviations of more than i 0.10 C have already proven to be pronounced disturbing.

Anschließend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention will then be described with reference to the drawing explained in more detail.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein Gelchromatogramm verschiedener bekannter Stoffe, Fig. 3 das Gelchromatogramm einer isolierten Cellulose.Fig. 1 shows schematically a device for performing the method according to the invention, FIG. 2 is a gel chromatogram of various known substances, 3 shows the gel chromatogram of an isolated cellulose.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besteht aus einem Kühlthermostaten 1 (Haake, Karlsruhe, BRD) mit einer Regelgenauigkeit von + 0,020C, einem isolierten Gehäuse 2, in dem alle erforderlichen Komponenten eines Chromatographiesystems untergebracht sind, und einem Schreiber 12.The device shown in Fig. 1 consists of a cooling thermostat 1 (Haake, Karlsruhe, Germany) with a control accuracy of + 0.020C, an isolated Housing 2 in which all necessary components of a chromatography system are housed, and a clerk 12.

Als Pumpe wird eine HPLC-Pumpe 7 (Modell 110, Altex, Berkeley, Californien) USA) verwendet; die Gelsäule 9 ist eine Sonderanfertigung aus Edelstahl mit Metallfritten und Endrohrverschraubungen (Chrompak, Middelburg, Niederlande) mit einem Durchmesser von 1,6 cm und einer Länge von 40 cm. Die Säule 9 ist zur Thermostatierung von einem Mantel 13 umgeben. Die Detektion der eluierten Substanzen erfolgt über die Messung des Brechungsindex im RI-Detektor 10 (Modell 156, Beckman). An HPLC pump 7 (model 110, Altex, Berkeley, California) is used as the pump. USA) used; the gel column 9 is a custom-made product made of stainless steel with metal frits and end pipe fittings (Chrompak, Middelburg, Netherlands) with a diameter 1.6 cm and a length of 40 cm. The column 9 is for thermostating one Coat 13 surrounded. The eluted substances are detected via the measurement the index of refraction in RI detector 10 (model 156, Beckman).

Im Anschluß an den Detektorausgang befindet sich ein Ventil, über das wahlweise der Eluent recycliert oder in den Behälter 11 abgelassen werden kann. Das HPLC-Aufgabeventil 8 (Valco Instruments, Houston, Texas, USA) mit einer 500 g1-Probenschleife befindet sich ebenfalls im thermostatisierten Innenraum des Systems.In connection with the detector output there is a valve above that optionally the eluent can be recycled or drained into the container 11. The HPLC feed valve 8 (Valco Instruments, Houston, Texas, USA) with a 500 The g1 sample loop is also located in the thermostatically controlled interior of the system.

Das für die Untersuchungen erforderliche Celluloselösungsmittel Cadoxen wurde im wesentlichen nach Donetzhuber (vgl Svensk Papperstidning årg. 63, Nr. 14, 31 juli 1960, Seite 447 ff.) hergestellt. Während Donetzhuber bei +30C arbeitet, allerdings bereits auf den Vorteil noch tieferer Temperaturen verweist, wurde in Abänderung der von Donetzhuber gegebenen Arbeitsvorschrift bei -100C gearbeitet. Durch langsames Zugeben des braunen, pulverförmigen CdC zu einer 28%gen Ethylendiamin-Lösung bei etwa -1C0C und heftigem Rühren wurde erreicht, daß nach dem Stehen von mindestens 24 Stunden im Tiefkühlfach (zur Ausbildung des Komplexes) praktisch kein Cd(OH)2 zurückbleibt. Durch die Anwendung dieser Bedingungen kann bei der Herstellung ein Arbeitsschritt entfallen (Zentrifugieren der Lösung zur Abtrennung des Niederschlags) und die Konzentration an Cadmium ergibt sich durch die Einwaage.The cellulose solvent cadoxene required for the examinations was essentially based on Donetzhuber (cf. Svensk Papperstidning årg. 63, no. 14, July 31, 1960, page 447 ff.). While Donetzhuber works at + 30C, however, already refers to the advantage of even lower temperatures, it was in Modification of the work instructions given by Donetzhuber worked at -100C. By slowly adding the brown, powdery CdC to a 28% ethylene diamine solution at about -1C0C and vigorous stirring that was achieved after standing of at least 24 hours in the freezer (for the formation of the complex) practically no Cd (OH) 2 remains behind. By applying these conditions can be used in the manufacture of a No work step (centrifugation of the solution to separate the precipitate) and the concentration of cadmium results from the weight.

Zu ca. 980 ml einer Stammlösung, die in der beschriebenen Weise aus 280 g en, 720 g Wasser und 90 g CdC hergestellt worden ist und welche ca. 8 g Cd/100 ml enthält, wurde noch eine gekühlte Mischung von 190 ml en, 490 ml Wasser und 27 g NaOH hinzugefügt. Das Endprodukt waren 1,66 1 unverdünntes Cadoxen mit ca. 4,8 g Cd/100 ml und 0,4 n NaOH.To approx. 980 ml of a stock solution made in the manner described 280 g en, 720 g water and 90 g CdC has been produced and which approx. 8 g Cd / 100 ml contains, a cooled mixture of 190 ml en, 490 ml water and 27 g NaOH added. The end product was 1.66 1 undiluted cadoxene with approx. 4.8 g Cd / 100 ml and 0.4 N NaOH.

Zur Charakterisierung des Systems wurden Verteilungskurven für Standards mit unterschiedlichem Molekulargewicht aufgenommen. In Fig. 2 sind neben Glucose die Verteilungskurven für die Dextrane T10, T40 und T500 (Pharmacia Fine Chemicals AB, Uppsala, Schweden) dargestellt. Alle Substanzen wurden in Cadoxen gelöst und ohne Verdünnung auf die Säule aufgegeben. Gefüllt wurde die Säule mit Fractogel TSK HW-65(F) von E. Merck, welches noch bei pH 14 stabil ist. Die Gelmatrix besteht aus hydrophilen Vinylpolymeren, welche eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Die mit Polyethylenglycolen bestimmte Ausschlußgrenze von 1 000 000 Dalton ermöglicht auch noch die Fraktionierung sehr hochmolekularer Baumwollcellulosen.Distribution curves for standards were used to characterize the system recorded with different molecular weights. In Fig. 2 are in addition to glucose the distribution curves for the dextrans T10, T40 and T500 (Pharmacia Fine Chemicals AB, Uppsala, Sweden). All substances were dissolved in cadoxene and applied to the column without dilution. The column was filled with Fractogel TSK HW-65 (F) from E. Merck, which is still stable at pH 14. The gel matrix consists made of hydrophilic vinyl polymers, which have a high mechanical stability. The exclusion limit of 1,000,000 Daltons determined with polyethylene glycols enables also the fractionation of very high molecular weight cotton celluloses.

Auffallend ist das Auftreten eines negativen Peaks am Ende eines der Chromatogramme. Mit großer Wahrscheinlichkeit dürfte es sich dabei um einen Lösungsmittelpeak handeln, der aus einer Veränderung der Zusammensetzung des Cadoxens durch die gelöste Substanz resultiert.What is striking is the appearance of a negative peak at the end of one of the Chromatograms. It is very likely that it is a solvent peak act resulting from a change in the composition of the cadoxene by the dissolved Substance results.

Fig. 3 zeigt die Molekulargewichtsverteilungskurve einer gelösten Cellulose, die hydrothermal vorbehandelt wurde.Fig. 3 shows the molecular weight distribution curve of a solute Cellulose that has been hydrothermally pretreated.

Die Fasern wurden zuerst in einer Hammermühle zerkleinert.The fibers were first crushed in a hammer mill.

Von der daraus resultierenden, flockigen Cellulose wurden etwa 50 mg entnommen und mit 10 ml Cadoxen versetzt. Durch kräftiges Rühren mit einem Magnetrührer kann schon nach wenigen Stunden (2 - 3 h) eine beinahe klare Lösung erhalten werden.Of the resulting fluffy cellulose, about 50 mg taken and mixed with 10 ml cadoxene. By stirring vigorously with a magnetic stirrer an almost clear solution can be obtained after just a few hours (2 - 3 h).

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Claims

Claims: 1. Method for determining the molecular weight distribution underivatized cellulose by gel permeation chromatography (GPC), in which the cellulose dissolved in a solvent known as cadoxene which consists of the cadmium complex Cd (en) 3 (OH> 2, NaOH, en and water (en = ethylenediamine (1,2-diamino-ethane)) and contains 4.5-5.2 g of Cd / 100 ml and 0.2 - 0.5 normal NaOH, whereupon a sample is formed from the solution and a with a gel-filled column is applied, which the proportions of the cellulose separates according to their permeation rate, characterized in that the solution the cellulose and undiluted cadoxene is used as a mobile solvent that a with a pH value> 13 stable gel is used, and that the temperature of the analysis system in particular the detector part of the system used for GPC within approximately + 0.1 ° C is kept constant and the analysis is carried out in a manner known per se Measurement of the change in the refractive index takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cadmium content of the solvent is at least the same and preferably exactly the same as that of the sample.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a semi-rigid, mechanically and chemically stable gel, made up of hydrophilic vinyl polymers with hydroxyl groups on the matrix surface.