凝膠滲透色譜-十八角激光光散射儀（GPC-MALLS）在聚丙烯酰胺合成中的應(yīng)用

林朝陽， 郝小飛， 霍炳臣， 王冬梅， 李天仚， 趙獻(xiàn)增

（河南省科學(xué)院高新技術(shù)研究中心，河南省精細(xì)化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

聚丙烯酰胺（PAM）是由丙烯酰胺（AM）單體通過自由基聚合而成，是一種應(yīng)用極廣的水溶性高分子材料，其結(jié)構(gòu)單元中CONH2結(jié)構(gòu)特征決定了聚丙烯酰胺具有良好的吸附性、高黏性、交聯(lián)性，被廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、醫(yī)藥、建筑、石油、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、采礦采油和環(huán)保等諸多領(lǐng)域［1-3］.聚丙烯酰胺及其相關(guān)降解物較為安全，但其殘留的未聚合的丙烯酰胺是水溶性較好的神經(jīng)性毒素，易通過消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、皮膚被人體吸收，可引起神經(jīng)損傷及DNA損傷從而致癌、致畸等，對(duì)人體及環(huán)境有一定的危害［4］.因此，準(zhǔn)確測(cè)定聚丙烯酰胺中殘留單體對(duì)聚丙烯酰胺的質(zhì)量控制具有重要的意義.

為有效評(píng)價(jià)聚丙酰胺相關(guān)產(chǎn)品的安全性，需準(zhǔn)確測(cè)定其殘留單體的含量，目前用于測(cè)定聚丙烯酰胺中丙烯酰胺含量的方法主要有化學(xué)分析法［5］、紫外分光光度法［6］、氣相色譜法及氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法［7-9］、液相色譜法及液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法［10-12］.但化學(xué)分析法使用指示劑確定滴定終點(diǎn)，終點(diǎn)顏色變化不宜觀察，操作煩瑣，耗時(shí)耗力.紫光分光光度法在測(cè)定聚丙烯酰胺單體殘留時(shí)，聚合物在所選取的波長(zhǎng)范圍有一定的吸收，容易干擾測(cè)定的準(zhǔn)確性，存在準(zhǔn)確度不高、易受干擾等缺點(diǎn).氣相色譜法與液相色譜法需要提前將丙烯酰胺從聚合物中分離出來，且氣相法需要進(jìn)一步對(duì)單體進(jìn)行衍生化，單體的提取率及衍生化率勢(shì)必會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響.上述方法缺點(diǎn)明顯，難以廣泛應(yīng)用.本研究團(tuán)隊(duì)多年來致力于研究水溶液聚合法合成低分子量聚丙烯酰胺［13-16］，已在納米材料制造、特種陶瓷、耐火材料、水處理、數(shù)碼印刷等領(lǐng)域使用，迫切需要建立一種快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的方法檢測(cè)產(chǎn)物中丙烯酰胺的含量來指導(dǎo)綠色合成工藝的開發(fā).本文建立凝膠滲透色譜法（GPC）直接測(cè)定聚丙烯酰胺合成中殘留單體的方法，尚未見報(bào)道，適用于丙烯酰胺聚合反應(yīng)進(jìn)程的監(jiān)測(cè)及合成產(chǎn)物中殘留單體的測(cè)定.

聚合物分子量和分子量分布是表征聚合物性能的重要指標(biāo)，目前聚丙烯酰胺的相對(duì)分子量主要通過黏度法測(cè)定，但黏度法存在耗時(shí)長(zhǎng)、操作煩瑣等缺點(diǎn)，且不能測(cè)定其分子量分布.GPC凝膠滲透色譜被廣泛應(yīng)用于測(cè)定高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布，但是GPC 方法需要結(jié)構(gòu)與其相似的標(biāo)準(zhǔn)品作為對(duì)照，其測(cè)定結(jié)果受柱效、所選的標(biāo)準(zhǔn)品等多種因素影響.近年來發(fā)展起來的凝膠滲透色譜-十八角激光散射儀（GPC-MALLS）是測(cè)定高聚物相對(duì)分子質(zhì)量及分散系數(shù)（PDI）的有效方法，該方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、不需色譜柱的標(biāo)定和對(duì)照品的參考，又能測(cè)定均方根半徑等相關(guān)參數(shù)［17］.目前，國內(nèi)外幾乎很少有文獻(xiàn)報(bào)道利用GPC-MALLS系統(tǒng)來測(cè)聚丙烯酰胺的相對(duì)分子質(zhì)量及分子質(zhì)量分布［18］.本文采用GPC-MALLS系統(tǒng)來測(cè)定聚丙烯酰胺分子量及分子量分布，進(jìn)而來指導(dǎo)聚丙烯酰胺的合成工藝開發(fā).

本文采用GPC-MALLS系統(tǒng)來測(cè)定聚丙烯酰胺分子質(zhì)量及分子質(zhì)量分布及其合成工藝中殘留單體的含量，實(shí)現(xiàn)了一次進(jìn)樣即可同時(shí)測(cè)定單體的殘留量和聚合物的分子量，具有高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)聚丙烯酰胺的合成具有重要的意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

島津LC-20AT高效液相色譜儀、島津RID-10A 示差折光檢測(cè)器、美國懷雅特公司十八角度激光光散射儀（DAWN HELEOS Ⅱ）、美國懷雅特公司示差折射率測(cè)定儀（Optilab T-rEX）、V7.3.2.19b型Astra數(shù)據(jù)采集及處理軟件、水溶性SEC（GFC）色譜柱（OHpak SB-806 HQ、OHpak SB-804 HQ）、上海精天電子儀器有限公司電子天平FA2004A.

丙烯酰胺（純度99.8%，aladdin公司，乙酸乙酯重結(jié)晶純化）、超純水（0.45 μm濾膜過濾）、標(biāo)準(zhǔn)品葡聚糖T40、過硫酸銨（AR）、甲醇（AR）、乙醇（AR）、乙酸乙酯（AR）、硝酸鈉（AR）.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（5 mg/mL）：準(zhǔn)確稱取500 mg純化后的丙烯酰胺，超純水溶解并定容至100 mL容量瓶中.

分別準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1、2、4、8、16 mL 定容于100 mL 容量瓶中，配制質(zhì)量濃度為0.05、0.10、0.20、0.40、0.80 mg/mL的丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，水系針式過濾器過濾，以建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線.配制0.1 mol/L的NaNO3溶液，水系微孔過濾膜過濾，作為流動(dòng)相使用.配制2 mg/mL分子量為4萬的葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品溶液（水系微孔過濾膜過濾），以備十八角度激光光散射儀歸一化用.

1.3 色譜條件

為達(dá)到較好的分離度，通過對(duì)柱溫、流速、進(jìn)樣量、色譜柱等色譜條件進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)色譜條件為：色譜柱OHpak SB-806 HQ、OHpak SB-804 HQ串聯(lián)，柱溫：40 ℃；流動(dòng)相：0.1 mol/L的NaNO3，流速：0.5 mL/min；進(jìn)樣體積：50 μL.

1.4 合成方法

將帶有攪拌裝置、回流冷凝管、溫度計(jì)、蠕動(dòng)泵接口的500 mL四口燒瓶置于可調(diào)節(jié)溫度的油浴中，加入40 mL 水和一定量的有機(jī)溶劑，升溫至回流狀態(tài)，100 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的AM 單體及20 mL 濃度為2 mmol/L 的過硫酸銨溶液的混合溶液通過蠕動(dòng)泵滴加，1.5 h 內(nèi)滴加完畢，保持回流狀態(tài)，繼續(xù)反應(yīng)2 h，蒸餾去除有機(jī)溶劑，降溫至常溫，即得到聚丙烯酰胺的水溶液（圖1）.

圖1 聚丙烯酰胺的合成Fig.1 Synthesis of polyacrylamide

1.5 dn/dc值的測(cè)定

dn/dc值即折光指數(shù)增量，是描述聚合物溶液折光指數(shù)相對(duì)于溶質(zhì)濃度的變化的參數(shù)，在特定溫度及特定溶液中可視為固定常數(shù).取上述合成得到的30 g聚丙烯酰胺水溶液倒入恒壓滴液漏斗中，逐滴滴加到400 mL甲醇中（邊加邊攪拌），進(jìn)行第一次純化，析出白色固體，布氏漏斗減壓過濾得白色固體，用30 mL去離子水溶解，重復(fù)上述操作，進(jìn)行第二次純化，抽濾，放入真空干燥箱中干燥24 h，取出后用研缽研碎，即得聚丙烯酰胺粉末.取適量的純化后的聚丙烯酰胺樣品配制成2 mg/mL 的NaNO3的溶液，在上述色譜條件下，通過凝膠滲透色譜對(duì)其純度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，純化后的PAM較為純凈（圖2）.

圖2 純化后PAM的色譜圖Fig.2 Chromatogram of purified PAM

取適量的純化后的聚丙烯酰胺粉末，用0.1 mol/L 的NaNO3的溶液依次配成質(zhì)量濃度為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mg/mL的供試品溶液.打開Astra軟件下的dn/dc測(cè)試模塊并設(shè)定有關(guān)參數(shù)，將樣品按濃度從低到高順序注入檢測(cè)器并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最終通過軟件處理（定基線，選峰，輸入相關(guān)峰濃度依次進(jìn)樣），示差折射率測(cè)定儀（Optilab T-rEX）測(cè)定聚丙烯酰胺在0.1 mol/L 的NaNO3中的dn/dc.

1.6 實(shí)驗(yàn)方法

精密稱取5.00 g樣品（丙烯酰胺水溶液聚合產(chǎn)物），0.1 mol/L的NaNO3溶液定溶于100 mL容量瓶中，放置過夜使其充分溶解.首先打開液相系統(tǒng)、示差檢測(cè)器、十八角度激光光散射儀實(shí)現(xiàn)GPC-MALLS-RI 的聯(lián)用，待儀器達(dá)到測(cè)試狀態(tài)后，首先取2 mg/mL分子量為4萬葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品溶液對(duì)十八角度激光光散射儀進(jìn)行歸一化操作.然后注射器取2 mL配制好的樣品溶液，通過0.45 μm 水系針式過濾器過濾，在上述色譜條件下上機(jī)測(cè)定.通過十八角度激光光散射儀相關(guān)軟件處理（定基線，定峰，輸入dn/dc值）直接測(cè)定分子量及分子量分布，根據(jù)示差檢測(cè)器檢測(cè)結(jié)果及建立的工作曲線測(cè)定單體含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的選擇

在本合成工藝的條件下，自由基水溶液聚合法得到的聚丙烯酰胺中常含有自由基引發(fā)劑分解物（硫酸銨等）、殘留單體、殘留有機(jī)溶劑等多種成分，各成分的充分分離是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定分子量及單體殘留的前提.首先對(duì)流動(dòng)相、流速及柱溫進(jìn)行條件篩選，結(jié)果顯示，上述條件對(duì)各組分的分離效果影響不大、為防止儀器系統(tǒng)壓力過高而損壞儀器，因此選擇柱溫：40 ℃，流動(dòng)相：0.1 mol/L的NaNO3，流速：0.5 mL/min為流動(dòng)相條件為色譜條件.示差及激光檢測(cè)器和色譜柱對(duì)進(jìn)樣量有一定的要求，既要滿足檢測(cè)的靈敏度，又要防止色譜柱超載，結(jié)合配制樣品的濃度，選擇進(jìn)樣體積為50 μL.選擇分子量分析范圍為500～2000萬的OHpak SB-806 HQ色譜柱、和分子量分析范圍為500～200萬的OHpak SB-804 HQ色譜柱.當(dāng)兩根色譜柱單獨(dú)使用時(shí)，部分組分疊加，不能很好地實(shí)現(xiàn)各組分分離（圖3），因OHpak SB-804 HQ分離范圍較窄，分離效果比OHpak SB-806 HQ色譜柱稍好.當(dāng)色譜柱OHpak SB-806 HQ、OHpak SB-804 HQ串聯(lián)使用時(shí)分離效果較好（圖4），示差、激光檢測(cè)器信號(hào)呈對(duì)稱、正態(tài)分布圖樣，能實(shí)現(xiàn)聚合物、殘留單體、引發(fā)劑殘留物的充分分離.因此確定最優(yōu)色譜條件如下：色譜柱OHpak SB-806 HQ、OHpak SB-804 HQ 串聯(lián)；柱溫：40 ℃；流動(dòng)相：0.1 mol/L 的NaNO3；流速：0.5 mL/min；進(jìn)樣體積：50 μL.

圖3 SB-806和SB-804分離色譜圖Fig.3 Chromatogram of PAM separated by SB-806 and SB-804

圖4 聚丙烯酰胺及丙烯酰胺色譜圖Fig.4 Chromatogram of polyacrylamide and acrylamide

2.2 線性范圍與檢出限

打開液相系統(tǒng)、示差檢測(cè)器.將質(zhì)量濃度為0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液在上述的色譜條件下濃度由低到高依次進(jìn)樣檢測(cè)，每個(gè)濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定三次，計(jì)算峰面積的平均值（表1），以濃度為橫坐標(biāo)、色譜峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性方程為：y=897 156x-1577，R2=0.999 9，線性相關(guān)系數(shù)R2接近1，說明標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性良好（圖5）.以色譜峰3 倍信噪比（S/N=3）對(duì)應(yīng)濃度為檢出限（LOD），檢出限為0.001 25 mg/mL，10 倍性噪比（S/N=10）對(duì)應(yīng)濃度為定量限（LQD），定量限為0.006 25 mg/mL.

表1 標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積結(jié)果Tab.1 Peak area results of standard solutions

圖5 丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5 Standard curve of acrylamide

2.3 加標(biāo)回收率與精密度

準(zhǔn)確稱取適量的丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)品及純化后的聚丙烯酰胺粉末，配制丙烯酰胺添加水平分別為0.10、0.150、0.200 mg/mL的加標(biāo)聚丙烯酰胺溶液.按此方法測(cè)定聚合物樣品中丙烯酰胺含量，每個(gè)水平進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算加標(biāo)回收率及精密度（表2），結(jié)果顯示平均回收率在99.3%～101%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.55%～3.425%，表明該方法準(zhǔn)確、可靠，均滿足理化分析指標(biāo).

表2 方法加標(biāo)回收率及精密度計(jì)算結(jié)果（n=6）Tab.2 Method recovery rates and precision calculation results（n=6）

2.4 在低分子量及中等分子量聚丙烯酰胺合成中的應(yīng)用

按上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定（圖6），根據(jù)峰面積，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計(jì)算得到所配置的樣品濃度，根據(jù)取樣量，進(jìn)一步計(jì)算得該合成工藝中聚丙烯酰胺殘留單體含量.

圖6 所測(cè)樣品PAM-1色譜圖Fig.6 Chromatogram of the tested sample PAM-1

GPC-MALLS 方法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量，需要測(cè)定樣品在溶液中折光指數(shù)增量（dn/dc），測(cè)得聚丙烯酰胺在0.1 mol/L的NaNO3的dn/dc值為0.150 0.對(duì)收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（激光檢測(cè)器數(shù)據(jù)和示差檢測(cè)器數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理，計(jì)算出相對(duì)分子質(zhì)量大小及分子質(zhì)量分布（圖7）.

圖7 GPC-MALLS 法測(cè)定聚丙烯酰胺PAM-1分子質(zhì)量的色譜圖Fig.7 Chromatogram of polyacrylamide（PAM-1）molecular mass determined by GPC-MALLS

由于丙烯酰胺的自由聚合反應(yīng)活性很高，其水溶液自由基聚合難以控制，易發(fā)生交聯(lián)、爆聚等情況，需要加入相應(yīng)的分子量調(diào)節(jié)劑來調(diào)控分子量及控制聚合反應(yīng)的進(jìn)程.有機(jī)溶劑易揮發(fā)且部分具有活性基團(tuán)，在自由基水溶液聚合中起轉(zhuǎn)移熱量及鏈轉(zhuǎn)移的作用.分別以乙醇、乙酸乙酯作為分子量調(diào)節(jié)劑來調(diào)控聚丙烯酰胺的聚合反應(yīng)，調(diào)節(jié)乙醇或乙酸乙酯的量合成不同分子量的聚丙烯酰胺，合成的聚丙烯酰胺的分子量及單體殘留結(jié)果見表3.乙醇含有活潑氫的羥基，較易與自由基發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因此選擇乙醇作為分子量調(diào)節(jié)劑來合成低分子量聚丙烯酰胺，當(dāng)加入1 g乙醇時(shí)，合成的目標(biāo)產(chǎn)物分子量為78.68萬，隨著乙醇的量增加到3 g，得到了分子量為20.58萬的低分子量聚丙烯酰胺，在此過程中，單體的殘留量（即反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率）變化不大，由此可以看出，乙醇是合成低分子量聚丙烯酰胺的良好分子量調(diào)節(jié)劑.乙酸乙酯具備不飽和的酯基，但不具備活性氫，而導(dǎo)致其鏈轉(zhuǎn)移作用較弱，其難溶于水又較易揮發(fā)，在反應(yīng)體系中可以起到很好的轉(zhuǎn)移熱量作用，避免反應(yīng)體系熱量聚集導(dǎo)致的反應(yīng)不可控，因此選擇乙酸乙酯調(diào)控中等分子量聚丙烯酰胺的合成.當(dāng)20 g乙酸乙酯作為分子量調(diào)劑時(shí)，合成得到分子量為158.9萬的中等分子量聚丙烯酰胺.當(dāng)乙酸乙酯的量增加到40 g時(shí)，合成的聚丙烯酰胺分子量下降為120.9萬，分子量有所降低，但不明顯，進(jìn)一步說明，乙酸乙酯在反應(yīng)體系中主要起轉(zhuǎn)移熱量的作用.綜上所述，凝膠滲透色譜-十八角激光光散射儀聯(lián)用成功應(yīng)用于低分子量及中等分子量聚丙烯酰胺的合成中，其準(zhǔn)確、快速地測(cè)定了聚丙烯酰胺的分子量及單體殘留，揭示了相關(guān)反應(yīng)規(guī)律，為聚丙酰胺的合成提供了一種便利的檢測(cè)方法.

表3 聚丙烯酰胺的分子量及單體含量測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of molecular weight and monomer content of polyacrylamide

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，聚丙烯酰胺相關(guān)產(chǎn)品的種類及需求量仍在不斷地增加，迫切需要一個(gè)快速、簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法助力聚丙烯酰胺的合成及開發(fā).本文報(bào)道了不經(jīng)任何前處理，凝膠滲透色譜-十八角激光散射儀（GPC-MALLS）直接測(cè)定聚丙烯酰胺合成工藝中單體殘留、分子量及分子量分布的方法.通過合適的色譜條件，實(shí)現(xiàn)聚合物、單體及其他雜質(zhì)的分離，外標(biāo)定量法建立分析方法.一次進(jìn)樣即可實(shí)現(xiàn)單體含量及分子量的測(cè)定，并成功用于聚丙烯酰胺的合成中，該方法操作簡(jiǎn)便，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確，適合在聚丙烯酰胺合成工藝中應(yīng)用.