超高效合相色谱法快速检测聚烯烃材料中的15种抗氧剂

刘 静，孙姝琦，黄文氢，张明森

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

超高效合相色谱法快速检测聚烯烃材料中的15种抗氧剂

刘 静，孙姝琦，黄文氢，张明森

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

采用超高效合相色谱技术（UPC2）建立了快速分析聚烯烃材料中15种抗氧剂的方法。通过考察色谱柱、流动相助溶剂、柱温、系统背压及试样稀释溶剂对分离效果的影响，最终确定15种抗氧剂分离的最优条件：色谱柱采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP（100 mm×3.0 mm，1.7 μm），流动相助溶剂为甲醇/乙腈（体积比1∶1），流速1.5 mL/min，柱温40 ℃，系统背压12.41 MPa，氯仿为试样的稀释溶剂。在该条件下15种抗氧剂在4.5 min内实现基线分离。利用超声波辅助萃取法对试样中的抗氧剂进行提取，15种抗氧剂在2～100 mg/L范围内线性良好，定量限在0.5～1.0 mg/L之间。该方法简单、准确度高且耗时短，可用于快速检测聚烯烃材料中的抗氧剂。

聚烯烃；抗氧剂；超高效合相色谱；二极管阵列检测器

聚烯烃材料在造粒加工、贮存和使用过程中受光、氧和热的作用易发生老化降解，失去优良的物理性能和使用价值，因此聚烯烃材料常在造粒阶段加入抗氧剂以降低材料的氧化速度，延缓老化，延长使用寿命。对某种聚烯烃材料，如果抗氧剂品种选择不当或添加量过高，在使用过程中容易造成抗氧剂迁移或溶出，对人体产生危害。随着安全环保意识的增强，国内外关于聚烯烃制品安全性和环保性的法律、法规日益完善［1］。

目前聚烯烃材料中抗氧剂的检测方法主要包括傅里叶变换红外光谱法［2-4］、气相色谱-质谱法［5-7］和高效液相色谱法［8-10］。这些方法涉及到的抗氧剂种类较少，同时试样前处理方法繁琐耗时，有机溶剂用量大，不符合分析方法绿色环保的发展趋势。在聚烯烃材料生产工艺中，常需要多种抗氧剂配合使用，因此建立快速高效的聚烯烃材料中抗氧剂的分析检测方法对改进生产工艺、提高聚烯烃材料的性能极有必要。

超高效合相色谱（UPC2）是Waters公司于2012年推出的基于超临界流体色谱的新型分离技术［11］。该技术主要以超临界二氧化碳和少量助溶剂为流动相，具有黏度低、传质性好和绿色环保的优势。此外，UPC2色谱柱填料的粒度由5 μm降至1.7 μm，可以使用更小内径的色谱柱，灵敏度更高，溶剂使用量更小。该技术可同时分析极性和非极性化合物，适用于聚烯烃材料中抗氧剂的分析。目前有将UPC2技术用于聚合物中添加剂分析的报道［12］，但该方法只包含了5种受阻酚类抗氧剂，其他常见的亚磷酸酯类抗氧剂和硫酯类抗氧剂均未包含。

本实验选择了聚烯烃材料中较为常用的15种抗氧剂，包含了受阻酚类、亚磷酸酯类和硫酯类抗氧剂，所选目标化合物相对分子质量跨度大且大部分含有极性基团，适于利用UPC2进行分离分析。通过对色谱条件的系统优化，借助光电二极管阵列（PDA）检测器建立了针对聚烯烃材料中不同类型抗氧剂的简便、快速的UPC2-PDA分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

超高效合相色谱仪：ACQUITY Ultra-performance Convergence ChromatographyTM型，美国Waters公司，配PDA检测器；超声波清洗器：KQ5200E型，昆山市超声仪器有限公司。

高纯二氧化碳：纯度99.999%，北京市北温气体制造厂；抗氧剂BHT、245、330、565、1010、1024、1076、1098、1790、2246、3114、168、1035、405、HP136：德国BASF公司，性质见表1。甲醇、乙腈：色谱纯，美国Fisher公司；氯仿：分析纯，北京化工厂。

表1 15种抗氧剂的性质Table 1 Properties of 15 antioxidants

续表1

1.2 标准试样配置

分别准确称取15种抗氧剂40.00 mg，精确至0.01 mg，用氯仿溶解并分别定容于10 mL容量瓶中，制成质量浓度为4 g/L的单一标准储备液；然后分别准确移取0.25 mL单一标准储备溶液于10 mL容量瓶中，用氯仿定容，制成质量浓度为100 mg/L的混合标准液。以氯仿为溶剂，采用逐级稀释法制备系列标准工作溶液。

1.3 色谱条件

采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色谱柱，100 mm×3.0 mm，1.7 μm；柱温40 ℃；流动相：A相为超临界二氧化碳，B相为甲醇/乙腈（体积比1∶1）；流速1.5 mL/min；流动相梯度洗脱程序：0～1 min内保持1%B，1～3 min内由1%B线性升至15%B，3～4 min内由15%B线性升至30%B，4～5 min内由30%B线性降至1%B；系统背压保持12.41 MPa；试样进样量1 μL；PDA检测波长2D为220 nm，3D为190～420 nm。

1.4 试样前处理

试样剪碎成小于3 mm×3 mm的小块，准确称取0.5 g于25 mL具塞试管中，加入10 mL氯仿进行超声萃取30 min；萃取液过0.22 μm滤膜后氮吹近干，定容至1 mL，用氯仿稀释后上机检测。

2 结果与讨论

2.1 UPC2方法的优化

在UPC2系统耐压范围内，为了保证色谱柱有较高的分离效率，经实验确定流动相流速为1.5 mL/min，PDA检测波长选择15种目标物响应较高的220 nm。在此条件下，对色谱柱、流动相助溶剂、柱温、系统背压及试样稀释溶剂进行优化，以得到最好的分离效果。

2.1.1 色谱柱的选择

从表1可看出，15种目标物结构较为复杂，相对分子质量跨度大且有结构类似的化合物，分离难度较大。色谱分离方法的核心是色谱柱选择，考察了具有明显差异的3种不同填料但规格相同的色谱柱ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP，ACQUITY UPC2CSHTMBEH，ACQUITY UPC2CSHTMFluoro-phenyl。3种色谱柱对15种抗氧剂的分离效果见图1。

图1 不同色谱柱对15种抗氧剂的分离效果Fig.1 Effects of different chromatographic columns on the separation of the 15 antioxidants.

由图1可看出，ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色谱柱的分离效果最好，且峰形较尖锐对称，目标化合物在4.5 min内出峰，而其他两种色谱柱出峰均有一定程度重叠，这是由于ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色谱柱的固定相为表面键合了2-乙基吡啶的亚乙基桥杂化颗粒，对具有极性官能团的目标化合物具有较好的选择性，因此实验采用ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP色谱柱。

2.1.2 流动相中助溶剂的选择

UPC2系统中流动相主要为超临界二氧化碳，实验中常使用少量有机溶剂作为助溶剂进行分离，以提供对目标物不同的选择性和洗脱能力。常用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇及乙腈，其中醇类为质子给予型溶剂、乙腈为质子接受型溶剂。根据试样及助溶剂的性质，考察了3种不同助溶剂，甲醇、乙腈和甲醇/乙腈（体积比1∶1）对目标化合物的洗脱情况，实验结果见图2。从图2看出，甲醇对15种抗氧剂的洗脱能力大于乙腈，乙腈的分离效果差且使峰形展宽并出现拖尾，甲醇分离效果较好但未实现基线分离。当使用甲醇/乙腈为助溶剂时，试样实现基线分离且峰形改善，因此，选择甲醇/乙腈作为流动相助溶剂进行定量分析。

图2 不同有机溶剂对15种抗氧剂的分离效果Fig.2 Effects of organic solvents on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.3 柱温优化

与一般液相色谱不同，UPC2系统中柱温的改变可严重影响目标物的分离能力。柱温升高时，二氧化碳密度降低、黏度减小，对试样的洗脱能力减弱，相应地试样保留时间延长；相反，柱温降低时，试样保留时间缩短。除此之外，温度改变时流动相的扩散系数、介电常数等也有所改变，因此，柱温也是目标物保留行为和选择性的重要调整参数。通常UPC2系统可设置的柱温为35～65 ℃，本实验考察了40，50，60 ℃柱温对目标物分离效果的影响，实验结果见图3。从图3可看出，随柱温的升高，目标物保留时间有不同程度的延长，同时部分组分的峰开始出现重叠，因此最终选择分离效果最好时的柱温40 ℃。

图3 柱温对15种抗氧剂分离效果的影响Fig.3 Effects of column temperature on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.4 系统背压优化

在UPC2分离方法中，系统背压也是一个很重要的参数。当系统背压升高时，较高的系统压力使二氧化碳流动相密度增大，目标物保留时间缩短，通常系统压力可在11.72～24.14 MPa内变化。系统背压对目标物分离效果的影响见图4。由图4可见，随系统背压升高，目标物保留时间缩短但分离效果变差。同时，系统背压过低可能导致流动相从超临界状态变为较接近气体的状态，影响系统稳定性及分离效果，因此将系统背压设置为12.41 MPa。

图4 系统背压对15种抗氧剂分离效果的影响Fig.4 Effects of automatic back pressure regulators on the separation of the 15 antioxidants.

2.1.5 稀释溶剂的选择

在UPC2系统中，当流动相中的有机溶剂比例较低时，会对分离效果产生较大影响，溶剂效应显著，一般选择非极性溶剂作为试样的溶剂以降低溶剂效应。本实验中，在上述优化实验条件下，氯仿的保留时间为0.27 min，在其他15种目标物出峰前流出（见图4），对试样的分离无干扰。结合本实验的前处理条件，选择氯仿作为试样溶剂，既避免了溶剂效应同时前处理后的试样可直接进样，无需吹干后更换溶剂复溶。

2.2 定量限、线性范围及试样加标回收率

配置不同质量浓度的混合标准工作液，在最优实验条件下进行测定，采用外标法定量，通过Masslynx 4.1软件计算化合物响应面积和质量浓度的关系，结果见表2。

表2 15种抗氧剂的评价结果Table 2 Evaluation of the analytic method for the 15 antioxidants

由表2可见，15种目标化合物的线性范围在2～100 mg/L之间且线性关系良好，定量限在0.5～1.0 mg/L之间。

以阴性聚丙烯试样为基质，采用标准添加法进行回收率和精密度的测定，在0.05%，0.10%，0.20%三个不同浓度的添加水平下，平均回收率为88.6%～106.5%，相对标准偏差（n= 5）为2.5%～5.3%，由此可见本方法的实验精密度可满足分析要求。

2.3 实际试样的检测

采用本方法对市场上的某聚丙烯茶叶罐、聚丙烯儿童玩具和聚乙烯服装包装袋进行检测。检测结果表明，茶叶罐中含有抗氧剂1076，含量为0.29 mg/g；儿童玩具中未检出抗氧剂；包装袋中含抗氧剂168和1076，含量分别为0.22 mg/g和0.16 mg/g。典型的聚乙烯塑料包装袋的色谱图见图5。

图5 聚乙烯塑料包装袋试样的色谱图Fig.5 Chromatogram of a polyethylene packaging material.

3 结论

1）采用UPC2技术对聚烯烃材料中的15种抗氧剂进行了分析和检测。采用超声辅助萃取技术对试样进行前处理，通过优化色谱柱、助溶剂、柱温及系统背压等条件得到最佳分离条件。

2）本方法能够在4.5 min内实现相对分子质量跨度较大的15种抗氧剂的基线分离，分析时间比常规液相色谱显著缩短。同时，仪器分析中使用的流动相主要为超临界二氧化碳，有机溶剂消耗少，检测成本低，更符合绿色环保的分析检测要求。

3）该方法简便快速，准确度和灵敏度高，可以为UPC2技术在聚烯烃材料中抗氧剂含量的检测提供参考。

［1］ 李杰，时凯，李惜，等. 塑料制品的安全和环保要求与抗氧剂的选择和应用［J］.塑料助剂，2014（4）：21-26.

［2］ 卞丽琴，谷和平，丁大喜，等. 红外光谱法快速测定聚乙烯中微量抗氧剂的含量［J］.石油化工，2005，34（6）：587-590.

［3］ 陈键，张桂云，梁进杰. 聚丙烯中抗氧剂168含量的定量分析［J］.塑料科技，2014，42（3）：103-106.

［4］ 杨素，杨苏平，周正亚. 红外光谱法对聚烯烃中抗氧剂1010的定性、定量研究［J］.红外，2007，28（2）：40-43.

［5］ Jansson K D，Zawodny C P，Wampler T P. Determination of polymer additives using analytical pyrolysis［J］.J Anal Appl Pyrol，2007，79（1/2）：353-361.

［6］ 王华英，张隐峰，应俊扬. 萃取-气相色谱法测定顺丁橡胶中抗氧剂264含量［J］.橡胶科技，2013，11（3）：42-46.

［7］ 周相娟，赵玉琪，李伟，等. 气相色谱/质谱法检测食品塑料包装材料中三种抗氧剂［J］.食品工业科技，2010（9）：288-289，297.

［8］ Garrido-López A，Sancet I，Montaño P，et al. Microwaveassisted oxidation of phosphite-type antioxidant additives in polyethylene fi lm extracts［J］.J Chromatogr，A，2007，1175（2）：154-161.

［9］ Moreta C，Tena M T. Determination of plastic additives in packaging by liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry［J］.J Chromatogr，A，2015，1414：77-87.

［10］ 吴漪，曲亚南. HPLC法测定三层共挤输液用袋中抗氧剂1010、抗氧剂330、抗氧剂1076含量［J］.塑料包装，2015，25（5）：30-33.

［11］ 徐永威. WatersACQUITYUPC2仪器结构和性能特点［J］.现代仪器，2012，18（5）：45-48.

［12］ 张云，杜振霞，于文莲. 超高效超临界色谱分析聚合物制品中的7种添加剂［J］.色谱，2014，32（1）：52-56.

（编辑 王 萍）

Rapid determination of 15 antioxidants in polyolefins by ultra-performance convergence chromatography

Liu Jing，Sun Shuqi，Huang Wenqing，Zhang Mingsen

（Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

A method，namely ultra-performance convergence chromatography(UPC2)，for rapid determination of 15 antioxidants commonly used in polyolefins was established. The effects of chromatographic columns，mobile phase additives，column temperature，automatic back pressure regulators and diluting solvents on the separation of the 15 antioxidants were investigated. It was showed that，under the optimized conditions of ACQUITY UPC2CSHTMBEH 2-EP(100 mm× 3.0 mm，1.7 μm) as the column，the mixture of methanol/acetonitrile(volume ratio of 1∶1) as the mobile phase additive，1.5 mL/min as the fl ow rate，40 ℃ as the column temperature，12.41 MPa as the automatic back pressure regulator and chloroform as the diluting solvent，the full baseline separation of the 15 antioxidants was achieved in 4.5 min. Some polyolefin samples were pretreated by ultrasoundassisted extraction and analyzed by UPC2. The external standard method was used for the quantitative determination and the calibration curve showed good linearity in the concentration range of the 15 antioxidants of 2-100 mg/L. The limits of quantification were in the range of 0.5-1.0 mg/L.

polyolefins；antioxidants；ultra-performance convergence chromatography；photodiode array detector

1000-8144（2017）03-0364-07

O 657.7

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.03.017

2016-09-22；［修改稿日期］2016-12-09。

刘静（1984—），女，山东省泰安市人，博士，工程师，电话 010-59202147，电邮 liuj.bjhy@sinopec.com。