林朝陽， 郝小飛， 霍炳臣， 王冬梅， 李天仚， 趙獻增

（河南省科學院高新技術(shù)研究中心，河南省精細化工重點實驗室，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，對人體及環(huán)境有一定的危害［4］.因此，準確測定聚丙烯酰胺中殘留單體對聚丙烯酰胺的質(zhì)量控制具有重要的意義.

為有效評價聚丙酰胺相關(guān)產(chǎn)品的安全性，需準確測定其殘留單體的含量，目前用于測定聚丙烯酰胺中丙烯酰胺含量的方法主要有化學分析法［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］.但化學分析法使用指示劑確定滴定終點，終點顏色變化不宜觀察，操作煩瑣，耗時耗力.紫光分光光度法在測定聚丙烯酰胺單體殘留時，聚合物在所選取的波長范圍有一定的吸收，容易干擾測定的準確性，存在準確度不高、易受干擾等缺點.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，且氣相法需要進一步對單體進行衍生化，單體的提取率及衍生化率勢必會對測定結(jié)果產(chǎn)生影響.上述方法缺點明顯，難以廣泛應(yīng)用.本研究團隊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、準確、穩(wěn)定的方法檢測產(chǎn)物中丙烯酰胺的含量來指導綠色合成工藝的開發(fā).本文建立凝膠滲透色譜法（GPC）直接測定聚丙烯酰胺合成中殘留單體的方法，尚未見報道，適用于丙烯酰胺聚合反應(yīng)進程的監(jiān)測及合成產(chǎn)物中殘留單體的測定.

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，目前聚丙烯酰胺的相對分子量主要通過黏度法測定，但黏度法存在耗時長、操作煩瑣等缺點，且不能測定其分子量分布.GPC凝膠滲透色譜被廣泛應(yīng)用于測定高聚物的相對分子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量分布，但是GPC 方法需要結(jié)構(gòu)與其相似的標準品作為對照，其測定結(jié)果受柱效、所選的標準品等多種因素影響.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）是測定高聚物相對分子質(zhì)量及分散系數(shù)（PDI）的有效方法，該方法簡便、準確、不需色譜柱的標定和對照品的參考，又能測定均方根半徑等相關(guān)參數(shù)［17］.目前，國內(nèi)外幾乎很少有文獻報道利用GPC-MALLS系統(tǒng)來測聚丙烯酰胺的相對分子質(zhì)量及分子質(zhì)量分布［18］.本文采用GPC-MALLS系統(tǒng)來測定聚丙烯酰胺分子量及分子量分布，進而來指導聚丙烯酰胺的合成工藝開發(fā).

本文采用GPC-MALLS系統(tǒng)來測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，實現(xiàn)了一次進樣即可同時測定單體的殘留量和聚合物的分子量，具有高效、準確、穩(wěn)定的特點，對聚丙烯酰胺的合成具有重要的意義.

1 實驗部分

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）、標準品葡聚糖T40、過硫酸銨（AR）、甲醇（AR）、乙醇（AR）、乙酸乙酯（AR）、硝酸鈉（AR）.

1.2 標準溶液的配制

標準儲備液（5 mg/mL）：準確稱取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.

分別準確吸取標準儲備液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的丙烯酰胺標準溶液，水系針式過濾器過濾，以建立標準工作曲線.配制0.1 mol/L的NaNO3溶液，水系微孔過濾膜過濾，作為流動相使用.配制2 mg/mL分子量為4萬的葡聚糖標準品溶液（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

為達到較好的分離度，通過對柱溫、流速、進樣量、色譜柱等色譜條件進行優(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 ℃；流動相：0.1 mol/L的NaNO3，流速：0.5 mL/min；進樣體積：50 μL.

1.4 合成方法

將帶有攪拌裝置、回流冷凝管、溫度計、蠕動泵接口的500 mL四口燒瓶置于可調(diào)節(jié)溫度的油浴中，加入40 mL 水和一定量的有機溶劑，升溫至回流狀態(tài)，100 mL 質(zhì)量分數(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，重復上述操作，進行第二次純化，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其純度進行分析，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器并進行數(shù)據(jù)收集，最終通過軟件處理（定基線，選峰，輸入相關(guān)峰濃度依次進樣），示差折射率測定儀（Optilab T-rEX）測定聚丙烯酰胺在0.1 mol/L 的NaNO3中的dn/dc.

1.6 實驗方法

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)、示差檢測器、十八角度激光光散射儀實現(xiàn)GPC-MALLS-RI 的聯(lián)用，待儀器達到測試狀態(tài)后，首先取2 mg/mL分子量為4萬葡聚糖標準品溶液對十八角度激光光散射儀進行歸一化操作.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測定.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）直接測定分子量及分子量分布，根據(jù)示差檢測器檢測結(jié)果及建立的工作曲線測定單體含量.

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、殘留有機溶劑等多種成分，各成分的充分分離是實現(xiàn)準確測定分子量及單體殘留的前提.首先對流動相、流速及柱溫進行條件篩選，結(jié)果顯示，上述條件對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 ℃，流動相：0.1 mol/L的NaNO3，流速：0.5 mL/min為流動相條件為色譜條件.示差及激光檢測器和色譜柱對進樣量有一定的要求，既要滿足檢測的靈敏度，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.當兩根色譜柱單獨使用時，部分組分疊加，不能很好地實現(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.當色譜柱OHpak SB-806 HQ、OHpak SB-804 HQ串聯(lián)使用時分離效果較好（圖4），示差、激光檢測器信號呈對稱、正態(tài)分布圖樣，能實現(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 ℃；流動相：0.1 mol/L 的NaNO3；流速：0.5 mL/min；進樣體積：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)、示差檢測器.將質(zhì)量濃度為0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/mL的標準溶液在上述的色譜條件下濃度由低到高依次進樣檢測，每個濃度標準溶液測定三次，計算峰面積的平均值（表1），以濃度為橫坐標、色譜峰面積為縱坐標，繪制標準曲線.標準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，說明標準曲線的相關(guān)性良好（圖5）.以色譜峰3 倍信噪比（S/N=3）對應(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）對應(yīng)濃度為定量限（LQD），定量限為0.006 25 mg/mL.

表1 標準溶液峰面積結(jié)果Tab.1 Peak area results of standard solutions

圖5 丙烯酰胺標準曲線Fig.5 Standard curve of acrylamide

2.3 加標回收率與精密度

準確稱取適量的丙烯酰胺標準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的加標聚丙烯酰胺溶液.按此方法測定聚合物樣品中丙烯酰胺含量，每個水平進行6次重復實驗，計算加標回收率及精密度（表2），結(jié)果顯示平均回收率在99.3%～101%，相對標準偏差為0.55%～3.425%，表明該方法準確、可靠，均滿足理化分析指標.

表2 方法加標回收率及精密度計算結(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

按上述實驗方法進行測定（圖6），根據(jù)峰面積，結(jié)合標準工作曲線計算得到所配置的樣品濃度，根據(jù)取樣量，進一步計算得該合成工藝中聚丙烯酰胺殘留單體含量.

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

GPC-MALLS 方法測定相對分子質(zhì)量，需要測定樣品在溶液中折光指數(shù)增量（dn/dc），測得聚丙烯酰胺在0.1 mol/L的NaNO3的dn/dc值為0.150 0.對收集到的實驗數(shù)據(jù)（激光檢測器數(shù)據(jù)和示差檢測器數(shù)據(jù)）進行處理，計算出相對分子質(zhì)量大小及分子質(zhì)量分布（圖7）.

圖7 GPC-MALLS 法測定聚丙烯酰胺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)的進程.有機溶劑易揮發(fā)且部分具有活性基團，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，當加入1 g乙醇時，合成的目標產(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20 g乙酸乙酯作為分子量調(diào)劑時，合成得到分子量為158.9萬的中等分子量聚丙烯酰胺.當乙酸乙酯的量增加到40 g時，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，其準確、快速地測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方法.

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

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會的發(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，迫切需要一個快速、簡便的檢測方法助力聚丙烯酰胺的合成及開發(fā).本文報道了不經(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，實現(xiàn)聚合物、單體及其他雜質(zhì)的分離，外標定量法建立分析方法.一次進樣即可實現(xiàn)單體含量及分子量的測定，并成功用于聚丙烯酰胺的合成中，該方法操作簡便，測定結(jié)果準確，適合在聚丙烯酰胺合成工藝中應(yīng)用.