新型分子內復合抗氧劑清除自由基的性能

李翠勤，王 俊 ，魏宇佳，孟祥勇

（1東北石油大學化學化工學院，石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2大慶石化公司化工一廠，黑龍江 大慶 163714）

高分子材料在使用過程均受到光、熱、氧等作用而發生氧化降解，分子鏈發生斷裂或交聯，導致材料老化而失去應用價值。為防止高分子材料在使用過程發生氧化降解，通常在加工過程中添加抗氧劑[1]。然而不同種類和不同結構的抗氧劑，其作用機理和作用效果不同。目前聚烯烴材料中應用最多的一類主抗氧劑為受阻酚類抗氧劑，該類抗氧劑通過捕獲材料氧化降解生成的自由基、形成穩定性較高的新自由基來終止降解反應鏈[2]。因此，直接快速有效地捕捉并清除自由基成為評價抗氧劑抗氧化能力的重要方面。然而，由于自由基性質非常活潑、壽命較短，很難準確地量化，只能根據所產生的結果來反推自由基的產生以及被清除的效果。目前，有關采用 1,1-二苯基-2-苦肼基自由基（DPPH·）評價食品和醫藥所用抗氧化劑的抗氧化能力的報道較多[3-4]，Krishnanand Mishra等對國內外有關采用DPPH·評價抗氧劑抗氧化性能的研究進展進行較詳細的綜述[5]，然而將該自由基應用于評價高分子材料所用抗氧劑的報道國內未見報道。該自由基是一種相對穩定的以氮為中心的自由基，且 Ronald等[6]研究發現，若抗氧劑能夠清除DPPH·，則表示該抗氧劑能夠降低羥基自由基、烷基自由基或過氧自由基的有效濃度。根據這一研究結果，本文作者將該自由基應用高分子材料用抗氧劑的抗氧化性能評價，定量研究高分子材料用抗氧劑終止自由基的能力；并與添加抗氧劑的高分子材料的氧化誘導期和熔體流變速率的測試結果進行對比，驗證DPPH·在高分子材料抗氧劑性能評價方面的實用性，為定量研究高分子材料抗氧劑的抗氧化性能提供新的思路。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1,1-二苯基-2-苦基肼自由基（DPPH·），分析純，北京經科宏達生物技術有限公司；無水乙醇，分析純，長春化學試劑廠；線型低密度聚乙烯樹脂粉料（PE），大慶石化總廠；抗氧劑BHT和抗氧劑1076，均為化學純，南京九龍化工廠；新型分子內復合抗氧劑[7]，自制。

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠；H110型電子天平，德國沙多利斯公司；UV-750型紫外可見分光光度計，南京凱迪高速分析儀器有限公司；SHR-10A型高速混合機；SJ-65型單螺桿塑料擠出機；6452型熔體流動速率儀；910型示差掃描量熱儀。

1.2 標準曲線繪制

DPPH·的乙醇溶液呈紫色，在可見光區最大吸收波長為 517 nm，其溶液濃度與吸光度呈定量關系，因此可利用紫外-可見分光光度計測其吸光度隨濃度的變化繪制標準曲線。準確稱取DPPH· 2.5 mg，用乙醇定容到 100 mL，配制成質量濃度為2.5×10?2mg/mL 的 DPPH·乙醇溶液。分別取 0 mL、10 mL、20 mL、30 mL、40 mL溶液，用乙醇定容至50 mL，得到濃度分別為0 μg/mL、5 μg/mL、10 μg/mL、15 μg/mL、20 μg/mL 的 DPPH·標準溶液。將上述5種質量濃度的標準溶液在波長為517 nm處測其吸光度，繪制標準曲線如圖1，線性回歸方程為y=0.02591x+ 0.00524，R2=0.9997。

圖1 DPPH·標準曲線

1.3 抗氧劑清除DPPH·能力實驗

用無水乙醇配制質量濃度為 0.02 mg/mL的DPPH·溶液和一系列不同質量濃度的抗氧劑溶液。將3 mL DPPH·溶液與1 mL待測抗氧劑溶液混合后，在一定溫度下放置一定時間，采用紫外-可見分光光度計測定波長517 nm處的吸光度A。抗氧劑清除 DPPH·的清除率根據各種聚烯烴抗氧劑清除DPPH·的清除率與抗氧劑濃度及反應時間的關系曲線，計算抗氧劑的抗氧化效率式中，EC50為半數有效濃度，即混合體系中DPPH·的原始質量濃度減少至50%（穩定態）時抗氧劑的添加量；TEC50為達到半數有效濃度所消耗的時間[8]。

1.4 抗氧劑的抗氧化性能測試

取4份PE粉料按照表1配方，將試樣分別在高速混合機中25 ℃下混合3 min。用單螺桿擠出機在轉速50 r/min，加工溫度180 ℃的條件下進行擠出、造粒。取4 g顆粒狀試樣按照GB/T 3682—2000在 6452型熔體流動速率儀上測試試樣的熔體流動速率（MFR）。稱取5 mg粒狀試樣，依據GB/T 2951.1—94標準采用910型示差掃描量熱儀測試樣的氧化誘導期。

表1 試樣組成

2 結果與討論

2.1 新型分子內復合抗氧劑清除DPPH·的能力

2.1.1 抗氧劑濃度對清除DPPH·的能力的影響

當DPPH·的濃度為1.5×10?2mg/mL，測定25 ℃下反應 30 min時不同抗氧劑濃度對體系吸光度及清除率的影響，結果見圖2和圖3。

圖2的結果表明，隨抗氧劑濃度的增加，體系的吸光度降低，表明體系中的DPPH·減少，并且相同抗氧劑濃度時，添加新型分子內復合抗氧劑的體系吸光度最低，這表明新型分子內復合抗氧劑清除DPPH·的能力最強。

圖2 抗氧劑濃度對體系吸光度的影響

圖3 抗氧劑濃度對清除率的影響

由圖3可知，3種抗氧劑對DPPH·的清除率均隨其濃度的增加先急劇增大隨后變化比較緩慢；當濃度相同時，新型分子內復合抗氧劑對DPPH·的清除率高于抗氧劑BHT和抗氧劑1076。這是因為抗氧劑清除自由基的能力不僅與抗氧劑分子中提供氫質子的能力有關，還與抗氧劑在體系中的分子運動有關；3種抗氧劑均屬于受阻酚類抗氧劑（結構見圖4），1 mol分子中均含有1 mol酚羥基，當抗氧劑濃度較低時，體系中DPPH·的濃度較高，清除反應進行較快，隨抗氧劑濃度的增加，體系中DPPH·的濃度降低，抗氧劑與DPPH·的反應減慢。新型分子內復合抗氧劑分子中除了含有活潑的酚羥基外，分子中還含有活潑的氨基，在清除反應過程中，1 mol新型分子內復合抗氧劑可提供3 mol的氫質子，而抗氧劑BHT和抗氧劑1076僅能提供1 mol的氫質子；另外，抗氧劑1076的分子量較大，在該反應體系中分子運動相對較慢。圖2和圖3的結果均表明，相同條件下，3種抗氧劑清除DPPH·能力的大小順序為：新型分子內復合抗氧劑 ＞ 抗氧劑BHT ＞抗氧劑1076。

2.1.2 清除反應時間對清除DPPH·的能力的影響

當 DPPH·的濃度為 1.5×10?2mg/mL、抗氧劑的濃度為8×10?5mol/mL時，測定25 ℃下不同反應時間的清除率，結果見圖5。

圖4 抗氧劑的化學結構

圖5 清除反應時間對清除率的影響

由圖5可知，隨著反應時間的延長，抗氧劑對DPPH·的清除率增大；隨反應時間的延長，清除率變化不明顯。這是由于該清除自由基反應為可逆反應[9]，具體反應機理如圖6所示。反應初始，體系中的DPPH·濃度較大，反應向生成穩定化合物方向移動；隨著體系中DPPH·濃度降低，正反應減慢；當反應時間為30 min時，反應基本達到平衡，DPPH·含量基本不變。

2.1.3 清除反應溫度對清除DPPH·的能力的影響

當 DPPH·的濃度為 1.5×10?2mg/mL、抗氧劑的濃度為8×10?5mol/mL時，測定不同反應溫度下反應30 min時的清除率，結果見圖7。

升高溫度有利于加快反應的進程，但對于活化能較低的反應，溫度對反應速率影響不大。圖7的結果表明，隨反應溫度的升高，3種抗氧劑對DPPH·清除率增加幅度較小；新型分子內復合抗氧劑對DPPH·清除率在溫度為 15 ℃和 55 ℃時分別為53.1%和32.7%，這表明該清除反應的反應活化能較低，該反應可在室溫下進行。

2.1.4 抗氧劑的抗氧化效率

通過對圖3和圖5中的曲線進行擬合計算，得到3種抗氧劑的半數有效濃度（EC50）、達到半數有效濃度所消耗的時間TEC50和抗氧化效率AE，結果見表2。EC50越小，抗氧劑的抗氧化能力越強；TEC50越大，抗氧劑清除自由基反應較慢[8]。由表2可知，新型分子內復合抗氧劑的抗氧化效率高于抗氧劑BHT和抗氧劑1076，這是由于新型分子內復合抗氧劑分子中不僅含有受阻酚基團，而且還含有芳胺基團，是一類酚胺結合的分子內復合型抗氧劑。

圖7 清除反應溫度對清除率的影響

表2 抗氧劑的抗氧化效率

2.2 新型分子內復合抗氧劑在聚烯烴材料中的抗氧化性能研究

2.2.1 新型分子內復合抗氧劑的加工穩定性

PE樹脂在加工過程中，由于受熱、氧和機械作用會發生氧化降解，熔體流動速率增大，導致 PE的使用性能變差[10-11]。由圖8可知，未添加抗氧劑的PE樹脂在3次擠出過程中，熔體流變速率增加幅度較大，由3.9 g/10min增加到7.9 g/10min；而添加抗氧劑的3類PE樹脂在加工過程中，熔體流變速率變化較小，經 3次擠出后添加抗氧劑的 PE樹脂熔體流變速率的大小順序為：抗氧劑1076 ＞ 新型抗氧劑 ＞ 抗氧劑 BHT。這表明分子內復合型抗氧劑能有效的抑制 PE在加工過程中受熱氧及機械剪切作用而產生自由基，從而延緩高分子材料的氧化降解。

2.2.2 新型分子內復合抗氧劑的熱氧穩定性

由圖9可知，添加抗氧劑的PE樹脂的氧化誘導期均比未加抗氧劑的 PE樹脂的氧化誘導期長，添加新型抗氧劑的 PE樹脂的氧化誘導期最長，為未添加抗氧劑的PE樹脂的氧化誘導期的5倍以上，這進一步說明了新型抗氧劑是一類酚胺結合的分子內復合抗氧劑，在材料中可起雙重抗氧化作用。

圖6 抗氧劑與DPPH·反應示意圖

圖8 加工擠出次數對加工穩定性的影響

圖9 添加抗氧劑前后PE的氧化誘導期

3 結 論

（1）抗氧劑清除 DPPH·的能力不僅與抗氧劑的化學結構有關，而且與抗氧劑濃度也有關，隨抗氧劑分子中活潑氫質子數的增加及抗氧劑相對分子質量的減小，清除能力增大；隨抗氧劑濃度的增加，清除能力增加幅度減緩。

（2）新型分子內復合抗氧劑清除 DPPH·的反應是可逆反應，在30 min時清除反應達到平衡；且反應溫度對該反應影響較小，反應活化能較低，在室溫條件下即可快速進行。

（3）新型分子內復合抗氧劑不僅能很好地捕獲DPPH·，而且能很好地抑制PE樹脂在加工和使用過程的熱氧化降解，其抗氧化效率和抗氧化能力均優于抗氧劑1076和抗氧劑BHT。

[1] Meng Xin，Gong Weiguang，Xin Zhong，et al. Study on the antioxidant activities of benzofuranones in melt processing of polyprolene[J].Polymer Degradation and Stability，2006，91（12）：2888-2893.

[2] 楊永沖，程杰，成昌梅，等. 聚烯烴用新型抗氧化劑分子的設計合成及性能[J]. 高等學校化學學報，2011，32（2）：286-291.

[3] 李鉉軍，崔勝云. 抗壞血酸清除DPPH自由基的作用機理[J]. 食品科學，2011，32（1）：86-87.

[4] Tuanjai Noipa，Supalax Srijaranai，Thawatchai Tuntulani，et al. New approach for evaluation of the antioxidant capacity based free radical in micelle systems[J].Food Research International，2011，44：798-806.

[5] Krishnanand Mishra，Himanshu Ojha，Nabo Kumar Chaudhury.Estimation of antiradical properties of antioxidants using DPPH·assay：A critical review and results[J].Food Chemistry，2012，130（4）：1036-1043.

[6] Huang Dejian，Ou Boxin，Ronald L，et al. The chemistry behind antioxidant capacity assays[J].Agricultural and Food Chemistry，2005，53 ：1841-1856.

[7] 李翠勤，王俊，張志秋，等. 新型分子內復合主抗氧劑的合成與性能[J]. 化工進展，2010，29（10）：2154-2158.

[8] Villano D，Ernandez-PachonM S F，Moya M L，et al. Radical scavenging ability of polyphenolic compounds towards DPPH free radical[J].Talanta，2007，71：230-235.

[9] Bondet V，Brand-Williams W，Berset C. Kinetics and mechanisms of antioxidant activity using the DPPH· free radical method[J].LWT-Food Science and Technology，1997，30（6）：609-615.

[10] Ildikó Kriston，ágnes Orbán-Mester，Gábor Nagy，et al. Melt stabilisation of Phillips type polyethylene，Part Ⅰ：The role of phenolic and phosphorous antioxidants[J].Polymer Degradation and Stability，2009，94（4）：719-729.

[11] Li Cuiqin，Wang Jun，Ning Mengmeng，et al. Synthesis of dendritic antioxidants and study of their antioxidant activities in polyolefin[J].Journal of Applied Polymer Science，2012，124（5）：4127-4135.