超高效液相色譜法測定聚丙烯中成核劑

張攀攀，劉 靜，姜健準，曹雪君

（中國石化北京化工研究院，北京 100013）

0 前言

PP 是市場上占有量較大的通用塑料之一，為了提高PP 的性能，在制備過程中通常添加多種添加劑如抗氧化劑、光穩定劑、抗靜電劑、增塑劑、成核劑等改性。添加劑在塑料中的含量在0.01 %～0.5 %（質量分數，下同）之間［1?3］，在實際應用中加入微量添加劑對PP 性質有較大影響。成核劑可以改變PP 的結晶特性，加快結晶速率，提高結晶溫度和減小球晶的尺寸，是目前最常用的提高PP力學性能、透明度的方法［4?5］。

本研究選取了市場上最常見的5 種有機成核劑進行研究，通過雙螺桿擠出PP 造粒制備標準樣品，將標準樣品在與實際樣品相同或接近的條件下做前處理，對比了加熱提取，超聲提取和MAE 提取等3 種前處理方法的優劣性并總結出最優的提取條件，優化了UPLC 條件，將優化的方法用于實際生產中PP 材料中成核劑的定性定量。

1 實驗部分

1.1 主要原料

甲醇（MeOH）、乙腈（ACN），LC?MS 級，北京百靈威科技有限公司；

異丙醇（IPA）、二氯甲烷（DCM），梯度級，北京百靈威科技有限公司；

乙酸乙酯（EAC），分析純，北京百靈威科技有限公司；

實驗用水，超純水，默克化工技術（上海）有限公司；

成核劑，M3905、HX?3、NX8000，分析純，美國美利肯化工集團公司；

成核劑，NA21，分析純，呈和科技股份有限公司；

苯甲酸鈉（SOD BENZOATE），分析純，北京百靈威科技有限公司；

PP粉料，MT20，中國石化石家莊煉化分公司；

5種成核劑的性質見表1。

表1 5種成核劑的性質Tab.1 Properties of the five nucleating agents

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機，Polylab OS RheoDrive 7，德國Haake Technik Gmbh公司；

研磨機，A11，德國IKA儀器設備有限公司；

超高效液相色譜儀，配備光電二極管陣列（PDA）檢測器，沃特世科技（上海）有限公司；

微波輔助提取儀，JUPITER，上海新儀微波化學科技有限公司；

超聲波清洗儀，KQ5200E，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；

電加熱爐，SXKW，北京中科奧博科技有限公司。

1.3 樣品制備

標準樣品制備：將PP 粉料與成核劑預混合均勻，倒入雙螺桿擠出機制備PP 顆粒，雙螺桿擠出機5 段溫度為190、200、210、210、200、180 ℃。各種成核劑的添加量分別選取了低（0.1 %）、中（0.2 %）、高（0.5 %）3 種添加濃度，并將中等添加量的PP 作實驗條件預探索，再考察3 種添加量下的最大提取效率；聚丙烯標準樣品顆粒采用液氮冷凍3 min，在12 000 r/min 的研磨機里粉碎為270 μm的粉末，進行后續提取步驟；

PP中成核劑提取方法比較了加熱回流提取、MAE提取和超聲提取的效果，每次稱取1 g樣品（精確到0.001 g）于25 mL圓底燒瓶，加入20 mL試劑搖勻后進行提取實驗，提取后過濾，用提取劑清洗并定容至25 mL，最后經0.22 μm濾膜后上機檢測；每組實驗平行測定6次。

2 結果與討論

2.1 色譜條件優化

實驗中選擇的成核劑為山梨醇類、磷酸鹽類、苯甲酸鹽類中常用的幾種，分子性質相差大，分離比較困難，故色譜條件的優化非常重要，實驗發現 ACQUI?TY BEH C18（50 mm×2.1 mm，1.7 μm）柱對烯烴助劑有較好的分離效果。柱溫箱35 ℃；流動相B 相為超純水，C相為乙腈；流速0.3 mL/min。流動相選擇梯度洗脫程序能顯著縮短檢測時間：初始流動條件為30 %B 相和70 % C 相，0～11 min 內C 相線性升至99 %，11～15 min 保持不變以繼續洗脫色譜柱上其他可能存在的添加劑；每次進樣量1 μL，PDA 檢測器波長為各種成核劑均有較大紫外吸收的213 nm。在所選條件下6種成核劑的分離效果如圖1所示。

圖1 成核劑的保留時間Fig.1 Retention time of the nucleating agents

2.2 外標曲線

實驗中分別稱取5種成核劑標準品各15 mg（精確至0.1 mg）于50 mL 容量瓶中，以異丙醇溶解定容，得到300.0 mg/L的溶液。分別移取適量標準溶液，用異丙醇逐級稀釋為100.0、50.0、20.0、10.0、5.0、1.0 mg/L的混合溶液，采用外標法定量，計算成核劑保留色譜峰面積與對應濃度的關系，結果見表2。將信噪比大于3時的質量濃度作為成核劑的檢出限（LOD），信噪比大于10時作為定量限（LOQ），經測定，5種成核劑的檢出限和定量限分別在0.1～0.5 mg/L 和0.5～1 mg/L，相關系數均大于0.995，說明各標準曲線均有良好的線性關系。

表2 各組分的外標曲線Tab.2 External standard curves of each component

2.3 前處理方法優化

2.3.1 提取溶劑的選擇

所檢測的成核劑分子極性差別較大，如M3905、HX?3、NX8000 等山梨醇類成核劑屬中等極性化合物，苯甲酸鈉、NA21 屬中等偏強極性化合物，在不同極性的有機溶劑中溶解性差別較大，導致提取效率存在差異。本實驗考察了常用的提取溶劑以及它們的混合溶劑為有機提取溶劑時的提取效果。MAE 條件：溫度80 ℃，時間10 min，功率500 W。超聲提取條件：溫度70 ℃，時間30 min，功率300 W。加熱回流條件：各溶劑沸點加熱，時間4 h。

MAE本質是外加高頻電磁波（3×102～3×105MHz）穿透待處理樣品內部，使其在微波能激發下升溫，樣品內部目標提取物快速與基質分離，擴散到溶劑中。如圖2（a）所示，MAE 時單一溶劑提取在所設條件下提取效率從高到低分別是乙酸乙酯、異丙醇、乙腈、甲醇。且各溶劑對5 種成核劑提取效率均低于40 %，達不到定量分析需求。提取效率低的限制原因有兩方面，一是MAE 對極性大的溶劑才有更好的響應，二是所選成核劑在溶劑中的相似相溶。成核劑屬于中等極性化合物，不適合用強極性溶劑提取，這與MAE 對溶劑的選擇是矛盾的。二氯甲烷與異丙醇極性遠小于甲醇或乙腈，更適合中等極性溶劑提取。1/1混合（體積比）使得提取效率較純異丙醇高4倍以上，這得益于二氯甲烷對成核劑有較好的溶解性和介電常數較大的異丙醇（介電常數17.9）對微波加熱也有很高的響應，兼顧了溶劑與溶質的相溶性和與微波原理的匹配性。故確定二氯甲烷/異丙醇1/1 （體積比）為首選提取劑。

圖2 提取溶劑對提取效率的影響Fig.2 Effect of extraction solvent on extraction efficiency

超聲提取法根據機械波施加到樣品上會產生空化作用，在液體中產生的真空氣泡在被提取物表面爆裂，產生局部高溫高壓，這種高溫高壓對溶質的影響較大，加快了物質遷移出表面的速率。使用超聲提取時［圖2（b）］發現乙酸乙酯對山梨醇類成核劑在幾種提取劑中效率最高，相同條件下比MAE 的最佳溶劑二氯甲烷與異丙醇按體積比1/1混合高15 %以上，這與MAE的結果有較大差異，這是因為2 種提取方法的原理差異較大，乙酸乙酯在所選溶劑中極性最弱，與山梨醇類成核劑相溶性較好。而對于成核劑苯甲酸鈉和NA21，極性較大的異丙醇有更高的提取效率。

加熱回流與以上2種提取方法比較，影響因素則更為單一，只取決于溶劑對溶質的相似相溶。為了加快提取速度，圖2（c）各溶劑均在沸點下加熱，由于異丙醇在幾種溶劑中沸點最高，故在相同時間下提取效率也是最高的。由圖2（c）可見二氯甲烷與異丙醇按體積比1/1 混合提取效率最低，這是因為二氯甲烷非極性較強，對成核劑溶解性差，與異丙醇混合后使提取效率下降。同時與以上2種提取方法比較，還發現在較長提取時間下各種溶劑提取效率均有顯著提高。

綜上分析，MAE 用二氯甲烷與異丙醇按體積比1/1混合提取成核劑，超聲提取時用乙酸乙酯提取山梨醇類成核劑，異丙醇提取苯甲酸鹽和磷酸鹽類成核劑。加熱回流提取選擇異丙醇作為提取溶劑。

2.3.2 提取方法對比

選擇2.3.1 節所述不同提取方法中對應的最佳溶劑，比較在相同溫度和時間下MAE 和超聲提取的提取效率。加熱回流提取在低溫、短時間內提取效率顯然非常低，故選取在異丙醇沸點下加熱回流6 h 與前2 種方法對照。實驗中對各種樣品做5 次平行提取，以1 g樣品中所含成核劑質量計算測試結果的極差和標準偏差，以驗證提取方法的精密度，結果見表3，由表可知，5 種成核劑提取效率的極差（range）為0.07～0.25 mg/g，相對標準偏差（RSD）在0.5 %～6.7 %之間，其中最大極差出現在MAE 法中，因為MAE 缺少攪拌溶劑的方法，在提取過程中會產生不均勻受微波輻射情況，導致多次平行提取間精密度較差。加熱回流提取沸騰狀的溶劑帶動樣品混合，且長時間的提取導致樣品被處理非常充分，故精密度最好。超聲提取法中超聲對溶劑的機械振動類似攪拌的效果，也能充分提取其中成核劑，精密度也較好。

表3 提取方法精密度Tab.3 Precision of the extraction methods

將提取效率平均值作為比較對象，結果如圖3 所示，10 min 超聲提取效率較MAE 低10 %以上，實驗中發現超聲提取法在提取30 min 后繼續增加時間對提取效率的貢獻越來越小，達到MAE 同等效率一般需要多3～6倍的提取時間，可見MAE 法在提取時間上優于超聲提取。6 h 加熱回流提取效率除苯甲酸鈉外均能達到90 %以上，在足夠的提取時間下傳統提取方法效率接近100 %且能對各種成核劑無選擇性提取。故在后續實驗中以MAE 作為前處理手段，以加熱回流結果作為最大回收率參比。

圖3 提取方法比較Fig.3 Comparison of the extraction methods

綜合比較3種提取方法，以標準樣品的提取效率為主要對象，同時也考慮到方法的操作簡便性、處理量和精密度等次要特征，發現MAE 具有顯著處理時間短的優點，在相同處理溫度和時間下效率也在3種方法中最高，實驗中較加熱回流提取可節省溶劑，在較為自動化的儀器上操作可大批量處理樣品，降低時間成本。MAE 較大的不足在于對使用的溶劑有較大限制，對介電常數小于14 的溶劑不能單獨使用，必須添加極性更強的溶劑混合，另外MAE 會產生局部高溫等非正常現象，導致精密度在所選3種提取方法中最低。

超聲提取重現性好，與加熱回流精密度均較高，是一種穩定的前處理方法。用時較加熱回流提取短，提取溫度適中，與加熱回流一樣均有很高的提取效率和廣泛的溶劑選擇。加熱回流提取最為穩定，在較高溫度下提取數小時能得到理想的提取效率，溶劑用量最大。根據以上優缺點對比取舍，在后續實驗中以MAE作為前處理手段，以加熱回流結果作為最大回收率參比，優化得到最佳的前處理條件。

2.4 MAE最佳提取條件

2.4.1 MAE溫度選擇

在提取時間10 min 條件下考察了不同溫度下的提取效率，提取時間分別為50、60、70、80、90 ℃，5 種成核劑提取效率隨溫度變化的規律如圖4（a）所示，整體上隨著溫度升高，各成核劑提取效率隨之增大，達到80 ℃后出現了3種情況，NA21和NX8000效率基本不變，說明該條件下2 種成核劑提取效率已經達到最大；5 種成核劑中提取效率最低的苯甲酸鈉提取效率仍在增大，表明完全提取苯甲酸鈉需要更高的溫度；M3905 在溫度增加到90 ℃后提取效率不增反降，可能是在較高溫度的微波條件下M3905發生了部分消解。本實驗的微波裝置使用的是一種容量為50 mL 的密封聚四氟乙烯罐，故在瓶中增加溫度時同時會增加罐中壓力，提高提取溶劑的泡點，達到了部分加速溶劑提取特有的高溫高壓提取效果，故在低溫時升溫有利于提取效率提高。實驗發現當罐內溫度高于90 ℃，一段時間后PP樣品基質會發生溶脹，導致提取溶劑被吸附，無法將溶液與基質分離開，同時較高的溫度會增加儀器負荷，降低運行壽命，故初步選擇提取溫度80 ℃左右較為合適。

圖4 MAE溫度及時間對提取效率的影響Fig.4 Effect of MAE temperature and time on extraction efficiency

2.4.2 MAE時間選擇

成核劑在PP 中形成結晶中心，球晶從其表面生長，PP 鏈與成核劑的結合力較其他添加劑更強，遷移速率慢，難從PP 內部遷移到表面，故需要充足的處理時間。將PP 在80 ℃，DCM/IPA 體積比1/1 條件下分別提取3、6、10、15、20 min，PP 中成核劑的提取效率如圖4（b）所示，提取時間的影響與溫度對提取效率的影響有相同的響應規律，可見除苯甲酸鈉外其他4種成核劑提取效率在6 min 后基本保持不變，說明MAE 能對樣品進行快速前處理。苯甲酸鈉提取效率隨時間增加而持續增大，表明對該種成核劑前處理比其他成核劑需要更多的時間和更高的溫度，其提取最難的原因可能為苯甲酸鈉與PP 鏈結合力較強，具體原因有待更深入研究。進一步實驗表明，在80 ℃下MAE 時間超過30 min，PP 同樣會發生溶脹，吸收溶劑難以洗脫，大大增加了實驗誤差。故優化前預選擇MAE 時間10 min即可。

2.4.3 最佳提取溫度時間優化

響應面法能準確直觀地反映多個變量與一個響應值之間的函數關系。溫度、時間、溶劑用量等對提取效率有顯著影響，故根據響應面法的中心組合設計（CCD）優化探索最佳條件，能得到比單因素實驗更準確全面的結果，實現對一種成核劑確定一個最佳的MAE條件，以滿足實際樣品定量分析需求。CCD初始值采用Design?Expert 軟件獲取，設定溫度范圍為60～90 ℃，時間選擇3～15 min，溶劑用量為15～25 mL/g，獲得的實驗數據及結果如下表4 所示，由CCD 估計的成核劑M3905 的響應面如圖5 所示，預測結果顯示提取溫度83 ℃，時間13 min 足以獲得最大的提取效率。其他各組標準樣品也得到了相似的結論，結果總結于表5。選擇優化的條件進行精密度實驗。

圖5 Design?Expert預測M3905提取響應三維圖Fig.5 3D map of extraction response predicted by Design?Expert for M3905

表4 CCD因素水平Tab.4 Factor level of CCD

表5 Design?Expert預測的MAE最佳條件Tab.5 Optimal MAE conditions predicted by Design?Expert

2.5 回收率及相對標準偏差

本實驗參照了市面上PP 中成核劑的常見添加量，設置了低、中、高3 種添加水平，將不同添加量的PP 顆粒進行了回收率和精密度實驗，每個樣品在Design?Ex?pert預測的最佳條件下做3次平行MAE 實驗后各測定3 次，計算回收率平均值和相對標準偏差，結果見表6，最佳條件下回收率在83.4 %～113.1 %之間，符合國家標準GB/T 27404—2008 中對微量物質加標回收率80 %～120 %的允許限，其中HX?3 加標回收率高于100 %，可能為偶然誤差和人為誤差導致。本次RSD（n=9）在0.9～7.9之間，方法精密度可以滿足PP 中微量成核劑的分析需求。

表6 5種成核劑的回收率和相對標準偏差（n=9）Tab.6 Recovery rates and relative standard deviations of the five nucleating agents （n=9）

2.6 實際樣品檢測

本次實驗對多個工廠生產的20 余種不同牌號的PP 顆粒進行了成核劑檢測，實際樣品的第一次前處理統一采用MAE 溫度80 ℃，時間10 min 預處理，得到的濾液用本實驗優化得到的儀器方法，根據色譜峰保留時間確定實際樣品中是否存在相關成核劑組分，再根據對應成核劑的最佳前處理條件，進行合適的前處理，最后通過外標曲線計算實際樣品中成核劑含量。部分樣品檢測到成核劑相關成分，色譜出峰曲線如下圖6所示，在3#、5#樣中均檢測到了NX8000，分別對峰面積進行積分計算，為326 874、408 748 μV·s，經外標曲線計算得實際添加量分別為1.2、1.5 g/kg；在2#中同時檢測到了NA21和苯甲酸鈉，峰面積積分分別為363 514、170 548 μV·s，經外標曲線計算得實際添加量分別為1.5、0.8 g/kg。

圖6 實際樣品色譜圖Fig.6 Chromatogram of the actual samples

3 結論

（1）UPLC 條件為ACQUITY BEH C18（50 mm×2.1 mm，1.7 μm）柱，柱溫箱35 ℃，流速0.3 mL/min，初始流動條件為30 %水相和70 %乙腈相，0～11 min內乙腈相線性升至99 %，11～15 min保持不變，每次進樣量1 μL，PDA檢測器波長為213 nm，實現5種成核劑在9 min內完全分離，精密度高，定量準確；

（2）比較了MAE、超聲提取和加熱回流提取方法的適用性，考察了前處理溫度、時間、溶劑對提取效率的影響，發現MAE 提取效率高，重復性較好，溶劑用量少，是最佳的前處理方法；

（3）使用Design?Expert 軟件以CCD 優化得到不同種類PP 成核劑的最佳MAE 條件，滿足實際樣品準確定量檢測需要。