聚丙烯酰胺/聚丙烯酸钠混合物水解度的测定研究

阚晓丽，武中平，王 伟，潘 虹

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007）

0 引言

聚丙烯酰胺享有“百业助剂”之称，应用广泛。在我国，聚丙烯酰胺主要应用于油田的三次开采、水处理、造纸、矿山及其他领域，其使用量占总量的比例分别为81%，9%，5%，2%和3%，用量增长最快的是水处理领域和造纸领域［1］。在世界范围来看，聚丙烯酰胺应用最广的领域是水处理和造纸，在选矿［2］、洗煤［3］、冶金［4］、印染［5］、饮料及制糖、建筑［6］、化妆品［7］、土壤改良［8］等领域也有一定的应用。

聚丙烯酰胺水溶液的性质（特别是黏度）对其在石油工业等领域的应用（如提高原油采收率、用作钻井液调整剂、堵水调配剂、压裂液添加剂等）有直接影响［9］。研究表明，聚丙烯酰胺水溶液的黏度不仅与相对分子质量、浓度、温度有关，而且还受pH、水解度及含盐量等因素的影响［10］。水解度增加，黏度增加，无机盐的存在会使溶液黏度下降。pH的大小直接影响水解聚丙烯酰胺分子中羟基的解离程度，进而影响分子在水中的伸展程度，使黏度发生变化。

聚丙烯酰胺的水解程度是指聚丙烯酰胺溶液中的弱离子与水结合形成弱碱性或弱酸性的能力，或者是聚丙烯酰胺水溶液中形成弱酸的能力强弱和形成弱碱的能力强弱。目前，聚丙烯酰胺水解度测定已经建立了混合指示剂法、电位滴定法［11］、电导滴定法［12］、酸度计法、分光光度法［13］等方法，其中混合指示剂法、电导滴定法应用比较广泛。本文应用混合指示剂法、电导滴定法对食品添加剂聚丙烯酰胺水解度进行了测定，同时考察了食品添加剂聚丙烯酸钠的加入对聚丙烯酰胺水解度的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

盐酸标准溶液，c（HCl）=0.100 9 mol/L；甲基橙溶液，用蒸馏水配成质量分数0.1%的溶液，储存于棕色瓶中（有效期为15 d）；靛蓝二磺酸钠溶液，用蒸馏水配成质量分数0.25%的溶液，储存于棕色瓶中（有效期为15 d）；10 mL酸式滴定管，最小刻度为0.01 mL；食品添加剂聚丙烯酰胺（固含量≥88%），爱森（中国）絮凝剂有限公司提供；食品添加剂聚丙烯酸钠（固含量≥88%），杭州聚涛生物科技有限公司提供；85-2型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；BS224S电子分析天平，感量0.000 1 g，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PCD6500水质测量仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司。

1.2 实验方法

采用减量法称取0.028～0.032 g（精确至0.000 1 g）试样于称量瓶中。将盛有100 mL蒸馏水的锥形瓶放在恒温磁力搅拌器上，打开电源，调节转速使液面漩涡深度达1 cm左右，将称量瓶中试样缓慢加入锥形瓶中。待试样完全溶解后，得到试样溶液，用于水解度的测定。

方法一（混合指示剂法）：向试样溶液中加入甲基橙和靛蓝二磺酸钠指示剂各两滴，试样溶液呈黄绿色。用0.1 mol/L盐酸标准溶液滴定试样溶液，溶液由黄绿色变为浅灰色即为滴定终点。记下消耗盐酸标准溶液的体积，将其代入式（1）中计算试样水解度。

聚丙烯酰胺水解度按式（1）进行计算：

式中：HD为水解度，%；c为盐酸标准溶液的浓度，mol/L；V为试样溶液消耗盐酸标准溶液的体积，mL；m为试样的质量，g；s为试样的固含量，%；23为丙烯酸钠与丙烯酰胺链节质量的差值；71为与1.00 mL盐酸标准溶液［c（HCl）=0.1 mol/L］相当的丙烯酰胺链节的质量。

方法二（电导滴定法）：用电导率值为84μS/cm，1.413 mS/cm，12.88 mS/cm的标准液校正水质测量仪。将装有试样溶液的烧杯放在恒温磁力搅拌器上，将仪器探头插入试样溶液中，打开电源，向试样溶液中加入0.1 mol/L盐酸标准溶液，每加入0.5 mL盐酸标准溶液，记录一次显示稳定后电导率值，电导率有了突跃变化后再继续滴加，直至4.0 mL。以消耗的盐酸标准溶液体积V为横坐标、电导率K为纵坐标作图，如图1所示。用最小二乘法分别将图中曲线前半段和后半段接近直线部分拟合为直线，两条直线交点的横坐标即为滴定终点时所消耗盐酸标准溶液的体积，将其代入式（1）中计算试样水解度。

图1 聚丙烯酰胺溶液中电导率随盐酸标准溶液加入的变化

2 结果与分析

2.1 两种水解度测定方法对聚丙烯酰胺水解度的测定

称取10份食品添加剂聚丙烯酰胺试样（称样量：0.028～0.032 g，精确至0.000 1 g）于10个称量瓶中，采用1.2所述方法制成10份试样溶液。分别用方法一、方法二对其中5份试样溶液水解度进行测定，计算水解度（固含量以88%计）及相对标准偏差（RSD，%），结果如表1所示。

表1 两种水解度测定方法对聚丙烯酰胺水解度的测定结果

用方法一进行水解度测定时，随着盐酸标准溶液的加入，溶液由绿色逐渐变成灰色，最后呈灰紫色。但在滴定终点附近颜色变化较小，影响滴定终点的准确判断，使得平行测定的水解度结果偏差较大，5次平行测定的RSD达到了2.75%。

而用方法二进行水解度测定时，溶液消耗盐酸标准溶液的体积与溶液的电导率有一定的对应关系，可通过图1中拟合的2条直线相交得到溶液最终消耗盐酸标准溶液的体积。该体积值较为准确，使得平行测定的水解度结果偏差较小，5次平行测定的RSD仅为0.94%。

2.2 食品添加剂聚丙烯酸钠的加入对聚丙烯酰胺水解度的影响

称取8份食品添加剂聚丙烯酰胺+食品添加剂聚丙烯酸钠试样（称样量：0.028～0.032 g，精确至0.000 1 g）于8个称量瓶中，采用1.2所述方法制成8份试样溶液。分别用水解度测定方法一、水解度测定方法二对其中4份试样溶液水解度进行测定，计算水解度（固含量以88%计，以总质量计算），结果如表2所示。

从表2的试验结果可以看出，无论是采用水解度测定方法一，还是采用水解度测定方法二，测得的食品添加剂聚丙烯酸钠溶液水解度（73.62%，72.94%）要远远大于食品添加剂聚丙烯酰胺溶液水解度（14.34%，14.33%）。在食品添加剂聚丙烯酰胺添加食品添加剂聚丙烯酸钠后，溶液的水解度会增加，加入的食品添加剂聚丙烯酸钠量越多，水解度增加会更明显。

表2 两种水解度测定方法对聚丙烯酰胺/聚丙烯酸钠水解度的测定结果

3 结语

本文对采用混合指示剂法、电导滴定法测定食品添加剂聚丙烯酰胺水解度进行了试验，发现对食品添加剂聚丙烯酰胺水解度平行测定结果的相对标准偏差（RSD）混合指示剂法大于电导滴定法。原因在于采用混合指示剂法时溶液颜色变化小，影响滴定终点的准确判断，而电导滴定法可通过拟合的2条直线较准确地得到消耗HCl的最终体积，从而保证水解度平行测定时有较好的相对标准偏差。因此，对食品添加剂聚丙烯酰胺水解度测定时，应对方法进行必要比较，选择精密度好的测定方法（如电导滴定法）。

同时，还对食品添加剂聚丙烯酰胺+食品添加剂聚丙烯酸钠试样水解度进行了测定。发现在食品添加剂聚丙烯酰胺添加食品添加剂聚丙烯酸钠后，溶液的水解度会增加，加入的食品添加剂聚丙烯酸钠量越多，水解度增加会更明显。因此，可以通过添加适量食品添加剂聚丙烯酸钠提高食品添加剂聚丙烯酰胺的水解度，以满足实际需要。