全自动凯氏定氮仪测定天然橡胶氮含量

丁兆娟，吕延延，张清智，刘爱芹

（怡维怡橡胶研究院，山东 青岛 266042）

天然橡胶（NR）中的蛋白质对其性能有很大影响：蛋白质的分解产物有促进NR硫化和提高NR抗氧化性能的作用；蛋白质吸水性和导电性较强，蛋白质含量高的NR生热性大，动态性能差，且容易吸收水分而发霉，不宜用于电子行业。NR中的氮主要存在于蛋白质结构中，一般蛋白质的含氮量为16%。通过测定NR的氮含量可间接得知其蛋白质含量。因此，测定NR的氮含量具有重要意义[1-5]。

目前氮含量的测定方法主要有凯氏定氮法、光度法（如双缩脲法、紫外吸收法）和滴定法等。在现行的天然橡胶和天然胶乳氮含量测定标准GB/T 8088—2008及ISO 1656：1996中均采用凯氏定氮法。

全自动凯氏定氮仪采用高精度颜色传感器判断终点，智能化控制程序，可自动完成加水、加酸、加碱、蒸馏、滴定、滴定杯自动排液清洗、消化管排空和结果计算，全程无需人为干预，具有操作简便、快速、准确等特点，但用其对NR进行氮含量的测定报道较少。

本课题根据GB/T 8088—2008要求及仪器特点，优化消化方法，对全自动凯氏定氮仪测定NR氮含量进行研究。

1 实验

1.1 试验原理

在催化剂作用下，用浓硫酸消化NR，使有机氮分解转化为氨，氨进入溶液与硫酸结合生成硫酸氢铵，然后用氢氧化钠碱化，加热蒸馏出氨。用硼酸溶液吸收，然后用硫酸标准溶液滴定过量的硼酸。

试样中的氮含量ω（质量分数）［单位g·（100 g）-1］，按下式计算：

式中，V1为试样试验滴定用硫酸标准溶液体积，mL；V0为空白试验滴定用硫酸标准溶液体积，mL；C为硫酸标准溶液浓度，mol·L-1；0.0140为1.0 mL硫酸标准溶液相当的氮的质量，g；m为试样质量，g。

1.2 试剂及溶液配制

催化剂（混合物）：将9质量份的无水硫酸钾（K2SO4，分析纯）和1质量份的五水合硫酸铜（CuSO4·5H2O，分析纯）在研钵中研细，充分混合均匀。

浓硫酸，密度1.84 g·cm-3，分析纯；硫酸标准溶液，浓度0.05 mol·L-1，按GB/T 601—2002《化学试剂标准滴定溶液的制备》配制及标定。

氢氧化钠溶液，质量浓度400 g·L-1。

含溴甲酚绿和甲基红指示剂的1%硼酸吸收溶液：取100 g硼酸溶于10 L水中，添加100 mL溴甲酚绿溶液（100 mg溴甲酚绿溶于100 mL乙醇溶液）和70 mL甲基红溶液（100 mg甲基红溶于100 mL乙醇溶液）。

氮标准溶液（质量浓度0.1 mg·mL-1）：将氯化铵（含量≥99.5%，分析纯）在105 ℃条件下烘至恒质量，称取0.382 g氯化铵溶于水中，移入1 L容量瓶中，稀释至标线。

1.3 仪器

Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪和TecatorTM消化系统，瑞典福斯公司产品。

1.4 试样制备

选取3种氮含量的NR，分别按GB/T 15340—2008《天然、合成生胶取样及其制样方法》取样和制备均匀化，再从中取出试样，用剪刀剪成小块。3种氮含量试样标识为1#试样、2#试样、3#试样。

1.5 试验方法

将试样置于250 mL消化管中，加入催化剂和浓硫酸，置于消化炉上慢慢加热至420 ℃，再继续煮沸，至消化液变为澄清的绿色，消化液冷却至室温。将消化管放入全自动凯氏定氮仪中，仪器自动蒸馏、滴定并计算结果。

2 结果与讨论

2.1 消化过程优化

2.1.1 试样及浓硫酸用量

试样及硫酸用量不同的NR消化过程对比如表1所示。由于消化管容积为250 mL，最终溶液的体积不能超过其2/3，且酸碱比例为1∶4，故浓硫酸用量最大为20 mL。

从表1可以看出：试样用量为2.0 g，浓硫酸用量分别为10 mL，15 mL，20 mL时，消化液均变干，消化不完全；试样用量为1.0 g、浓硫酸用量为20 mL时消化时间最短，且消化完全，浓硫酸用量为10 mL和15 mL时均消化不完全，故浓硫酸用量取20 mL，试样用量取1.0 g。

表1 试样及浓硫酸用量不同的NR消化过程对比

2.1.2 催化剂用量

催化剂用量不同的NR消化过程对比如表2所示。从表2可以看出：随着催化剂用量增大，消化时间呈先缩短后延长的趋势；当催化剂用量为10 g时，消化时间最短。为了节省试验时间，提高试验效率，催化剂用量取10 g。

表2 催化剂用量不同的NR消化过程对比

2.1.3 消化时间

消化时间对试样氮含量测定结果的影响如表3所示。从表3可以看出：消化时间从40 min延长到120 min，氮含量测定值无明显差异；消化40 min时消化液刚变为澄清的绿色，为保证消化完全及检测结果准确，消化时间取60 min。

表3 消化时间对试样氮含量测定值的影响

注：2#试样1.0 g，浓硫酸20 mL。

最终确定全自动凯氏定氮仪测定NR氮含量的优化消化过程试验条件为：试样1.0 g，浓硫酸20 mL，催化剂10 g，420 ℃消化60 min。以下试验均采用此优化条件。

2.2 精密度试验

分别测定3种试样的氮含量，每种试样平行测定8次，结果如表4所示。从表4可以看出，3种试样氮含量的相对标准偏差均小于3%，表明全自动凯氏定氮仪的精密度高。

表4 3种试样的氮含量

2.3 准确度实验

取20 mL 0.1 mg·mL-1氮标准溶液，分别加入到待消化的3种试样中，进行回收试验，结果如表5所示。从表5可以看出，氮标准溶液的回收率均在99.5%以上，表明全自动凯氏定氮仪测试值的准确度高。

表5 加标回收检测结果

2.4 不同测定方法对比

分别用全自动凯氏定氮仪测试法（仪器法）和GB/T 8088—2008中的半微量法（手工法），测定2#试样的氮含量，结果见表6。从表6可以看出，仪器法与手工法测定的氮含量结果差异不显著，仪器法符合国家标准的要求。

表6 不同方法试样氮含量测定结果对比

3 结论

（1）全自动凯氏定氮仪测定NR氮含量的优化消化过程试验条件为：试样1.0 g，浓硫酸20 mL，催化剂10 g，420 ℃消化60 min。

（2）与GB/T 8088—2008中的手工法测定NR氮含量相比，全自动凯氏定氮仪测试法操作简便快捷，检测时间大大缩短，且减少了人为操作误差，仪器精密度和测定值准确度高。