蛋白酶解产物对天然橡胶硫化特性和物理机械性能的影响.pdf

合成橡胶工业,2023-05-15,46(3):228-233CHINA SYNTHETIC RUBBER INDUSTRY加工应用DOI:10.19908/ k i.ISSN1000-1255.2023.03.0228蛋白酶解产物对天然橡胶硫化特性 和物理机械性能的影响刘士杰1,岑月薇1,梁晓媚1,陈文彬1,刘宏超2,李永振2,桂红星3,高天明1*(1.岭南师范学院化学化工学皖，广东湛江524048；2.中国热带农业科学皖农产品加工研究所/广东省天然橡胶加工重点实验室,广东湛江524001；3.中国热带农业科学院橡胶研究所，海口 571101)摘要：采用离心法制备不同蛋百质含量的夭然胶乳，再通过碱性蛋自酶酶解橡胶粒子表面蛋自质，研究了蛋自质酶解产物对天然橡胶硫化特性和动态行为的彩响。结果表明，随着离心次教的増加，天然 橡胶中氮质量分教由0.27%降至0.13%,生胶复毀黏度降低，混炼胶硫化速率变慢，硫化胶支联密度降 低，力学性能下降，储能模量在应变和频率扫描下不斷降低；由于蛋自质分解产物的作用，天然胶乳经离 心加酶处理后，复数黏度高于单纯离心处理的，而且硫化速率加快，力学性能、储能模量均得到提升，尤 其是二次离心加酶天狀橡胶的硫化速率可达17.8 min 1，拉伸强度可达23.73 MPa,明显高于二次离心天 然橡胶的 9.59 min-1 和 20.52 MPa。关键词：酶解;蛋自质；天然橡胶;硫化特性；动态力学性能；物理机械性能中图分类号:TQ 331.2 文献标志码：B 文章编号:1000-1255(2023)03-0228-06蛋白质是天然橡胶中重要的非橡胶桂组分 之一，其中蛋白质质量分数约为1.8%3.2%叫天 然胶乳中约有20%的蛋白质附着于天然橡胶粒 子表面，与磷脂复合形成保护层，从而可提高天 然胶乳的稳定性;剩余部分则溶于乳清孔此外，对天然橡胶而言，蛋白质还具有促进硫化、防止 老化、提高力学性能等功能。鉴于蛋白质在天然 橡胶中的特殊功能,龙春丞用碱性蛋白酶处理 天然胶乳，结果发现随着氮含量的降低，天然橡 胶硫化速率有所减慢。刘彦妮等研究发现随着 蛋白质含量的降低,天然橡胶硫化胶的力学性能 变差。此外,杨姣等冋将乳清蛋白溶解后加入天然 胶乳中制得不同蛋白质含量的天然橡胶,结果表 明随着氮含量的升高，天然橡胶硫化速率加快，力学性能提高。高天明等”分别采用离心法和沥 滤法处理制备了低蛋白含量天然橡胶(LPNR),经对比发现采用沥滤法制得的LPNR中氮含量 与由离心法制得的LPNR相近，但是采用沥滤法 制得的LPNR生胶黏度较高，硫化胶具有较好的 力学性能和较快的硫化速率。综上所述,对于蛋 白质影响天然橡胶结构和性能的研究主要集中 在蛋白质含量和制备分离方法方面，而对于天然 橡胶粒子表面蛋白质(尤其是蛋白质酶解产物)对橡胶结构和性能影响的研究还未曾有报道。本 工作拟通过离心法脱除天然胶乳乳清中的蛋白 质，并探究蛋白质含量对橡胶结构和性能的影 响，此外，还对天然橡胶粒子表面蛋白质酶解产 物对天然橡胶硫化特性和动态行为的影响进行 研究。1试验部分1.1主要原材料及仪器设备浓缩天然胶乳，总橡胶怪质量分数为60%,中国热带农业科学院农产品加工研究所提供;碱 性蛋白酶,蛋白酶活力为20 xl04U/g,广西南宁庞收稿日期：2022-07-14；修订日期：2023-04-1 lo作者简介：刘士杰(1999-),男，广东阳春人，学士。主要 从事非橡胶胫组分对天然橡胶性能影响的研究工作。基金项目：岭南师范学院人才专项(ZL2002)；岭南卯范学 皖大学生创新训练项目(1113)；广东省天然橡胶加工重点 实验室资助项目(2019B121203004)；海南省自然科学基金 资助项目(2019 RC 288)。*通讯联系人。第3期刘士杰等.蛋白酶解产物对天然橡胶硫化特性和物理机械性能的影响 229 博生物工程有限公司产品；甲苯，质量分数不小 于99.5%,广州广东广试试剂科技有限公司产品；十二烷基硫酸钠(SDS)、硫黄、氧化锌、硬脂酸、2-疏基苯并嗟哩(促进剂M),均为橡胶工业常用市 售品。Kjeltech TM 8100型凯氏定氮仪,丹麦Foss 公司生产；RPA 2000型橡胶加工分析仪，美国 Alpha科技公司生产；MDR-2000 E型无转子硫 化仪，江苏无锡蠡园电子化工设备有限公司生 产;AI-3000型电子拉力机，广东东莞高铁检测仪 器有限公司生产；NRSDR5型碟片式离心机，江 苏宜兴海德分离机械有限公司生产;30 T型平板 硫化机，广东东莞宝鼎精密仪器有限公司生产。1.2不同类型天然橡胶的制备天然橡胶将浓缩天然胶乳置于玻璃模具 中自然干燥脱水，制备得到天然橡胶空白样品。一次离心天然橡胶 将质量分数为0.125%的SDS水溶液与浓缩天然胶乳按照质量比为 1.4/1的比例进行混合，机械搅拌15 min,将浓缩 天然胶乳稀释至总橡胶桂质量分数为25%,静置 存放3d；使用碟片式离心机将稀释后的天然胶 乳离心至总橡胶坯质量分数为60%,将其置于玻 璃模具中自然干燥脱水，制备得到一次离心天然 橡胶。一次离心加酶天然橡胶将一次离心得到 的天然胶乳稀释至总固物质量分数为30%,按 照碱性蛋白酶与一次离心天然胶乳质量比为 1/1 000的比例将前者加入至后者，搅拌30 min,静置5 d,将其置于玻璃模具中自然干燥脱水，制 备得到一次离心加酶天然橡胶；二次离心天然橡胶将质量分数为0.125%的SDS水溶液与一次离心浓缩得到的天然胶乳 按照质量比为1.4/1的比例进行混合，机械搅拌 15 min,将天然胶乳稀释至总橡胶桂质量分数为 25%,静置存放3 d；使用碟片式离心机将稀释后 的天然胶乳离心至总橡胶桂质量分数为60%,将 其置于玻璃模具中自然干燥脱水,制备得到二次 离心天然橡胶；二次离心加酶天然橡胶将二次离心得到 的天然胶乳稀释至总橡胶桂质量分数为30%,按照碱性蛋白酶与二次离心天然胶乳质量比为 1/1 000的比例将前者加入至后者，搅拌30 min,静置5 d,将其置于玻璃模具中自然干燥脱水,制 备得到二次离心加酶天然橡胶。1.3分析与测试氮含量使用凯氏定氮仪测试天然橡胶中 的氮含量。生胶复数黏度(h)使用橡胶加工分析仪测 试天然橡胶生胶77*O将生胶试样置于RPA模腔 中进行频率和应变扫描。其中频率扫描测试条 件：温度为60 应变为1。，频率范围为0.03 33.30 Hz；应变扫描测试条件为：温度为60咒，频 率为0.5 Hz,应变范围为0-30o混炼胶硫化特性参数使用无转子硫化仪 测试混炼胶的硫化特性参数，将混炼胶置于平板 硫化机中进行模压硫化，硫化条件:温度为150 时间为由无转子硫化仪测试得到的工艺正硫化 时间(竝)。硫化速率常数(CRI)为用以评价橡胶 硫化速率的参数,其可通过式(1)切计算得到：CRI=100/(如f 2),(1)式中仏2为由无转子硫化仪测试得到的焦烧时 间。相邻交联点的平均相对分子质量(反)采 用平衡溶胀法测试天然橡胶硫化胶的帀門。选用 甲苯作为溶剂，将天然橡胶试样剪切成1 cmx lcmx0.2cm的样品，置于甲苯溶剂中溶胀72 h,根据式(2)计算溶胀度(Q)如下：Q=(ml/p1+mjp2)/(mjp2)Q=(ml/p1+mjp2)/(mjp2),(2)式中:g为溶胀体内甲苯的质量;牝为溶胀体内 天然橡胶的质量；Pi；Pi为溶胀前甲苯的密度；p2为溶 胀前天然橡胶的密度。通过Q与瓦之间的关系，根据式(3)计算天然橡胶硫化胶的祝如下。/l n(l-)+-t v12,(3)式中：耳为溶剂的摩尔体积说为天然橡胶与甲 苯之间的相互作用参数叩为聚合物在溶胀体中 所占的体积分数，其值等于Q Q的倒数。动态力学性能使用橡胶加工分析仪测试 混炼胶的动态力学性能。其中，混炼胶试样置于 橡胶加工分析仪的模腔中，于150 下按照如进 行硫化，再分别进行频率扫描和应变扫描。其中 频率扫描测试条件为:温度100P,应变1。,频率 范围0.03-33.30 Hz；应变扫描测试条件为：温度 100七,频率0.5 Hz，应变范围0-30%力学性能 使用电子拉力机，按照GBZT 230 合成橡胶工业第46卷528-2009测试不同蛋白质含量天然橡胶的力学 性能。2结果与讨论2.1氮含量经测试可知，天然橡胶、一次离心天然橡胶、一次离心加酶天然橡胶、二次离心天然橡胶、二 次离心加酶天然橡胶中氮质量分数分别为 0.27%,0.17%,0.15%,0.13%,0.13%。由此可见，天 然橡胶中的氮含量最高。随着离心次数的增加，氮含量不断降低，经一次离心后天然橡胶中的氮 含量降低较多，而经二次离心后，由于天然橡胶 中乳清部分脱除比较多，剩余的蛋白质大多数附 着于天然橡胶粒子表面，因此氮含量降低较少。天然胶乳经离心加酶处理对蛋白质含量的影响 不大,这是由于一次离心加酶天然橡胶在处理过 程中会有少量蛋白质流失，因此氮含量稍微比一 次离心天然橡胶的低，而天然橡胶经二次离心后 游离蛋白质脱除比较彻底，所以二次离心加酶天 然橡胶中的氮含量与二次离心天然橡胶基本一 致。2.2生胶矿由于使用毛细管流变仪测试得到的表观黏 度(风)和橡胶加工分析仪测试得到的结果较 为一致切，因此本工作采用由橡胶加工分析仪测 试得到的h来表征天然橡胶的。h和剪切速 率(刃之间的关系如下：心严，(4)式中也和a均为橡胶固有常量。为了更为直观地表示和7之间的关系，将 式(4)两侧取对数后得到式(5):In%+(a-l)h iyo(5)图1示出了在应变扫描和频率扫描2种扫 描模式下h与y对应关系曲线。对于应变扫描模 式而言，在低7(低应变)条件下7)-降低较少，而 在高y(高应变)条件下7；*降低较快，这是剪切变 稀效应所导致的；而对于频率扫描而言拜与h 成线性关系,但是不同试样对应曲线的斜率有所 不同。天然橡胶试样的矿最高，随着离心次数的 增加，离心后天然橡胶的矿不断降低。在应变扫 描中,加酶处理天然橡胶的7)*在低应变时高于未 加酶处理试样,这是由于应变破坏了橡胶结构导 致在高应变条件下不同试样的y较为接近;而在 频率扫描中,加酶处理天然橡胶的矿均高于未加 酶处理天然橡胶，这是由于经酶处理后产生的氨 基酸或多肽有促进橡胶熟化的作用切。*Sii hirjl jQjciiriihnk irType o f n a t ura l rubber:Na t ura l rubber；OOn ce cen t rif uga t io n；On ce cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t；Tw ice cen t rif uga t io n；Tw ice cen t rif uga t io n/en zyma t ict rea t men tFig 1 rfrf o f dif f eren t n a t ura l rubbers un der st ra in sw eep mo de(a)a n d f requen cy sw eep mo de(b)2.3硫化特性经过离心处理和蛋白酶处理后天然橡胶的 硫化特性如表1和图2所示。由表1可以看出，随着离心次数的增加，硫化速率明显下降，二次 离心天然橡胶的硫化速率仅为天然橡胶的1/2。当离心天然橡胶经碱性蛋白酶处理后，一次离心 加酶天然橡胶的硫化速率比一次离心天然橡胶 的略有提升;二次离心加酶天然橡胶的硫化速率 比二次离心天然橡胶的速率提升明显。据此说明 碱性蛋白酶分解了天然橡胶粒子表面的蛋白质，经酶处理后产生的碱性氨基酸提高了橡胶的硫 化速率。天然橡胶经过硫化后表现出最大的转 矩，离心次数的增加导致最大转矩(阪)不断降 低；二次离心加酶天然橡胶的阪相比二次离心 天然橡胶有明显的提升，这是由于硫化促进作用 使橡胶的交联密度有所提升。此外，由图2可以 看出，二次离心加酶天然橡胶的硫化特性曲线接 近于一次离心天然橡胶和一次离心加酶天然橡 胶，由此说明天然橡胶中蛋白质(尤其是天然橡第3期刘士杰等.蛋白酶解产物对天然橡胶硫化特性和物理机械性能的影响231 胶粒子表面附着的蛋白质）的分解产物具有明显 的硫化促进和交联促进功能。Table 1 Curing characteristics of natural rubber compounds treated by multi-centrifugation and enzymeType o f n a t ura l rubbersyminigo/minW(dN-m)WCdN-m)CRI/min-1Na t ura l rubber1.506.755.781.0219.05On ce cen t rif uga t io n2.357.905.210.9418.02On ce cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t2.157.505.211.0318.69Tw ice cen t rif uga t io n3.5714.004.360.999.59Tw ice cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t2.908.525.101.0517.80w a s min imum t o rque.Type o f n a t ura l rubber：1Na t ura l rubber;2On ce cen t rif uga t io n；3On ce cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t;4Tw ice cen t rif uga t io n；5Tw ice cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t;Fig 2 Curin g curv es o f n a t ura l rubbers t rea t ed by mul t i-cen t rif uga t io n a n d en zyme2.4力学性能由表2可以看出，天然橡胶的拉伸强度最高，而随着离心次数的增加，天然橡胶的拉伸强度不 断降低。这是由于离心作用减少了橡胶的非橡胶 怪组分，从而降低了橡胶的交联密度;此外，离心 作用也会导致橡胶分子结构破坏而致使拉伸强 度降低。经离心加酶处理天然橡胶的拉伸强度比仅 进行离心处理天然橡胶有所增加，尤其是经二次离 心处理后，二次离心加酶天然橡胶的拉伸强度比 二次离心天然橡胶的拉伸强度提高了约3 MPa,这说明天然橡胶粒子表面的蛋白质经过酶解后生 成的氨基酸类产物有促进硫化交联的功能。Table 2 Mechanical properties of natural rubbers treated by multi-centrifugation and enzymeType o f n a t ura l rubberTen sil e st ren gt h/MPaEl o n ga t io n a t brea k/%Mo dul us a t 300%/MPaMo dul us a t 500%/MPaNa t ura l rubber25.150.76743351.730.284.551.01On ce cen t rif uga t io n23.230.66835251.390.073.000.33On ce cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t23.471.86793311.430.053.080.25Tw ice cen t rif uga t io n20.521.40829211.270.062.390.15Tw ice cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men t23.731.50807331.470.163.150.502.5交联密度是指在橡胶交联网络结构中两个交联点 之间分子量的平均值，其是反映橡胶网岁交联密 度的重要参数。对于橡胶材料而言，其瓦大说明 橡胶交联密度小,而况小则说明交联密度大。经 测试可以知道，天然橡胶、一次离心天然橡胶、一 次离心加酶天然橡胶、三次离心天然橡胶、二次 离心加酶天然橡胶的帀。分别为172.9,200.2,19&2,291.0,200.0。由此可见，二次离心天然橡胶 的交联密度最低，二次离心加酶天然橡胶的交联 密度与一次离心天然橡胶、一次离心加酶天然橡 胶的交联密度较为接近。此外,结合表2可以看 出，交联密度的测试结果与力学性能的测试结果 相一致。2.6动态力学性能储能模量（G，）可反映橡胶的强度和承载能 力何，纯天然橡胶硫化胶具有较高的C通常是由 较高的交联密度所导致的。由图3可以看出，对 应变扫描模式而言，当应变较小时天然橡胶的G 的变化较小；随着应变的增大，橡胶网络结构遭 到破坏,迅速降低；其中天然橡胶表现出最高 的G，,二次离心天然橡胶的G，最低，一次离心天 然橡胶的G，位于前述二者的中间，而一次离心加 酶天然橡胶和二次离心加酶天然橡胶的G，较为 接近，二者均比一次离心天然橡胶的G，略高。对 232 合成橡胶工业第46卷频率扫描模式而言，天然橡胶的G，最高，二次离 心天然橡胶表现出最低的G，,次离心天然橡胶 和一次离心加酶天然橡胶、二次离心加酶天然橡 胶的C非常接近。尤其是对应变扫描模式而言,一次离心加酶天然橡胶和二次离心加酶天然橡 胶的G，比一次离心天然橡胶的还要高。此外，由 图3还可以看出，频率扫描结果与应变扫描结果 基本相一致。综上所述，碱性蛋白酶分解天然橡 胶粒子表面的蛋白质所得的分解产物具有硫化 促进和交联促进作用，可有效提高天然橡胶的交 联密度和力学性能。ISno OJ IJO 1.5 2.0 2.5 J.D 3Xiituriil li.iL-ithm orfre-4|iir*-ni vil j.Type o f n a t ura l rubber:Na t ura l rubber；OOn ce cen t rif uga t io n；On ce cen t rif iiga t io n/en zyma t ic t rea t men t；Tw ice cen t rif uga t io n；Tw ice cen t rif uga t io n/en zyma t ic t rea t men tFig 3 Dyn a mic mech a n ica l pro pert ies o f n a t ura l rubbers t rea t ed by mul t i-cen t rif uga t io n a n d en zyme3结论a)随着离心次数的增加，天然胶乳中的蛋白 质不断脱除，氮含量也得以降低，二次离心后氮 质量分数可达0.13%；使用碱性蛋白酶处理离心 天然胶乳可以酶解天然胶乳中剩余的蛋白质，尤 其是天然橡胶粒子表面的蛋白质，同时对天然橡 胶中蛋白质含量影响较小,二次离心加酶天然橡 胶中氮含量与二次离心的一样，二者中氮质量分 数均为(M3%。b)随着离心次数的增加，生胶77*不断降低；天然胶乳经离心加酶处理后，其v高于单纯离心 处理的；经酶处理后产生的氨基酸或多肽有促进 橡胶熟化的作用。C)天然橡胶的硫化速率、交联密度和拉伸强 度都随着离心次数的增加而不断降低;离心加酶 处理天然橡胶的硫化速率、交联密度和拉伸强度 均高于离心未加酶处理的,尤其是二次离心加酶 天然橡胶的CRI可达17.80 min1,高于二次离心 天然橡胶的9.59 mhri,与一次离心样天然橡胶相 近；此外，二次离心加酶天然橡胶的拉伸强度可 以达到(23.731.50)MPa,基本与一次离心天然 橡胶相近，明显高于二次离心天然橡胶的(20.52+1.40)MPa。d)天然橡胶粒子表面的蛋白质经酶解可有 效提高天然橡胶生胶的if,而且对天然橡胶有明 显的硫化促进和交联促进能力，从而可提高天然 橡胶的力学性能和动态力学性能。参考文献：1 王奎，廖建和，廖禄生，等.蛋白质对天然橡胶硫化动力学 的影响J.弹性体,2012,22(6)：15-18.2 何映平天然橡胶加工学M.海口：海南出版社，2007：33-35.3 李建伟，栗秀萍，黄红海，等.天然橡胶中蛋白质的作 用J.应用化工,2020,47(1)：173-176.4 龙春丞.蛋白质对恒粘天然橡胶性能的影响D.海口：海 南大学,2015：4-5.5 刘彦妮，刘宏超，王启方，等.酶凝固天然橡胶硫化特性及 力学性能的研究J.科学技术与工程，2016,16(31)：66-70.6 杨姣，高天明，桂红星，等.乳清蛋白对天然橡胶性能的影 响J热带作物学报,2016,37(3):579-601.7 高天明，吕臻，夏加亮，等.沥滤法制备低蛋白天然橡胶的 性能表征J.高分子材料科学与工程，2020,36(1)：70-75.8 李志君.天然橡胶的分析与试验M.北京：中国农业大学 出版社，2007：219-222.9 Wa n g Pin gyue,Qia n Ho n gl ia n,Ya n g Ch un l ia n g,et a l.Ch ara ct eriza t io n o f t h e a gin g beh a v io r o f ra w epo xidized n a t ura l rubber w it h a rubber pro cessin g a n a l yzer J.Jo urn a l o f Appl ied Po l ymer Scien ce,2006,100(2)：1277-1281.10 Pa n a mpil l y B,Th o ma s S,Na n o Zn O a s cure a ct iv a t o r a n d rein f o rcin g f il l er in n a t ura l rubber J.Po l ymer En gin eerin g Scien ce,2013,53(6)：1337-1346.第3期刘士杰等.蛋白酶解产物对天然橡胶硫化特性和物理机械性能的影响233Effect of enzymolytic product on the curing characteristics and physico-mechanical properties of natural rubberLIU Shi-jie1,CEN Yue-wei1,LIANG Xiao-mei1,CHEN Wen-bin1,LIU Hong-chao2,LI Yong-zhen2,GUI Hong-xing3,GAO Tian-ming1(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Lingnan Normal Uni/versity,Zhanjiang 524048,China;2.Agricultural Products Processing Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Guangdong Provincial Key Laboratory of Natural Rubber Processing,Zhanjiang,524001,China;3.Rubber Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou,571101,China)Abstract:The natural latexes with different protein contents were prepared by centrifugation and then treated by alkaline protease to hydrolyze protein on the rubber particle surface,and the effects of protein hydrolysates on curing characteristics and dynamic behavior of natural rubber were studied.The results showed that with the increment of centrifugation times nitrogen mass fraction decreased from 0.27%to 0.13%,complex viscosity of raw rubber and curing rate of compound decreased,cross-linking density and mechanical properties of natural rubber vulcanizates declined,and storage modulus reduced under strain and frequency sweep.However,complex viscosity,curing rate,mechanical properties and storage modulus of natural rubber treated by multi-centrifugation and enzyme increased compared with those of natural rubber treated by only multi-centrifugation,due to the role of protein hydrolysates,and especially for the natural rubber treated by twice centrifugation and enzyme,curing rate could reach 17.8 min-1 and tensile strength could reach 23.73 MPa,which were significantly higher than curing rate of 9.59 min-1 and tensile strength of 20.52 MPa of natural rubber treated by only twice centrifugation,respectively.Key words:enzymolysis;protein;natural rubber;curing characteristics;dynamic mechanical property;physico-mechanical property国内简讯.中国科学院铁系梳枝丁戊橡胶在全球首次 实现商业化生产 据橡胶技术网2023年4月 14日报道，日前，中国科学院青岛生物能源与过 程研究所（以下简称“中科院青岛能源所”）与山 东昊华轮胎合作研发的铁系梳枝丁戊橡胶高性 能抗湿滑轮胎制造示范项目顺利启动，青岛能源 所副所长徐峰、知识产权与成果转化处、催化聚 合与工程研究组等相关人员参会。据悉，此项目中所用橡胶原材料为中科院青 岛能源所与中国石化巴陵石化公司共同开发的、由具有自主知识产权的催化剂技术和催化聚合 技术制备而得的铁系梳枝丁戊橡胶新材料，该材 料应用性强，可以替代进口的溶聚丁苯橡胶，居 国际先进水平。此次高性能抗湿滑轮胎制造示 范项目将有效推动铁系梳枝丁戊橡胶新材料的 落地转化。项目已首批次完成3万余条高性能轮 胎的制造，A品率（标准胎为B级）达100%,直 接销售额逾一千万元。