蛋白质对天然橡胶力学性能的影响.pdf

122023年第49 卷现代橡胶技术村料配方蛋白质对天然橡胶力学性能的影响李汉堂编译摘要：用溶胀法和橡胶态核磁共振（NMR）光谱分析了用未经处理的天然橡胶（NR）、脱蛋白天然橡胶（DPNR）和无蛋白质天然橡胶（PFNR）制备硫化胶的交联结构，研究了蛋白质对天然橡胶硫化的影响。NR中存在的蛋白质通过三种方法去除：用酶脱蛋白、尿素脱蛋白或在十二烷基硫酸钠存在下用尿素-丙酮脱蛋白。NR中存在的蛋白质量约为0.2 38 w/w%，通过尿素-丙酮脱蛋白使蛋白质降低到0.0 0 0 w/w%，而通过酶和尿素脱蛋白使蛋白质分别降低到约0.0 0 3w/w%和0.0 19 w/w%。硬度、溶胀度和交联结构取决于蛋白质的含量。由非填充胶料、炭黑填充胶料和白炭黑填充胶料制备的硫化胶的力学性能与蛋白质的含量有关。关键词：天然橡胶；蛋白质；交联结构；硬度；溶胀度；力学性能1前言NR硫化胶的交联结构可能取决于橡胶中存在的蛋白质，因为NR的硫化会受到橡胶脱蛋白的显著抑制。这种效应意味着蛋白质作为促进剂在硫化中发挥着重要作用，具有控制交联密度、交联连接处的结构、交联连接处的硫原子数和橡胶中交联连接处分布的潜能。因此，研究蛋白质在形成交联结构中的作用是重要的，交联结构与NR硫化胶的力学性能密切相关。许多研究人员已经研究了蛋白质对NR及其硫化胶力学性能的影响。例如，Abdul、K a d ir 和Amnuaypornsri等人分别报道了NR的硬度和拉伸性能会由于脱蛋白质而降低，而溶胀度提高。相比之下，Sakaki等人提出，脱蛋白天然橡胶（DPNR）及其硫化胶的力学性能与NR及其硫化胶的力学性能相同，因为去除蛋白质后拉伸性能没有变化；在此基础上，研究者强调，将DPNR与NR对比更具吸引力，因为从橡胶中去除了污垢和污染物。同样，Tosaka等人报道，非橡胶成分对NR硫化胶的力学性能的影响小到可以忽略不计。此外，Sarkawi等人揭示了当橡胶与白炭黑混合时DPNR的力学性能提高，即DPNR在6 0 下的tano值随着白炭黑含量的增加而降低。然而，蛋白质对力学性能的影响仍然不明确，因为在分子水平上对NR硫化胶交联结构的研究较少。因此，有必要在合理的基础上分析交联结构，并通过蛋白质的作用将其与力学性能联系起来。最近，我们开发了橡胶态NMR光谱，即场梯度魔角旋转（FG-MAS固态NMR（橡胶态NMR）光谱，它与液态NMR光谱和固态NMR光谱有区别。由于通过橡胶状聚合物的相对快速运动和以大约20kHz或更高旋转速度的快速魔角旋转消除了残留的偶极-偶极相互作用。橡胶态NMR光谱能导致NR硫化胶产生高分辨率的NMR光谱。这种方法具有获得高分辨率NMR光谱的强大能力，同时可出现分配给交联连接处的灵敏信号。在之前的研究中，13第3 期李汉堂。蛋白质对天然橡胶力学性能的影响我们确定了检测分配给交联连接处的小信号所需的适当数量的试样和试管的尺寸。因此，当我们将橡胶态NMR光谱应用于硫化胶时，我们可以确定交联连接处的结构。在此，我们用橡胶态NMR光谱结合常规溶胀方法对由未经处理的NR、D PNR和无蛋白质天然橡胶（PFNR）制备的硫化胶的交联结构进行了精确分析；研究了硫化速度、硬度、拉伸强度和其它性能与交联结构的关系。2试验2.1试样本研究使用的NR胶乳是高氨天然橡胶（HANR）胶乳（由马来西亚吉隆坡森那美公司生产）。HANR胶乳在十二烷基硫酸钠（SDS，9 8%；日本大坂Kishida 化学公司制造）的存在下，使用蛋白水解酶、尿素或脲素-丙酮去除蛋白质，以制备下述的酶-DPNRDPNR（E）、脲-DPNRDPNR）（U)和PFNR胶乳。用合成顺式-1，4-聚异戊二烯（IR，Ni p o lIR2200，日本杰昂公司生产）和Pureprena（商品化DPNR，马来西亚橡胶板）作为参比试样。2.2PFNR和 DPNRR（U）胶乳的制备在室温下，将HANR胶乳与0.1w/w%尿素（9 9.0%，Na c a l a i T e s q u e 公司制造）在1w/w%SDS和2.5w/w%丙酮（9 9.5%，Kanto公司生产）存在下培育1h，然后在10 g离心力下离心三次，制备PFNR，而DPNR（U）不含丙酮。离心后回收的乳油成分用1w/w%SDS和2.5w/w%丙酮重新分散在水中以制备30 w/w%干橡胶含量（DRC）胶乳。处理后，将其在大气中干燥以形成铸态膜。2.3DPNR(E）月胶乳的制备DPNR（E）胶乳由HANR胶乳中的0.1w/w%蛋白水解酶（2.4LFGAlcalase，n o v o z a y m e s 公司制造）制备。这是在1w/w%SDS存在，于37 下用磷酸二氢钠脱水物（9 9.0%，Kanto化学公司制造）调节pH值至9.2，然后在10 g离心力下离心。离心后回收的乳油成分用1w/w%SDS重新分散于水中以制备30 w/w%DRC胶乳。胶乳通过离心力洗涤三次，然后在大气下干燥以形成铸态膜。2.4胶料用密炼机（日本ToyoSeikiSeisaku-sho公司制造）和开炼机（日本神户市神户钢铁有限公司制造）制备母炼胶。在6 0 的起始温度下以50 转/分的转子速度进行混炼。首先添加橡胶HANR、DPNR（U）、PFNR、.D PNR（E）、Pu r e p r e n a 和IR进行塑炼30 秒，然后添加氧化锌III（日本Seido公司产品）、硬脂酸（日本东京诺夫公司生产）、炭黑（高耐磨炉黑，Seast3，东海炭黑公司产品）、白炭黑（NipsilAQ，T o s o h 白炭黑公司产品）和其他配合剂（表1）与塑炼胶一起混炼。对于白炭黑填充胶料，调整了N-叔丁基苯并噻唑-2-亚砜酰胺（TBBSNS-p，日本东京大新科化学工业株式会社产品）和SULFAX5（日本神户市津美化工有限公司）的用量以优化硫化性能，因为硅醇基团的影响抑制了白炭黑填充胶料的硫化。总混炼时间为5.Omin。混炼后，将母炼胶成型为4mm厚的胶片。表1胶料配方成分无填料填充炭黑填充白炭黑NR或DPNR或IR100100100炭黑一455白炭黑一一50氧化锌555硬脂酸331防老剂222蜡一一1芳香油666Si69一一4TBBS0.70.71.8硫黄221.8142023年第49 卷现代橡胶技术2.5硫化根据JIS标准K6299:2012，用实验室密炼机密炼上一节制备的母炼胶。用开炼机将硫化剂硫黄和促进剂加入到母炼胶中。根据JIS标准K6352用液压平板硫化机在150 下硫化混炼胶30 min以制备2 mm厚的硫化胶片。2.6氮含量测定用马来西亚橡胶研究所测试方法B7中所述的基氏定氮法测量橡胶的氮含量。将橡胶试样与催化剂混合物，即硫酸钾（9 9.0%，FujifilmWakoPure化学公司制品）混合，用浓硫酸（H2S04：9 6%；Kanto化学公司产品）以15：2：1的重量比吸收硒（9 9.0%，FujifilmWakoPure化学公司产品）。通过添加6 7 w/v%氢氧化钠（9 7.0%；Katto化学公司产品）蒸馏所得的溶液，并用0.0 0 5MH2S0.4（Fu j i f i l m W a k o Pu r e 化学公司产品）滴定馏出物，用0.4g/L甲基红（Kanto化学公司产品）作为指示剂。2.7溶胀度和交联密度以甲苯（9 9.5%,Kanto化学公司产品）作为溶剂进行平衡溶胀测量，以确定溶胀度。用经修正的Flory-Rehner方程估算所产生的溶胀度和交联密度，其中用于计算的聚合物溶剂相互作用的参数为0.43。将每种NR硫化胶浸入2-丙二醇（9 7%，Kanto化学公司产品）和哌啶（9 8%，FujifilmWakoPure化学公司产品）的苯溶液中分解多硫键后，用平衡溶胀测量法测定单硫和二硫键的交联密度V1,2。用下式（1）根据v和vl，2 计算了多硫键的交联密度vp。VpV-V1,2(1)单硫键的交联密度Vi与二硫键的交联密度v2是不可区分的，因为在二硫键和多硫键分解后橡胶完全溶解于溶剂中。2.8硫化速度、硬度和拉伸性能硫化速度根据ASTM标准D2084在150 下测定；硬度根据ASTM标准D2240在室温下用A型硬度计测定；使用哑铃状试样，在室温下用自动绘图AGS-5kNG试验机（Shimadzu公司制造）以500mm/min的十字头速度测量拉伸性能。2.9橡胶态核磁共振测量橡胶态NMR光谱用ECA400光谱仪（日本东京JEOL公司产品）在10 0 MHz下测定。将NR硫化胶进行丙酮萃取2 4h，然后在NMR测量之前于313K下真空干燥1周。为了防止由于杂质和其它成分导致错误的测定，用丙酮提取硫化胶2 4h。将提取的试样装入试管中，并用4mmFG-MAS探针通过橡胶态NMR光谱分析其交联连接处。用于橡胶态NMR测量的试管的旋转速率约为15kHz。对于橡胶态的CNMR测量，脉冲宽度为4.5us，弛豫延迟为5s。3结果和讨论表2 列出了用基氏定氮法测定的HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR、D PNR(E)和Pureprena的氮含量，其氮含量通过乘以6 倍近似地转化为蛋白质含量。氮含量的下降顺序为HANR、Pu r e p r e n a、D PNR（U）、D PNR(E)和PFNR，反映了制备过程的差异。PFNR被证明是一种高度纯化的NR，不含蛋白质。表2 月用基氏定氮法测定的氮含量氮含量/（w/w%）HANR0.238DPNR(U)0.019PFNR0.000DPNR(E)0.003Pureprena0.07015第3期李汉堂蛋白质对天然橡学性能的影响图1为图示用HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR、DPNR(E)、Pu r e p r e n a 和IR制备的无填料、炭黑填充和白炭黑填充胶料的扭矩与硫化时间关系的曲线图。扭矩值在诱导期过后硫化起步时间增加，当胶料充分硫化后达到最大扭矩值。至于无填料胶料，HANR的硫化起步时间短于5min，而其他橡胶的硫化起步时间约为14min或更长，这取决于氮含量，即蛋白质含量。蛋白质在一定程度上明显影响硫化的起步时间，尽管一旦去除蛋白质，在橡胶之间没有观察到显著差异。硫化起步时间的差异随着蛋白质减少而减小。这意味着，对于无填料胶料来说，由于从NR中去除了蛋白质，DPNR（U）、PFNR、D PNR（E）和Pureprena的硫化受到抑制。对于炭黑填充胶料也发现了类似的趋势。HANR 的硫化起步时间和诱导期短于DPNR（U）、PFNR、D PNR（E）和Pureprena。与无填料和炭黑填充胶料相反，白炭黑填充胶料产生了独特的硫化性能：HANR的硫化起步时间和诱导期几乎与DPNR(U）、PFNR、DPNR（E）和Pureprena的硫化起步时间和诱导期相同。正如Sarkawiet等人所报道的，硅烷偶联剂可能会影响硫化。除了起步时间和诱导期外，最大扭矩Ma值也取决于蛋白质含量。对于每种无填料、炭黑填充和白炭黑填充胶料，HANR的M值在六种胶料中最高。对于所有胶料来说，DPNR(U）、PFNR、DPNR(E）和Pureprena的M值小于HANR的M值。特别是对于炭黑填充和白炭黑填充胶料来说，他们的M值接近IR的M值。大家都知道，交联结构与诸如模量、拉伸强度、硬度等的力学性能有关。例如，交联密度是根据模量估算的，模量与拉伸强度和硬度成正比。图2 为图示由无填料、炭黑填充和白炭黑填充胶料制备的硫化胶的应力-应变曲线，分别缩写为无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶。硫化胶的应力随.0.7HANRIR0.60.5(UN)/PFNR0.4DPNR(U)DPNR(E)0.30.20.1Pureprena00102030时间/min(A)1.81.6HANRIR(MN)/联旺1.4Pureprena1.21不0.8DPNR(E)0.6DPNR(U)0.4PFNR0.200102030时间/min(B).1.8DPNR(U)HANR1.4DPNR(E)(UN)/X1.21IRPFNR0.80.6Pureprena0.40.200102030时间/min(C)图1无填料（A)、炭黑填充(B)和白炭黑填充(C)胶料的硫化曲线图着应变的增加呈C形增加。无填料硫化胶的C形曲线更平缓，而炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的C形曲线则更陡峭。应力-应变曲线的差异可以通过填料（即炭黑和白炭黑）的影响来解释。事实上，拉伸强度的显著差异取决于蛋白质含量，仅对无填料硫化胶而言，无填料HANR硫化胶的拉伸强度明显高于其他无填料硫化胶，而当氮含量较低时，拉伸强度几乎相同。对于炭黑填充和白炭黑填充162023年第49 卷现代橡胶技术硫化胶来说，六种橡胶的拉伸强度几乎相同。由于炭黑填充和白炭黑填充硫化胶分别由炭黑和白炭黑增强，所以蛋白质的作用似乎很小。30DPNR(U)25HANRIR20PFNR15DPNR(E)105Pureprena002505007501000应变/%(A)30HANRDPNR(U)25PureprenaPFNRIR20DPNR(E)15105002505007501000应变/%(B)30HANR25PFNRPureprenaDPNR(U)Bd/至20DPNR(E)15IR105002505007501000应变/%(C)图2无填料（A)、炭黑填充(B)和白炭黑填充(C)硫化胶的应力-应变曲线图表 3列出了由 HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR（E）、Pu r e p r e n a 和IR制备的无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的硬度。除PFNR外，HANR的硬度在无填料、炭黑填充硫化胶中最高，而白炭黑填充硫化胶的硬度几乎相同。特别是对于炭黑填充硫化胶来说，HANR的硬度比DPNR（U）、PFNR、D PNR（E）、Pureprena和IR的硬度高约5个点。这一发现与之前报道的炭黑填充NR与炭黑填充IR硫化胶之间的硬度差异一致。在此，我们发现，不仅炭黑填充硫化胶，而且无填料和白炭黑填充硫化胶的硬度也有类似的趋势，即由NR制备的硫化胶的硬度通过去除蛋白质而降低到与IR硫化胶相当的水平。表3无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的硬度无填料炭黑填充白炭黑填充硫化胶硫化胶硫化胶HANR33.160.859.8DPNR(U)28.855.558.0DPNR(E)31.855.558.1PFNR30.255.156.6Pureprena30.455.660.8IR31.156.358.1图3为图示无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的溶胀度和氮含量之间的关系。无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的溶胀度取决于氮含量，即溶胀度随着氮含量的增加而降低。因此DPNR（U）、PFNR、D PNR（E）和Pureprena的溶胀度明显高于HANR的溶胀度。此外，IR的溶胀度与DPNR（U）、PFNR和DPNR（E）的相似。这一发现表明，无填料、炭黑填充和白炭黑填充HANR硫化胶的交联密度显著高于RPNR（U）、PFNR、D PNR（E）、Pureprena和IR的交联密度，因为溶胀度与交联密度成反比。因此，蛋白质有助于提高NR硫化胶的交联密度（表1）。17李汉堂蛋白质对天然橡胶力学性能的影响第3期450400350(%/)/款30025020015010050000.10.20.3氮含量/（w/w%）图3无填料（）、炭黑填充（）和白炭黑填充（）硫化胶的氮含量与溶胀度的关系图4为无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶交联连接处的多硫键、二硫键和单硫键的分数百分比以及HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR（E）、Pureprena和IR的总硫含量与氮含量的关系图。纵坐标的左轴表示交联连接处的多硫键、二硫键和单硫键的分数，右轴则表示总硫含量。当胶料配方相同时（表1），HANR在交联连接处的多硫键、二硫键和单硫键的分数以及总硫含量与DPNR(U）、PFNR、D PNR（E）、Pu r e p r e n a 和IR的相似。这样，使得无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶彼此不同。对于无填料硫化胶，其多硫键、二硫键和单硫键的比例分别约为50 w/w%、40 w/w%和10 w/w%，而总硫含量相似，为1.8 w/w%。对于炭黑填充硫化胶，其多硫键、二硫键和单硫键的比例分别约为50w/w%、40 w/w%和10 w/w%，而总硫含量为1.5w/w%。相比之下，对于白炭黑填充硫化胶，其多硫键、二硫键和单硫键的分数分别约为8 0 w/w%、15w/w%和5w/w%，而总硫含量相似，为1.8 w/w%。值得注意的是，无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的总硫含量非常相似，分别为1.8 w/w%、1.5w/w%和1.8w/w。这种相似性可以通过含硫量来解释。对于所有胶料配方，含硫量被调整到2 质量份。多硫键、二硫键和单硫键的分数差异可归因于Si69和TBBS与硫黄的比例对白炭黑填充胶料硫化的影响。802.52.060O%/%/1.540444公1.0200.500.000.10.20.3氮含量/（W/w%）(A)1002.5802.0%/601.5X8401.0200.500.000.10.20.3氮含量/（W/w%）(B)1002.5802.0XX%/雅导影601.5401.0200.5AA00.000.10.20.3氮含量/（w/w%）(C)图4用常规溶胀法测定的无填料（A)、炭黑填充（B)和白炭黑填充（C)硫化胶的硫键数和结合硫黄量：-多硫化物（mol/ce）；-二硫化物（mol/ce）;-单硫化物（mol/cc）；-结合硫黄量（%）182023年第49 卷现代橡胶技术图5为图示HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR和Pureprena炭黑填充硫化胶的橡胶态1c-NMR光谱。在HANR硫化胶的整个光谱中，五个主要信号出现在2 3、2 6、32、12 5和135ppm处，归属于顺式-1,4-异戊二烯单元的甲基（C5）、亚甲基（C4）、亚甲基（C1）、次甲基（C3）和季碳基（C2）基团。在HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR（E）和Pureprena硫化胶的扩展光谱中，其范围从30 到7 0 ppm，在35、40、44、50、50.5、57、58 和6 3ppm处出现小信号。在50 和57 ppm处的信号被分配给与硫连接的季碳基，而50.5和58 ppm处的信号分配给与硫连接的叔碳基，而35和44ppm处的信号被分配给与硫连接的与碳键相邻的仲碳原子，而40 ppm处C2C160140120100806040200化学位移/ppm57ppmSx57ppm(B)(A)706560555045403530化学位移/ppm图5炭黑填充硫化胶的1FG-MASNMR光谱：HANR的概观化学位移如图顶部所示；（A）H A NR、（B）D PNR(U）、（C）D PNR(E)/(D)D FNR和(E)Pureprena的放大光谱范围为30 至7 0 ppm的信号则分配给反式-1,4-异戊二烯单元的C4。在这里，发现橡胶之间在57 ppm处的信号有显著差异。HANR硫化胶在57 ppm处的信号强度小于DPNR（U）、PFNR、D PNR（E）和Pureprena硫化胶。在之前的研究中，我们将57 ppm的信号分配给与硫相连的季碳，该季碳与C=C相邻。因此，它应该与交联密度、模量和硬度成正比。为了更精确地比较信号强度，我们将57 ppm处的信号强度规范化，将其除以2 3ppm处的信号强度所得的值作为参考值。图6 为图示HANR、D PNR（U）、PFNR、D PNR（E)和Pureprena的炭黑填充硫化胶在57 ppm和2 3ppm处的信号强度比与氮含量的关系图。HANR的强度比为0.2 8；DPNR（U）的强度比为0.6 6；PFNR的强度比为1.10；DPNR（E)的强度比为1.11；Pureprena的强度比为0.7 9；强度比取决于氮含量；也就是说，强度比随着氮含量的增加而成比例地减少。这一发现意味着从NR中去除蛋白质导致与硫连接的季碳的量增加。基于硫化的自由基反应，因产生硫自由基而开始硫化。由此产生的硫自由基从顺式-1，4-异戊二烯单元的烯丙基碳中提1.21.00.8%/10.60.40.20.000.10.20.3氮含量/%图6炭黑填充硫化胶的氮含量与在57 ppm处的信号强度比（%）的关系，以2 3ppm处的信号作为参考进行规范化19李汉堂蛋白质对天然楼学性能的影响第3期取一个氢原子，产生烯丙基碳自由基，因为它们不会直接攻击孤立的碳-碳双键，即顺式-1,4-异戊二烯单元。三个烯丙基自由基可以通过氢提取产生叔碳自由基、仲碳自由基和伯碳自由基。烯丙基叔碳自由基是三个自由基中最稳定的，因此它更优先生成。由于烯丙基碳自由基的共轭，极有可能产生最稳定的烯丙基叔碳自由基。烯丙基叔碳自由基可能与硫自由基重新结合，形成与硫连接的烯丙基季碳作为交联连接处。在此，基于所获得的结果，我们可以将交联结构与力学性能联系起来。从NR中去除蛋白质会导致硫化起步受抑制和硫化曲线中最大扭矩值的降低。与力学性能相反，硫化胶的总含硫量几乎彼此相同，即使交联密度，即逆溶胀度由于脱蛋白质而降低。相反，橡胶态NMR光谱显示，当蛋白质从NR中去除时，与C=C键相邻的硫连接的季碳的量增加。因此，DPNR和PFNR的力学性能和交联结构明显有别于HANR。这些趋势对所有配方胶，即无填料、炭黑填充和白黑填充胶都是相似的。在力学性能与交联结构之间存在着显著的矛盾。例如，力学性能与交联密度成正比，但与总含硫量和与硫连接的季碳的量不成比例。力学性能必须与交联密度、总含硫量以及由与硫连接的碳的量表示的交联连接处的数量成比例。因此，不理解结构与性能之间的关系是不可接受的。关注蛋白质对交联结构的影响是重要的。例如，蛋白质可能在硫的分布，即交联连接处的分布中发挥作用。目前正在对硫化胶中硫的分布进行更精确的研究，并将在我们随后的论文中进行报道。4结论NR中的蛋白质对NR硫化胶（无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶）力学性能的影响存在差异。对于无填料和炭黑填充胶料，脱蛋白NR和无蛋白NR的硫化起步时间和Ma值比HANR的更短和更小。对于白炭黑填充胶料，六种橡胶的硫化起步时间彼此相似，而HANR的Ma值在六种橡胶中最大。此外，由脱蛋白NR和无蛋白NR制备的无填料、炭黑填充和白炭黑填充硫化胶的硬度和模量值小于由HANR制备的硫化胶。由脱蛋白NR和无蛋白NR制备的硫化胶的溶胀度比由HANR制备的高约40v/v%。通过用橡胶态NMR光谱检测得知，在由脱蛋白NR和无蛋白NR制备的硫化胶中，归属于与硫连接的四元碳原子在57 ppm处的信号强度显著强于由HANR制备的硫化胶。交联结构的变化显然是由于脱蛋白质引起的。相反，硫化胶的总含硫量与蛋白质含量无关。因此，业已发现，NR中存在的蛋白质在力学性能和交联结构中起着重要的作用。编译自YAYOIAKAHORI,MISAO HIZA,SOKIYAMAGUCHI，e t c.PRO T EI N I NFLU ENC E O N T H EMECHANICALPROPERTICESOFNRJ.FRUBBERCHEMISTRY AND TECHNOLOGY，2 0 2 1,9 4(4):6 57-668.