Исследование способов введения белковых компонентов в синтетический полиизопрен
Министерство Образования Российской Федерации
Московская Государственная Академия
Тонкой Химической Технологии
Им. М. В. Ломоносова
Кафедра Химии и физики полимеров
и процессов их переработки
Бакалавриат по направлению 551600 «Материаловедение и
технология новых материалов
Квалификационная работа на степень бакалавра:
Исследование способов введения белковых компонентов в синтетический полиизопрен
Зав. каф. ХФП и ПП д.х.н. проф. Шершнев В.А.
Научный руководитель асс. к.х.н. Гончарова Ю.Э.
Студентка группы МТ-46 Киркина.О.В.
Москва 2003
Содержание
1. Введение.
2. Литературный обзор.
2.1. Строение и состав натурального каучука.
2.2. Структура латекса гевеи.
2.3. Исследование влияния белковых компонентов на свойства НК, резиновых смесей и вулканизатов на его основе.
3. Аналитическая часть.
3.1. Введение белковых модификаторов на стадии изготовления каучука.
3.2. Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл.
3.3. Модификация белковыми соединениями СПИ путем иммобилизации их на предварительно активированную матрицу каучука реакционно-способными соединениями.
4. Выводы.
5. Список литературы.
1.Введение.
В настоящее время в резиновой промышленности применяют широкий спектр каучуков, однако большую часть промышленного потребления составляют натуральный и синтетический полиизопрены. До сих пор натуральный каучук (НК) остается эталоном каучука общего назначения, обладающим комплексом свойств. Высокий уровень свойств изделий из НК в значительной степени обусловлен наличием в его составе белковых веществ.
По ряду технических параметров, таких, как когезионная прочность, термомеханическая стабильность, устойчивость к раздиру и др., НК по-прежнему не имеет аналогов, и для обеспечения потребностей многих областей техники и медицины, наша страна вынуждена приобретать за рубежом натуральный каучук и латекс натурального каучука.
Основными потребителями НК сегодня являются шинная промышленность, авиация, медицина и медицинская промышленность.
Отсутствие на территории нашей страны климатических зон, пригодных для произрастания каучуконосных растений, делает наиболее перспективным поиск путей направленной модификации синтетических каучукоподобных полимеров с целью получения материала, могущего заменить НК по технически важным физико-химическим параметрам
Модификация синтетического каучука должна обеспечивать улучшение свойств смесей и резин по целому ряду показателей: когезионных свойств смесей, упруго-гистерезисных, адгезионных и усталостных свойств резин. Поэтому, модификация СПИ белковыми фрагментами, представляется, одним из наиболее перспективных способов улучшения потребительских свойств СПИ. Это подтверждается имеющимися, пока недостаточными для практической реализации попытками модификации.
Целью нашего исследования, была оценка, ряда способов введения белковых фрагментов СПИ и свойств полученных эластомерных композиций.
2. Литературный обзор.
. Строение и состав НК.
Натуральный каучук (НК) – биополимер изопреноидной природы, типичный представитель широкого класса изопреноидов растительного происхождения, он вырабатывается в растениях, произрастающих в разных регионах мира (бразильская гевея, американская гваюла, среднеазиатский кок-сагыз)(1), представляет собой на 98 – 100% стереорегулярный циз-полиизопрен. По данным Танаки (2) строение природного НК может быть представлено в виде следующей формулы:
– конец молекулы весьма высокого молекулярного веса представлен аллильным и тремя транс-изопреновыми звеньями, далее идет протяжный цис-полиизопреновый участок цепи, молекула заканчивается аллильной спиртовой группой на -конце, которая в ходе биосинтеза связана с пирофосфатной группой, отщепляемой при присоединении следующего циз-изопренового звена или после окончания биосинтеза.(3,4)
В природных латексах из гевеи и гваюлы всегда, кроме того, присутствуют пирофосфаты мономеров и олигомеров пренолов – предшественники полиизопрена (5,6).
Биосинтез каучука в растительных клетках связан с мембранами, которые в основном построены из липидов и белков. Основным компонентом мембранных липидов в растительных клетках является лецитин (фосфатидилхолин):
СН>2>ОСОR R,R – нормальная цепь С>15> – С>17 >разной
CHOCOR
степени не насыщенности.
CH>2>OP-OCH>2>CH>2>N-CH>3>
CH>3>
Из белков, присутствующих в латексе НК, наибольшее внимание исследователей привлекает полимераза каучука – фермент, ведущий полимеризацию, который присутствует как в связанном с каучуком состоянии, так и в растворе. Связь с полиизопреновой цепочкой осуществляется предположительно через пирофосфат на -конце растущей цепи или по -звену через присоединение на двойную связь (7). В патенте США(8) описаны выделение и очистка этого фермента, его молекулярная масса оказалась порядка 44-36 кДа. Вероятнее всего, именно наличие в НК связанного белка и составляет тот остаточный белок в количестве 1 %, который обнаруживается в НК марки RSS, например.
О структуре других компонентов НК практически ничего достоверного на молекулярном уровне не известно.
Структура латекса гевеи.
Как известно, биосинтез НК происходит в латексе каучуконосных растений, причем полимеризация мономера ИППФ протекает на поверхности мелких структур, окруженных мембраной, состоящей из белков и липидов (9). Предполагается, что растущая гидрофобная цепь каучука проникает внутрь мембранной структуры, а гидрофильный -конец обращен наружу в серум где происходит взаимодействие с ИИПФ с помощью расположенного в мембране белкового катализатора – фермента полимеразы каучука. По мере накопления каучука внутри мембранных структур они увеличиваются в размере и превращаются в большие каучуковые глобулы(10). Окружая каучуковую глобулу, вещества мембраны (липиды, белки) выполняют дополнительную функцию стабилизации латекса, предотвращают слипание глобул (коагуляцию латекса). Показано, что большинство липидов, содержащихся в латексе НК, связаны с глобулами каучука(9).
Другой аспект заключается в том, что фосфолипиды могут быть важнейшими факторами для каучуковой полимеразы при ее функционировании в процессе роста частиц, и фосфолипиды могут присутствовать в составе латексных частиц в качестве составной части аппарата биосинтеза каучука(11,12). В связи с этим интересно, что для выделения частиц, ведущих активный биосинтез каучука из латекса гаваюлы успешно использовали гель-фильтрацию, как первый шаг очистки при выделении каучук - синтезирующих глобул латекса (7).
В специфическом строении каучуковых глобул, предшествующих формированию коагулированного латекса НК, заложен, по-видимому, ключ к объяснению его уникальных физико-механических параметров как материала для шинных резин(13,14).
Попадая внутрь НК и будучи равномерно распределенными по объему каучука, вещества мембран не могут не оказывать определенного влияния на различные параметры этого уникального природного материала. Правильно подобрать состав добавок, их природу и степень диспергирования в полиизопрене – вот задача, которую, на наш взгляд, следовало ставить в ходе разработки метода модификации синтетического полиизопрена с целью приближения свойств, к свойствам НК.
На первом этапе работы был выполнен качественный скрининг по веществам, присутствие которых в латексе НК было достоверно установлено и строение которых достаточно достоверно доказано. В качестве таких веществ были выбраны: гидрофобный белок из латекса гевеи, сумма растворимых белков серума того же латекса, лецитины разного происхождения, синтетические олигопренолфосфаты и пирофосфаты, а также гидрофобные белки и липидно-белковые смеси микробиологического и животного происхождения.
2.3. Исследование влияния белковых компонентов на свойства НК, резиновых смесей и вулканизатов на его основе.
Модификация СПИ белковыми фрагментами, представляется, одним из наиболее перспективных способов улучшения потребительских свойств СПИ. Это подтверждается имеющимися, пока недостаточными для практической реализации попытками модификации(15,16). Полученные в настоящей работе данные, свидетельствуют о том, что модификация может быть эффективной, если подавляющее большинство макромолекул будут содержать белковые фрагменты, прочно связанные с цепью(17). При этом средняя молекулярная масса может быть даже ниже, чем у серийного промышленного полиизопрена СКИ-3.
Содержание белка для шинных каучуков должно составлять 0,2% масс. и выше, но видимо, не более (1,5-2,0)% масс.
Депротеинизацию торговых сортов НК (исходных, не подвергавшихся пластификации) проводили в разбавленных растворах (растворители – гексан, толуол) путем обработки активными добавками с последующим отделением белковой компоненты методом препаративного ультрицентрифугирования, затем депротеинизированный каучук выделяли сушкой под вакуумом в мягких условиях(18). О содержании белка судили по определению азота с использованием прибора Кельдаля и анализу ИК-спектров.
Изомеризацию осуществляли в растворе толуола и в блоке путем обработки каучука оксидом серы, варьируя длительность и температуру. Об изменениях микроструктутры судили по появлению сигналов, соответствующих поглощению протонов trans – конфигурации звена изопренов в спектрах ЯМР, прибор Bruker – 500.
ММР характеризовали методом ГПХ с использованием универсальной калибровки, прибор Waters – 200 (колонки – микростирагель ,106 105 104 103 Ао).
Изучалось влияние молекулярной массы и содержание связного белка на свойства НК и сажевых смесей. С этой целью были получены фракции, выделенные из торговых сортов НК. По содержанию белка исследованные образцы можно разделить на три группы: два типа фракций с низким содержанием белка - 0,3% < Б и 0,5< Б<1,0% и фракции с высоким содержанием белка, Б>10%;молекулярные массы фракций с низким содержанием белка были определены методом ГПХ. Следует отметить, что по способу получения фракции в них сохранился «нативный» характер связи белка с углеводородом.
Резиновые смеси готовили на микро-вальцах с использованием 5-20 г каучука; рецепт каучук –100, техуглерод –50, ZnO-5, сера-2, сульфенамид Ц-0,8 , стеариновая кислота –2,0 .
Таблица 2.3.1.
Пластические и молекулярные параметры фракций НК
|
№ п/п |
Образец |
белок,% масс. |
М>w>10-5 |
М>п>10-5 |
Пласт./восстан |
М>500,> МПа |
|
1 |
CSV-20>исх> |
- |
- |
- |
0,22/2,35 |
- |
|
2 |
CSV-20>1фр> |
<0,3 |
6,2 |
0,7 |
0,42/1,10 |
4,4 |
|
3 |
CSV-20>2фр> |
0,5<Б<1,0 |
5,2 |
0,9 |
0,21/2,10 |
19,0 |
|
4 |
CSV-5>исх> |
- |
- |
- |
0,17/2,30 |
- |
|
5 |
CSV-5>1фр> |
<0,3 |
10,8 |
0,9 |
0,33/1,49 |
12,0 |
|
6 |
CSV-5>исх> |
- |
- |
- |
0,10/2,25 |
- |
|
7 |
CSV-5>2фр> |
0,5<Б<1,0 |
8,8 |
1,1 |
0,14/2,95 |
18,8 |
Примечание: М>500> – модуль при 500% удлинения невулканизованной смеси.
Как видно из таблицы 2.3.1. пластоэластические показатели каучуков определяются обоими исследованными параметрами, причем влияние выражено очень сильно. Сравнивая образцы 2,3 и 5,7 можно видеть, что при близких значениях средней молекулярной массы, М>w> , увеличение содержания общего связанного белка приводит к резкому уменьшению пластичности. Из сравнения образцов 2,5 и 3,7 видно, что и увеличение молекулярной массы при близком содержании во фракциях белка также заметно ужесточает каучук и меньше влияет на упругие свойства смеси. При очень низком содержании белка влияние молекулярной массы на упругие свойства выражено сильнее, образцы 2 и 5.
Кинетика кристаллизации является более медленной для фракции с низким содержанием белка по сравнению с нефракционированными образцами.(19) Однако основное влияние на кинетику статической кристаллизации (полупериод кристаллизации) оказывает не содержание белка, а содержание карбоновых кислот.
Изучение кристаллизации показало, что депротеинизированные образцы демонстрируют ориентационные эффекты при гораздо большем относительном удлинении ( 500 – 700 % ) вместо 200 – 300 %для исходных, однако температура плавления кристаллической фазы депротеинизированных образцов в опытах по статической кристаллизации при этом практически не изменяется и составляет Т>пл> = 10-12оС.
Кинетика кристаллизации образцов с меньшим содержанием белка является более медленной, однако увеличение содержания белка выше 2–3 % масс. почти не влияет в дальнейшем на кинетику кристаллизации.
В таблице (2.3.2.) приведены данные по пластоэластическим показателям исходных и депротеинизированных образцов НК%: RSS-1, SMR-5 и светлый креп и упругим свойствам смесей, полученных на их основе.
Определение азота по методу Къельдаля и анализ ИК-спектров показали, что содержание белка в этой серии депротеинизированных образцов RSS-1, SMR-5 и светлый креп не превышает 0,3% (N<0,05%) масс.
Из полученных данных видно, что при депротеинизации происходит резкое увеличение пластичности каучука и снижение упругих свойств соответствующих не вулканизованных смесей, заметно уменьшается также и модуль при 300 % удлинения вулканизатов. Вместе с этим, видно, что упругие свойства смесей, полученных на основе депотенизированных образцов НК все же выше, чем у смесей на основе не модифицированного СПИ. Это говорит о том, что даже очень низкое (0,2 - 0,3 % масс) содержания связанных протеинов оказывает а данном случае заметное влияние на макроскопические свойства Можно предположить, что оставшиеся функциональные группы находятся на конце полимерной цепи, однако доказать , это , учитывая достаточно высокую молекулярную массу каучуков ( М = 500 тыс. ), весьма трудно . Другое предположение, которое можно сделать на основании полученных данных, состоит в том что сильнодействие концевых групп в невулканизованных смесях проявляется только при достижении достаточно высокой молекулярной массы цепей.
Таблица 2.3.2.
Свойства резиновых смесей на основе различных полиизопренов.
|
№ |
Образцы |
Пласт/восст |
М>400>,МПа |
Мх>300>,МПа |
|
1 |
RSS-1исходный |
0,08/2,40 |
3,0 |
- |
|
2 |
RSS-1депротениз |
0,48/1,0 |
0,7 |
- |
|
3 |
SRM-5> >исходный |
0,12/3,67 |
3,0 |
15-17 |
|
4 |
SRM-5> >депротен. |
0,44/1,75 |
0,55 |
11-12 |
|
5 |
Светлый креп , исходный |
0,07/2,47 |
1,6 |
- |
|
6 |
Светлый креп,депротенизирован |
0,35/1,52 |
0,5 |
- |
|
7 |
СКИ – 3 |
0,30 – 0,35 |
0,2 – 0,3 |
10 – 11 |
|
8 |
СКИ – 3 – 0,1 |
0,30 – 0,35 |
0,4 – 0,6 |
11 – 12 |
М>300> – модуль резины при 300 % удлинении
Таким образом, несомненно, сильное влияние белковых фрагментов на пластоэластические свойства НК, упругие свойства сырых смесей и вулканизатов (например, модуль 300 % удлинения и твердость резин).(20).
Белок, содержащийся в НК, можно разделить по типу связности с углеводородом на прочно- и слабосвязанный, прочносвязанный белок оказывает сильное влияние на свойства смесей и вулканизатов даже в количестве (0,2 – 0,3 ) % масс.
Анализ данных по депротеинизации свидетельствует о том, что совместимость белка с углеводородом обеспечивается наличием белково-липидных комплексов.(21,22).
Для выявлений различий в структуре и свойствах, натурального и синтетического полиизопренов определялись показатели когезионной прочности при 23оС и вязкости по Муни чистых каучуков и резиновых смесей на их основе, содержащих активные, малоактивные и неактивные минеральные наполнители, либо их комбинации, пластоэластические характеристики указанных смесей и физико-механические свойства вулканизатов ( напряжение при заданном удлинении, условная прочность при 23оС и 100оС, относительное удлинение , твердость , эластичность, сопротивление раздиру , сопротивление многократному изгибу ( в соответствии с дейсвующими ГОСТ ).
Конфекционная клейкость и липкость резин оценивалась на приборе Tel Tack ( в соответствии с инструкцией ).
Адгезионные свойства определялись по сопротивлению вырыву латунированного металлотроса d = 4,2 мм ( методика из ТУ № 38105841 – 75 на металлотросовые конвейерные ленты ) и по сопротивлению расслаиванию.
Влияние пласификаторов оценивалось по изменению когезионной прочности и вязкости чистых каучуков.
Свойства исходных полиизопренов
Когезионная прочность и пластичность натуральных и синтетических полиизопенов и их изменение при пластификации, (представлено в таблице 2.3.3.). Показатели когезионной прочности чистых каучуков (вырезанные из « шкурки » и подпрессованные при 100оС в течение 5 мин. образцы), определенные при 23оС, для трех марок НК в 2 – 3 раза превосходят значение этого показателя, полученного для СКИ – 3 и 1,5 – 2,5 раза превышают соответствующий показатель, достигнутый для модифицированного СКИ-3 .
Пластичность у СКИ – 3 вдвое выше пластичности НК, эластическая восстанавливаемость вдвое ниже НК. Депротенизированный НК имеет несколько повышенную когезионную прочность и пониженную пластичность, что свидетельствует о его повышенной молекулярной массе (табл 2.3.3.) .При пластикации изменение указанных свойств для двух типов СПИ, происходит практически одинаково. При хранении пластикатов наблюдаются существенные отличия в свойствах НК и спи, выражающиеся в упрочнении пластикатов НК (табл. 2.3.3.).
Таблица 2.3.3.
|
Тип каучука |
Условия механиче-ской обработки каучука |
Напряжение при удлинении МПа |
Когези-онная прочно-сть каучука МПа |
Относительное удлинение при разрыве ,% |
||||
|
50 |
100 |
200 |
300 |
500 |
||||
|
НК смокед шитс НК светлый креп Депротенизи-рованный НК (ДРNR) CКИ-3 СКИ-3 модиф.ПНДФА |
3 пропуска через зазор вальцев 0,6 |
2,17 1,76 2,02 1,33 0,50 |
2,73 2,27 2,60 1,56 0,73 |
2,82 2,38 2,76 1,45 0,94 |
2,96 2,24 2,75 1,28 0,93 |
- - 2,82 - 0,84 |
3,00 2,17 3,10 1,18 0,90 |
370 400 700 435 1275 |
|
НК смокед шитс НК светлый креп ДРNR CКИ-3 СКИ-3 модиф. |
Пластифи-кация при 70о С,10 мин зазор 0,6мм |
0,49 0,51 0,49 0,45 0,36 |
0,69 0,64 0,67 0,51 0,36 |
0,76 0,75 0,77 0,49 0,39 |
- - 0,75 0,43 - |
- - - - - |
0,67 0,75 0,55 0,36 0,37 |
290 210 450 353 237 |
|
НК смокед шитс НК светлый креп ДРNR CКИ-3 СКИ-3 модиф |
----------- после 5 суток выдержки пластикатов |
0,53 0,45 0,47 0,28 0,19 |
0,83 0,74 0,77 0,41 0,31 |
0,91 0,85 0,86 0,47 0,36 |
0,94 - 0,87 0,45 - |
- - - - - |
0,88 0,86 0,83 0,43 0,37 |
313 303 350 300 300 |
Исследование влияния белковых компонентов НК, на свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3.
В ходе продолжения обработки методики введения некаучуковых добавок и изучения роли отдельных компонентов латекса НК в формирования комплекса нужных свойств было поведены две серии опытов с образцами со строго стандартизированным составом и природой добавок на основе СКИ-3:
а) 0 % (два варианта), 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 % гидрофобного белка из латекса гевеи (ВНИИсинтезбелок),
б) 0 %, 0,5 %, 1,0 %, 3,0 %, 1,5 % + 0,2 % яичного фосфатидилхолина лиофилизованных белков серума природного латекса гевеи.
Подготовлена серия компонентов белков и липидов микробиологического происхождения для опытов по включению в СКИ-3.
Таблица 2.3.4.
Свойства резиновых смесей на основе синтетическаго полиизопрена, содержащих гидрофобный белок, выделенный из латекса.
|
Показатели |
Количество добавленного белка % весовых. |
|||||
|
0 |
0,1 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
||
|
Условное напряжение при 300% удлинении, МПа |
0,32 |
0,45 |
0,34 |
0,42 |
0,50 |
0,46 |
|
Условная прочность при растяжении, МПа |
3,28 |
0,84 |
0,68 |
0,72 |
1,00 |
0,91 |
|
Относительное удлинение, % |
570 |
1000 |
1560 |
1320 |
1065 |
1240 |
По итогам проведенных испытаний (таблица 2.3.4.) могут быть сделаны следующие предварительные заключения:
- положительное влияние на свойства смесей оказывают в составе СКИ-3 добавки около 0,2 % фосфолипида и 1 % гидрофобных белков из латекса гевеи. Компоненты серума – пренолфосфаты и пирофосфатвы , а также белки серума в аналогичных дозировках ухудшают свойства образцов по отношению к стандарту .
- относительно невысокая амплптуда наблюдаемых положительных эффектов может быть связана с недостаточной степенью гомогенности распределения добавок по всей массе СКИ-3.
- основное заключение: из некаучуковых компонентов латекса гевеи положительное влияние на свойства натурального каучука оказывают гидрофобные белки и фосфолипиды.(23,24)
3.Аналитическая часть.
3.1. Введение белковых модификаторов на стадии изготовления каучука.
Представляло интерес исследовать влияние белковых продуктов, введенных на стадии полимеризации синтетического полиизопрена на свойства композиций на основе модифицированного таким образом каучука.
Нами были изучены свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ–3 при замене 10 – 30 масс. ч. серийного каучука на изопреновый каучук, модифицированный белкозином представляющим собой гидролизат кератинового белка и имеющий сходный аминокислотный состав с НК (таблица 3.1.1.) (образцы 15 и 17, содержащие 8 % и 15 %, соответственно ). Состав резиновых смесей приведен в таблице 3.1.2.
Таблица 3.1.1.
Аминокислотный состав гидролизатов белков из натурального каучука и технических белков.(в (мкмоль на мг)х 103)
|
Аминокислота |
SMR-5 |
RSS-1(б) |
RSS-1(м) |
SKIM |
Кера-тин |
Белко-зин |
|
Аргинин Лизин Триптофан Гистидин Фенилаланин Тирозин Лейцин Изолейцин Валин Аланин Глицин Пролин Глутаминовая к-та Серин Треонин Аспарогиновая к-та |
4.6 6.2 0.9 1.0 - - 2.2 3.3 3.0 2.5 3.6 7.4 7.8 4,9 4.6 6.2 |
3.7 6.5 2.4 0.9 2.3 1.8 2.6 2.9 5.2 2.5 3.1 - 5.1 3.7 4.2 4.8 |
1.8 10.2 2.6 0.5 - - 4.1 3.0 5.4 4.8 4.2 9.0 7.5 6.5 4.2 6.7 |
1.6 7.4 1.3 2.2 6.9 6.4 6.7 5.1 3.3 3.3 3.2 11.3 6.8 5.4 5.5 6.2 |
304 902 326 106 306 308 426 435 100 228 562 - 277 705 173 463 |
407 717 175 108 778 334 778 740 675 247 517 866 350 624 530 483 |
Таблица 3.1.2.
Рецептура стандартных резиновых смесей на
Основе модифицированного СКИ-3.
Состав |
1 |
|
Каучук Стеариновая кислота Оксид цинка Сульфенамид Ц Технический углерод Сера |
100 2 5 0,8 50 2 |
Для оценки влияния различного содержания белкозина на свойства модифицированного синтетического, в сравнении с серийным СКИ–3, определялись показатели когезионной прочности, содержащих активные и малоактивные наполнители, пластоэластические характеристики смесей и физико-механические свойства вулканизатов. Наибольшее повышение условного напряжения при 300 % , 500 % удлинении и когезионной прочности резиновых смесей наблюдается в смесях, содержащих активный техуглерод П-324, при замене 30 масс. ч. СКИ-3 на «белковый» каучук, (содержащий 8 % белкозина, соответственно в смеси – 2,4 % белка) – обр.15.
Увеличение вязкости по Муни может быть связано с возрастанием углерод - каучукового взаимодействия и проявляется в большей степени для того же образца (табл. 3.1.3). Введение «белкового» полимера в смеси приводит к ускорению процессов подвулканизации и вулканизации при сохранении степени вулканизации на том же уровне, что и в контрольной смеси. Для вулканизатов отмечается увеличение условного напряжения при 300 % удлинения при сохранении прочности, твердости и эластичности (табл. 3.1.3.)
Таблица 3.1.3.
Свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3 ,наполненных активным техуглеродом П-324 и содержащих добавки СКИ-3 , модифицированного белкозином.
Состав |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
СКИ-3 СКИ-3 с белкозином, обр.15 СКИ-3 с белкозином, обр.17 |
100 - - |
90 10 - |
80 20 - |
70 30 - |
90 - 10 |
80 - 20 |
70 - 30 |
|
Условное напряжение, при удлинении рез смеси, МПа ----------------------------300% --------------------- ------500% Условная прочность рез смеси, МПа Подвулканизация при 120оС,мин t>5> Вулканизационные хар-ки по Монсанто при 143оС, М>мин> ----------------------------,t>s>, мин ----------------------------,М>макс> ----------------------------,t>90>, мин ---------------------,М>макс>-М>мин> Условное напряжение при 300% удлинения вулканизатов, МПа Условная прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение, % Эластичность по отскоку, % |
0,21 0,20 0,23 15,5 12,8 5,2 44,8 17,7 32 17,5 30,6 425 43 |
0,24 0,24 0,31 13,7 13,7 4,2 46,3 16 32,6 17,9 29,6 480 42 |
0,31 0,37 0,50 12,3 14,8 4,0 48 14,7 33,2 19,8 29,7 440 39 |
0,345 0,43 0,70 12,8 15,8 4,0 48 14,2 32,2 20,7 31,3 445 41 |
0,25 0,26 0,29 16 12,0 4,7 48 16 36 19,8 28,0 430 41 |
0,24 0,26 0,29 15,5 13,0 4,8 47 16,4 34 19,5 29,3 445 42 |
0,29 0,34 0,45 12,4 14,2 3,7 49 17 34,8 20,1 27,0 420 39 |
Введение «белкового» полимера в смеси с малоактивным техуглеродом менее эффективно (табл. 3.1.4) при этом смеси, содержащие модифицированный СКИ-3, характеризуются более высокой когезионной прочностью, уменьшением времени начала подвулканизации и времени достижения оптимума вулканизации, более высокой степенью сшивание по сравнению с резинами на основе немодифированного СКИ-3 .
Таблица 3.1.4
Свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3, наполненных малоактивным техуглеродом П-803, и содержащих добавки СКИ-3 , модифицированного белкозином.
Состав |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
СКИ-3 СКИ-3 с белкозином, обр.15 СКИ-3 с белкозином, обр.17 |
100 - - |
90 10 - |
80 20 - |
70 30 - |
90 - 10 |
80 - 20 |
70 - 30 |
|
Условное напряжение при 100% удлинения резиновой смеси, МПа Условная прочность рез. смеси при растяжении, МПа Относительное удлинение, % Подвулканизация при 120оС,мин t>5> Вулканизационные хар-ки по Монсанто при 143оС, М>мин> ----------------------------,t>s>, мин ----------------------------,М>макс> ----------------------------,t>90>, мин ---------------------,М>макс>-М>мин> Условное напряжение при 300% удлинения вулканизатов, МПа Условная прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение, % Эластичность по отскоку, % |
0,127 0,33 333 36 8,3 9,5 42,4 20,5 34,1 13,5 23,3 495 58 |
0,150 0,71 182 30,5 7 7,7 45,5 16,5 38,5 14,0 21,8 430 60 |
0,146 0,52 200 28,7 8 6,7 44 15,2 36 14,1 23,4 480 61 |
0,166 0,66 290 27 8,6 6,7 43,5 17,0 34,9 14,2 21,7 460 57 |
0,112 0,26 150 32,5 6,5 7,5 43,6 17,5 37,1 14,2 21,7 465 56 |
0,133 0,32 180 32 7,5 7,7 41,8 17,5 34 12,9 19,7 455 56 |
0,164 0,62 275 31,5 9,0 7,2 43 16,2 34 13,6 21,2 485 57 |
Лучшим комплексом свойств обладают резиновые смеси и вулканизаты на основе комбинации СКИ-3 с модифицированным 8% белкозина полиизопреном в соотношении (90-80): (10-20).
3.2. Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл.
Анализ свойств, состава и строение каучуковых глобул натурального каучука (НК) позволяет рекомендовать следующие предварительные требования к биополимерам:
– Для модификации СПИ биополимерами целесообразно использовать микробные белки и фосфолипиды, являющиеся источником коимплекса липидов и белков.
–Микробные клетки, содержащие необходимые биополимеры в своих мембранах должны быть разрушены механическим способом с помощью ультразвука или гидрофобизировать их с помощью детергентов.
На основе комбинаций белков и фосфолипидов разработан принципиальный метод синтеза белков, обладающих повышенной гидрофобностью.
В качестве объектов исследования, при подборе белково-липидных фракций из промышленных дрожжей и других микробиологических источников были отобраны с целью модификации СКИ – 3 для использования три фракции из промышленных дрожжей (переданы ВНИИсинтезбелок) и один препарат белка из солелюбивых бактерий Hal.Halobium, полученный в лаборатории кафедры биотехнологии (таблица3.2.1)
Таблица 3.2.1.
Состав белково-липидных препаратов
|
Наименование препарата |
Содержание экстрагируемого белка (по Бредфорд),% |
Содержание фосфолипидов (по Аллену-Бартлеру),% |
Соотношение белок:липид |
|
Дрожжи |
Фракция 1 |
18 |
18 |
1:1 |
|
Фракция 2 |
13 |
30 |
1:2 |
|
|
Фракция 3 |
10 |
25 |
1:2 |
|
|
Бактериородопсин из Hal.halobium |
75 |
25 |
3:1 |
|
|
Натуральный каучук RSS |
1 |
0,05 |
100:5 |
Основным компонентом липидов из дрожжевых фракций является лецитин, основным компонентом липидов в препарате бактериородопсина – фосфатидилглицерофосфат.
Проведенные во ВНИИСК предварительные исследования показали перспективность таких комбинаций, хотя сам метод их синтеза нуждается в доработке. На основе промышленных продуктов биотехнологического производства : белков (белкозин, гаприн) и фосфолипидов (лецитин, кефалин , микрофобный жир) синтезирован ряд аддуктов и проведено их испытание в качестве модификаторов каучука . Гидрофобизированные белки могут быть использованы на стадии дезактивации « живого » полимеризата СКИ – 3. Показано, что введение комбинации белкозин + микрофобный жир и малеиновый ангидрид в каучук, обеспечивает лучшую когезионную прочность и условное напряжение при 300%-ом удлинении нежели, чем введение в каучук, модифицированный сульфидом натрия, однако при этом значительно снижается пластичность каучука после старения.
Методика введения добавок в СКИ – 3 .
Предложено проводить модификацию СКИ – 3 методом обращенных мицелл с использованием фосфолипидов, пренолфосфатов и гидрофобных белков. С целью отработки методики введения и изучения роли отдельных компонентов латекса НК некаучуковой природы в формировании комплекса нужных свойств была принята тактика проведения модельных опытов со строго стандартивированным составом и природой добавок.
В качестве липидных компонентов были выбраны лецитин из яйца и микробные лецитины (ВНИИсинтезбелок).
В качестве белковых модификаторов были опробованы липидно-белковые фракции микробного происхождения (таблица 3.2.1.).
Был приготовлен ряд образцов СКИ – 3 модифицированных и липидами и белками, в соотношении белок: липид 1:1, 1:2, 3:1, 9:1, на базе липидов из промышленных дрожжей и белков микробиологического и животного происхождения
Указанные препараты были введены в СКИ – 3 в разных соотношениях методом обращенных мицелл.
Методика приготовления образцов.
К 10 % раствору СКИ – 3 в ССl>4 >добавляют водно-органический раствор модификатора (до 10% объемных), встряхивают. К полученной гомогенной смеси добавляют воду ( 40 – 50оС ) в отношении 1:1 по объему и при энергичном перемешивании удаляют в вакууме растворители (температура в бане не выше 40оС). Отделившийся каучук высушивают в вакууме менее 1 мм. рт. ст., периодически измельчая до постоянного веса при 20 – 30оС и передают на испытания.
Испытания свидетельствуют (таблица 3.2.2.), что лучшие результаты показали образцы, модифицированные смесью кератина и микрофобного лецитина в количестве 1 по весу и содержанием кератина и лецитина в соотношении 9:1.
Препараты микробиологического происхождения (из промышленных дрожжей) дали более низкие показатели, что говорит о необходимости более серьезного фракционирования белков микробного происхождения с целью снижения содержания веществ, клеточной стенки и липидов в препаратах, и проведения затем более подробных исследований.
Подводя итоги этой части работы можно предположительно утверждать, что модификация СКИ – 3 липидами и белками дает положительный эффект при соотношении гидрофобный белок-липид близком к таковому в натуральном каучуке, и при введении около 1% модифицирующей добавки.
В лабораторных условиях ВНИИСК, были также созданы, модифицированные СПИ синтетическими аналогами белковых фрагментов, то есть соединениями, моделирующими белок, т.е. имеющими функциональные группы СООН- и NH>2>-. (серия образцов ВП – 1 ) и биологическими соединениями ( серия образцов ВПБ ).
Синтетический аналог ВМС – 1 химически связывался с полимером СКИ – 3
Биологические соединения - различные фракции мембранных структур дрожжей и гидролизаты коллагена вводились в немодифицированный СКИ – 3 с помощью обращенных мицелл.
Белковые соединения вводились в полимер в присутствии детергента ПАВ 1019 (ВПБ 1/ 3) , сульфонола НП – 3 (ВПБ – 1/5) и фосфолипидов (ВПБ – 1/7) (таблица 3.2.3.)
Установлено, что образцы серии ВП – 1 , модифицированные продуктом ВМС – 1 , имеют улучшенные когезионные характеристики, а вулканизаты на их основе обладают повышенным сопротивлением раздиру по сравнению с СКИ – 3 .
Испытания второй серии образцов (ВПБ – 1) , содержащих в составе полимера различные природные соединения также показали улучшение когезионных характеристик по сравнению с СКИ – 3, при совместном содержании гидролизата коллагена в полимере в котором присутствовал детергент ПАВ 1019 (ВПБ-1/1) увеличились условная прочность при растяжении и условное напряжение при 300% удлинении. При совместном введении клеточной фракции в полимер с присутствием в нем сульфанола НП-3 и фосфалипида увеличилась условная прочность при растяжении, а условное напряжение при 300% удлинении практически не изменилось. Следует отметить,что характеристическая вязкость модифицированного СПИ (типа ВП – 1 и ВПБ) и исходного СКИ – 3 остается без изменения ( n = 4,2 ) .
3.3. Модификация белковыми соединениями СПИ путем иммобилизации их на предварительно активированную матрицу каучука СКИ – 3 , реакционно-способными соединениями.
Полученные ранее данные свидетельствуют о том, что модификация может быть эффективной, если подавляющее большинство макромолекул будут содержать белковые фрагменты, прочно связанные с цепью полимера. Серия модифицированных полиизопренов – лабораторные и опытно- промышленные образцы. Модификация была осуществлена введением в СКИ – 3 на стадии полимеризации одной или двух полярных групп (карбокси ,- сульфо, - амино, - нитро и –нитрозо ) , комбинация белков и соединений с полярными группами .
В таблице 3.3.1. представлены данные о прсоединении белков к модифицированным различными способами СКИ – 3 по содержанию азота в каучуке. В зависимости от способа выделения показано, что наибольшей степенью модификации белками хярактеризуются каучуки модифицированные NaSO>3> и малеиновым ангидридом. При этом фосфолипидные белки характеризуются большей степенью присоединения, чем белкозин. Следует отметить, что наиболее эффективно использование спиртового способа выделения.
Таблица 3.3.1.
Содержание азота (N,% масс.) в образцах, модифицированных различными способами в сочетании с белками (введено по 0,6% масс.N)
|
Способ выделения |
СКИ – 3 |
Сульфидированный СКИ – 3 – 03 |
Нитрозированный СКИ – 3 – 03 |
СКИ – 3 – 03 Содержащий карбоксильные группы |
|
Фосфолипидные белки |
||||
|
спирт |
0,37 |
0,50 |
0,39 |
0,48 |
|
водная дегазация |
0,12 |
0,33 |
0,18 |
0,20 |
|
Белкозин водорастворимый |
||||
|
спирт |
0,35 |
0,32 |
0,13 |
0,48 |
|
водная дегазация |
0,03 |
0,32 |
0,13 |
0,24 |
Были проведены исследования свойств, модифицированных СПИ в смесях с наполнителями различной активности. Таблица 3.3.2. содержит результаты определения пласто-эластических свойств модифицированных полиизопренов и резиновых смесей на их основе ( при получении малого объема модифицированного СПИ эти показатели не определялись ) а также когезионные свойства смесей и физико-механические показатели вулканизатов, которые даны как процентное изменение свойств от исходного немодифицированного СКИ – 3 ( который в каждой серии опытов был другим ).
Полученные результаты показывают, что практически во всех случаях модификации, осуществляющийся введением соединений с различными полярными группами белков, значительно увеличивается когезионная прочность резиновых смесей с активными наполнителями.
Наибольшее увеличение когезионной прочности, отмечается в опытной партии СПИ с комбинацией малеинового ангидрида + нитрит натрия + белок. Реакция взаимодействия каучука с МА представлена ниже. Напряжение вулканизатов при 300 % удлинения заметно повышается при введении комбинаций малеиновый ангидрид + нитрит натрия, малеиновый ангидрид + нитрит натрия + белок, МА + белок
Эти же вулканизаты в основном обнаруживают и повышение сопротивления раздиру. (таблица3.3.3.)
Считать наиболее перспективным способом модификации прививку белков через комбинацию полярных групп.
Таблица 3.3.3.
Физико-механические свойства смесей и вулканизатов на основе каучука СКИ-3-03 (модификация нитритом натрия, малеиновым ангидридом и балкозином), полученного на Опытном заводе ВНИИСК
Модификатор/показатели |
Белок+N>a>NO>2> |
МА+белок |
МА+белок+ NаNO2 |
|
Пластичность |
0,33 |
0,32 |
0,30 |
|
Эластическое восстановление, мм |
2,0 |
1,73 |
1,96 |
|
Условное удлинение при 300% удлинении резиновой смеси, Мпа |
0,43 |
0,73 |
0,39 |
|
Условная прочность при растяжении резиновой смеси, Мпа |
1,33 |
1,7 |
1,2 |
|
Условное напряжение при 300% удлинения вулканизатов, Мпа |
14,6 |
18,2 |
16,7 |
|
Условная прочность при растяжении вулканизатов, МПа, при 23о С |
25,6 |
23,5 |
25,4 |
|
Условная прочность при растяжении вулканизатов, МПа, при 100о С |
18,1 |
14,6 |
16,0 |
Показано, что введение комбинации белкозин + микрофобный жир и малеиновый ангидрид в каучук, обеспечивает лучшуу когезионную прочность и условное напряжение при 300%-ом удлинении нежели, чем введение в каучук, модифицированный сульфидом натрия, однако при этом значительно снижается пластичность каучука после старения. (табл 3.3.4.).
Таблица 3.3.4.
Характеристика модифицированных СКИ – 3 .
Модификаторы |
Пласти-чность каучука |
Эласти-ческое Восст. мм |
Свойства сырых наполненных смесей |
Содер-жание геля(в гексане) ,% |
ИСП |
Содер-жание Азота (серы) |
|
|
Условное напряже-ние при 300% удлинении МПа |
Коге-зионная проч-ность МПа |
||||||
|
- |
0,42 |
1,73 |
0,20 |
Не разорва-лся |
20 |
87,5 |
- |
|
БЖ+ +МА |
0,35 |
1,76 |
0,54 |
2,14 |
27,2 |
16,7 |
0,09 |
|
БЖ+су- льфид натрия |
0,37 |
1,40 |
0,41 |
1,43 |
30,0 |
61,4 |
0,07 |
Обозначения: БЖ - комбинация белкозин – микробный жир
МА – малеиновый ангидрид
4. Выводы.
Показано, что все исследованные способы модификации, СПИ белковыми компонентами, позволяют получить синтетический полиизопрен с улучшенным комплексом свойств, приближающихся к уровню натурального каучука.
Установлено, что при введении на стадии выделения каучука гидрофобизированного белка, являющегося продуктом переработки вторичного сырья мясомолочной, пищевой и фармацевтической промышленности, можно существенно улучшить свойства смесей на основе модифицированного таким образом каучука и является экологически и экономически перспективным способом модификации.
Показано, что когезионная прочность смесей на основе СКИ – 3 в большей степени увеличивалась в случае химической иммобилизации белков на полиизопрене, за счет использования предварительной модификации реакционно-способными соединениями.
5. Список литературы.
Возниковский А.П., Дмитриева
И.П., Клюбин В.П. и др. //Международная
конференция по каучуку и резине. М.
1994.
Т.
2. С.
499-506.
Таnaka, Y. //Inter. Rubber Conf. Cobe. 1995. P. 27-30.
Соmpoz-Lopez E., Palacios J. //J. of Polymers Sciens. 1976. V. 14.
Golub U.A., Fugua P.S., Bhacea N.S. //J. of the Amer.Chem. Soc. 1962. V. 84. N 24. P. 4981-4982.
Baba, T., Allen, C.M. //Archs Biochem. Biophys. 1980. N 200. P. 474.
Allen, C.M., Keenan, M.O., Sack, J. //Archs Biochem. Biophys. 1976. V. 61. N 175. P. 236.
Натуральный каучук. Пер. с англ. //Под ред. А. Робертса. М.: Мир, 1990. Т.1. С. 82.
В патенте США № 4638028.
Евдокимова О.А., Шестаков А.С., Моисеев В.В. Некоторые особенности биогенеза натурального каучука: Тем. обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1993. С. 18.
Gorton, A.D.T., Pendle, T.D. //International. Rubber Conference. Kuala Lumpur. 1985.
Ho, C.C., sub>ramanian, A., Wong, W.,M. //In Proc. Int. Rubber. Conf. Kuala Lumpur. 1975. V. 2. P. 441.
Cockbain, E.G. //Rubb. Age. 1948. N 62. P. 649.
Pendle T.D. //Recent advances In Latex technology. Seminar Rarers. Hartfort, U.K. 1993. P. 49-56.
Director’s Report //MRPRA, 55- the Anneal Report. 1993. P. 18-30.
Потапов Е.Э., Шершнёв В. А., Туторский И.А., Евстратов Е.Ф. Каучук и резина , 1985, №8 38-42.
Микуленко Н. А. ,Полуэктова П. Е., Масагутова Л. В., Евстратов В.Ф., Каучук и резина,1986, №2 ,12.
Ленинджер А. Биохимия. Пер. с англ. М.: Мир, 1976.
Баранец И.В., Новикова Г.Е., Марей А.И. физические и механические свойства новых эластомеров. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1978. С.25-30.
Марей А.И., Новикова Г.Е., Петрова Г.П. и др. //Каучук и резина. 1974. № 2. С. 5-7.
Новикова Г.Е., Смирнов. В.П, и др. Физические и механические свойства новых эластомеров. М. 1978. С. 18-25.
Lynen, F. //J. Rubber Res. Inst. Malaysia. 1969. V. 21. P. 389-406.
Алатонова О.Н., Быстрицкая Е.В., Крейнес Т.И. и др. //Международная конференция по каучуку и резине. М.: 1994. Т. 5. С. 610-615.
Евстигнеева Р.Н., Химия липидов. М.: Химия. 1983.
Ленинджер А. Биохимия. Пер. с англ. М.: Мир, 1976.