Реферат: Исследование способов введения белковых компонентов в синтетический полиизопрен

_· CH₃

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.

2.2. 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 А^о ).

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.	Мw 10-5	Мп 10-5	Пласт./восстан	М500, МПа
1	CSV-20исх	-	-	-	0,22/2,35	-
2	CSV-201фр	<0,3	6,2	0,7	0,42/1,10	4,4
3	CSV-202фр	0,5<Б<1,0	5,2	0,9	0,21/2,10	19,0
4	CSV-5исх	-	-	-	0,17/2,30	-
5	CSV-51фр	<0,3	10,8	0,9	0,33/1,49	12,0
6	CSV-5исх	-	-	-	0,10/2,25	-
7	CSV-52фр	0,5<Б<1,0	8,8	1,1	0,14/2,95	18,8

Примечание: М₅₀₀ – 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 = 10-12^о С.

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	М400 ,МПа	Мх 300 ,МПа
1	RSS-1исходный	0,08/2,40	3,0	-
2	RSS-1депротениз	0,48/1,0	0,7	-
3	SRM-5исходный	0,12/3,67	3,0	15-17
4	SRM-5депротен.	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

Примечание: М₄₀₀ – модуль резиновой смеси при 400 % удлинении

М₃₀₀ – 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).