低蛋白天然橡胶的制备及性能*

张桂梅，岩 利，姜士宽，祝 翱，邹建云

(云南省热带作物科学研究所，云南 景洪 666100)

天然橡胶(NR)是一种天然高分子材料，产品主要以巴西橡胶树的胶乳为原料。鲜胶乳除含橡胶烃和水外，还含有5%(质量分数)左右的非橡胶物质，如蛋白质、类脂物、水溶物、丙酮溶物和无机盐等，其中蛋白质是非胶物质的主要组分，占新鲜胶乳质量的1%～2%，对NR的性能起着重要的影响[1]。蛋白质含量低的NR，具有低蠕变、低生热的良好性能，其电绝缘性能、耐疲劳性能、动态性能等也表现优异。自20世纪70年代，斯里兰卡[2]最先利用木瓜乳液来研发低蛋白天然橡胶，并进行了一系列研究，但没有进行这种产品的工厂化生产；随后马来西亚[3]进一步对此进行了研究，随着蛋白酶的规模化生产，第一条低蛋白天然橡胶生产线于1992年在马来西亚投产；同时期国内也进行了低蛋白天然橡胶/胶乳的相关研究[4-6]。

近年来，随着橡胶制品对NR原料性能要求的提高及高端NR原料国产化的需求，低蛋白质天然橡胶凭借其优异的性能，再次成为了研究的热点，中国热带农业科学院、海南大学、岭南师范学院、云南省热带作物科学研究所等单位都对其制备方法、性能、应用等方面进行研究[7-9]。去除NR中蛋白质的方法主要有蛋白酶处理法、多次离心法、尿素处理法、沥滤法等，以及这些方法的结合使用，其中蛋白酶处理法是研究最多、工艺较为成熟的方法[10]。常见的蛋白酶处理法，是指在稳定剂(如十二烷基磺酸钠)存在下，胶乳与碱性蛋白酶反应一定时间后经过离心、凝固，或者凝固后进行沥滤处理[11]71，制备低蛋白天然橡胶。

课题组根据天然胶乳性质、凝固条件及蛋白酶反应的适宜条件，结合前期实验筛选出最为适宜的木瓜蛋白酶用于凝固胶乳，使其同时起到降低氮含量和凝固胶乳的作用。本文讨论了木瓜蛋白酶凝固鲜胶乳制备低蛋白天然橡胶时影响产品氮含量的因素，并对生胶性能、硫化胶性能等进行了研究，为低蛋白天然橡胶产品的规模化生产提供理论依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

新鲜天然胶乳：云南省热带作物科学研究所橡胶基地；木瓜蛋白酶：南宁东恒华道生物科技有限责任公司；其余化学试剂均为市售产品。

1.2 仪器及设备

开炼机：ZG-160，东莞市正工机电设备科技有限公司；平板硫化机：QLB-25D/Q，江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司；华莱士快速塑性计：P14，英国华莱士公司；门尼黏度仪：UM-2050，台湾优肯科技股份有限公司；橡胶硫化仪：MDR2000E，无锡市蠡园电子化工设备有限公司；微控电子万能试验机：ETM104C，深圳万测试验设备有限公司；热空气老化箱：WTS-54，深圳万测试验设备有限公司；橡胶压缩生热试验机：RHU-2000N，台湾高铁检测仪器有限公司；动态力学分析仪：DMA-Q800，美国TA公司。

1.3 天然橡胶样品的制备

1.3.1 低蛋白天然橡胶的制备

鲜胶乳经孔径为0.25 mm的不锈钢筛过滤除杂，然后稀释至一定的干胶含量(为天然橡胶在胶乳中的质量分数)，用质量分数为5%的氨水调节胶乳至不同的pH值，加入一定量的木瓜蛋白酶，搅拌均匀后静置凝固，胶乳凝固熟化后压绉脱水、清水洗涤、悬挂滴水，在鼓风干燥箱中于70 ℃下干燥至质量恒定，得到低蛋白天然橡胶样品，以LPNR表示。

1.3.2 酸凝天然橡胶的制备

鲜胶乳经孔径为0.25 mm的不锈钢筛过滤除杂，然后稀释至干胶含量为25%(质量分数)，加入质量分数为5%的甲酸溶液并搅拌均匀(胶乳凝固pH值为4.6)，熟化20 h后经小型压绉机压绉脱水，经清水洗涤及悬挂滴水后，在鼓风干燥箱中于70 ℃下干燥至质量恒定，得到酸凝天然橡胶样品，以NR-A表示。

1.4 混炼胶的制备

采用ACSⅠ配方(质量份)：NR 100，氧化锌6.0，硫磺3.5，硬脂酸0.5，促进剂M 0.5。在开炼机上制备混炼胶，在平板硫化机上于143 ℃下硫化，硫化时间为正硫化时间(t90)。

1.5 性能测试

1.5.1 理化性能与物理机械性能

1.5.2 硫化特性

混炼胶的硫化特性按照GB/T 16584—1996进行测试，测试条件：温度为143 ℃，时间为45 min。硫化速率指数Vc1、Vc2按式(1)和式(2)计算。

Vc1﹦100/(t90-ts1)

(1)

式中：ts1为从实验开始到硫化曲线由最小转矩上升0.1 N·m时所对应的时间。

Vc2﹦100/(t90-ts2)

(2)

式中：ts2为从实验开始到硫化曲线由最小转矩上升0.2 N·m时所对应的时间。

1.5.3 热氧老化性能

热氧老化性能按照GB/T 3512—2001进行测定，测试条件：温度为100 ℃，时间为24 h。利用式(3)计算老化前后的性能变化率。

性能变化率=[(老化后的性能-老化前的性能)/老化前的性能]×100%

(3)

1.5.4 压缩生热性能

利用橡胶压缩生热试验机按照GB/T 1687.3—2016进行测试，测试条件：温度为55 ℃，预应力为1 MPa，冲程为4.45 mm。

1.5.5 动态力学性能

利用动态力学分析仪以拉伸模式在-90～100 ℃温度范围内进行扫描，升温速率为5 ℃/min，拉伸应变为0.1%，频率为10 Hz，预加力为0.01 N。

2 结果与讨论

2.1 LPNR氮含量影响因素研究

2.1.1 木瓜蛋白酶用量对LPNR氮含量的影响

不同木瓜蛋白酶用量对LPNR中氮含量的影响见图1，其中木瓜蛋白酶的用量以占干胶的质量百分比表示，胶乳pH为8.0，干胶含量为25%(质量分数，下同)。由图1可知，木瓜蛋白酶可以明显降低NR中的氮含量，且当木瓜蛋白酶用量在0.10%以下时，NR的氮含量明显随木瓜蛋白酶的用量增大而降低。当木瓜蛋白酶用量为0.10%时，NR氮含量降至0.18%，蛋白质去除率约为55%，继续增加蛋白酶用量至0.12%以上，LPNR的氮含量变化不大。因此，当采用木瓜蛋白酶凝固鲜胶乳制备LPNR时，木瓜蛋白酶用量在0.10%～0.12%之间为宜。

w(木瓜蛋白酶)/%

2.1.2 胶乳pH值对LPNR氮含量的影响

根据木瓜蛋白酶活性的适宜pH值范围，设定了胶乳pH值为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0，胶乳的干胶含量为25%，木瓜蛋白酶用量为0.10%，结果如图2所示。

胶乳pH值

从图2可知，随着胶乳pH从6.0升高至7.0，生胶的氮含量明显降低，当pH在7.0至8.5之间时，氮含量变化幅度不大，基本处于0.18%～0.19%，pH再升高至9.0，LPNR氮含量反而增大至0.20%。这说明，木瓜蛋白酶在分解胶乳中蛋白质时，有适宜的pH值范围，这个范围与酶的最佳活性pH有关，对于木瓜蛋白酶，分解胶乳中蛋白质的适宜pH值范围是7.0～8.5。

2.1.3 胶乳中干胶含量对LPNR氮含量的影响

采用不同干胶含量的胶乳制备LPNR，其中胶乳pH值为8.0，木瓜蛋白酶用量为0.10%，结果如图3所示。

从图3可知，随着胶乳中干胶含量的降低，LPNR的氮含量减小，干胶含量由30%降低至15%，LPNR的氮含量则由0.21%降低至0.12%。因为干胶含量越低，橡胶粒子越分散，越有利于木瓜蛋白酶与橡胶粒子表面的蛋白质及乳清中的蛋白质接触并发生反应；另外胶乳中乳清越多，胶乳中的可溶性蛋白质、蛋白质分解产物氨基酸等越容易随乳清去掉。因此当要求更低氮含量的LPNR时，胶乳稀释可以作为辅助去除蛋白质的手段，但胶乳过度稀释存在耗水量大、干胶收率低的问题。对于乳胶制品如手套、避孕套等来说，尽可能降低浓缩胶乳中蛋白质的含量，可以更大限度地避免制品的蛋白质过敏现象，一般采用离心或蛋白酶结合离心的方法可以使氮含量降低至0.12%以下[12]。对于固体NR产品来说，蔡克平等[13]研究表明，NR中蛋白质含量过多或过少，均不利于硫化胶的物理机械性能，而且蛋白质脱除过多时会造成NR的耐热老化性能下降较快，当氮含量在0.173%左右时，NR硫化胶综合性能最好。因此，当胶乳的干胶含量为20%～25%时，木瓜蛋白酶凝固鲜胶乳制备的LPNR(氮含量约为0.16%～0.18%)，对于橡胶制品来说是较佳的NR原料，无需为了更低的氮含量而采用胶乳稀释的措施。

w(干胶)/%

2.1.4 凝块熟化时间对LPNR氮含量的影响

胶乳经木瓜蛋白酶凝固后，凝块的不同熟化时间对LPNR中氮含量的影响见图4，其中胶乳pH值为8.0，干胶含量为25%，木瓜蛋白酶用量为0.10%。

熟化时间/h

从图4可知，凝块熟化时间从2 h到30 h，生胶氮含量变化不大，均在0.16%～0.18%，说明木瓜蛋白酶对NR中蛋白质具有快速有效的分解作用，2 h至30 h的熟化时间对脱蛋白效果没有明显的差别，但凝块熟化时间过短对生胶的性能不利。因此在胶厂利用木瓜蛋白酶规模化生产LPNR，采用常规的10 h左右熟化时间是较适宜的。

2.2 LPNR的性能

2.2.1 生胶性能

LPNR和NR-A的生胶性能见表1。由表1可知，LPNR的氮含量、PRI低于NR-A，P0、灰分含量和门尼黏度则明显高于后者。木瓜蛋白酶分解了胶乳中的大部分蛋白质，部分分解产物氨基酸及多肽等随乳清一起去除，因此氮含量大大减少；同时由于作为天然抗氧化剂蛋白质的减少，也导致了LPNR在干燥过程中比NR-A更易老化降解，表现为PRI的降低。木瓜蛋白酶不仅可以分解乳清中的可溶性蛋白质，也可以分解橡胶粒子表面的蛋白质，橡胶粒子表面蛋白质的减少使橡胶粒子之间排列更紧密，橡胶烃分子之间的相互作用增强；另一方面，NR中蛋白质的减少不利于其干燥，在更长时间的低温干燥下(70 ℃)，橡胶分子之间交联增大，因此LPNR的P0和门尼黏度明显高于NR-A。

表1 生胶性能

2.2.2 硫化性能

LPNR和NR-A两种混炼胶硫化特性数据见表2。LPNR混炼胶的最大转矩(MH)、最小转矩(ML)均大于NR-A，说明LPNR的强度更高，这与其P0、门尼黏度高相一致；与NR-A相比，LPNR混炼胶的焦烧时间(t10)和正硫化时间(t90)较小、Vc1和Vc2较大，说明LPNR的硫化速率更快。文献报道[11]72，蛋白质含量及蛋白质存在方式两种因素都对NR的硫化速率起着重要的作用，且直接对NR硫化起促进作用的是蛋白质分解产生的氨基酸，本文实验结果也说明了这一点。当NR中的氮以蛋白质的形式存在时，在NR炼胶及硫化过程中蛋白质分解出氨基酸促进NR的硫化过程，因此NR中蛋白质的含量越高，则硫化速率越快；当NR中的氮以氨基酸的形式存在时，则直接促进NR的硫化。本文LPNR中的蛋白质经木瓜蛋白酶分解后，部分产物随乳清去除，部分产物保留在橡胶中，所以虽然氮含量远低于NR-A，但其硫化速率却明显高于后者。有文献报道采用蛋白酶结合离心法制备的LPNR硫化速率低于酸凝天然橡胶，且随着氮含量的降低而降低[14-15]，这是因为在离心力的作用下，乳清中的及以弱作用力吸附在橡胶粒子上的氨基酸、多肽等小分子物质被更完全地去除掉。因此，利用木瓜蛋白酶直接凝固鲜胶乳制备LPNR，避免了离心法LPNR硫化速率低于酸凝天然橡胶的问题。

表2 混炼胶硫化特性数据

2.2.3 物理机械性能

LPNR和NR-A硫化胶在热空气老化前后的物理机械性能见表3。由表3可知，LPNR的拉伸强度、定伸应力均高于NR-A，热空气老化后其拉伸强度和扯断伸长率的性能也优于后者。因为木瓜蛋白酶分解了胶乳中的蛋白质，虽然有部分氨基酸随乳清去除，但仍有一些氨基酸保留在橡胶里面，此部分氨基酸对于橡胶的硫化具有促进作用，使橡胶分子之间交联密度更高[11]72-73，表现出较高的机械性能，同时橡胶交联网络更完整，不饱和键含量少，更能抵抗氧自由基的进攻，耐热氧老化性能更好。王兵兵[16]研究也表明，经蛋白酶处理的NR，当氮含量为0.212%时，硫化胶的耐热氧老化性能优于未进行酶处理的NR。

表3 硫化胶的物理机械性能

2.2.4 压缩生热性能

橡胶动态交变载荷下的生热现象，一直是研究人员关心的指标。在实际应用中，当轮胎在高速运行中内部发热、温度过高或时间过长时，就很容易出现爆胎或者其他损坏；轮胎的生热过高，也意味着滚动时机械能损失严重，增加燃料消耗。因此，开发高速轮胎和耐热轮胎、载重轮胎，就必须要求胶料具有较低的生热性。图5为LPNR和NR-A硫化胶的温升随时间变化的曲线。

时间/min

由图5可知，NR-A的压缩疲劳温升(ΔT)为13.1 ℃，LPNR的ΔT为4.8 ℃，说明与NR-A相比，LPNR具有优异的低生热性能，因为LPNR在氨基酸的硫化促进作用下，交联形成更完善的网络结构，分子链不易移动，减少了橡胶分子链滑移摩擦引起的能量损耗，从而降低了热量的产生。

2.2.5 动态力学性能

在轮胎工业通常以0 ℃和60 ℃下的损耗因子(tanδ)的数值分别预测轮胎橡胶材料的抗湿滑性和滚动阻力[17]，0 ℃下的tanδ值越大，表示橡胶材料的抗湿滑性越好，60 ℃下的tanδ值越小，表示橡胶材料的滚动阻力越低。图6为LPNR和NR-A硫化胶的tanδ随温度变化的关系曲线。由图6可以看出，0 ℃时，LPNR制备胶料的tanδ值与NR-A相差不大，而在60 ℃时，LPNR胶料的tanδ值则明显低于后者。可以预测，当用于轮胎胶料时，LPNR比NR-A具有更低的滚动阻力。

温度/℃

3 结 论

(1)在不改变现有NR生产工艺的基础上，利用木瓜蛋白酶代替甲酸凝固鲜胶乳制备LPNR，最佳工艺参数为：胶乳中干胶含量为20%～25%，胶乳pH值为7.0～8.5，木瓜蛋白酶用量为0.10%～0.12%，在此工艺下制备的LPNR氮含量为0.17%～0.18%。

(2)木瓜蛋白酶凝固鲜胶乳制备的LPNR，P0和门尼黏度明显高于NR-A；硫化特性数据表明，LPNR的MH和ML均较高，t10和t90较小，硫化速率明显高于NR-A，避免了离心法LPNR硫化速率低于酸凝天然橡胶的问题。

(3)与NR-A相比，LPNR硫化胶的定伸应力、拉伸强度及耐热氧老化性能均高于NR-A，且LPNR胶料具有更优异的压缩生热性能和低滚动阻力。对于橡胶制品来说，木瓜蛋白酶凝固鲜胶乳制备的LPNR是更为优异的NR原料。