Εισαγωγή
Το καουτσούκ βουτυλίου, συμπολυμερές του ισοβουτυλενίου και του ισοπρενίου, είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό για τον εσωτερικό σωλήνα ενός ελαστικού ποδηλάτου. Στα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνονται η σχετικά χαμηλή τιμή, η μεγάλη διάρκεια ζωής και η ελαχιστοποίηση της διαρροής αέρα. Για βελτιστοποιημένες ιδιότητες, όπως μεγιστοποιημένη ελαστικότητα και ελάχιστη αντίσταση κύλισης, απαιτούνται ορισμένα πρόσθετα σε χαμηλή ποσοστιαία ποσότητα. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εσωτερικοί σωλήνες ποδηλάτων από δύο διαφορετικούς κατασκευαστές και αναλύθηκαν με TGA για τον εντοπισμό των διαφορών.
Μέθοδοι και προετοιμασία δειγμάτων
Πριν από τη μέτρηση, τα δείγματα κόπηκαν σε διάφορα κομμάτια small και τοποθετήθηκαν σε ανοιχτό χωνευτήρι Al2O3. Τα δείγματα θερμαίνονταν σε ατμόσφαιρα αζώτου στους 850°C και σε ατμόσφαιρα αέρα από τους 850°C στους 1100°C. Για τη θερμοβαρυμετρική έρευνα χρησιμοποιήθηκε το NETZSCH TG Libra® σε συνδυασμό με ένα QMS Aëolos®. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν υπό τις συνθήκες που περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Μάζα δείγματος | Κατασκευαστής Α (10,34 mg) | Κατασκευαστής Β (10,06 mg) |
| Υλικό χωνευτηρίου | Οξείδιο του αργιλίου 85 μl, ανοικτό | |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας | 40°C έως 850°C σε άζωτο, 850°C έως 1100°C στον αέρα | |
| Ρυθμός θέρμανσης | 10 K/min | |
| Ατμόσφαιρα | Άζωτο, αέρας | |
| Ροή αερίου | 40 ml/min | |
| QMS | 1 - 300 amu, Σάρωση ανά μάζα: 20 ms | |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Τα θερμογραφήματα που προέκυψαν απεικονίζονται στο σχήμα 1. Υπό αδρανή ατμόσφαιρα, και τα δύο δείγματα παρουσιάζουν τρία στάδια απώλειας μάζας. Τα δύο πρώτα στάδια απώλειας μάζας, μεταξύ 200°C και 500°C, συνδέονται με τη διάσπαση του μείγματος καουτσούκ. Η σύνθεση του καουτσούκ ήταν πιθανώς διαφορετική σε αυτά τα δύο δείγματα, καθώς ανιχνεύθηκαν ελαφρώς διαφορετικά ποσοστά και οι κορυφές του ρυθμού απώλειας μάζας (DTG) μετατοπίστηκαν. Το τρίτο βήμα απώλειας μάζας προκλήθηκε από την αποσύνθεση του ανθρακικού πληρωτικού υλικού. Καθώς ανιχνεύθηκαν διαφορετικά ποσά αλλαγής μάζας, πιθανώς χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές ποσότητες πληρωτικού υλικού.
Πάνω από τους 850°C, η ατμόσφαιρα του αέρα προκαλούσε την καύση του υπολειμματικού άνθρακα. Η προκύπτουσα υπολειμματική μάζα αντιστοιχεί στην περιεκτικότητα σε τέφρα. Και πάλι παρατηρήθηκε μια συγκεκριμένη διαφορά μεταξύ των δύο δειγμάτων, που υποδηλώνει διαφορετική ποσότητα οξειδικών ορυκτών. Η περιεκτικότητα σε τέφρα του δείγματος του κατασκευαστή Β ήταν περίπου διπλάσια από εκείνη του κατασκευαστή Α.
Τα αέρια που αναπτύχθηκαν αναλύθηκαν επιπλέον με το τετραπολικό φασματόμετρο μάζας (QMS) που συνδέθηκε στην έξοδο αερίου του θερμοζυγίου. Στους 218°C (214°C), και τα δύο δείγματα παρουσίασαν αύξηση του μαζικού αριθμού 76, η οποία μπορεί να σχετίζεται με την απελευθέρωση CS2, ενός υπολείμματος βουλκανισμού- βλέπε σχήμα 2.
Τα φάσματα μάζας που ανιχνεύθηκαν στους 420°C δεν παρουσιάζουν σημαντική διαφορά για κανένα από τα δύο δείγματα, με το m/z 41 να είναι το πιο έντονο θραύσμα, βλέπε σχήματα 2 και 3α. Τα μετρούμενα φάσματα παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα με το κύριο προϊόν πυρόλυσης του βουτυλοκαουτσούκ 1-βουτένιο1- βλέπε σχήματα 3α και 3β.
Στους 634°C, το φασματόμετρο μάζας ανίχνευσε αύξηση του m/z 44 για το δείγμα του κατασκευαστή Β, επιβεβαιώνοντας την απελευθέρωσηCO2 από την αποσύνθεση των ανθρακικών αλάτων. Αυτό δείχνει ότι στο δείγμα του κατασκευαστή Β χρησιμοποιήθηκε μεγαλύτερη ποσότητα ανθρακικού πληρωτικού υλικού.
Η απελευθέρωση των διαφορετικών αριθμών μάζας μπορεί εύκολα να συγκριθεί με την καμπύλη TGA σε μια κλιμάκωση που εξαρτάται από τη θερμοκρασία- βλέπε σχήμα 2.
1 Pyrolysis GC/MS Data Book of Synthetic Polymers, Tsuge Shin, Ohtani Hajime, Watanabe Chuici, Elsevier, 2011
Περίληψη
Συμπερασματικά, η ανάλυση TGA-MS επιτρέπει λεπτομερή εικόνα της σύνθεσης δύο ανταγωνιστικών εσωτερικών σωλήνων ελαστικών ποδηλάτων. Η θερμοβαρύτητα προσδιορίζει τη θερμική σταθερότητα και επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη σύνθεση, όπως η περιεκτικότητα σε καουτσούκ, η περιεκτικότητα σε πληρωτικό υλικό, η περιεκτικότητα σε άνθρακα και η περιεκτικότητα σε τέφρα. Ακόμη και οι μικρότερες διαφορές μπορούν να εντοπιστούν. Τα ταυτόχρονα καταγεγραμμένα δεδομένα του φασματογράφου μάζας διευκολύνουν την ερμηνεία των διαδικασιών αποσύνθεσης με τον προσδιορισμό των αερίων που απελευθερώνονται. Η χρήση και το ποσοστό των αντίστοιχων πρόσθετων και πληρωτικών υλών είναι καθοριστικά για την ποιότητα του ελαστικού- π.χ. το ανθρακικό ασβέστιο έχει επίσης σημαντική ενισχυτική επίδραση τόσο στο φυσικό όσο και στο συνθετικό ελαστικό και μπορεί να βελτιώσει τη συνοχή. Επηρεάζει επίσης τις δυναμικές ιδιότητες του καουτσούκ.