소개
이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체인 부틸 고무는 자전거 타이어의 내부 튜브에 가장 일반적으로 사용되는 소재입니다. 상대적으로 저렴한 가격, 긴 사용 수명, 공기 누출 최소화 등의 장점이 있습니다. 유연성 극대화, 구름 저항 최소화 등 최적화된 특성을 위해 일부 첨가제를 적은 양으로 사용해야 합니다. 이 연구에서는 서로 다른 두 제조업체의 중고 자전거 내부 튜브를 TGA로 분석하여 차이점을 확인했습니다.
방법 및 샘플 준비
측정에 앞서 샘플을 여러 조각( small )으로 잘라 개방형 Al2O3 도가니에 넣었습니다. 샘플은 질소 분위기에서 850°C까지, 공기 분위기에서 850°C에서 1100°C까지 가열되었습니다. 열무게 측정에는 QMS Aëolos® 에 결합된 NETZSCH TG Libra® 가 사용되었습니다. 측정은 표 1에 설명된 조건에서 수행되었습니다.
표 1: 측정 조건
| 시료 질량 | 제조업체 A(10.34 mg) | 제조업체 B(10.06 mg) |
| 도가니 재료 | 알루미늄 산화물 85 μl, 개방형 | |
| 온도 프로그램 | 질소 40°C ~ 850°C, 공기 850°C ~ 1100°C | |
| 가열 속도 | 10 K/min | |
| 분위기 | 질소, 공기 | |
| 가스 유량 | 40 ml/min | |
| QMS | 1 - 300 amu, 질량당 스캔: 20ms | |
결과 및 토론
결과 열화상 사진은 그림 1에 나와 있습니다. 불활성 대기에서 두 샘플 모두 세 단계의 질량 손실 단계를 보여줍니다. 200°C에서 500°C 사이의 처음 두 질량 손실 단계는 고무 혼합물의 분해와 관련이 있습니다. 두 샘플에서 약간 다른 비율이 검출되고 질량 손실률(DTG) 피크가 이동하는 것으로 보아 고무 구성이 서로 달랐을 가능성이 높습니다. 세 번째 질량 손실 단계는 탄산염 필러의 분해로 인해 발생했습니다. 서로 다른 양의 질량 변화가 감지되었으므로 아마도 다른 양의 필러가 사용되었을 것입니다.
850°C 이상에서는 대기 중 대기로 인해 잔류 탄소가 연소됩니다. 그 결과 잔류 질량은 회분 함량에 해당합니다. 다시 말하지만, 두 샘플 간에 특정한 차이가 관찰되었으며, 이는 산화물 미네랄의 양이 다르다는 것을 나타냅니다. B 제조업체 샘플의 회분 함량은 A 제조업체 샘플의 약 2배에 달했습니다.
진화한 가스는 열전대의 가스 배출구에 연결된 4중극자 질량 분석기(QMS)로 추가적으로 분석했습니다. 218°C(214°C)에서 두 샘플 모두 질량 번호 76이 증가했는데, 이는 가황 잔류물인 CS2의 방출과 관련이 있을 수 있습니다(그림 2 참조).
420°C에서 검출된 질량 스펙트럼은 두 샘플에 큰 차이를 보이지 않으며, m/z 41이 가장 강렬한 조각입니다(그림 2 및 3a 참조). 측정된 스펙트럼은 부틸 고무 1-부텐1의 주요 열분해 생성물과 높은 유사성을 보여줍니다(그림 3a 및 3b 참조).
634°C에서 질량 분석기는 B 제조업체의 시료에 대해 m/z 44의 증가를 감지하여 탄산염 분해로 인한CO2 방출을 확인했습니다. 이는 B 제조업체의 시료에 더 많은 양의 탄산염 필러가 사용되었음을 나타냅니다.
서로 다른 질량 수의 방출은 온도 의존적 스케일링에서 TGA 곡선과 쉽게 비교할 수 있습니다(그림 2 참조).
1 합성 폴리머의 열분해 GC/MS 데이터북, Tsuge Shin, Ohtani Hajime, Watanabe Chuici, Elsevier, 2011
요약
결론적으로, TGA-MS 분석을 통해 자전거 타이어의 두 가지 경쟁 내부 튜브의 구성에 대한 자세한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 열평형은 열 안정성을 결정하고 고무 함량, 필러 함량, 탄소 함량 및 회분 함량과 같은 구성에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 아주 작은 차이도 식별할 수 있습니다. 동시에 기록된 질량 분석기 데이터는 방출되는 가스를 식별하여 분해 과정을 쉽게 해석할 수 있게 해줍니다. 탄산칼슘은 천연 고무와 합성 고무 모두에 상당한 강화 효과가 있으며 일관성을 향상시킬 수 있는 등 각 첨가제와 충전제의 사용량과 비율은 타이어의 품질에 결정적인 영향을 미칩니다. 또한 탄산칼슘은 고무의 동적 특성에도 영향을 미칩니다.