Wprowadzenie
Kauczuk butylowy, kopolimer izobutylenu i izoprenu, jest najczęściej stosowanym materiałem na dętkę opony rowerowej. Jego zalety obejmują stosunkowo niską cenę, długą żywotność i zminimalizowany wyciek powietrza. W celu uzyskania zoptymalizowanych właściwości, takich jak maksymalna elastyczność i minimalne opory toczenia, wymagane są pewne dodatki o niskiej zawartości procentowej. W tym badaniu, używane dętki rowerowe od dwóch różnych producentów zostały przeanalizowane za pomocą TGA w celu zidentyfikowania różnic.
Metody i przygotowanie próbek
Przed pomiarem próbki zostały pocięte na kilka small kawałków i umieszczone w otwartym tyglu Al2O3. Próbki ogrzewano w atmosferze azotu do 850°C i w atmosferze powietrza od 850°C do 1100°C. Do badań termograwimetrycznych wykorzystano aparat NETZSCH TG Libra® sprzężony z QMS Aëolos®. Pomiary przeprowadzono w warunkach wyszczególnionych w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Masa próbki | Producent A (10,34 mg) | Producent B (10,06 mg) |
| Materiał tygla | Tlenek glinu 85 μl, otwarty | |
| Program temperatury | 40°C do 850°C w azocie, 850°C do 1100°C w powietrzu | |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min | |
| Atmosfera | Azot, powietrze | |
| Natężenie przepływu gazu | 40 ml/min | |
| QMS | 1 - 300 amu, Skanowanie na masę: 20 ms | |
Wyniki i dyskusja
Uzyskane termogramy przedstawiono na rysunku 1. W atmosferze obojętnej obie próbki wykazują trzy stopnie utraty masy. Pierwsze dwa etapy utraty masy, między 200°C a 500°C, są związane z rozkładem mieszanki gumowej. Skład gumy był prawdopodobnie różny w tych dwóch próbkach, ponieważ wykryto nieco inne wartości procentowe, a piki szybkości utraty masy (DTG) zostały przesunięte. Trzeci etap utraty masy był spowodowany rozkładem wypełniacza węglanowego. Ponieważ wykryto różne ilości zmian masy, prawdopodobnie użyto różnych ilości wypełniacza.
Powyżej 850°C atmosfera powietrza spowodowała spalanie pozostałości węgla. Powstała masa resztkowa odpowiada zawartości popiołu. Ponownie zaobserwowano szczególną różnicę między dwiema próbkami, wskazującą na różną ilość minerałów tlenkowych. Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.Zawartość popiołu w próbce od producenta B była około dwukrotnie większa niż w próbce od producenta A.
Wydzielone gazy zostały dodatkowo przeanalizowane za pomocą kwadrupolowego spektrometru masowego (QMS) podłączonego do wylotu gazu z termowagi. W temperaturze 218°C (214°C) obie próbki wykazały wzrost liczby masowej 76, co może być związane z uwalnianiem CS2, pozostałości wulkanizacyjnej; patrz rysunek 2.
Wykryte widma masowe w temperaturze 420°C nie wykazują znaczących różnic dla obu próbek, przy czym m/z 41 jest najbardziej intensywnym fragmentem; patrz rysunki 2 i 3a. Zmierzone widma wykazują duże podobieństwo do głównego produktu pirolizy kauczuku butylowego 1-butenu1; patrz rysunki 3a i 3b.
W temperaturze 634°C spektrometr masowy wykrył wzrost m/z 44 dla próbki od producenta B, potwierdzając uwalnianieCO2 z rozkładu węglanu. Wskazuje to, że w próbce od producenta B zastosowano większą ilość wypełniacza węglanowego.
Uwalnianie różnych liczb masowych można łatwo porównać z krzywą TGA w skalowaniu zależnym od temperatury; patrz rysunek 2.
1 Pyrolysis GC/MS Data Book of Synthetic Polymers, Tsuge Shin, Ohtani Hajime, Watanabe Chuici, Elsevier, 2011
Podsumowanie
Podsumowując, analiza TGA-MS umożliwia szczegółowy wgląd w skład dwóch konkurencyjnych dętek opon rowerowych. Termobalans określa stabilność termiczną i umożliwia wyciągnięcie wniosków na temat składu, takich jak zawartość gumy, zawartość wypełniacza, zawartość węgla i popiołu. Nawet najmniejsze różnice mogą zostać zidentyfikowane. Jednocześnie rejestrowane dane spektrometru masowego ułatwiają interpretację procesów rozkładu poprzez identyfikację uwalnianych gazów. Zastosowanie i udział procentowy odpowiednich dodatków i wypełniaczy ma decydujące znaczenie dla jakości opony; np. węglan wapnia ma również znaczący wpływ wzmacniający zarówno na kauczuk naturalny, jak i syntetyczny, i może poprawić konsystencję. Wpływa również na dynamiczne właściwości gumy.