| Published: 

Конкурентный анализ резины для велосипедных труб с помощью ТГА-МС

Введение

Бутилкаучук, сополимер изобутилена и изопрена, является наиболее распространенным материалом для внутренней трубки велосипедной шины. К его преимуществам относятся относительно низкая цена, длительный срок службы и минимальная утечка воздуха. Для оптимизации свойств, таких как максимальная гибкость и минимальное сопротивление качению, необходимы некоторые добавки в небольшом процентном соотношении. В данном исследовании использованные внутренние трубки велосипедных шин двух разных производителей были проанализированы с помощью ТГА для выявления различий.

Методы и подготовка образцов

Перед измерением образцы разрезали на несколько кусочков small и помещали в открытый тигель из Al2O3. Образцы нагревали в атмосфере азота до 850°C и в атмосфере воздуха от 850°C до 1100°C. Для термогравиметрических исследований использовался NETZSCH TG Libra®, соединенный с QMS Aëolos®. Измерения проводились при условиях, указанных в таблице 1.

Таблица 1: Условия измерений

Масса образцаПроизводитель A (10,34 мг)Производитель B (10,06 мг)
Материал тигля

Оксид алюминия 85 мкл, открытый

Температурная программа

от 40°C до 850°C в азоте, от 850°C до 1100°C на воздухе

Скорость нагрева

10 К/мин

Атмосфера

Азот, воздух

Расход газа

40 мл/мин

QMS

1 - 300 amu, сканирование на массу: 20 мс

Результаты и обсуждение

Полученные термограммы представлены на рисунке 1. В инертной атмосфере оба образца демонстрируют три этапа потери массы. Первые две ступени потери массы, между 200 и 500 °C, связаны с разложением резиновой смеси. Вероятно, состав каучука в этих двух образцах был различным, так как были обнаружены несколько разные процентные содержания, а пики скорости потери массы (DTG) были смещены. Третий этап потери массы был вызван разложением карбонатного наполнителя. Поскольку было обнаружено разное изменение массы, вероятно, использовалось разное количество наполнителя.

1) Изменение массы в зависимости от температуры (TGA) и скорость изменения массы (DTG) обоих образцов (производитель A = красный; производитель B = зеленый).

При температуре выше 850°C воздушная атмосфера вызывает сгорание остаточного углерода. Полученная остаточная масса соответствует содержанию золы. Опять же, между двумя образцами наблюдалась особая разница, указывающая на разное количество оксидных минералов. Содержание золы в образце производителя B было примерно в два раза выше, чем в образце производителя A.

Выделяющиеся газы дополнительно анализировались с помощью квадрупольного масс-спектрометра (QMS), подключенного к газоотводу термобаллонов. При температуре 218°C (214°C) в обоих образцах наблюдалось увеличение массового числа 76, что может быть связано с выделением CS2, остатка вулканизации; см. рис. 2.

2) Изменение массы в зависимости от температуры (ТГА) и ионные токи m/z 41, 44 и 76 для обоих образцов (производитель A = красный, производитель B = зеленый).

Масс-спектры, полученные при 420°C, не имеют существенных различий для обоих образцов, при этом наиболее интенсивным фрагментом является m/z 41; см. рис. 2 и 3a. Измеренные спектры демонстрируют высокое сходство с основным продуктом пиролиза бутилкаучука 1-бутеном1; см. рисунки 3a и 3b.

3) (a) верхняя часть: измеренные масс-спектры при 420°C производителя A (красный) и производителя B (зеленый); (b) нижняя часть: библиотечный спектр 1-бутена

При температуре 634°C масс-спектрометр обнаружил увеличение m/z 44 для образца производителя B, что подтверждает выделениеCO2 при разложении карбоната. Это указывает на то, что в образце производителя B было использовано большее количество карбонатного наполнителя.

Выделение различных массовых чисел можно легко сравнить с кривой ТГА в масштабе, зависящем от температуры; см. рис. 2.

1 Книга данных пиролиза ГХ/МС синтетических полимеров, Цуге Шин, Охтани Хаджиме, Ватанабе Чуичи, Эльзевир, 2011 г

Резюме

В заключение следует отметить, что ТГА-МС анализ позволяет детально изучить состав двух конкурентных внутренних трубок велосипедных шин. Термобаланс определяет термическую стабильность и позволяет сделать выводы о составе, например, о содержании каучука, наполнителя, углерода и золы. Можно выявить даже самые незначительные различия. Одновременно регистрируемые данные масс-спектрометра облегчают интерпретацию процессов разложения путем идентификации выделяющихся газов. Использование и процентное содержание соответствующих добавок и наполнителей имеет решающее значение для качества шины; например, карбонат кальция оказывает значительное укрепляющее действие как на натуральный, так и на синтетический каучук и может улучшить консистенцию. Он также влияет на динамические свойства резины.