橡膠包含各種不同的材料。其中一些材料(如輪胎橡膠)由復(fù)雜且通常是專有的配方組成，包括合成和天然彈性體、增塑劑、增油劑、抗氧化劑、抗臭氧劑和硫化促進(jìn)劑。ASTM D6370-23概述了一種熱重法，可以測定有機(jī)物、炭黑和填料的數(shù)量。利用這種方法，熱重分析可以提供有關(guān)橡膠樣品的重要信息，有助于了解熱降解情況，甚至是對成分進(jìn)行定量。珀金埃爾默Pyris™ TGA 9提供了一種多功能解決方案，可以在需要簡便性和高性能的環(huán)境中實現(xiàn)最佳結(jié)果。
實驗
按照ASTM D6370-23規(guī)定的方法測量輪胎胎面和側(cè)壁樣品。每次分析使用10-12mg樣品，首先在惰性吹掃氣體。(氮氣，75mL/min)下進(jìn)行分析，隨后在氧化吹掃氣體(氧氣，75mL/min)下進(jìn)行分析，以測定碳和填料含量。溫度程序如下:
1 50°C下保持2分鐘
2 以10°C/min的速度從50°C加熱至560°C
3 冷卻至300°C
4 300°C下保持2分鐘
5 將樣品吹掃切換到氧氣(75 mL/min)
6 以10°C/min的速度從300°C加熱至800°C
所有測量均采用上述程序和珀金埃爾默Pyris™ TGA 9熱重分析儀進(jìn)行(圖1)。
圖1.珀金埃爾默Pyris™ TGA 9熱重分析儀
結(jié)果和討論
1 ASTM D6370定量分析
ASTM D6370規(guī)定，對于含有天然橡膠和丁苯橡膠的樣品，應(yīng)在以下溫度范圍內(nèi)進(jìn)行失重測量:
• 有機(jī)物-50至550°C
• 炭黑-300至790°C
• 灰分-790°C下的殘渣
圖2顯示了使用珀金埃爾默Pyris™軟件計算的輪胎胎面熱像圖以及上述參數(shù)。
圖2.輪胎胎面在ASTM D6370規(guī)定的溫度程序下的熱像圖(點擊查看大圖)
表1顯示了對兩種不同品牌的輪胎胎面和輪胎側(cè)壁應(yīng)用此分析的結(jié)果。
表1.按照ASTM D6370測量的三種不同輪胎橡膠樣品的定量結(jié)果
這些樣品中明顯的差異是胎面樣品和側(cè)壁樣品之間的差異。側(cè)壁樣品中的炭黑含量明顯較高，而填料含量明顯較低。在輪胎的使用壽命期間，其側(cè)壁比胎面暴露在陽光下的時間要長得多。與其他材料一樣，炭黑在輪胎橡膠中具有多種用途，但其中最重要的用途之一是作為顏料吸收紫外線并防止輪胎中其他材料過早降解。
胎面灰分含量較高是由于輪胎此部分無機(jī)填料含量較高。二氧化硅等填料會使胎面稍微變軟，從而降低滾動阻力，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。
還可以看出，兩種不同品牌的輪胎胎面花紋存在差異。這取決于制造商在每種型號性能方面的優(yōu)先考慮事項。例如，品牌A的市場定位是“長壽命”輪胎，因此可以預(yù)期它會具有較高的炭黑含量以防止紫外線引起的降解，同時也具有較低的填料含量，因為雖然這可能會提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，但柔軟的胎面也可能導(dǎo)致更快的降解。相反，品牌B的市場定位是經(jīng)濟(jì)型輪胎，其在胎面柔軟度和炭黑含量方面的特性與輪胎A相反。
2 失重行為比較
熱重分析用于研究輪胎的另一種方法是觀察每個樣品失重的方式。珀金埃爾默Pyris™軟件可自動計算每個樣品的微分失重曲線，從而有助于準(zhǔn)確地了解失重發(fā)生的過程。以輪胎側(cè)壁為例，我們僅從上面的分析中看到，樣品在50至550°C之間損失了其總重量的72.90%。圖3顯示了每個測量樣品的微分失重曲線。
圖3.輪胎胎面和側(cè)壁樣品的微分失重曲線(點擊查看大圖)
圖3中的數(shù)據(jù)顯示了胎面和側(cè)壁樣品失重行為存在明顯差異。例如，雖然主要失重事件發(fā)生在300~500°C之間，但這似乎分兩個階段進(jìn)行。在胎面樣品中，這一點尚不太明顯，但可以通過350°C左右微分失重曲線上的肩峰看出，而在側(cè)壁樣品中，這一點更為普遍，因為第一階段的失重比第二階段更多。
微分失重曲線也揭示了200°C左右揮發(fā)性物質(zhì)損失的明顯跡象。為了進(jìn)一步了解輪胎橡膠的分解過程，可以采用TGA 9與FTIR光譜或GC/MS聯(lián)用技術(shù)，以識別降解過程中逸出的氣體。
總結(jié)
珀金埃爾默Pyris™ TGA 9提供了一種多功能且功能強(qiáng)大的解決方案，使用戶能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)方法的要求，同時進(jìn)一步深入了解每種樣品。本研究展示了TGA 9和珀金埃爾默Pyris™軟件如何根據(jù)ASTM D6370可靠地完成定量橡膠樣品中的有機(jī)物、炭黑和灰分含量所需的工作，并在必要時更好地促進(jìn)用戶了解每種樣品的降解過程。
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