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元素分析仪：CHNS/O的测定 在橡胶、轮胎中的应用

2020-07-08

介绍

橡胶和轮胎用于各种工业和不同的终端产物。橡胶是制造天然或合成轮胎的主要原材料。天然橡胶主要是碳氢化合物，是热塑性的。为了消除异味等不良特性，橡胶用硫、促进剂和抗氧化剂处理，这些物质通过减少空气中氧（或臭氧）引起的劣化而延长橡胶产物的寿命。轮胎橡胶的另一个主要成分是炭黑，用于增加硬度、拉伸强度和耐磨性。严格的质量控制从原材料供应商开始。轮胎制造商要求原材料在交付工厂前进行质量检验。

生产过程中使用的试验之一是测定橡胶的元素组成。硫含量是橡胶制品质量控制中重要的参数之一，是反映轮胎硫晕现象的主要指标，是轮胎质量损失的重要指标。为了进行质量控制，需要测定橡胶中的有机元素。采用燃烧法测定碳、氢、氮、硫和氧。

赛默飞世尔™FlashSmart™元素分析仪（图1）可以定量测定橡胶和轮胎中的碳、氢、氮、硫和氧。FlashSmart™元素分析仪基于样品的动态燃烧，在一次分析过程中提供自动的对CHNS/O进行测定，其中氧的测定是通过热裂解的方式测定。

G1.jpg

图1：赛默飞世尔™FlashSmart™元素分析仪

本文提供了橡胶和轮胎中CHNS/O测定的数据，以显示FlashSmart™元素分析仪的性能。

方法

对于CHNS测定，FlashSmart™元素分析仪使用动态闪烧法燃烧仪器。样品在锡容器中称重，并通过赛默飞世尔™*的MAS&迟谤补诲别;自动进样器将样品和氧气同时送达到反应管中。燃烧后，产生的气体通过氦气流被带到充满铜的还原区中，然后通过高精度的GC气相色谱柱进行分离。用热导检测器（TCD）检测燃烧气体（图2）。总运行时间小于10分钟。当使用NCS配置时，在反应器和GC柱之间安装了一个吸水剂过滤器。

 

                                G2.jpg

图 2. CHNS/O 结构.

对于氧的测定，以热裂解模式进行测定。样品在银容器中称重，并通过MAS&迟谤补诲别;自动进样器或通过AI 1310直接注射进样或AS1310液体进样器进样。反应器在1060°C下含有镍涂层碳进行裂解。样品中的氧与碳结合，形成一氧化碳，然后用GC气相色谱柱色谱法进行气体分离，并由TCD检测器检测（图2）。

FlashSmart™元素分析仪由EagerSmart数据处理软件自动生成一份完整的报告。

图3和图4显示了典型的CHNS和O测定的色谱图。

G3.jpg

图 3. 典型的 CHNS色谱图.

 

G4.jpg

Figure 4. 典型的O色谱图

 

测定结果

选择不同的橡胶和轮胎样品。样品分析没有任何预处理，只是切成小块进行分析。对于CHNS、NCS和S的测定，加入助燃剂五氧化二钒可使硫*转化为SO2。样品的称重量一般为2-3mg。

对于CHNS分析，仪器以BBOT（6.51N%，72.53C%，6.09H%，7.44S%）为标准品，使用K-factor作为校准方法进行校准。O分析以乙酰苯胺（11.84%）为标准，K-factor为校正方法进行校准。

 

表1显示了不同橡胶和轮胎样品的CHNS/O数据，而表2显示了其他类型橡胶和轮胎材料的CHNS测定。所有数据均具有良好的重复性，改变样品类型时没有任何基质残留效应。

 

表1 橡胶和轮胎样品的CHNS/O测定。

样品

N%

RSD%

C%

RSD%

H%

RSD%

S%

RSD%

O%

RSD%

橡胶 1

0.477
  0.481
  0.481

0.521

86.118
  85.735
  85.951

0.223

7.922
  7.916
  7.941

0.165

0.881
  0.899
  0.863

2.043

2.023
  1.999

0.823

橡胶 2

0.336
  0.321
  0.325

2.420

86.560
  86.233
  86.329

0.195

7.719
  7.674
  7.707

0.303

0.639
  0.634
  0.658

1.967

1.932
  1.904

1.010

橡胶 3

0.337
  0.324
  0.338

2.287

86.250
  86.210
  86.597

0.247

7.210
  7.271
  7.312

0.706

0.260
  0.254
  0.271

3.317

2.218
  2.245

0.862

 

0.792

 

73.961

 

6.856

 

3.151

 

4.345

 

轮胎 1

0.800

1.074

74.140

0.153

6.880

0.572

3.105

0.744

4.325

0.254

 

0.783

 

74.171

 

6.933

 

3.122

 

4.327

 

轮胎 2

0.529
  0.536

0.929

75.253
  75.370

0.110

7.187
  7.186

0.011

2.972
  2.937

0.838

3.752
  3.695
  3.609

1.953

轮胎 3

0.362
  0.370

1.546

87.505
  87.767

0.211

8.958
  8.973

0.112

0.823
  0.837

1.226

1.199
  1.178
  1.191

0.891

 

表2 橡胶和轮胎样品的CHNS测定

样品

N%

RSD%

C%

RSD%

H%

RSD%

S%

RSD%

 

0.628

 

82.447

 

11.279

 

0.797

 

橡胶 4

0.636

0.666

82.272

0.208

11.300

0.1045

0.799

0.503

 

0.633

 

82.104

 

11.298

 

0.792

 
 

0.625

 

82.210

 

11.263

 

1.095

 

橡胶 5

0.616

0.790

82.661

0.576

11.114

1.123

1.015

3.989

 

0.623

 

83.161

 

11.366

 

1.033

 
 

0.626

 

81.962

 

11.218

 

1.561

 

橡胶 6

0.628

0.470

81.866

0.320

11.249

0.243

1.553

0.606

 

0.622

 

82.361

 

11.272

 

1.572

 

轮胎 4

0.454

1.235

79.597

0.0701

6.945

0.0815

1.435

0.930

0.462

79.676

6.937

1.454

轮胎 5

0.436

1.475

82.672

0.0932

7.137

0.000

1.666

0.0848

0.427

82.781

7.137

1.668

 

表3显示了使用NCS模式分析的橡胶样品的再现性。

 

表3. NCS模式下橡胶的测定.

样品

N%

RSD%

C%

RSD%

S%

RSD%

橡胶 7

0.277

0.737

85.802

0.247

0.927

0.751

0.280

85.503

0.936

橡胶 8

0.290

2.447

85.130

0.068

1.546

1.779

0.300

85.047

1.585

橡胶 9

0.293

2.477

84.881

0.108

1.969

1.268

0.293

84.751

1.934

橡胶 10

0.283

1.091

83.229

0.001

3.798

1.281

0.287

83.230

3.730

 

表4通过分析一个新轮胎和一个使用六个月的轮胎中硫的含量，显示了从轮胎表面损失的硫值。这种效应被称为硫晕现象。

 

表4 硫晕现象测定结果。

样品  

 S% (新轮胎)

    S% (使用六个月的旧轮胎)

轮胎 A

2.605

2.484 – 2.499 – 2.487

轮胎 B

5.894

5.415 – 5.302 – 5.250

 

表5显示了橡胶样品热裂解方式测定氧含量。

表5&苍产蝉辫;橡胶样品的氧测定结果。

样品

O%

RSD%

橡胶 A

2.176

0.186

2.181

2.174

2.171

2.181

橡胶 B

1.825

0.622

1.819

1.837

1.810

1.810

橡胶 C

2.122

0.303

2.115

2.117

2.130

2.114

 

结论

赛默飞世尔™FlashSmart™元素分析仪能够从任何基质中定量测定元素，改变样品时无任何记忆效应。轮胎和橡胶样品的CHNS/O测定由FlashSmart™元素分析仪进行，样品无须任何预处理。FlashSmart™元素分析仪在自动化和高样品处理量方面满足实验室要求。该分析仪是模块化的，使实验室能够在一次运行中进行CHNS测定，并在改变配置的情况下快速切换到氧模式进行氧的测定。

 

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