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元素分析儀：CHNS/O的測定 在橡膠、輪胎中的應(yīng)用
簡介
橡膠和輪胎用于各種工業(yè)和不同的終端產(chǎn)品。橡膠是制造天然或合成輪胎的主要原材料。天然橡膠主要是碳?xì)浠衔铮菬崴苄缘摹榱讼愇兜炔涣继匦裕鹉z用硫、促進(jìn)劑和抗氧化劑處理，這些物質(zhì)通過減少空氣中氧（或臭氧）引起的劣化而延長橡膠產(chǎn)品的壽命。輪胎橡膠的另一個(gè)主要成分是炭黑，用于增加硬度、拉伸強(qiáng)度和耐磨性。嚴(yán)格的質(zhì)量控制從原材料供應(yīng)商開始。輪胎制造商要求原材料在交付工廠前進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。
生產(chǎn)過程中使用的試驗(yàn)之一是測定橡膠的元素組成。硫含量是橡膠制品質(zhì)量控制中重要的參數(shù)之一，是反映輪胎硫暈現(xiàn)象的主要指標(biāo)，是輪胎質(zhì)量損失的重要指標(biāo)。為了進(jìn)行質(zhì)量控制，需要測定橡膠中的有機(jī)元素。采用燃燒法測定碳、氫、氮、硫和氧。
賽默飛世爾™FlashSmart™元素分析儀（圖1）可以定量測定橡膠和輪胎中的碳、氫、氮、硫和氧。FlashSmart™元素分析儀基于樣品的動態(tài)燃燒，在一次分析過程中提供自動的對CHNS/O進(jìn)行測定，其中氧的測定是通過熱裂解的方式測定。
圖1：賽默飛世爾™FlashSmart™元素分析儀
本文提供了橡膠和輪胎中CHNS/O測定的數(shù)據(jù)，以顯示FlashSmart™元素分析儀的性能。
方法
對于CHNS測定，FlashSmart™元素分析儀使用動態(tài)閃燒法燃燒儀器。樣品在錫容器中稱重，并通過賽默飛世爾™*的MAS™自動進(jìn)樣器將樣品和氧氣同時(shí)送達(dá)到反應(yīng)管中。燃燒后，產(chǎn)生的氣體通過氦氣流被帶到充滿銅的還原區(qū)中，然后通過高精度的GC氣相色譜柱進(jìn)行分離。用熱導(dǎo)檢測器（TCD）檢測燃燒氣體（圖2）。總運(yùn)行時(shí)間小于10分鐘。當(dāng)使用NCS配置時(shí)，在反應(yīng)器和GC柱之間安裝了一個(gè)吸水劑過濾器。
圖 2. CHNS/O 結(jié)構(gòu).
對于氧的測定，以熱裂解模式進(jìn)行測定。樣品在銀容器中稱重，并通過MAS™自動進(jìn)樣器或通過AI 1310直接注射進(jìn)樣或AS1310液體進(jìn)樣器進(jìn)樣。反應(yīng)器在1060°C下含有鎳涂層碳進(jìn)行裂解。樣品中的氧與碳結(jié)合，形成一氧化碳，然后用GC氣相色譜柱色譜法進(jìn)行氣體分離，并由TCD檢測器檢測（圖2）。
FlashSmart™元素分析儀由EagerSmart數(shù)據(jù)處理軟件自動生成一份完整的報(bào)告。
圖3和圖4顯示了典型的CHNS和O測定的色譜圖。
圖 3. 典型的 CHNS色譜圖.
Figure 4. 典型的O色譜圖
測定結(jié)果
選擇不同的橡膠和輪胎樣品。樣品分析沒有任何預(yù)處理，只是切成小塊進(jìn)行分析。對于CHNS、NCS和S的測定，加入助燃劑五氧化二釩可使硫*轉(zhuǎn)化為SO2。樣品的稱重量一般為2-3mg。
對于CHNS分析，儀器以BBOT（6.51N%，72.53C%，6.09H%，7.44S%）為標(biāo)準(zhǔn)品，使用K-factor作為校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)。O分析以乙酰苯胺（11.84%）為標(biāo)準(zhǔn)，K-factor為校正方法進(jìn)行校準(zhǔn)。
表1顯示了不同橡膠和輪胎樣品的CHNS/O數(shù)據(jù)，而表2顯示了其他類型橡膠和輪胎材料的CHNS測定。所有數(shù)據(jù)均具有良好的重復(fù)性，改變樣品類型時(shí)沒有任何基質(zhì)殘留效應(yīng)。
表1 橡膠和輪胎樣品的CHNS/O測定。
樣品 | N% | RSD% | C% | RSD% | H% | RSD% | S% | RSD% | O% | RSD% |
橡膠 1 | 0.477 | 0.521 | 86.118 | 0.223 | 7.922 | 0.165 | 0.881 | 2.043 | 2.023 | 0.823 |
橡膠 2 | 0.336 | 2.420 | 86.560 | 0.195 | 7.719 | 0.303 | 0.639 | 1.967 | 1.932 | 1.010 |
橡膠 3 | 0.337 | 2.287 | 86.250 | 0.247 | 7.210 | 0.706 | 0.260 | 3.317 | 2.218 | 0.862 |
0.792 | 73.961 | 6.856 | 3.151 | 4.345 | ||||||
輪胎 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 | ||||||
輪胎 2 | 0.529 | 0.929 | 75.253 | 0.110 | 7.187 | 0.011 | 2.972 | 0.838 | 3.752 | 1.953 |
輪胎 3 | 0.362 | 1.546 | 87.505 | 0.211 | 8.958 | 0.112 | 0.823 | 1.226 | 1.199 | 0.891 |
表2 橡膠和輪胎樣品的CHNS測定
樣品 | N% | RSD% | C% | RSD% | H% | RSD% | S% | RSD% |
0.628 | 82.447 | 11.279 | 0.797 | |||||
橡膠 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 | |||||
橡膠 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 | |||||
橡膠 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 | |||||
輪胎 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 | |||||
輪胎 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顯示了使用NCS模式分析的橡膠樣品的再現(xiàn)性。
表3. NCS模式下橡膠的測定.
樣品 | N% | RSD% | C% | RSD% | S% | RSD% |
橡膠 7 | 0.277 | 0.737 | 85.802 | 0.247 | 0.927 | 0.751 |
0.280 | 85.503 | 0.936 | ||||
橡膠 8 | 0.290 | 2.447 | 85.130 | 0.068 | 1.546 | 1.779 |
0.300 | 85.047 | 1.585 | ||||
橡膠 9 | 0.293 | 2.477 | 84.881 | 0.108 | 1.969 | 1.268 |
0.293 | 84.751 | 1.934 | ||||
橡膠 10 | 0.283 | 1.091 | 83.229 | 0.001 | 3.798 | 1.281 |
0.287 | 83.230 | 3.730 |
表4通過分析一個(gè)新輪胎和一個(gè)使用六個(gè)月的輪胎中硫的含量，顯示了從輪胎表面損失的硫值。這種效應(yīng)被稱為硫暈現(xiàn)象。
表4 硫暈現(xiàn)象測定結(jié)果。
樣品 | S% (新輪胎) | S% (使用六個(gè)月的舊輪胎) |
輪胎 A | 2.605 | 2.484 – 2.499 – 2.487 |
輪胎 B | 5.894 | 5.415 – 5.302 – 5.250 |
表5顯示了橡膠樣品熱裂解方式測定氧含量。
表5 橡膠樣品的氧測定結(jié)果。
樣品 | O% | RSD% |
橡膠 A | 2.176 | 0.186 |
2.181 | ||
2.174 | ||
2.171 | ||
2.181 | ||
橡膠 B | 1.825 | 0.622 |
1.819 | ||
1.837 | ||
1.810 | ||
1.810 | ||
橡膠 C | 2.122 | 0.303 |
2.115 | ||
2.117 | ||
2.130 | ||
2.114 |
結(jié)論
賽默飛世爾™FlashSmart™元素分析儀能夠從任何基質(zhì)中定量測定元素，改變樣品時(shí)無任何記憶效應(yīng)。輪胎和橡膠樣品的CHNS/O測定由FlashSmart™元素分析儀進(jìn)行，樣品無須任何預(yù)處理。FlashSmart™元素分析儀在自動化和高樣品處理量方面滿足實(shí)驗(yàn)室要求。該分析儀是模塊化的，使實(shí)驗(yàn)室能夠在一次運(yùn)行中進(jìn)行CHNS測定，并在改變配置的情況下快速切換到氧模式進(jìn)行氧的測定。