Analysis of Base Material and Additives in Tire Rubber

Význam tématu

Analýza základních materiálů a přísad v pryži pneumatik je klíčová pro optimalizaci jejich odolnosti vůči opotřebení a minimalizaci emisí částic pryže s nebezpečnými sloučeninami do životního prostředí. Pneumatikami vzniklé a cestou do ovzduší, vody či půdy se dostávající tzv. TRWP (tire and road wear particles) obsahují vulkanizační urychlovače, antioxidanty a další aditiva, která mohou představovat ekologické riziko.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentované aplikace bylo demonstrovat kombinované použití pyrolytického GC-MS s děleným detekčním systémem FPD(S)/MS pro rychlou a selektivní detekci a identifikaci polymerního základu a sírnatých aditiv v pryži pneumatik. Studie se řídila mezinárodní normou ISO/TS 21396:2017.

Použitá metodika

Byly provedeny následující kroky:

• Evolved Gas Analysis (EGA-MS): přímá pyrolytická analýza vzorků (0,2 mg) s kontinuálním nárůstem teploty (80 °C až 700 °C) pro stanovení teplotních rozsahů rozkladu polymeru.
• Thermal Desorption (TD)-GC/MS/FPD: separační analýza uvolněných aditiv při teplotách od 60 °C do 370 °C, doplněná dělením toku mezi mass-spectrometr (MS) a selektivní FPD detektor (poměr dělení cca 1:10).

Použitá instrumentace

• Pyrolyzer Unit EGA/PY-3030D Multi-Shot Pyrolyzer
• AS-1020E Auto-Shot Sampler (Frontier Laboratories Ltd.)
• GC-MS: Shimadzu GCMS-QP2020 NX
• FPD detektor: FPD-2030 s 2-cestným SMI splitterem a APC
• Kapilární kolony: UA-DTM (2,5 m × 0,15 mm) a SH-Rtx-5SilMS (30 m × 0,25 mm, df 0,25 µm)

Hlavní výsledky a diskuse

EGA-MS termogram ukázal hlavní rozkladové produkty polymeru v oblasti 370–500 °C, podle průměrného hmotnostního spektra byl základní materiál identifikován jako styren-butadienová pryž (SBR). Rameno termogramu mezi 240–370 °C indikovalo uvolňování nízkomolekulárních složek, které byly dále analyzovány metodou TD-GC/MS/FPD. FPD(S) chromatogram selektivně detekoval čtyři hlavní sírnaté sloučeniny, jejichž struktury byly potvrzeny MS a NIST-23 knihovnou s podobností ≥ 80 %:

• Benzothiazole
• 2-(Methylmercapto)benzothiazole
• 2-Benzothiazolinone
• 2,2′-Bibenzothiazole

Implementace děleného detekčního systému výrazně zkrátila čas analýzy a zjednodušila nastavení komplexních parametrů ve SW LabSolutions GCMS.

Přínosy a praktické využití metody

• Selektivní a vysoce citlivá detekce sírnatých aditiv pomocí FPD při současné kvalitativní analýze MS.
• Absence předúpravy vzorků díky přímé pyrolytickému načítání.
• Možnost rychlého screeningu a kvantifikace komponent v průmyslovém QA/QC a environmentálním monitoringu.
• Podpora vývoje odolnějších směsí pryží s nižší tvorbou TRWP.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření metodiky o kvantitativní stanovení aditiv a polymerů.
• Integrace dalších selektivních detektorů (např. NPD, ECD) pro širší spektrum analytů.
• Automatizace workflow a rozšíření spektrálních knihoven pro lepší identifikaci mikroplastických částic.
• Aplikace v environmentální chemii, forenzní analýze a recyklačních technologiích.

Závěr

Demonstrovaná kombinace Py-GC-MS s děleným FPD(S)/MS systémem poskytuje efektivní a spolehlivý nástroj pro komplexní charakterizaci pryže pneumatik. Metoda umožňuje simultánní detekci základního polymeru i klíčových sírnatých aditiv, což je zásadní pro optimalizaci směsí a minimalizaci ekologického dopadu TRWP.

Reference

• ISO/TS 21396:2017 Rubber – Determination of mass concentration of tire and road wear particles (TRWP) in soil and sediments – Pyrolysis-GC/MS method