Using Deconvolution Analysis to Detect Vulcanizing Accelerator-Related Compounds in Tire Rubber

Detekce sloučenin souvisejících se zrychlovači vulkanizace v pneumatikách pomocí dekonvoluční analýzy

Význam tématu

Analýza aditiv v gumových směsích pneumatik je zásadní pro vývoj materiálů, kvalitu výroby a environmentální posouzení. Zrychlovače vulkanizace a jejich produktové stopy ovlivňují mechanické vlastnosti, životnost a chování při degradaci; zároveň některé deriváty mohou mít toxikologický nebo ekologický význam. Metody schopné spolehlivě detekovat stopové množství těchto sloučenin v komplexním matrixu pneumatik jsou proto klíčové pro výzkum, kontrolu kvality a regulace.

Cíle a přehled studie / článku

Studie představuje použití dekonvoluční analýzy v softwaru LabSolutions Insight Explore GCMS spolu se simultánní Py-GC-MS/FPD(S) analýzou pro detekci a charakterizaci sloučenin souvisejících se zrychlovači vulkanizace a dalších aditiv v malých množstvích přímo z pneumatik. Cílem bylo zlepšit detekci drobných píků, které se v celkovém iontovém chromatogramu (TIC) ztrácejí kvůli koeluci a složitému pozadí.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Vzorek: přibližně 0,5 mg fragmentu pneumatiky umístěný v pyrolyzačním kelímku.
• Technika: pyrolytická desorpce (TD) / Py-GC-MS s minimální předúpravou vzorku.
• Data: GC–MS záznamy zpracované dekonvoluční analýzou v LabSolutions Insight Explore GCMS; doplňková selektivní detekce síry pomocí FPD(S).
• Identifikace: vyhledávání v NIST (verze 2023) a Polymer Additives Library Ver. 2 (Shimadzu) obsahující klasifikační data aditiv.

Instrumentace (uvedena v textu):

• Pyrolyzér s TD-GC/MS (pyrolytická desorpce do GC).
• GC–MS přístroje: GCMS-QP2020 NX a GCMS-QP2050 (uveřejněné modely Shimadzu).
• Detektor: FPD(S) ve splitovacím systému pro simultánní záznam MS a selektivní detekce síry.
• Software: LabSolutions Insight Explore GCMS pro dekonvoluci a zpracování dat.
• Knihovny: NIST23 (2023) a Polymer Additives Library Ver. 2.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní poznatky:

• Dekonvoluční analýza automaticky extrahovala a charakterizovala velmi malé píků, které byly v surovém TIC obtížně rozlišitelné nebo skryté koelucí.
• FPD(S) identifikoval pík(y) obsahující síru, což pomohlo upřednostnit sířité kandidáty z výsledků vyhledávání v knihovně a zvýšit přesnost přiřazení (příklad: pík No.5 – původně jako fluor-substituovaný benzimidazol, ale FPD(S) nasvědčil síře; druhý kandidát N-phenyl-2-benzothiazole byl díky tomuto doplňku rozumnější volbou).
• Seznam hlavních detekovaných sloučenin ukázal převahu benzothiazolových struktur, což indikovalo použití benzothiazolového typu zrychlovače vulkanizace v analyzovaném vzorku.

Shrnutí identifikovaných aditiv (klíčové body z Table 1):

• Sířaté sloučeniny spojené se zrychlovači (číslované 1–6): obecné typy zahrnovaly benzothiazol, 2-(methylmercapto)benzothiazol, 2(3H)-benzothiazolon, 2-fenylbenzothiazol, N-phenyl-2-benzothiazolaminu a 2,2′-bibenzothiazol. Tyto sloučeniny vykazují podobný benzothiazolový skelet.
• Další detekovaná aditiva (číslované 7–9): byly identifikovány jako běžné anti-degradanty – např. 6PPD (N-(1,3-dimethylbutyl)-N′-phenyl-p-phenylenediamine) a směsné alkylfenoly (mono/di/tri alpha-methylbenzyl phenol), které nejsou zrychlovači vulkanizace, ale slouží jako antioxidanty/anti-degradanty.

Diskuse:

• Kombinace dekonvoluce a selektivního FPD(S) signálu výrazně snižuje riziko chybné identifikace způsobené koelucí a nízkou intenzitou píků při použití samotného TIC/MS.
• Vyhledávání v specializované Polymer Additives Library poskytlo přidanou hodnotu díky kategorizaci a kontextu u pravděpodobných aditiv, čímž usnadnilo interpretaci výsledků.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy:

• Rychlá analýza bez rozsáhlé předúpravy vzorku – Py-GC-MS umožňuje přímé sledování aditiv a pyrolyzačních produktů.
• Zvýšená citlivost a selektivita pro síru díky FPD(S) zvyšuje jistotu identifikace sířatých určení aditiv.
• Dekonvoluční analýza automatizuje detekci stopových píků a snižuje potřebu manuální inspekce chromatogramů, což šetří čas v R&D i QA/QC laboratořích.
• Specializovaná knihovna aditiv usnadňuje klasifikaci a interpretaci nálezů, což je užitečné pro výrobce pryží, testování složení materiálu a forenzní analýzy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry rozvoje a aplikace:

• Další integrace více selektivních detektorů (např. SCD, MS/MS) a pokročilých algoritmů dekonvoluce či strojového učení pro lepší rozlišení silně koeluujících složek.
• Rozšíření knihoven o více průmyslově specifických dat a fragmentačních vzorů pro přesnější automatickou identifikaci neočekávaných degradátů či aditiv.
• Standardizace pracovních postupů pro monitoring látek s environmentálním a toxikologickým rizikem (např. sledování rozpadových produktů 6PPD a souvisejících fenolů).
• Využití metody při sledování stárnutí pneumatik, odhalování padělků či prokazování dodržení receptur v dodavatelském řetězci.

Závěr

Dekonvoluční analýza v kombinaci se simultánním Py-GC-MS a selektivní FPD(S) poskytuje robustní přístup pro odhalení a charakterizaci stopových sloučenin souvisejících se zrychlovači vulkanizace v komplexním matrixu pneumatik. Použití specializovaných knihoven dále zvyšuje spolehlivost identifikací. Tato kombinace metod je praktická pro výzkum materiálů, kontrolu kvality a environmentální sledování a představuje efektivní nástroj pro analytiky v průmyslu pryží.

Reference

• Kudo Y., Miyamoto A., Aoyama Y., Kitano R., Using Deconvolution Analysis to Detect Vulcanizing Accelerator-Related Compounds in Tire Rubber, Shimadzu Application News, First Edition Apr. 2026.
• Shimadzu Application News No. 01-00901: Analysis of Base Material and Additives in Tire Rubber — Pyrolysis-GC-MS/FPD Detector Splitting.
• NIST Mass Spectral Library, 2023.
• Polymer Additives Library Ver. 2, Shimadzu Corporation.