Échantillons de caoutchouc

■ Introduction

Ce que nous appelons caoutchouc contient de nombreux types de composants. Certains produits contiennent un seul composant, tandis que d'autres contiennent un mélange de deux composants ou plus. Le caoutchouc vulcanisé contient également des composants non caoutchouteux, tels que des accélérateurs de vulcanisation, des antioxydants et des charges. L'obtention d'un spectre infrarouge pour le caoutchouc nécessite un prétraitement approprié pour la forme de l'échantillon et le type et la quantité de substances coexistantes. Les méthodes de mesure typiques pour les échantillons de caoutchouc présentées ci-dessous incluent la méthode des coupes minces, la méthode de solubilisation, la méthode de décomposition thermique, la méthode ATR et la méthode pyrolyse-GC-FTIR.

■ Méthode des Coupes Minces

Fig. 1 Spectre de Transmission du Caoutchouc Mélangé (Butyle - Caoutchouc Naturel) par Méthode des Coupes Minces (après Correction de la Ligne de Base)

C'est une méthode consistant à découper des sections minces à partir d'un échantillon de caoutchouc et à effectuer une analyse par la méthode de transmission. Elle permet l'analyse des échantillons de caoutchouc sans prétraitement tel que l'extraction ou la dissolution. Un microtome est utilisé pour trancher les échantillons. Comme le caoutchouc est mou, il doit être congelé avant d'être tranché. Par conséquent, un microtome avec un refroidisseur est nécessaire. Une méthode utilisant une cellule en diamant est une autre façon d'obtenir des sections minces de caoutchouc. Un petit fragment de caoutchouc est comprimé entre deux plaques d'ouverture en diamant pour créer un film mince de caoutchouc. Ce prétraitement est relativement simple et ne demande pas le degré de compétence élevé requis pour utiliser un microtome. La Fig. 1 montre des mesures de transmission par microscope infrarouge sur une section mince d'un mélange de caoutchouc butyle et de caoutchouc naturel dans une cellule en diamant.

■ Méthode de Décomposition Thermique

L'échantillon est thermiquement décomposé et le distillat est mesuré par la méthode de transmission. L'échantillon est placé dans un tube à essai et la base du tube à essai est chauffée à l'aide d'un bec Bunsen. Le condensat qui se forme dans la partie froide en haut du tube à essai est directement appliqué sur des plaques d'ouverture en NaCl ou KBr et le spectre infrarouge est mesuré. Comme le spectre incorpore également des ingrédients de mélange, il diffère souvent du spectre du caoutchouc brut.

■ Méthode de Solubilisation

L'échantillon est extrait dans une solution mixte acétone/chloroforme (32:68) et des composants tels que le soufre libre, la cire, l'huile minérale et l'agent assouplissant sont éliminés. Ensuite, un solvant à haut point d'ébullition, tel que le o-dichlorobenzène ou le tétrachloroéthane, est ajouté et recirculé pendant 2 à 30 heures jusqu'à ce que le contenu soit complètement dissous. Après refroidissement, du toluène est ajouté et la matière insoluble est filtrée. Le liquide obtenu est concentré sous vide et appliqué sur une plaque d'ouverture en KBr. Le solvant est laissé sécher et le spectre infrarouge est mesuré en utilisant la technique de la membrane liquide. Cette méthode implique la dissolution de l'échantillon, ce qui prend du temps, mais peut générer un spectre similaire à celui du caoutchouc brut.

■ Méthode de Réflexion Totale Atténuée (ATR)

Fig. 4 Spectre ATR du Caoutchouc Mélangé (Butyle - Caoutchouc Naturel)

La méthode ATR est une technique de mesure extrêmement simple qui ne nécessite aucun prétraitement de l'échantillon, contrairement aux méthodes décrites ci-dessus. L'échantillon est pressé contre un prisme à indice de réfraction élevé, tel que le KRS-5 ou le Ge, et le spectre infrarouge de la surface de l'échantillon est mesuré. Idéalement, l'échantillon doit être sous forme de feuille. Cependant, des échantillons de n'importe quelle forme peuvent être mesurés tant qu'ils peuvent être pressés contre le prisme. Un prisme en germanium (Ge) à indice de réfraction élevé est nécessaire pour analyser le caoutchouc noir à haute teneur en noir de carbone. Comme la méthode ATR obtient des informations sur le matériau jusqu'à une profondeur de plusieurs µm à partir de la surface de l'échantillon, il faut faire attention lors de l'analyse du spectre si la composition de l'échantillon varie en fonction de la profondeur ou si l'échantillon contient des dépôts de surface. La Fig. 4 montre le spectre ATR du même échantillon que la Fig. 1.

■ Méthode Pyrolyse-GC-FTIR

La méthode de décomposition thermique décrite ci-dessus permet uniquement l'analyse des composants condensés issus de la décomposition thermique. En revanche, la pyrolyse-GC-FTIR permet des mesures de spectre infrarouge en ligne pour les composants séparés après que les produits de décomposition thermique ont été introduits directement dans un chromatographe en phase gazeuse (GC). L'échantillon est d'abord thermiquement décomposé en le chauffant dans un dispositif de décomposition thermique. Après séparation dans la colonne GC, certains composants sont envoyés au détecteur FID et le reste à une cellule FTIR appelée "cellule à tuyau lumineux". Un four de chauffage ou un four de chauffage par induction haute fréquence (type point de Curie) est souvent utilisé comme dispositif de décomposition thermique.
Comme la pyrolyse-GC-FTIR peut mesurer le spectre infrarouge pour chaque composant séparé, elle permet l'analyse qualitative des différents composants ajoutés comme ingrédients de mélange, en plus des composants du caoutchouc. À mesure que le GC-FTIR devient courant avec les avancées techniques de la FTIR, cette méthode est susceptible de connaître une utilisation généralisée dans l'analyse du caoutchouc.

■ Conclusions

Les méthodes de mesure pour les échantillons de caoutchouc sont décrites ci-dessus. Une comparaison entre la Fig. 1 et la Fig. 4 montre que le spectre diffère en fonction de la méthode de prétraitement utilisée. Par conséquent, le caoutchouc doit être identifié en comparant le spectre infrarouge à des spectres standards obtenus en utilisant la même méthode de prétraitement.

■ Référence

Japan Society for Analytical Chemistry, Division of Polymer Analysis and Characterization, "Koubunshi Bunseki Handobukku (Polymer Analysis Handbook), p. 516-520, Asakura Publishing Co., Ltd. (1986)