Points à noter dans l'analyse du caoutchouc : caoutchouc noir
Il existe de nombreux types de caoutchouc dans le monde. De manière générale, le caoutchouc peut être classé comme caoutchouc naturel ou caoutchouc synthétique. La grande majorité du caoutchouc vendu dans le commerce est classée comme caoutchouc synthétique. Les caoutchoucs synthétiques contiennent généralement de nombreux composants autres que le caoutchouc. Les substances qui sont combinées avec le caoutchouc peuvent être largement classées en fonction de leurs effets en tant qu'agents de vulcanisation, accélérateurs de vulcanisation, retardateurs de vulcanisation, antioxydants, charges et plastiques. Les performances d'usinage et les performances des produits en caoutchouc peuvent être modifiées en changeant les combinaisons et les quantités de ces substances. Les produits en caoutchouc apparaissent dans presque tous les aspects de la vie quotidienne, par exemple, les pièces en caoutchouc utilisées dans les pneus et les essuie-glaces des automobiles, les imperméables et autres types de vêtements, les balles indispensables pour des sports tels que le football et le rugby, et les joints pour les appareils ménagers.
Pour obtenir des spectres infrarouges de ces produits en caoutchouc, les méthodes de prétraitement et de mesure appropriées doivent être sélectionnées en fonction de leur couleur et de leur forme. Ici, en utilisant des exemples réels, je présenterai quelques points concernant la sélection des prismes utilisés pour analyser le caoutchouc noir avec la méthode ATR.
Fig. 1 Spectres de NBR Contenant du Carbone Méthode : ATR à Réflexion Unique (Prisme : Diamant)
Ici, les spectres ont été obtenus pour des échantillons contenant du carbone en quantités allant de 1 à 50 % en poids en utilisant trois types de prismes, et les spectres ont été évalués. Le NBR (caoutchouc nitrile butadiène) a été utilisé comme matériau de caoutchouc analysé.
La Fig. 1 montre un superposition des spectres obtenus pour le NBR contenant du carbone en quantités allant de 1 à 50 % en poids en utilisant un prisme en diamant (indice de réfraction, n = 2,4). Du bas de la Fig. 1, les quantités respectives de carbone sont de 1, 3, 5, 10, 16, 20, 30, 40 et 50 % en poids.
On peut voir à partir de la Fig. 1 que, à mesure que la quantité de carbone augmente, la ligne de base du spectre monte, particulièrement à l'extrémité droite. Ce phénomène se produit parce que le carbone a une absorbance dans toute la région infrarouge et parce qu'avec la méthode ATR, la lumière pénètre à une profondeur relativement grande dans la région des faibles nombres d'ondes. (Référez-vous à la FAQ dans FTIR TALK LETTER Vol. 6 pour plus de détails.) On peut voir que, si un prisme en diamant est utilisé, l'extrémité droite est particulièrement élevée pour des quantités de carbone de 10 % en poids ou plus.
Fig. 2 Déplacement du Pic de la Vibration de Flexion Hors du Plan C=C-H (Groupe Trans-vinylène) (Prisme : Diamant)
La Fig. 2 indique la relation entre la position du pic et la quantité de carbone. Le pic utilisé pour l'évaluation correspond à la vibration de flexion hors du plan C=C-H (groupe trans-vinylène) du polybutadiène représentatif du NBR et qui existe à 966 cm-1.
On peut voir à la Fig. 2 que, lorsque la quantité de carbone dépasse 30 % en poids, le pic commence à se déformer et sa position est fortement déplacée vers la région des faibles nombres d'ondes. De plus, on peut voir que, si un prisme en diamant est utilisé, il y a un pic descendant dans le voisinage de la plage de 2 400 à 2 000 cm-1. (Référez-vous au voisinage de la plage de 2 400 à 2 000 cm-1 dans la Fig. 1.) Ce pic descendant représente une inversion de l'absorbance du diamant lui-même (résidu d'absorbance). Bien que le NBR, qui a été utilisé pour l'analyse à cette occasion, ait un pic caractéristique du groupe nitrile près de 2240 cm-1, si un prisme en diamant est utilisé, lorsque la quantité de carbone dépasse 20 % en poids, il devient difficile de distinguer le pic du résidu d'absorbance du prisme, et pour des quantités de carbone dépassant 40 % en poids, le groupe nitrile est complètement caché par le résidu d'absorbance. (Référez-vous à la Fig. 3.)
Fig. 3 Résidu d'Absorbance du Prisme en Diamant
Fig. 4 Positions des Correspondances dans la Recherche Spectrale
À titre de référence, la Fig. 4 montre les résultats (c'est-à-dire les positions des correspondances) d'une recherche de spectres d'échantillons de NBR contenant différentes quantités de carbone effectuée avec la base de données Sadtler (bibliothèque ATR des polymères). Les quantités de carbone contenues dans le NBR utilisées dans la recherche étaient de 1, 5, 10, 16, 20, 24, 30, 40 et 50 % en poids. (Notez que l'algorithme de recherche varie selon l'entreprise. Les positions des correspondances doivent être utilisées uniquement à titre indicatif.)
On peut voir à partir de ce graphique que, lorsque la quantité de carbone dépasse 10 % en poids, la position des correspondances commence à diminuer, et pour des teneurs en carbone de 30 % en poids ou plus, il n'y a pratiquement plus de correspondances. (Pour une teneur en carbone de 30 % en poids, il n'y avait aucune correspondance dans les 200 premières positions.) Les raisons possibles de cela sont (1) la ligne de base monte à l'extrémité droite, (2) la position du pic est déplacée vers la région des faibles nombres d'ondes, et (3) le groupe nitrile est caché par le résidu d'absorbance du diamant.
Fig. 5 Spectres de NBR Contenant du Carbone Méthode : ATR à Réflexion Unique (Prisme : ZnSe)
Ensuite, les mêmes échantillons ont été analysés en utilisant un prisme ZnSe avec le même indice de réfraction que le prisme en diamant, 2,4. La Fig. 5 montre les spectres obtenus. Du bas de la Fig. 5, les quantités respectives de carbone sont de 1, 5, 10, 16, 20, 30, 40 et 50 % en poids.
On peut voir à partir de la Fig. 5 que, bien qu'il n'y ait pas de résidu d'absorbance du diamant dans le voisinage de la plage de 2 400 à 2 000 cm-1, les spectres présentent les mêmes tendances que ceux obtenus avec un prisme en diamant, c'est-à-dire la montée de la ligne de base à droite, le déplacement de la position du pic vers la région des faibles nombres d'ondes et la distorsion du pic. Cela est dû au fait que les indices de réfraction du diamant et du ZnSe sont presque identiques. Par conséquent, même avec un prisme ZnSe, une analyse qualitative précise basée sur des recherches est possible pour des quantités de carbone allant jusqu'à environ 20 % en poids.
Fig. 6 Spectres de NBR Contenant du Carbone Méthode : ATR à Réflexion Unique (Prisme : Ge)
Enfin, la Fig. 6 montre des exemples de spectres obtenus avec un prisme Ge. Du bas de la Fig. 6, les quantités respectives de carbone sont de 1, 3, 5, 10, 16, 20, 30, 40 et 50 % en poids. On peut voir à partir de la Fig. 6 que, bien que la ligne de base monte à droite comme avec les prismes en diamant et ZnSe, il y a peu de distorsion du pic jusqu'à une teneur en carbone de 50 % en poids. Cela est dû au fait que l'indice de réfraction du Ge (n = 4,0) est plus élevé que celui du diamant et du ZnSe (n = 2,4). Si un prisme Ge est utilisé, cependant, la lumière ne pénètre qu'à une profondeur relativement faible par rapport aux prismes en diamant et ZnSe, de sorte que l'intensité des pics obtenus est plus faible. (Référez-vous aux axes verticaux des Fig. 1 et 6.)
J'ai également étudié le déplacement des pics et l'ordre des correspondances de recherche pour les spectres obtenus avec le prisme Ge. Les résultats sont montrés dans les Fig. 7 et 8.
On peut voir que, si un prisme Ge est utilisé pour l'analyse, il y a peu de changement dans la position du pic. De plus, on peut voir à partir de la Fig. 8 que, par rapport à l'analyse effectuée en utilisant un prisme en diamant, il est plus facile d'obtenir des correspondances.
J'ai effectué une recherche pour le spectre du prisme Ge obtenu pour le NBR avec une teneur en carbone de 50 % en poids après l'avoir soumis à une correction de ligne de base multipoint. En conséquence, j'ai obtenu une correspondance en première position.
On peut donc voir que l'utilisation d'un prisme Ge permet d'obtenir des spectres ATR efficaces pour l'analyse qualitative du NBR avec une teneur en carbone de 50 % en poids.
Incidemment, le NBR avec des concentrations élevées de carbone (c'est-à-dire 60 % en poids ou plus) ne peut pas être fabriqué car il est impossible de maintenir les formes du caoutchouc.
