ยางรถยนต์หนึ่งเส้นไม่ได้วัดคุณภาพกันแค่ความทนทานหรืออายุการใช้งาน แต่ยังซ่อนรายละเอียดสำคัญไว้ใน “องค์ประกอบธาตุ” ภายในเนื้อยาง บทความนี้จะพาไปดูว่าการวิเคราะห์ C, H, N, S และ O มีบทบาทอย่างไรต่อการควบคุมคุณภาพและเทคโนโลยี Elemental Analysis ช่วยเปิดเผยปัญหาอย่าง Sulfur Blooming ได้อย่างไร
ยางและยางรถยนต์เป็นวัสดุที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลากหลายอุตสาหกรรม โดยมีผลิตภัณฑ์ปลายทางที่แตกต่างกันออกไป วัตถุดิบหลักที่ใช้ในการผลิตยางรถยนต์คือยางธรรมชาติหรือยางสังเคราะห์ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วยางดิบมีโครงสร้างเป็นสารไฮโดรคาร์บอนและมีสมบัติเป็นเทอร์โมพลาสติก เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติที่ไม่พึงประสงค์ เช่น กลิ่นไม่พึงประสงค์ หรือความเสื่อมสภาพจากปัจจัยแวดล้อม ยางจึงถูกปรับสภาพด้วยกำมะถัน (Sulfur) สารเร่งปฏิกิริยา (Accelerators) และสารต้านอนุมูลอิสระ (Antioxidants) ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ยางโดยลดการเสื่อมสภาพที่เกิดจากออกซิเจนหรือโอโซนในบรรยากาศ
นอกจากนี้ คาร์บอนแบล็ก (Carbon black) ยังเป็นองค์ประกอบสำคัญในยางรถยนต์ โดยมีบทบาทในการเพิ่มความแข็งแรง ความต้านทานแรงดึง และความทนทานต่อการสึกหรอ การควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์ยางจึงเริ่มตั้งแต่กระบวนการจัดหาวัตถุดิบ โดยผู้ผลิตยางรถยนต์จำเป็นต้องมีการทดสอบคุณภาพของวัตถุดิบก่อนนำเข้าสู่กระบวนการผลิต
หนึ่งในกระบวนการทดสอบที่สำคัญคือการวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุของยาง โดยเฉพาะปริมาณกำมะถันซึ่งเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของคุณภาพผลิตภัณฑ์ เนื่องจากกำมะถันมีความเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ “Sulfur Blooming” ซึ่งแสดงถึงการเสื่อมคุณภาพของยางรถยนต์ เพื่อการควบคุมคุณภาพอย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุหลักในยาง ได้แก่ คาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) ไนโตรเจน (N) กำมะถัน (S) และออกซิเจน (O) โดยวิธีที่นิยมใช้คือวิธีการเผาไหม้ (Combustion method)
เครื่อง Thermo Scientific™ FlashSmart™ Elemental Analyzer สามารถใช้ในการวิเคราะห์เชิงปริมาณของธาตุ C, H, N และ S ด้วยเทคนิค Dynamic Flash Combustion และวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยเทคนิค Pyrolysis ในการวิเคราะห์แยกต่างหาก บทความนี้นำเสนอผลการวิเคราะห์องค์ประกอบ CHNS/O ในตัวอย่างยางและยางรถยนต์ เพื่อแสดงสมรรถนะของเครื่อง FlashSmart Elemental Analyzer
วิธีการทดลอง (Methods)
การวิเคราะห์ธาตุ C, H, N และ S ดำเนินการโดยอาศัยหลักการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว (Dynamic Flash Combustion) ตัวอย่างถูกชั่งน้ำหนักและบรรจุในภาชนะดีบุก (Tin capsule) จากนั้นป้อนเข้าสู่เตาเผาผ่านระบบ MAS Plus Autosampler พร้อมกับออกซิเจน ก๊าซที่ได้จากการเผาไหม้จะถูกพาไปด้วยก๊าซฮีเลียม ผ่านชั้นทองแดง (Copper reduction) และเข้าสู่คอลัมน์แก๊สโครมาโทกราฟี (GC column) เพื่อแยกชนิดของก๊าซ ก่อนตรวจวัดด้วยตัวตรวจจับแบบ Thermal Conductivity Detector (TCD) ระยะเวลาในการวิเคราะห์ทั้งหมดใช้เวลาน้อยกว่า 10 นาที ในกรณีการวิเคราะห์ด้วยโหมด NCS จะมีการติดตั้งกับดักดูดซับน้ำ (Anhydrone trap) ระหว่างเตาเผาและคอลัมน์ GC
การวิเคราะห์ออกซิเจน
การวิเคราะห์ออกซิเจนใช้โหมด Pyrolysis โดยตัวอย่างถูกบรรจุในภาชนะเงิน (Silver capsule) และป้อนเข้าสู่เตา Pyrolysis ที่บรรจุคาร์บอนเคลือบนิกเกิลที่อุณหภูมิ 1060 °C ออกซิเจนในตัวอย่างจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเกิดเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) จากนั้นถูกแยกและตรวจวัดด้วย TCD
การประมวลผลข้อมูลและรายงานผลการวิเคราะห์ดำเนินการโดยอัตโนมัติผ่านซอฟต์แวร์ Thermo Scientific™ EagerSmart™ Data Handling Software
ตัวอย่างยางและยางรถยนต์หลายชนิดถูกนำมาวิเคราะห์เพื่อประเมินสมรรถนะของระบบ โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเตรียมตัวอย่างล่วงหน้า นอกจากการตัดตัวอย่างให้มีขนาดเล็ก สำหรับการวิเคราะห์ CHNS และ NCS มีการเติม Vanadium Pentoxide เพื่อช่วยให้กำมะถันถูกเปลี่ยนรูปอย่างสมบูรณ์ น้ำหนักตัวอย่างที่ใช้ประมาณ 2–3 มิลลิกรัม
การสอบเทียบเครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์ CHNS ใช้มาตรฐาน BBOT โดยใช้วิธี K-factor ส่วนการวิเคราะห์ออกซิเจนใช้ Acetanilide เป็นสารมาตรฐาน ผลการวิเคราะห์ที่ได้แสดงในตารางที่ 1 และ 2 พบว่าค่าความเที่ยงซ้ำ (RSD) อยู่ในระดับต่ำ และไม่พบผลกระทบจาก matrix ของตัวอย่าง แม้จะเปลี่ยนชนิดของยางหรือยางรถยนต์
ตารางที่ 3 แสดงความสามารถในการทำซ้ำของการวิเคราะห์ในโหมด NCS ขณะที่ตารางที่ 4 แสดงให้เห็นการลดลงของปริมาณกำมะถันบริเวณผิวของยางรถยนต์เมื่อเปรียบเทียบระหว่างยางใหม่และยางที่ใช้งานมาแล้ว 6 เดือน ซึ่งเป็นลักษณะของปรากฏการณ์ Sulfur Blooming
สำหรับการวิเคราะห์ออกซิเจน ตารางที่ 5 แสดงค่าความเที่ยงซ้ำของการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Pyrolysis ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำและความเสถียรของระบบ
เครื่อง Thermo Scientific FlashSmart Elemental Analyzer สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุในตัวอย่างยางและยางรถยนต์ได้อย่างแม่นยำ ครอบคลุมทุกชนิดของ matrix โดยไม่เกิด memory effect ระหว่างการเปลี่ยนตัวอย่าง การวิเคราะห์ CHNS/O สามารถดำเนินการได้โดยไม่ต้องมีการเตรียมตัวอย่างล่วงหน้า
เครื่องมือมีความเหมาะสมต่อการใช้งานในห้องปฏิบัติการด้านควบคุมคุณภาพ เนื่องจากรองรับระบบอัตโนมัติและมีอัตราการวิเคราะห์ตัวอย่างสูง โครงสร้างของเครื่องสามารถปรับเปลี่ยนโหมดการทำงานได้ตามความต้องการ ทั้งการวิเคราะห์ CHNS ในรอบเดียว การวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยการเปลี่ยนชุดอุปกรณ์ รวมถึงการวิเคราะห์เฉพาะกำมะถันหรือไนโตรเจนได้อย่างยืดหยุ่น