JP7175744B2 - Sulfur chemical state analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、硫黄を含有するゴム材料における硫黄化学状態を解析する方法に関する。 The present invention relates to a method for analyzing sulfur chemical states in sulfur-containing rubber materials.

ゴム材料において、ゴム分子間を結ぶ架橋点の導入により三次元的な網目構造を形成させる架橋反応(加硫反応ともいう。)は、ゴム弾性を発現する上で不可欠である。従来、架橋反応の進行度合いを調べる方法としては、レオメーターを用いたトルク値の変化を測定するという力学物性による解析が一般的である。しかしながら、力学物性による解析は間接的な手法であり、架橋反応をより直接的に解析する手法が求められる。 In a rubber material, a cross-linking reaction (also referred to as a vulcanization reaction) that forms a three-dimensional network structure by introducing cross-linking points connecting rubber molecules is essential for developing rubber elasticity. Conventionally, as a method for examining the degree of progress of the cross-linking reaction, analysis based on mechanical properties, in which changes in torque values are measured using a rheometer, is generally used. However, analysis based on mechanical properties is an indirect method, and a more direct method for analyzing the cross-linking reaction is required.

非特許文献1には、架橋反応を動的に追跡する方法(in-situ測定)として、未加硫ゴム材料を加熱しながら、亜鉛のK殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することが記載されている。この文献では、未加硫ゴム材料に配合される酸化亜鉛に着目し、架橋反応に進行に伴い、酸化亜鉛(ZnO)が硫化亜鉛(ZnS)に変化する過程を、亜鉛を対象元素とするXAFSスペクトルの変化から解析している。 In Non-Patent Document 1, as a method of dynamically tracking the cross-linking reaction (in-situ measurement), an X-ray absorption spectrum of the K-shell absorption edge of zinc can be obtained while heating the unvulcanized rubber material. Have been described. In this document, attention is paid to zinc oxide blended in the unvulcanized rubber material, and the process in which zinc oxide (ZnO) changes to zinc sulfide (ZnS) as the crosslinking reaction progresses is investigated by XAFS with zinc as the target element. It is analyzed from the change of the spectrum.

ところで、非特許文献2には、加硫促進剤であるスルフェンアミドの熱反応について、硫黄K殻吸収端についてのXAFS測定により解析することが記載されている。しかしながら、この文献では、加硫促進剤の粉末をそのまま加熱しつつX線を照射してX線吸収スペクトルを取得するものであり、ゴム材料を用いて解析することについては記載されていない。 By the way, Non-Patent Document 2 describes that the thermal reaction of sulfenamide, which is a vulcanization accelerator, is analyzed by XAFS measurement of the sulfur K-shell absorption edge. However, in this document, an X-ray absorption spectrum is obtained by irradiating X-rays while heating the vulcanization accelerator powder as it is, and analysis using a rubber material is not described.

特開2017-198548号公報JP 2017-198548 A

福森健三「時分割XAFS法による硫黄架橋配合ゴムの架橋反応解析」、日本ゴム協会誌、第87巻、第3号、2014年、83-88頁Kenzo Fukumori, "Crosslinking Reaction Analysis of Sulfur Crosslinking Compound Rubber by Time Division XAFS Method", Journal of the Japan Rubber Association, Vol. 87, No. 3, 2014, pp. 83-88 S. Tanaka他5名、「A study on thermal reactionwith sulfenamide as vulcanization accelerator by means of S K-edge NEXAFS」、HiSOR Activity Report 2015、44-45頁S. Tanaka and 5 others, "A study on thermal reaction with sulfenamide as vulcanization accelerator by means of S K-edge NEXAFS", HiSOR Activity Report 2015, pp. 44-45

本発明は、硫黄を含有するゴム材料における加熱による硫黄化学状態の変化を解析することができる方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method capable of analyzing changes in the chemical state of sulfur due to heating in rubber materials containing sulfur.

本発明に係る硫黄化学状態解析方法は、硫黄を含有するゴム材料に対し、加熱しながらX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより、硫黄の化学状態の変化を解析するものである。 In the sulfur chemical state analysis method according to the present invention, a sulfur-containing rubber material is irradiated with X-rays while being heated to obtain an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge, thereby determining the chemical state of sulfur. It analyzes changes.

一実施形態において、前記X線吸収スペクトルを、硫黄-硫黄間成分及び硫黄-炭素間成分を含む少なくとも2つの成分でフィッティングし、硫黄-硫黄間成分のピーク面積と硫黄-炭素間成分のピーク面積との少なくとも一方を算出して当該少なくとも一方の変化をみてもよい。また、前記X線吸収スペクトルを、硫黄-硫黄間成分、硫黄-炭素間成分及び硫黄-亜鉛間成分を含む少なくとも3つの成分でフィッティングし、硫黄-亜鉛間成分のピーク面積を算出して当該硫黄-亜鉛間成分の変化をみてもよい。 In one embodiment, the X-ray absorption spectrum is fitted with at least two components including a sulfur-sulfur component and a sulfur-carbon component, and the peak area of the sulfur-sulfur component and the peak area of the sulfur-carbon component At least one of and may be calculated to see a change in at least one of them. Further, the X-ray absorption spectrum is fitted with at least three components including a sulfur-sulfur component, a sulfur-carbon component and a sulfur-zinc component, and the peak area of the sulfur-zinc component is calculated to calculate the sulfur - You may look at changes in the inter-zinc content.

本発明によれば、硫黄を含有するゴム材料について、加熱による硫黄化学状態の変化を解析することができる。 According to the present invention, it is possible to analyze changes in the chemical state of sulfur due to heating of a sulfur-containing rubber material.

加熱時間によるX線吸収スペクトルの変化を示す図Diagram showing change in X-ray absorption spectrum with heating time X線測定装置における測定試料まわりの一構成例を示す概念図Conceptual diagram showing a configuration example around a measurement sample in an X-ray measurement device X線測定装置における測定試料まわりの他の構成例を示す概念図Conceptual diagram showing another configuration example around the measurement sample in the X-ray measurement device 硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルの一例を示す図Figure showing an example of X-ray absorption spectrum of sulfur K-shell absorption edge 硫黄-硫黄間成分に用いる非対称ガウス関数を示す図Diagram showing the asymmetric Gaussian function used for the sulfur-sulfur component 硫黄-硫黄間成分と硫黄-炭素間成分と硫黄-亜鉛間成分の加熱時間による変化を示す図Graph showing changes in sulfur-sulfur component, sulfur-carbon component, and sulfur-zinc component with heating time 硫黄-硫黄間成分と硫黄-炭素間成分の割合の加熱時間による変化を示す図Diagram showing changes in ratio of sulfur-sulfur component and sulfur-carbon component with heating time

以下、本発明の実施に関連する事項について詳細に説明する。 Matters related to the implementation of the present invention will be described in detail below.

本実施形態において、測定対象である硫黄を含有するゴム材料としては、硫黄を含有するものであれば、架橋(即ち、加硫)されていない未加硫ゴム材料でもよく、架橋された加硫ゴム材料でもよい。ここで、ゴム材料中に含まれる硫黄とは、硫黄単体でもよく、例えば加硫促進剤のように分子中に硫黄原子を含む化合物(硫黄含有化合物)における硫黄でもよい。 In the present embodiment, the sulfur-containing rubber material to be measured may be an unvulcanized rubber material that is not crosslinked (that is, vulcanized), or a crosslinked vulcanized rubber material, as long as it contains sulfur. A rubber material may also be used. Here, the sulfur contained in the rubber material may be sulfur alone, or may be sulfur in a compound containing a sulfur atom in the molecule (sulfur-containing compound) such as a vulcanization accelerator.

一実施形態において、ゴム材料は、ゴムポリマーに硫黄等の加硫剤を含む種々の配合剤を配合してなるものである。ゴムポリマーとしては、例えば、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(X-IIR)、スチレンイソプレンブタジエンゴム(SIBR)などのジエン系ゴムが挙げられ、これらはそれぞれ単独で又は2種類以上ブレンドして用いることができる。 In one embodiment, the rubber material is obtained by blending rubber polymers with various compounding agents including a vulcanizing agent such as sulfur. Examples of rubber polymers include natural rubber (NR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), halogen Diene-based rubbers such as butylated butyl rubber (X-IIR) and styrene isoprene-butadiene rubber (SIBR) can be mentioned, and these can be used alone or in a blend of two or more.

ゴム材料には、加硫剤としての硫黄を配合してもよく、例えば、粉末硫黄、沈降硫黄、コロイド硫黄、不溶性硫黄、高分散性硫黄などの硫黄が挙げられる。一実施形態として、硫黄の配合量は、ゴムポリマー100質量部に対して0.1~10質量部でもよく、0.5~8質量部でもよい。 The rubber material may be compounded with sulfur as a vulcanizing agent, and examples thereof include sulfur such as powdered sulfur, precipitated sulfur, colloidal sulfur, insoluble sulfur, and highly dispersible sulfur. As one embodiment, the amount of sulfur compounded may be 0.1 to 10 parts by mass or 0.5 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer.

ゴム材料には、硫黄とともに、又は硫黄の代わりに、硫黄含有化合物からなる加硫促進剤を配合してもよい。硫黄含有化合物ではない加硫促進剤を用いてもよい。加硫促進剤の配合量は、例えば、ゴムポリマー100質量部に対して0.1~7質量部でもよく、0.5~5質量部でもよい。 The rubber material may be compounded with a vulcanization accelerator comprising a sulfur-containing compound together with or instead of sulfur. Vulcanization accelerators that are not sulfur-containing compounds may also be used. The amount of the vulcanization accelerator compounded may be, for example, 0.1 to 7 parts by mass or 0.5 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer.

ゴム材料には、また、酸化亜鉛、充填剤、シランカップリング剤、オイル等の軟化剤、可塑剤、老化防止剤、ステアリン酸、ワックス、加硫促進剤など、通常ゴム工業で使用される各種配合剤を配合することができる。酸化亜鉛の配合量は、例えば、ゴムポリマー100質量部に対して0.1~10質量部でもよく、0.5~5質量部でもよい。充填剤としては、例えば、カーボンブラック及び/又はシリカなどの各種無機充填剤が挙げられる。充填剤の配合量は、例えば、ゴムポリマー100質量部に対して10~200質量部でもよく、20~150質量部でもよい。 Rubber materials also include zinc oxide, fillers, silane coupling agents, softeners such as oils, plasticizers, anti-aging agents, stearic acid, waxes, vulcanization accelerators, and various other substances commonly used in the rubber industry. Compounding agents can be compounded. The amount of zinc oxide compounded may be, for example, 0.1 to 10 parts by mass or 0.5 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer. Fillers include, for example, various inorganic fillers such as carbon black and/or silica. The amount of the filler compounded may be, for example, 10 to 200 parts by mass or 20 to 150 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer.

未加硫ゴム材料は、例として、バンバリーミキサーなどの混合機を用いて各成分を常法に従い混練することにより作製することができる。また、該未加硫ゴム材料を常法に従い加熱して加硫してなる加硫ゴム材料を測定対象として用いてもよい。 The unvulcanized rubber material can be produced, for example, by kneading each component according to a conventional method using a mixer such as a Banbury mixer. Alternatively, a vulcanized rubber material obtained by heating and vulcanizing the unvulcanized rubber material according to a conventional method may be used as the object to be measured.

測定対象としてのゴム材料の形状は、特に限定されず、例えばシート状のものを用いることができる。一実施形態として、測定対象としては、シート状に成形した未加硫ゴムシートでもよく、該未加硫ゴムシートを加硫してなる加硫ゴムシートでもよく、あるいはまた、タイヤ等の加硫ゴム製品からシート状に切り出したものを用いてもよい。 The shape of the rubber material to be measured is not particularly limited, and for example, a sheet-like one can be used. In one embodiment, the object to be measured may be an unvulcanized rubber sheet molded into a sheet shape, a vulcanized rubber sheet obtained by vulcanizing the unvulcanized rubber sheet, or a vulcanized tire or the like. A sheet cut out from a rubber product may also be used.

本実施形態では、上記ゴム材料に対し、加熱しながらX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する。詳細には、上記ゴム材料を加熱しつつ、熱によるゴム材料の経時変化を調べるために、所定時間毎にゴム材料にX線を照射して、硫黄吸収端におけるXAFS法による測定を行う。 In this embodiment, the rubber material is irradiated with X-rays while being heated to obtain an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge. Specifically, while the rubber material is being heated, the rubber material is irradiated with X-rays at predetermined time intervals to measure the sulfur absorption edge by the XAFS method in order to examine the thermal change of the rubber material over time.

一般に、物体にX線を照射することで得られるX線吸収スペクトルには、物体中に含まれる元素特有の急峻な立ち上がりが見られ、この立ち上がりは吸収端と呼ばれる。この吸収端付近の微細な構造は、X線吸収微細構造(XAFS:x-ray absorption fine structure)と呼ばれる。XAFSは、吸収端から数十eV程度までのX線吸収端構造(XANES:x-ray absorption near edge structure)と、それよりも高エネルギー側の1000eV程度までの範囲に現れるX線広域微細構造(EXAFS:extended x-ray absorption fine structure)からなる。そのうち、XANESは、電子状態などの化学状態に敏感であり、着目原子がどのような原子と結合しているかといった化学状態の解析に適用することができる。本実施形態の一態様によれば、硫黄元素のK殻吸収端である硫黄K殻吸収端についてXANES領域におけるX線吸収スペクトルを取得する。 In general, an X-ray absorption spectrum obtained by irradiating an object with X-rays has a steep rise characteristic of elements contained in the object, and this rise is called an absorption edge. The fine structure near this absorption edge is called x-ray absorption fine structure (XAFS). XAFS consists of an X-ray absorption near edge structure (XANES) up to several tens of eV from the absorption edge and an X-ray wide area fine structure (XANES) that appears in a range up to about 1000 eV on the higher energy side. EXAFS: extended x-ray absorption fine structure). Of these, XANES is sensitive to chemical states such as electronic states, and can be applied to analysis of chemical states such as to what kind of atoms a target atom is bonded. According to one aspect of the present embodiment, an X-ray absorption spectrum in the XANES region is obtained for the sulfur K-shell absorption edge, which is the K-shell absorption edge of elemental sulfur.

硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する方法としては、XAFS法(特にはXANES法)を用いることができる。詳細には、上記ゴム材料にX線を照射し、X線のエネルギーを変えながらX線吸収量(吸収強度)を測定する。X線は、硫黄元素のK殻吸収端に対応するエネルギーにて照射され、これにより、硫黄K殻についてXANES領域におけるX線吸収スペクトルが得られる。X線の走査エネルギー範囲としては、2400~3000eVであることが好ましく、2450~2500eVでもよく、2460~2490eVでもよい。 The XAFS method (particularly the XANES method) can be used as a method for obtaining the X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge. Specifically, the rubber material is irradiated with X-rays, and the amount of X-ray absorption (absorption intensity) is measured while changing the energy of the X-rays. X-rays are irradiated at energies corresponding to the K-shell absorption edge of elemental sulfur, which yields an X-ray absorption spectrum in the XANES region for the sulfur K-shell. The X-ray scanning energy range is preferably 2400 to 3000 eV, may be 2450 to 2500 eV, or may be 2460 to 2490 eV.

硫黄K殻吸収端におけるXAFS法(以下、硫黄XAFS法ともいう。)においては、(1)試料を透過してきたX線強度を、フォトダイオードアレイ検出器等を用いて検出する透過法、(2)試料にX線を照射した際に発生する蛍光X線を、Lytle検出器や半導体検出器などを用いて検出する蛍光法、及び、(3)試料にX線を照射した際に流れる電流を検出する電子収量法などがあり、いずれを用いてもよい。好ましくは、蛍光法を用いることである。蛍光法は、より詳細には、試料にX線を照射した際に発生する蛍光X線を測定する方法であり、X線吸収量と蛍光X線の強度に比例関係があることを用いて、蛍光X線の強度からX線吸収量を間接的に求める方法である。 In the XAFS method at the sulfur K-shell absorption edge (hereinafter also referred to as the sulfur XAFS method), (1) a transmission method in which the X-ray intensity transmitted through the sample is detected using a photodiode array detector or the like, (2 ) a fluorescence method that detects fluorescent X-rays generated when a sample is irradiated with X-rays using a Lytle detector or a semiconductor detector, and (3) a current that flows when a sample is irradiated with X-rays. There is an electron yield method for detection, and any of them may be used. Preferably, a fluorescence method is used. More specifically, the fluorescence method is a method of measuring fluorescent X-rays generated when a sample is irradiated with X-rays. This is a method of indirectly obtaining the X-ray absorption amount from the intensity of fluorescent X-rays.

硫黄XAFS法で使用するX線としては、例えば1010(photons/s/mrad2/mm2/0.1%bw)以上の高輝度X線であることが好ましい。また、X線の光子数は10(photons/s)以上であることが好ましく、より好ましくは10(photons/s)以上である。このようなX線を放射するシンクロトロンとしては、高輝度光科学研究センターのSPring-8、「知の拠点あいち」のあいちシンクロトロン光センターなどが挙げられる。 X-rays used in the sulfur XAFS method are preferably high-intensity X-rays of, for example, 10 10 (photons/s/mrad 2 /mm 2 /0.1% bw) or more. The number of X-ray photons is preferably 10 7 (photons/s) or more, more preferably 10 9 (photons/s) or more. Synchrotrons that emit such X-rays include SPring-8 of Japan Synchrotron Radiation Research Center and Aichi Synchrotron Light Center of ``Knowledge Hub Aichi''.

本実施形態では、このように硫黄XAFS法にてX線吸収スペクトルを取得する際に、上記ゴム材料を加熱しながら所定時間毎にX線を照射する。ゴム材料を加熱し温度を高くした状態でX線を照射することにより、得られるX線吸収スペクトルは、図1に示すように、時間の経過とともに変化していく。すなわち、熱によるゴム材料の経時変化をX線吸収スペクトルで表すことができる。 In this embodiment, when the X-ray absorption spectrum is obtained by the sulfur XAFS method, the rubber material is irradiated with X-rays at predetermined time intervals while being heated. By irradiating X-rays while the rubber material is heated to a high temperature, the obtained X-ray absorption spectrum changes with time, as shown in FIG. That is, the time-dependent change of the rubber material due to heat can be represented by the X-ray absorption spectrum.

ゴム材料の加熱温度は、ゴム材料の種類や解析目的等により適宜に設定することができ、特に限定されないが、例えば80~250℃でもよく、100~200℃でもよい。また、室温から昇温しながら所定時間毎に硫黄XAFS法による測定を行い、これにより昇温時における硫黄化学状態の変化を解析してもよい。昇温速度は、特に限定されないが、例えば5~20℃/分としてもよい。X線吸収スペクトルを取得する時間間隔についても、ゴム材料の種類や解析目的等により適宜に設定されるため特に限定されず、例えば、2~20分毎に取得してもよく、3~10分毎に取得してもよく、時間間隔は必ずしも一定でなくてもよい。 The heating temperature of the rubber material can be appropriately set according to the type of rubber material, the purpose of analysis, etc., and is not particularly limited, but may be, for example, 80 to 250°C or 100 to 200°C. Alternatively, the sulfur XAFS method may be measured at predetermined time intervals while the temperature is raised from room temperature to analyze changes in the chemical state of sulfur during the temperature rise. The heating rate is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 20°C/min. The time interval for acquiring the X-ray absorption spectrum is also not particularly limited because it is appropriately set depending on the type of rubber material, the purpose of analysis, etc. For example, it may be acquired every 2 to 20 minutes, or 3 to 10 minutes. The time interval may not necessarily be constant.

ゴム材料を加熱する加熱装置としては、加熱しながらX線を照射できるものであればよく、特に限定されない。例えば、図2に示すように、セラミックヒーターなどのヒーターの前面に測定試料であるシート状のゴム材料を固定し、ゴム材料の前面からX線を照射してもよい。ゴム材料には熱電対が取り付けられており、ゴム材料の内部の温度を熱電対でモニタリングしながら加熱することができる。 The heating device for heating the rubber material is not particularly limited as long as it can irradiate X-rays while heating. For example, as shown in FIG. 2, a sheet-like rubber material as a measurement sample may be fixed to the front surface of a heater such as a ceramic heater, and X-rays may be irradiated from the front surface of the rubber material. A thermocouple is attached to the rubber material, and the rubber material can be heated while monitoring the temperature inside the rubber material with the thermocouple.

また、より均一に加熱するために、シート状のゴム材料をその両側からヒーターで挟み込むようにしてもよい。例えば、図3に示すように、一対の板状のヒーターを設けて、その間にシート状のゴム材料を挟み込むように固定する。前側のヒーターにはX線が通過するための開口部が設けられ、この開口部を通って入射したX線がゴム材料に照射され、それにより発生する蛍光X線が開口部を通って外部に放出される。図2の場合と同様、ゴム材料には熱電対が取り付けられ、内部の温度を熱電対でモニタリングしながら加熱するように構成されている。 Also, in order to heat more uniformly, the sheet-like rubber material may be sandwiched between heaters on both sides. For example, as shown in FIG. 3, a pair of plate-like heaters are provided, and a sheet-like rubber material is sandwiched and fixed between them. The front heater is provided with an opening through which X-rays pass, and the X-rays incident through this opening are applied to the rubber material, and the fluorescent X-rays generated thereby pass through the opening to the outside. released. As in the case of FIG. 2, a thermocouple is attached to the rubber material so as to heat while monitoring the internal temperature with the thermocouple.

本実施形態では、上記で得られた複数のX線吸収スペクトルを用いて、硫黄の化学状態の変化を解析する。例えば、測定試料として未加硫ゴム材料を用いて、架橋反応時における硫黄の化学状態の変化を調べてもよい。この場合、架橋反応を動的に追跡することができるため、in-situでの加硫反応解析を行うことができる。未加硫状態から加硫されるまでの変化を解析してもよく、更に適正加硫後のリバージョンを含めて解析してもよい。また、測定試料として未加硫ゴム材料を用い、比較的低温で加熱することにより、スコーチの解析に用いてもよい。また、測定試料として加硫ゴム材料を用いて、熱による劣化過程での硫黄の化学状態の変化を調べてもよい(熱劣化解析)。 In this embodiment, changes in the chemical state of sulfur are analyzed using a plurality of X-ray absorption spectra obtained above. For example, an unvulcanized rubber material may be used as a measurement sample to investigate changes in the chemical state of sulfur during the cross-linking reaction. In this case, since the cross-linking reaction can be dynamically tracked, in-situ vulcanization reaction analysis can be performed. The change from the unvulcanized state to the vulcanized state may be analyzed, and the analysis may also include reversion after proper vulcanization. Alternatively, an unvulcanized rubber material may be used as a measurement sample and heated at a relatively low temperature for analysis of scorch. Alternatively, a vulcanized rubber material may be used as a measurement sample to investigate changes in the chemical state of sulfur during the thermal degradation process (thermal degradation analysis).

X線吸収スペクトルから硫黄の化学状態の変化を解析する際には、例えば、上記複数のX線吸収スペクトルのそれぞれについて、以下のようなフィッティングを行って解析の指標となるパラメータを算出し、その経時変化をみればよい。 When analyzing the change in the chemical state of sulfur from the X-ray absorption spectrum, for example, for each of the plurality of X-ray absorption spectra, the following fitting is performed to calculate parameters that serve as indicators for analysis, Just look at the change over time.

例えば、一実施形態として、X線吸収スペクトルを、硫黄-硫黄間成分(以下、S-S成分という。)及び硫黄-炭素間成分(以下、S-C成分という。)を含む少なくとも2つの成分でフィッティングし、硫黄-硫黄間成分のピーク面積と硫黄-炭素間成分のピーク面積との少なくとも一方を算出して当該少なくとも一方の変化をみてもよい。 For example, in one embodiment, an X-ray absorption spectrum is obtained from at least two components including a sulfur-sulfur component (hereinafter referred to as SS component) and a sulfur-carbon component (hereinafter referred to as SC component). may be fitted to calculate at least one of the peak area of sulfur-sulfur components and the peak area of sulfur-carbon components to see changes in at least one of them.

フィッティングは、より好ましくは、S-S成分、S-C成分及び硫黄-亜鉛間成分(以下、S-Zn成分という。)を含む少なくとも3つの成分を用いて行うことであり、更に好ましくは、図4にその一例を示すように、S-S成分、S-C成分及びS-Zn成分とともに、多重散乱成分と階段関数成分を用いて、フィッティングを行うことである。 Fitting is more preferably performed using at least three components including an SS component, an SC component and a sulfur-zinc component (hereinafter referred to as S-Zn component), and more preferably, As an example is shown in FIG. 4, fitting is performed using multiple scattering components and step function components together with SS, SC and S-Zn components.

硫黄K殻吸収端におけるX線吸収は、主としてS-S成分とS-C成分に起因するため、これら2成分を用いてX線吸収スペクトルをフィッティングすることが好ましく、これらの各ピーク面積を算出することができる。また、ゴム材料中に酸化亜鉛を添加した場合に酸化亜鉛が反応して硫化亜鉛になることによる架橋反応の進行度合いを把握するために、S-S成分及びS-C成分に加えて、S-Zn成分を用いてフィッティングしてもよく、これによりS-Zn成分のピーク面積を算出することができる。また、硫黄K殻吸収端におけるX線吸収には、S-S成分、S-C成分及びS-Zn成分の他に、多重散乱成分と階段関数成分の影響もあるため、これらも含めた5成分でX線吸収スペクトルをフィッティングすることにより、各ピーク面積をより高精度に算出することができる。 Since the X-ray absorption at the sulfur K-shell absorption edge is mainly due to the SS component and the SC component, it is preferable to fit the X-ray absorption spectrum using these two components, and calculate the area of each of these peaks. can do. In addition to the SS component and the SC component, in addition to the SS component and the SC component, S The -Zn component may be used for fitting, whereby the peak area of the S-Zn component can be calculated. In addition to the S—S, SC, and S—Zn components, the X-ray absorption at the sulfur K-shell absorption edge is also affected by multiple scattering components and step function components. By fitting the X-ray absorption spectrum with the components, each peak area can be calculated with higher accuracy.

ここで、S-S成分は、S-S結合に基づくX線吸収成分であり、S-C成分は、S-C結合に基づくX線吸収成分である。ゴム材料での硫黄架橋構造は、ゴムポリマー鎖の炭素(C)が硫黄(S)を介して結合した構造であり、架橋部分の硫黄原子間の結合がS-S結合であり、ゴムポリマー鎖の炭素原子と架橋部分の硫黄原子との結合がS-C結合である。 Here, the SS component is an X-ray absorbing component based on the SS bond, and the SC component is an X-ray absorbing component based on the SC bond. The sulfur cross-linked structure in rubber materials is a structure in which carbon (C) in the rubber polymer chain is bonded through sulfur (S), the bond between the sulfur atoms in the cross-linked portion is an S—S bond, and the rubber polymer chain is the SC bond.

S-Zn成分は、S-Zn結合に基づくX線吸収成分であり、ゴム材料に配合された酸化亜鉛(ZnO)が反応することによって生成される硫化亜鉛(ZnS)によるX線吸収を考慮したものである。 The S-Zn component is an X-ray absorbing component based on the S-Zn bond, taking into account the X-ray absorption by zinc sulfide (ZnS) generated by the reaction of zinc oxide (ZnO) blended in the rubber material. It is.

多重散乱(multiple scattering)成分は、XANES領域の光電子による多重散乱に基づくX線吸収成分である。階段関数(step function)成分は、連続帯への電子の遷移に基づくX線吸収成分である。 A multiple scattering component is an X-ray absorbing component based on multiple scattering by photoelectrons in the XANES region. The step function component is the x-ray absorption component based on electron transitions to the continuum.

X線吸収スペクトルをフィッティングする際に使用する関数としては、上記の各成分を表現できるものであればよく、種々の関数を用いることができる。 As the function used when fitting the X-ray absorption spectrum, various functions can be used as long as they can express each of the above components.

例えば、S-C成分、S-Zn成分、及び多重散乱成分には、ガウス関数を用いてもよい。ガウス関数としては、例えば、下記式(1)で表されるものを用いることができる。 For example, Gaussian functions may be used for SC components, S-Zn components, and multiple scattering components. As the Gaussian function, for example, one represented by the following formula (1) can be used.

Figure 0007175744000001
Figure 0007175744000001

式(1)中、aはピーク高さ(ピーク強度)、bはピークトップでのX線エネルギー(eV)、cはピークの半値幅(eV)、xは照射X線エネルギー(eV)を示す。 In formula (1), a is the peak height (peak intensity), b is the X-ray energy (eV) at the peak top, c is the peak half-width (eV), and x is the irradiation X-ray energy (eV). .

階段関数成分には、シグモイド関数を用いてもよい。シグモイド関数としては、例えば、下記式(2)で表されるものを用いることができる。 A sigmoid function may be used as the step function component. As the sigmoid function, for example, one represented by the following formula (2) can be used.

Figure 0007175744000002
Figure 0007175744000002

式(2)中、dはエッジジャンプの高さ、eは定数、fはイオン化ポテンシャル(eV)を示す。 In equation (2), d is the edge jump height, e is a constant, and f is an ionization potential (eV).

S-S成分については、左右対称な分布を持つガウス関数を用いて表現することもできるが、架橋硫黄鎖の熱振動によるS-S結合長の揺らぎを考慮して、左右非対称な分布を持つ非対称ガウス関数を用いることが好ましい。非対称ガウス関数は、上記式(1)で表される複数のガウス関数の足し合わせで表現することができる。図5に示すように、上記式(1)で表される基準ガウス関数(C関数)を定め、ピークトップがC関数の高エネルギー側に等間隔にシフトし且つピーク高さが等差に減少する複数のガウス関数(C関数:C、C、……。ここでmは1以上の整数)を定める。C関数では、上記a、b及びcを定数とし、C関数以降のC関数(m=2~)については、ピークトップのシフト幅とピーク高さの等差減少値を定めて、m個のC関数を定義する。その際に、C関数の半値幅とピーク高さの積は一定とする。m個のC関数を足し合わせることにより、非対称ガウス関数が得られる。得られた非対称ガウス関数では、ピークトップでのX線エネルギー(eV)を定数とし、ピーク高さを変数として、上記のフィッティングを行うことが好ましい。 The SS component can be expressed using a Gaussian function with a bilaterally symmetrical distribution, but considering the fluctuation of the SS bond length due to thermal vibration of the bridged sulfur chain, it has a bilaterally asymmetrical distribution. Preferably, an asymmetric Gaussian function is used. An asymmetric Gaussian function can be expressed by adding a plurality of Gaussian functions represented by the above equation (1). As shown in FIG. 5, the reference Gaussian function (C1 function) represented by the above equation ( 1 ) is defined, and the peak top is shifted to the high energy side of the C1 function at equal intervals and the peak height is equal Define a plurality of Gaussian functions (C m functions: C 1 , C 2 , . In the C 1 function, the above a, b and c are constants, and for the C m function (m = 2 ~) after the C 1 function, the equal difference reduction value between the shift width of the peak top and the peak height is determined, Define m Cm -functions. At that time, the product of the half width of the Cm function and the peak height is assumed to be constant. Summing m Cm-functions yields an asymmetric Gaussian function. For the obtained asymmetric Gaussian function, the above fitting is preferably performed with the X-ray energy (eV) at the peak top as a constant and the peak height as a variable.

以上の各成分を用いて、X線吸収スペクトルに対してフィッティング(曲線当てはめとも称される。)する方法としては、特に限定されず、一般的な方法を用いることができる。例えば、各成分の関数を足し合わせた関数と、X線吸収スペクトルの残差二乗和が0に近づくように、フィッティングを行えばよい。これにより、X線吸収スペクトルを各成分にピーク分離することができる。すなわち、それぞれの成分についてフィッティング処理後の曲線が得られる。図4には、フィッティング処理後の上記5成分の各曲線と、これら5成分の合成曲線(フィッティングによる近似曲線)を示している。 The method of fitting (also referred to as curve fitting) to the X-ray absorption spectrum using each of the above components is not particularly limited, and a general method can be used. For example, fitting may be performed so that the function obtained by adding the functions of each component and the residual sum of squares of the X-ray absorption spectrum approaches zero. Thereby, the X-ray absorption spectrum can be peak-separated into each component. That is, a curve after fitting processing is obtained for each component. FIG. 4 shows each curve of the above five components after fitting processing and a synthetic curve (approximate curve by fitting) of these five components.

得られた各成分のフィッティング処理後の曲線から、各成分のピーク面積を算出することができる。ここで、ピーク面積は、測定範囲内において各フィッティング曲線により囲まれた部分の面積である。 The peak area of each component can be calculated from the obtained curve after the fitting process of each component. Here, the peak area is the area of the portion surrounded by each fitting curve within the measurement range.

例えば、S-S成分とS-C成分の各フィッティング曲線から、それぞれS-S成分のピーク面積とS-C成分のピーク面積を算出することができるので、これらピーク面積の少なくとも一方の変化をみることにより、例えば、架橋反応を動的に追跡することができ、熱による劣化過程を解析することもできる。一実施形態として、S-S成分のピーク面積とS-C成分のピーク面積を算出して、それぞれの変化を調べるとともに、S-S成分のピーク面積とS-C成分のピーク面積との比率を求めてその変化を調べてもよい。 For example, from the fitting curves of the SS component and the SC component, it is possible to calculate the peak area of the SS component and the peak area of the SC component, respectively, so changes in at least one of these peak areas By observing, for example, the cross-linking reaction can be dynamically tracked, and the deterioration process due to heat can be analyzed. As one embodiment, the peak area of the SS component and the peak area of the SC component are calculated, and the respective changes are examined, and the ratio of the peak area of the SS component and the peak area of the SC component can be obtained to examine its change.

また、S-Zn成分のフィッティング曲線から、S-Zn成分のピーク面積を算出してその変化をみてもよい。このピーク面積が大きいほど、酸化亜鉛から硫化亜鉛への反応が進んだことを意味するため、架橋反応の進行度合いを把握することができる。 Alternatively, the peak area of the S--Zn component may be calculated from the fitting curve of the S--Zn component and its change may be observed. The larger the peak area, the more the reaction from zinc oxide to zinc sulfide progressed, so the degree of progress of the cross-linking reaction can be grasped.

以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these examples.

バンバリーミキサーを使用し、SBR100質量部、酸化亜鉛2質量部、ステアリン酸1質量部、硫黄3質量部、加硫促進剤1質量部を混練した後、100℃で低温プレスすることにより、厚さ1.0mmの未加硫ゴムシートを得た。 Using a Banbury mixer, 100 parts by mass of SBR, 2 parts by mass of zinc oxide, 1 part by mass of stearic acid, 3 parts by mass of sulfur, and 1 part by mass of a vulcanization accelerator are kneaded, and then pressed at a low temperature of 100 ° C. to obtain a thickness. An unvulcanized rubber sheet of 1.0 mm was obtained.

各成分の詳細は以下の通りである。
・SBR:JSR(株)製「JSR1502」
・酸化亜鉛:三井金属鉱業(株)製「亜鉛華1種」
・ステアリン酸:花王(株)製「ルナックS-20」
・硫黄:細井化学工業(株)製「ゴム用粉末硫黄150メッシュ」
・加硫促進剤:大内新興化学工業(株)製「ノクセラーCZ」。
Details of each component are as follows.
・SBR: “JSR1502” manufactured by JSR Corporation
・Zinc oxide: Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. “zinc white 1”
・ Stearic acid: “Lunac S-20” manufactured by Kao Corporation
・ Sulfur: “Rubber powder sulfur 150 mesh” manufactured by Hosoi Chemical Industry Co., Ltd.
- Vulcanization accelerator: "Noccellar CZ" manufactured by Ouchi Shinko Kagaku Kogyo Co., Ltd.

得られた未加硫ゴムシートを測定試料として、図2に示すようにセラミックヒーターの前面に固定し、熱電対で温度をモニタリングしながら、セラミックヒーターにより未加硫ゴムシートを昇温速度:10℃/分にて140℃まで加熱し、140℃に到達後、そのまま140℃に維持した。140℃に到達した時点を0分として、硫黄K殻吸収端におけるXANES測定を実施し、以降3~5分おきに硫黄K殻吸収端におけるXANES測定を実施した。XANES測定は、「知の拠点あいち」のあいちシンクロトロン光センターにおいて、以下の測定条件により行った。
・X線の輝度:2.0×1012photons/s/mrad2/mm2/0.1%bw
・X線の光子数:~3.0×1010photons/s
・分光器:結晶分光器
・X線検出器:シリコンドリフト検出器
・測定法:蛍光法
・X線のエネルギー範囲:2400~2500eV。
The obtained unvulcanized rubber sheet was used as a measurement sample, and was fixed to the front surface of a ceramic heater as shown in FIG. C./min to 140.degree. C. After reaching 140.degree. C., the temperature was maintained at 140.degree. The XANES measurement at the sulfur K-shell absorption edge was performed with the point of time when the temperature reached 140° C. being 0 minutes, and thereafter, the XANES measurement at the sulfur K-shell absorption edge was performed every 3 to 5 minutes. The XANES measurement was carried out under the following measurement conditions at the Aichi Synchrotron Light Center of "Knowledge Hub Aichi".
・X-ray brightness: 2.0×10 12 photons/s/mrad 2 /mm 2 /0.1%bw
・Number of X-ray photons: ~3.0×10 10 photons/s
Spectrometer: crystal spectrometer X-ray detector: silicon drift detector Measurement method: fluorescence method X-ray energy range: 2400 to 2500 eV.

XANES測定により得られた複数のX線吸収スペクトルについて、その一部を図1に示した。得られた複数のX線吸収スペクトルのそれぞれについて、S-S成分、S-C成分、S-Zn成分、多重散乱成分及び階段関数成分の5つの成分でフィッティングした。その際、S-C成分、S-Zn成分及び多重散乱成分については、式(1)のガウス関数を用いた。式(1)中のパラメータは、S-C成分については、a(ピーク高さ)を変数、b(ピークトップでのエネルギー)を2473eV(定数)、c(ピークの半値幅)を1.8eV(定数)とし、S-Zn成分については、a及びbを変数、cを1.8eV(定数)とし、多重散乱成分については、a及びbを変数、cを4eV(定数)に設定した。また、階段関数成分については、式(2)のシグモイド関数を用いた。式(2)中のパラメータは、d(エッジジャンプの高さ)は変数、e(定数)=0.7、f(イオン化ポテンシャル)=2476eV(定数)に設定した。 Some of the multiple X-ray absorption spectra obtained by XANES measurement are shown in FIG. Each of the obtained multiple X-ray absorption spectra was fitted with five components: SS component, SC component, S-Zn component, multiple scattering component and step function component. At that time, the Gaussian function of equation (1) was used for the SC component, the S-Zn component, and the multiple scattering component. The parameters in formula (1) are, for the SC component, a (peak height) as a variable, b (energy at the peak top) as 2473 eV (constant), and c (peak half width) as 1.8 eV. For the S-Zn component, a and b are variables and c is 1.8 eV (constant), and for the multiple scattering component, a and b are variables and c is 4 eV (constant). For the step function component, the sigmoid function of Equation (2) is used. The parameters in equation (2) were set such that d (edge jump height) is a variable, e (constant)=0.7, and f (ionization potential)=2476 eV (constant).

また、S-S成分については、非対称ガウス関数を用いた。非対称ガウス関数は式(1)の複数のガウス関数の足し合わせで表した。詳細には、式(1)を用いて、aを2(定数)、bを2471.1eV(定数)としたC1関数を定め、またC1関数から順に、ピークトップが高エネルギー側に等間隔(0.015eV)にシフトし且つピーク高さが等差(0.003)に減少する100個のC関数(m=1~100)を定めた。その際、C関数は、ピーク高さと半値幅の積が一定値(2.8)となるように定義した。これら100個のC関数を足し合わせることにより、S-S成分の非対称ガウス関数を得た。なお、非対称ガウス関数のピークトップのエネルギー(eV)は2472eV(定数)に設定し、ピーク高さを変数とした。 An asymmetrical Gaussian function was used for the SS component. The asymmetric Gaussian function is represented by adding multiple Gaussian functions in Equation (1). Specifically, using formula ( 1 ), the C1 function with a of 2 (constant) and b of 2471.1 eV (constant) is determined, and the peak top is on the high energy side in order from the C1 function. 100 C m -functions (m=1-100) were defined that shift in intervals (0.015 eV) and decrease in peak heights by equal amounts (0.003). At that time, the Cm function was defined so that the product of the peak height and the half width was a constant value (2.8). By summing these 100 C m -functions, an asymmetric Gaussian function of the SS component was obtained. The peak top energy (eV) of the asymmetric Gaussian function was set to 2472 eV (constant), and the peak height was used as a variable.

このようにして定義したS-S成分、S-C成分、S-Zn成分、多重散乱成分及び階段関数成分の5つの成分を足し合わせた関数と、測定スペクトルの残差二乗和が0に近づくように、フィッティングを行い、S-S成分、S-C成分及びS-Zn成分の各ピーク面積を算出した。また、S-S成分のピーク面積とS-C成分のピーク面積の割合(S-SとS-Cの結合割合:両者のピーク面積の合計を100%としたそれぞれのピーク面積の比率)を求めた。結果を図6及び図7に示す。 A function obtained by summing the five components defined in this way: the SS component, the SC component, the S-Zn component, the multiple scattering component, and the step function component, and the residual sum of squares of the measured spectrum approaches 0. Fitting was performed as described above, and the peak areas of the SS, SC and S-Zn components were calculated. In addition, the ratio of the peak area of the SS component and the peak area of the SC component (bonding ratio of SS and SC: the ratio of the respective peak areas with the sum of the peak areas of both as 100%) asked. The results are shown in FIGS. 6 and 7. FIG.

図6では、上記未加硫ゴムシートと同様に調製した未加硫ゴムについてレオメーターを用いて測定したトルク値の変化も示す。レオメーターによる測定は、JIS K6300に準拠し、140℃×90分で測定した。 FIG. 6 also shows changes in torque values measured using a rheometer for unvulcanized rubber prepared in the same manner as the unvulcanized rubber sheet. The rheometer was measured at 140°C for 90 minutes in accordance with JIS K6300.

図6及び図7に示すように、測定開始から約10分経過するまでの段階で、S-C成分のピーク面積はやや減少したが、S-S成分のピーク面積はやや増加した。これは未加硫ゴムシート中に含まれる加硫促進剤が反応したことによるものと考えられる。 As shown in FIGS. 6 and 7, the peak area of the SC component slightly decreased, but the peak area of the SS component increased slightly until about 10 minutes after the start of measurement. This is considered to be due to the reaction of the vulcanization accelerator contained in the unvulcanized rubber sheet.

測定開始から約10分経過した以降は、S-C成分のピーク面積が一旦減少した後にほぼ一定ないしやや増加傾向となったのに対し、S-S成分のピーク面積は大きく減少しており、S-C成分のピーク面積の比率が増加した。レオメーターの測定結果からこの段階で架橋が始まっており、架橋の進行によりS-S結合が減少し、S-C結合の割合が相対的に増加することが分かった。これは、架橋が始まると加硫剤である硫黄の8員環が切れるためと考えられる。 About 10 minutes after the start of the measurement, the peak area of the SC component decreased and then tended to be almost constant or slightly increasing, while the peak area of the SS component decreased significantly. The ratio of SC component peak areas increased. From the results of rheometer measurements, it was found that cross-linking started at this stage, and as the cross-linking progressed, the S--S bonds decreased and the proportion of S--C bonds relatively increased. This is presumably because the 8-membered ring of sulfur, which is a vulcanizing agent, is cut when cross-linking begins.

また、測定開始から約30分経過した後は、S-S成分のピーク面積が大幅な減少から一旦はほぼ一定になったものの、約45分経過した後に漸減に転じており、過加硫によりリバージョン(加硫戻り)が生じて架橋の切断が生じていることが示唆された。 In addition, after about 30 minutes from the start of measurement, the peak area of the SS component decreased significantly and became almost constant once, but after about 45 minutes, it started to decrease gradually. It was suggested that reversion (reversion to vulcanization) occurred and cross-linking was broken.

一方、S-Zn成分については、S-S成分と比べると変化量は小さいが、レオメーターのトルクの立ち上がりとともに増加しており、硫化亜鉛(ZnS)が生成していることが示唆された。 On the other hand, the amount of change in the S--Zn component was smaller than that of the S--S component, but increased with the rise of the torque of the rheometer, suggesting the formation of zinc sulfide (ZnS).

このように本実施例によれば、未加硫ゴムシートを加熱しながらin-situで硫黄XAFS測定することにより、架橋反応中における硫黄の化学状態の変化を解析することができた。 As described above, according to this example, the changes in the chemical state of sulfur during the cross-linking reaction could be analyzed by measuring the sulfur XAFS in-situ while heating the unvulcanized rubber sheet.

Claims (2)

硫黄を含有する未加硫ゴム材料に対し、加熱しながらX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより、硫黄の化学状態の変化を解析する方法であって
前記X線吸収スペクトルを、硫黄-硫黄間成分、硫黄-炭素間成分及び硫黄-亜鉛間成分を含む少なくとも3つの成分でフィッティングし、硫黄-亜鉛間成分のピーク面積を算出して当該硫黄-亜鉛間成分の変化をみる、硫黄化学状態解析方法。
A method for analyzing changes in the chemical state of sulfur by irradiating an unvulcanized rubber material containing sulfur with X-rays while heating to obtain an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge. ,
The X-ray absorption spectrum is fitted with at least three components including a sulfur-sulfur component, a sulfur-carbon component and a sulfur-zinc component, and the peak area of the sulfur-zinc component is calculated to calculate the sulfur-zinc Sulfur chemical state analysis method to see changes in intermetallic components .
黄-硫黄間成分のピーク面積と硫黄-炭素間成分のピーク面積との少なくとも一方を算出して当該少なくとも一方の変化をみる、請求項1に記載の硫黄化学状態解析方法。 2. The sulfur chemical state analysis method according to claim 1, wherein at least one of a sulfur -sulfur component peak area and a sulfur-carbon component peak area is calculated and changes in at least one are observed.
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