Carbon Black At-line Characterization Using a Portable Raman Spectrometer

Význam tématu

Carbon black je amorfní forma uhlíku s širokým uplatněním jako plnivo v pneumatikách, pryži, barvivech a tiskařských aplikacích. At-line kontrola kvality v reálném čase usnadňuje optimalizaci výrobních procesů a rychlé rozhodování v průmyslové praxi.

Cíle a přehled studie

Cílem článku je demonstrovat využití přenosné Ramanovy spektroskopie pro rychlou analýzu mikrostruktury carbon black pomocí poměru intenzit D- a G-pásů, a ukázat její vhodnost pro at-line procesní kontrolu výrobních šarží.

Použitá metodika a instrumentace

• Přenosný Ramanův spektrometr i-Raman Plus® se 532 nm laserem a rozlišením 4,5 cm⁻¹.
• Video mikroskop pro přesné zaostření laseru na vzorek.
• TE chlazený back-thinned CCD detektor (−2 °C) pro vysokou kvantovou účinnost (až 90 %) a nízký šum.
• Měření při pokojové teplotě, integrační čas 120 s, laserový výkon cca 40 mW.
• Software BWSpec™ s algoritmem airPLS pro korekci fluorescenčního pozadí a analýzu Ramanových špiček.

Hlavní výsledky a diskuse

• Ramanova spektra tří vzorků (C1–C3) vykázala charakteristické G-pásmo (~1574–1586 cm⁻¹) a D-pásmo (~1336–1337 cm⁻¹).
• Poměry intenzit ID/IG: 0,81 (C1), 0,98 (C2) a 1,23 (C3), indikující rostoucí stupeň struktury neuspořádání.
• Posun polohy D-pásma potvrzuje závislost na excitaci a citlivost na mikrostrukturní vlastnosti.
• Vysoká citlivost a nízký šum umožňují spolehlivou kvantifikaci krystalinity a dislokací ve vzorcích.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a neinvazivní analýza bez přípravy vzorku přímo na výrobní lince.
• Okamžitá zpětná vazba pro řízení kvality a optimalizaci procesních parametrů.
• Možnost sledovat uniformitu šarží a odhadovat velikost krystalitických domén.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace přenosných Raman spektrometrů do automatizovaných výrobních systémů pro on-line monitorování.
• Vývoj strojového učení a pokročilých algoritmů pro automatickou analýzu spekter a predikci materiálových vlastností.
• Rozšíření aplikací na grafen, uhlíkové nanotrubice a další kompozitní materiály.

Závěr

Přenosná Ramanova spektroskopie se ukázala jako efektivní nástroj pro at-line charakterizaci carbon black, poskytuje rychlou a spolehlivou analýzu mikrostruktury a podporuje procesní kontrolu a optimalizaci výroby materiálu.

Reference

1. D.T. Norman, What Is Carbon Black? Continental Carbon Company, URL.
2. Reich S., Thomsen C., Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 2004, 362, 2271–2288.
3. Wang Y., Alsmeyer D.C., McCreery R.L., Chem. Mater., 1990, 2, 557–563.
4. Tuinstra F., Koenig J.L., J. Chem. Phys., 1970, 53, 1126.
5. Zhang Z.-M., Chen S., Liang Y.-Z., Analyst, 2010, 135, 1138–1146.
6. Vidano R.P. et al., Solid State Commun., 1981, 39, 341.