王若鑫 劉娟 湯品一
摘 要:本文介紹了一種快速分析技術(shù)的工作原理及其優(yōu)勢,并展示了該技術(shù)在實(shí)際樣品揮發(fā)性有機(jī)物VOCs測試上的一種應(yīng)用,通過該技術(shù)與汽車內(nèi)飾部件袋式法VOCs的測試相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了多種VOCs的全程在線監(jiān)測,展示了VOCs物質(zhì)在袋內(nèi)的散發(fā)濃度趨勢。
關(guān)鍵詞:揮發(fā)性有機(jī)化合物VOCs;快速分析;在線監(jiān)測
1 汽車內(nèi)飾零部件VOCs現(xiàn)狀
隨著汽車使用量的不斷增加,國民環(huán)保意識的不斷提高,汽車揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)污染越來越受到消費(fèi)者和政府部分的高度關(guān)注[1]。歐洲、美國、日本、俄羅斯等國家已按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施了強(qiáng)制管理制度,而我國繼2012年3月1日,推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27630-2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[2]實(shí)施后,2017年環(huán)保部又發(fā)布《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》征求意見稿,意在出臺強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下,車內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測方法顯得尤為重要。
汽車內(nèi)飾零部件VOCs的主流分析方法有兩種。其一為袋式法[3],因其配套設(shè)備投資較低,測試批處理能力強(qiáng)周期短,且價格有優(yōu)勢,成為目前各車廠的主要VOC分析手段之一。另一種方法為艙式法[4],可配套連接在線FID,且艙內(nèi)設(shè)有氣流交換裝置,可實(shí)現(xiàn)動態(tài)散發(fā)狀態(tài)下的實(shí)時在線監(jiān)測,較為接近車輛實(shí)際使用時的狀態(tài),但其設(shè)備成本昂貴,測試周期較長。
無論是袋式法亦或艙式法,都需要后續(xù)的化學(xué)精密分析設(shè)備如TDS-GCMS[5]和HPLC[6]進(jìn)行定量分析,因此傳統(tǒng)的測試方法普遍存在的問題是除了需要前端樣品加熱及氣體采集設(shè)備,還需要配套后期分析設(shè)備,整套設(shè)備價格極其昂貴,測試成本高,需要專業(yè)分析技術(shù)人員,且測試周期長,無法滿足汽車生產(chǎn)鏈的實(shí)施有效監(jiān)控。往往在發(fā)現(xiàn)VOCs不合格時,生產(chǎn)裝配都已批量完成。為了更好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時質(zhì)量監(jiān)控,急切需要一種快速測試技術(shù)來滿足汽車生產(chǎn)鏈的進(jìn)度。本文中使用的這種快速質(zhì)譜技術(shù)就能很好的解決目前面臨的問題。
2 汽車內(nèi)飾部件VOCs快速分析方法簡介
多離子在線質(zhì)譜(Selected ion online spectrometry)是一種直接的質(zhì)譜形式,它通過精準(zhǔn)的化學(xué)離子反應(yīng)來檢測和定量痕量的VOCs物質(zhì),是一種實(shí)時、高效分析氣體的理想工具。
該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)同時分析多種物質(zhì),每次測試只需要數(shù)分鐘即可完成,因此能夠進(jìn)行快速、全面、靈敏的在線監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)批次合格產(chǎn)品檢驗(yàn)。同時,也可為成為零部件或材料VOCs散發(fā)研究的有效數(shù)據(jù)提供手段。是一種對氣體高效和實(shí)時分析的理想應(yīng)用工具,非常適用于車內(nèi)多種揮發(fā)性化學(xué)成分的分析及研究。
多離子在線質(zhì)譜儀主要有三部分組成,首先通過微波等離子體將濕潤空氣離子化,產(chǎn)生出試劑離子,而離子的選擇通過第一個四級桿完成,客戶可根據(jù)需要選擇試劑離子;然后被選擇的試劑離子被注射入流動管,通過與載氣氮?dú)馀鲎册尫懦龆嘤嗟哪芰?,樣品引入后可被試劑離子離子化,產(chǎn)生具有良好表征的產(chǎn)物離子;最后產(chǎn)物離子和未反應(yīng)的試劑離子被輸送到第二個四級桿和檢測器,利用化合物譜庫和軟件分析每個物質(zhì)的絕對濃度。
3 汽車內(nèi)飾部件VOCs快速分析的應(yīng)用
3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
本文使用的多離子在線質(zhì)譜,是新西蘭Syft Technology公司的Voice 200Ultra型選擇流動管質(zhì)譜SIFT-MS (Selected Ion Flow Tube Mass Spectrometry)[7],該設(shè)備能通過微波等離子體將濕潤空氣離子化,產(chǎn)生八種試劑離子,H3O+,NO+,O2+,O-,O2-,OH-,NO2-和NO3-。這八種試劑離子可表現(xiàn)出多種反應(yīng)機(jī)制,在流動管內(nèi)與不同的分析物產(chǎn)生特異性的、具有良好表征的產(chǎn)物離子。這些產(chǎn)物離子被載氣輸送到質(zhì)譜分析器,隨后利用儀器自帶的數(shù)據(jù)庫和軟件自動計(jì)算出每個化合物的實(shí)時濃度。
3.2 實(shí)驗(yàn)方案
比較常見的零部件VOCs分析方法之一:袋式法,是將待測試部件放入Tedlar材質(zhì)的專用袋內(nèi),用密封條封口后,將袋內(nèi)抽真空以排出背景空氣的影響。之后再充入一定體積的高純氮?dú)?,放入預(yù)先設(shè)定好溫度的恒溫艙內(nèi),加熱一定時間后,通過專用吸附管富集采集袋內(nèi)樣品中揮發(fā)出的VOCs物質(zhì),再通過TDS-GC/MS和HPLC等多種精密化學(xué)分析設(shè)備,定量分析其中的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等揮發(fā)性物質(zhì)的散發(fā)濃度。
本文通過SIFT-MS設(shè)備的配合,實(shí)現(xiàn)了袋式法測試過程中樣品在Tedlar袋內(nèi)散發(fā)濃度的全程在線監(jiān)測,呈現(xiàn)出零部件在密閉Tedlar袋內(nèi)的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等8種國標(biāo)管控物質(zhì)的散發(fā)濃度實(shí)時濃度曲線,為后續(xù)的方法研究提供了可行的方式和思路。
本次選用的樣品為M1類車的后排座椅發(fā)泡、前圍隔音墊兩類樣品,參考泛亞汽車技術(shù)中心標(biāo)準(zhǔn)TS-BD-003[8]2000L袋式法方法,使用體積為2000L的Tedlar袋,氮?dú)獬錃怏w積為60%,加熱溫度為65℃。從樣品袋在恒溫艙內(nèi)開始加熱起始,至4小時結(jié)束,期間通過SIFT-MS連續(xù)在線監(jiān)測袋內(nèi)各種VOCs的濃度變化曲線,從而了解在密閉袋環(huán)境下,樣品的VOCs散發(fā)趨勢曲線。
3.3 結(jié)果與討論
從下圖1及圖2的趨勢曲線圖可以看出,本次實(shí)驗(yàn)選用的兩類樣品有如下發(fā)現(xiàn):
1)按本實(shí)驗(yàn)方案操作,Tedlar袋內(nèi)溫度在25min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);
2)Tedlar袋內(nèi)的甲醛較易達(dá)到散發(fā)平衡狀態(tài),袋內(nèi)濃度在110~120min左右開始趨于穩(wěn)定;
3)Tedlar袋內(nèi)乙醛和丙烯醛的散發(fā)較難達(dá)到平衡,在120min后繼續(xù)呈現(xiàn)濃度遞增,在200min之后才開始出現(xiàn)增長放緩的趨勢;
4)部分苯系物在120min后也出現(xiàn)了濃度緩慢遞增的情況,但由于所選樣品的濃度絕對值并不高,所以繼續(xù)增加的量值并不明顯。