汽車內(nèi)飾零部件VOCs快速分析的應(yīng)用

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)在實際樣品揮發(fā)性有機物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)性有機化合物（VOCs）污染越來越受到消費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)標準實施了強制管理制度，而我國繼2012年3月1日，推薦性標準GB/T-27630-2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[2]實施后，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，意在出臺強制性標準。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，可實現(xiàn)動態(tài)散發(fā)狀態(tài)下的實時在線監(jiān)測，較為接近車輛實際使用時的狀態(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)的化學精密分析設(shè)備如TDS-GCMS[5]和HPLC[6]進行定量分析，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。為了更好的實現(xiàn)實時質(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，它通過精準的化學離子反應(yīng)來檢測和定量痕量的VOCs物質(zhì)，是一種實時、高效分析氣體的理想工具。

該技術(shù)可實現(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，因此能夠進行快速、全面、靈敏的在線監(jiān)測，實現(xiàn)批次合格產(chǎn)品檢驗。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，通過與載氣氮氣碰撞釋放出多余的能量，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 實驗裝置

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)庫和軟件自動計算出每個化合物的實時濃度。

3.2 實驗方案

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氣，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種國標管控物質(zhì)的散發(fā)濃度實時濃度曲線，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)中心標準TS-BD-003[8]2000L袋式法方法，使用體積為2000L的Tedlar袋，氮氣充氣體積為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，本次實驗選用的兩類樣品有如下發(fā)現(xiàn)：

1）按本實驗方案操作，Tedlar袋內(nèi)溫度在25min左右達到穩(wěn)定狀態(tài);

2）Tedlar袋內(nèi)的甲醛較易達到散發(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。