王 雷，劉雪峰，徐樹杰

(中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

應(yīng)用技術(shù)

智能化P-XRF在構(gòu)建汽車材料綠色供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

王 雷，劉雪峰，徐樹杰

(中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

汽車行業(yè)在管控車用材料有害物質(zhì)使用的過程中，需要一種低成本、高效率和智能化的檢測手段以打造綠色材料供應(yīng)鏈，便攜式XRF(P-XRF)提供了一種新的解決思路。利用P-XRF對3種汽車零部件中的Pb含量進(jìn)行測試，結(jié)果表明 P-XRF具有良好的檢測準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。介紹了智能化 P-XRF的技術(shù)路線，結(jié)合手持端設(shè)備和CAMDS數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)材料成分的遠(yuǎn)程監(jiān)控。探討了汽車產(chǎn)業(yè)鏈中不同企業(yè)和機(jī)構(gòu)使用智能化P-XRF進(jìn)行材料成分管控的方法，表明智能化P-XRF可以有效應(yīng)用于汽車綠色材料供應(yīng)鏈的構(gòu)建。

車用材料 綠色供應(yīng)鏈 智能化P-XRF

0 引 言

近年來，隨著公眾環(huán)保意識的不斷提升和對生活健康關(guān)注度的日益增強(qiáng)，汽車行業(yè)帶來的環(huán)境污染越來越受到人們的關(guān)注。汽車產(chǎn)品在其全生命周期中會向環(huán)境排放大量的污染物質(zhì)，如廢氣、廢液和廢渣等，特別是汽車材料中有毒有害物質(zhì)的使用和回收對環(huán)境的危害尤為嚴(yán)重。因此，從源頭控制有毒有害物質(zhì)在汽車材料中的使用，是汽車材料管理工作面臨的首要任務(wù)，也是打造汽車行業(yè)綠色材料供應(yīng)鏈的關(guān)鍵措施。

汽車產(chǎn)品中零部件種類繁多，涉及數(shù)千種成分和規(guī)格各異的材料，產(chǎn)業(yè)鏈中包含的廠家和加工環(huán)節(jié)更是數(shù)目眾多，傳統(tǒng)的大型檢測儀器抽樣分析的檢測手段難以保證產(chǎn)品最終的合規(guī)性和一致性，且成本高昂。因此，汽車行業(yè)急需一種現(xiàn)場、實(shí)時、全覆蓋、無損和較為精確的材料成分檢測方法，同時，低成本、高效率、通用性和智能化也是影響后期實(shí)際應(yīng)用的重要因素。

便攜式 X射線熒光光譜儀(P-XRF)是用于材料化學(xué)成分定性檢測、定量分析的檢測儀器，具有快速、準(zhǔn)確、無損、方便的特點(diǎn)，無需繁瑣的樣品前處理，在家電、玩具、土壤和石油等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷升級，性能日益完善，智能化 P-XRF有望為汽車材料綠色供應(yīng)鏈提供一種全新的材料成分管控方案。

1 P-XRF的技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

XRF是利用初級X射線光子或其他微觀粒子激發(fā)待測物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生次級 X射線而進(jìn)行物質(zhì)成分分析的方法。它集現(xiàn)代電子技術(shù)、光譜分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)于一體，是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，適合于多種類型的固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的測定，且易于實(shí)現(xiàn)分析過程的自動化，是多元素高效快速分析測定的有效技術(shù)手段。

P-XRF主要由X射線激發(fā)源、X射線探測器、電子線路單元、測量軟件等單元組成。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，P-XRF各項(xiàng)性能取得了很大進(jìn)步。[1]小型 X 射線管的能耗低、體積小，便于攜帶。室溫半導(dǎo)體探測器可提供更快的檢測速度以及更低的檢測極限。數(shù)字化電路設(shè)計(jì)，特別是先進(jìn)測量軟件的植入使得數(shù)據(jù)處理功能更加強(qiáng)大，結(jié)果更加精確。目前商用 P-XRF普遍可以檢測元素周期表中Mg到U之間的30多種化學(xué)元素，精測精度達(dá)到百萬分之一級別。

黃世杰等[2]利用P-XRF與ICP-AES 對廢塑料金屬涂層中 5種金屬元素含量進(jìn)行聯(lián)合檢測，結(jié)果表明，兩種設(shè)備結(jié)果偏差不大，P-XRF對于ICP檢測具有有效的指導(dǎo)作用，能夠大大縮短傳統(tǒng)檢測方法的分析時間。Stapleton等[3]結(jié)合 GC-MS的檢測結(jié)果，建立了使用 P-XRF檢驗(yàn)幼兒產(chǎn)品泡沫塑料阻燃添加劑中 Br和Cl的方法，充分肯定了 P-XRF的快速篩查作用。翟磊等[4]分析了 XRF技術(shù)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，認(rèn)為 P-XRF現(xiàn)場分析方法具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

早在 2000年，歐盟委員會和歐洲議會為保護(hù)環(huán)境，減少車輛報(bào)廢產(chǎn)生的廢棄物，制定了報(bào)廢車輛回收指令(End of Life Vehicles，ELV)，[5]要求 2003 年7月以后生產(chǎn)的汽車禁用鉛、鎘、汞和六價(jià)鉻 4種有害物，同時對報(bào)廢汽車回收利用率做出明確規(guī)定。2014年我國出臺的《汽車禁用物質(zhì)要求》明確對汽車產(chǎn)品中鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯以及多溴二苯醚6種有害物質(zhì)提出限值要求，如表1所示。

表1 汽車材料有害物質(zhì)限值要求Tab.1 Limiting values of hazardous substances in automotive materials

從表1可以看出，汽車材料中有害物質(zhì)管控的目標(biāo)元素和含量都在 P-XRF檢測的范圍之內(nèi)(其中Cr6＋通過總 Cr判定，PBB和 PBDE通過 Br含量判定)，P-XRF為汽車行業(yè)提供了一種潛在的低成本和高效率的管控方法。

2 P-XRF在汽車材料有害物質(zhì)檢測中的應(yīng)用

汽車中零部件形狀各異，所涉及的材料種類達(dá)到上千種，P-XRF在不破壞樣品物理結(jié)構(gòu)、不做待測元素標(biāo)定的情況下，能否在很短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有害元素的準(zhǔn)確分析，并且能否在多次測量時保持穩(wěn)定的檢測結(jié)果，是相關(guān)檢測人員在選擇該設(shè)備時的最大顧慮。

為了考察 P-XRF在汽車材料有害物質(zhì)檢測中的作用，采用賽默飛世爾公司生產(chǎn)的 P-XRF(型號Thermo Fisher XL3t 700S)對某品牌汽車3種不同形狀、不同材質(zhì)零部件的含鉛量進(jìn)行實(shí)際測試，如圖 1所示。鉛在汽車零部件中檢出率較高，是有害物質(zhì)管控的重點(diǎn)監(jiān)測對象。

圖1 3種類型的汽車零部件Fig.1 Three types of auto parts

實(shí)驗(yàn)中測試時長均為 60,s，對同一零部件重復(fù)測試 7次。零部件鉛的標(biāo)準(zhǔn)含量是利用濕化學(xué)法測試得到的，作為本實(shí)驗(yàn)的對比值。3種零部件的材質(zhì)分別為鋁合金、銅合金和PVC，代表了3種汽車零部件常用材料。從表 2給出的檢測結(jié)果可以看出，P-XRF的測試結(jié)果非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅偏差，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值僅為 3.4%,，相對偏差最大值僅為 4.2%,，證明了測試的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，P-XRF可以用于汽車材料有害物質(zhì)的檢測，從而保證符合法規(guī)要求。

3 智能化P-XRF的開發(fā)技術(shù)路線

為了對我國汽車行業(yè)材料使用情況進(jìn)行管理，結(jié)合歐盟國際汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(IMDS)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我國于 2009年正式上線了中國汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CAMDS)。通過該系統(tǒng)，整車企業(yè)可以在整個產(chǎn)業(yè)鏈上收集指定車型所有的材料成分?jǐn)?shù)據(jù)，有利于企業(yè)和國家實(shí)施行業(yè)管理。目前系統(tǒng)已經(jīng)收集了百萬數(shù)量級別的材料表單數(shù)據(jù)，如何核查這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性成為監(jiān)管機(jī)構(gòu)和企業(yè)自身面對的難題，傳統(tǒng)的抽樣檢測和供應(yīng)鏈信任機(jī)制無法保證實(shí)際供貨產(chǎn)品與上報(bào)數(shù)據(jù)的一致性。材料的元素組成和含量可以視為該材料的指紋信息，需要一種手段可以隨時隨地對汽車材料的指紋信息進(jìn)行快速驗(yàn)證，而智能化 P-XRF的開發(fā)與應(yīng)用可以有效解決這個問題。

表2 汽車零部件含鉛量測試結(jié)果Tab.2 Test results of Pb content in auto parts

圖2 智能化P-XRF的技術(shù)原理Fig.2 The technical principle of intelligent P-XRF

圖2 給出了智能化P-XRF的技術(shù)原理。手持端設(shè)備可以預(yù)裝APP，實(shí)現(xiàn)與P-XRF和CAMDS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸與后臺計(jì)算。使用時首先輸入零部件或材料編號，將 CAMDS數(shù)據(jù)庫中待測材料成分?jǐn)?shù)據(jù)下載至手持端 APP任務(wù)列表中，設(shè)置相應(yīng)比對規(guī)則，然后開展現(xiàn)場P-XRF測試，測試結(jié)果直接實(shí)現(xiàn)比對分析，比對結(jié)果可以直接查看或發(fā)送到用戶郵箱。整個過程使用 WiFi實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，擺脫了繁瑣的制樣、設(shè)備和場地限制，在 1,min內(nèi)即可完成單個待檢樣品的審核驗(yàn)證工作，無論在庫房還是在生產(chǎn)線上使得批量產(chǎn)品的全檢成為可能。目前該系統(tǒng)已由中國汽車技術(shù)研究中心開發(fā)完成，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

4 智能化 P-XRF在汽車材料綠色產(chǎn)業(yè)鏈中的管控應(yīng)用

完整的材料成分檢測系統(tǒng)需要配備多種復(fù)雜的檢測設(shè)備、專業(yè)的技術(shù)人員和復(fù)雜的人員技能培訓(xùn)，整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈涉及的每家企業(yè)都去建立這樣的檢測系統(tǒng)成本非常高昂，不具備可操作性。針對不同的用戶角色提出的不同管控需求，智能化 P-XRF都可以給出高效的解決方案。

表3 給出了智能化P-XRF在汽車行業(yè)中不同企業(yè)和機(jī)構(gòu)中的具體應(yīng)用。原材料供應(yīng)商和第三方檢測機(jī)構(gòu)需要精確掌握原材料的成分組成和含量，因此有必要建立完整的材料成分檢測系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，智能化P-XRF仍可作為檢測第一步的初篩工具，確定合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品，將可疑材料送入后續(xù)檢測程序，大大提高工作效率，降低檢測成本。政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、整車企業(yè)及其供應(yīng)商和汽車回收企業(yè)利用智能化 P-XRF即能滿足各自的管控需求。因此，智能化 P-XRF在整個汽車生產(chǎn)、監(jiān)管和回收的產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)中都可以起到積極有效的作用，隨時隨地掌握材料成分信息，從而及時將有害物質(zhì)不達(dá)標(biāo)的材料隔絕在循環(huán)體系之外。

表3 智能化P-XRF在汽車行業(yè)不同企業(yè)和機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用Tab.3 Applications of intelligent P-XRF by different enterprises and institutions in automobile industry

5 結(jié) 論

本文介紹了 P-XRF的最新技術(shù)進(jìn)展，通過借鑒其他行業(yè)利用 P-XRF檢測材料成分的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了 P-XRF在汽車材料元素檢測中的作用。提出智能化 P-XRF的開發(fā)技術(shù)路線，并探討了智能化P-XRF在汽車材料產(chǎn)業(yè)鏈各級企業(yè)中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

①P-XRF對不同材質(zhì)的汽車零部件的檢測結(jié)果具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以用來進(jìn)行汽車材料有害物質(zhì)的初篩檢測；②通過手持端設(shè)備與 CAMDS數(shù)據(jù)庫的協(xié)同應(yīng)用，智能化 P-XRF可以有效應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)鏈中各級企業(yè)材料成分的遠(yuǎn)程管控工作?！?/p>

［1］ 葛良全. 現(xiàn)場 X 射線熒光分析技術(shù)[J]. 巖礦測試，2003，32(2)：203-212.

［2］ 黃世杰，劉永豐，鮑惠君，等. 便攜式 X-熒光儀與ICP-AES 聯(lián)同檢測廢塑料金屬涂層含量[J]. 中國測試，2014，40(5)：55-69.

［3］ Stapleton H M，Klosterhaus S，Keller A，et al. Identification of flame retardants in polyurethane foam collected from baby products [J]. Environ. Sci. Technol.，2011(45)：5323-5331.

［4］ 翟磊，詹秀春. 射線熒光光譜法在石油化工產(chǎn)品分析中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 分析試驗(yàn)室，2015(4)：484-496.

［5］ 《歐盟廢棄車輛指令(ELV指令)2000/53/EC》[Z].

The Application of Intelligent P-XRF in the Building of Green Automotive Materials Supply Chain

WANG Lei，LIU Xuefeng，XU Shujie
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China)

In the process of the control of the using of hazardous substances in automotive materials，the auto industry needs a low cost，high efficiency and intelligent test method to build green materials supply chain，and portable XRF(PXRF) just provides a new solution．P-XRF was used to test the content of Pb in three types of auto parts. The results showed that P-XRF had good test accuracy and stability．The technical route of intelligent P-XRF was introduced by combining hand-held device and CAMDS，and the remote control of material composition can be achieved．The method of using intelligent P-XRF to control material composition by different enterprises and institutions in automobile industry chain was discussed. It indicates that intelligent P-XRF is effective to build green automotive materials supply chain.

automotive materials；green supply chain；intelligent P-XRF

X50

A

1006-8945(2016)11-0047-03

2016-10-09