文/ Guido Deuβing

排除室內(nèi)空氣干擾高效分析聚氨酯泡沫塑料揮發(fā)性化合物

文/ Guido Deuβing

圖：DHS Large 檢測分析過程示意圖

家裝材料中的聚氨酯PU材料較多，例如，以隔熱保溫為目的的保溫層、門檻密封處以及其他建筑、裝修和房屋翻新等項(xiàng)目中都會用到噴涂塑料泡沫形式的聚氨酯塑料材料。根據(jù)不同配方、PU聚氨酯噴涂泡沫材料之中含有大量VOC揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如，發(fā)泡劑、阻燃劑及胺催化劑等。VOC揮發(fā)性有機(jī)化合物能揮發(fā)成氣體，造成室內(nèi)空氣污染。為了能夠解決可重復(fù)再現(xiàn)的、具有說服力的聚氨酯噴涂泡沫的潛在危害，必須建立標(biāo)準(zhǔn)化檢測分析方法。

PU聚氨酯材料的標(biāo)準(zhǔn)檢測分析方法焦點(diǎn)

現(xiàn)行的、基于試驗(yàn)箱的檢測分析方法有著自己的局限性。有些VOC揮發(fā)有機(jī)化合物具有吸附效應(yīng)，意味著：試驗(yàn)箱檢測得到的揮發(fā)有機(jī)化合物濃度數(shù)據(jù)低于實(shí)際散發(fā)出的化合物濃度，實(shí)際散發(fā)出來的揮發(fā)性有機(jī)化合物被墻壁吸收了一部分。另外，一般情況下，使用大型試驗(yàn)箱同樣被視為一種過于復(fù)雜和代價(jià)昂貴的辦法，而那些能夠使用所謂的微型試驗(yàn)箱的揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測方法通常只能利用手工操作完成檢測分析；也就是說：PU聚氨酯材料的標(biāo)準(zhǔn)檢測分析方法是一種沒有參數(shù)控制與數(shù)據(jù)存儲方法的檢測分析方法。利用秒表的手動計(jì)時(shí)不適合于高分辨率的揮發(fā)物類別的檢測分析。

魯爾河畔Mülheim市的Gerstel分析儀器生產(chǎn)廠在美國及德國的應(yīng)用技術(shù)專家們參與了美國材料與試驗(yàn)協(xié)會ASTM進(jìn)行的PU聚氨酯泡沫涂層材料的調(diào)查研究SPF。據(jù)Gerstel公司的產(chǎn)品研發(fā)部領(lǐng)導(dǎo)人Eike Kleine-Benne先生介紹：他們的任務(wù)之一就是查明影響揮發(fā)性有機(jī)化合物的因素。領(lǐng)導(dǎo)人Eike Kleine-Benne先生說：“這一項(xiàng)目的目的是：影響標(biāo)準(zhǔn)化檢測方法的因素有哪些以及在檢測分析技術(shù)方法的標(biāo)準(zhǔn)化中要特別注意些什么事情?！倍钣袔椭目赡苁窃诰哂锌勺匪菪詶l件下快速取樣的自動化檢驗(yàn)分析方法。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)專門設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)方法：利用這一實(shí)驗(yàn)方法可以模擬近似實(shí)際條件下的開孔式和閉孔式的PU聚氨酯泡沫材料檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是溫度、換氣以及試樣制備等影響因素，正如應(yīng)用技術(shù)專家聶蕓蕓女士介紹：Eike Kleine-Benne先生以及他同事們關(guān)注的焦點(diǎn)是“微型化的檢測分析方法，最好是全自動的檢測分析技術(shù)方法；以保證很高的工作效率同時(shí)也把出錯的可能性降低到最小程度?！?/p>

假設(shè)：必須設(shè)置多種不同的試驗(yàn)條件，以保證獲得不同條件下PU聚氨酯發(fā)泡涂層材料揮發(fā)物情況的完整數(shù)據(jù)。對此，聶蕓蕓女士說道：最終采用了動態(tài)頂空進(jìn)樣器（DHS）的熱脫附（Gestel公司TDU型設(shè)備）和隨后的GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜儀（Agilent科技公司）等檢測分析儀器設(shè)備組成的三合一設(shè)備方案?？茖W(xué)家們實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的是市場中可以購置到的DHS自動化動態(tài)頂空進(jìn)樣器（Gestel公司）；這種進(jìn)樣器（Gerstel公司DHS Large型）的樣本池容積很大、可以放置一升容積的樣本，在使用了合適的進(jìn)樣器之后可以實(shí)現(xiàn)大范圍的自動檢測分析。聶蕓蕓女士說：“DHS Large進(jìn)樣器滿足了微量揮發(fā)物檢測的所有功能要求，能夠保證實(shí)驗(yàn)的各種樣本都不會出現(xiàn)虛假碎片離子。”在本文所述的應(yīng)用中，科學(xué)家們得到的是一把“非常鋒利的手術(shù)刀”，不僅能夠在樣本制備過程中而且也能夠在整個檢測分析過程中覆蓋所有的離子碎裂任務(wù)：項(xiàng)目研究的重點(diǎn)是聚氨酯發(fā)泡材料表面揮發(fā)出來的、與室內(nèi)空氣相互接觸的揮發(fā)物有機(jī)化合物的檢測。

圖2：DHS Large樣本容器滿足了微量揮發(fā)物檢測的所有功能要求，能夠保證實(shí)驗(yàn)的各種樣本都不會出現(xiàn)虛假碎片離子。

采用了不同的檢測分析方法

為了能夠評判和估計(jì)利用DHS自動進(jìn)樣器送來樣本的檢測結(jié)果，Eike Kleine-Benne先生和聶蕓蕓女士不僅僅只是利用DHS-TD-GC-MS所構(gòu)成的三合一系統(tǒng)對PU聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行檢測分析，而且，也利用VDA278標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定方法進(jìn)行檢測分析。VDA278標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱脫附檢測分析方法是汽車工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用的非金屬汽車內(nèi)飾，即，聚氨酯泡沫材料散發(fā)出來的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC和FOG非揮發(fā)性化合物的檢測分析方法。不同方法的對比用來研究兩種方法的應(yīng)用潛力?！霸瓌t上講，VDA278標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法操作起來更加簡單；但問題是：這種方法能否提供具有可以比較的揮發(fā)物檢測分析結(jié)果，是否具有可重復(fù)再現(xiàn)的能力?！甭櫴|蕓女士說。

兩種檢測方法最大的差別就是：DHS-Large法的最大樣本容量可以達(dá)到一升，而VDA278標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法只能采用微小的樣本量、而且還要通過直接加熱脫附的；是將樣本注入熱脫附瓶中進(jìn)行熱脫附的，總的揮發(fā)速率由樣本質(zhì)量所決定?！岸鴦討B(tài)頂空進(jìn)樣法則不同，它檢測的是表面揮發(fā)速率，非常接近真實(shí)的實(shí)際情況?！盓ike Kleine-Benne先生說道。

本刊提示：VDA278標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測分析方法

VDA278標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)有關(guān)汽車用非金屬材料表面有機(jī)揮發(fā)物熱解析檢測分析方法的標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了易揮發(fā)的（VOC）材料和非揮發(fā)性的（FOG）材料的檢測分析方法。在這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測分析方法中，被測樣本都要加熱，利用氣相色譜技術(shù)從氣體中分離出釋放出來的物質(zhì)，利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行測定。

新方法的說服力

科學(xué)家們說：實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告已經(jīng)出來了。所使用的DHS Large TD GC-MS三合一設(shè)備系統(tǒng)能夠全自動的完成PU聚氨酯發(fā)泡材料揮發(fā)物的樣本采集任務(wù)。實(shí)驗(yàn)中考慮了例如流量、溫度和持續(xù)時(shí)間等因素。使用了DHSLarge動態(tài)頂空進(jìn)樣器之后能夠更容易的、更準(zhǔn)確的和更可靠的檢測PU聚氨酯泡沫材料有機(jī)化合物隨時(shí)間變化的揮發(fā)情況，簡化不同安裝使用條件下模擬不同流量和不同溫度的檢測分析試驗(yàn)。正如Eike Kleine-Benne先生所說的那樣：能夠在23攝氏度的室溫環(huán)境中清楚的測定開孔式和閉孔式的PU聚氨酯泡沫材料樣本中所含有的發(fā)泡劑、阻燃劑和胺催化劑；溫度越高有機(jī)揮發(fā)物的揮發(fā)速率也就越高。

聶蕓蕓女士說：為了實(shí)現(xiàn)更高的揮發(fā)速率就要減少開放式PU聚氨酯發(fā)泡材料的樣本體積，而封閉式PU聚氨酯發(fā)泡材料的情況恰恰相反。連續(xù)15小時(shí)的DHS Laege攝像監(jiān)控的結(jié)果清楚的說明了樣本的揮發(fā)狀況和揮發(fā)因素。

值得注意的是：根據(jù)三至八厘米厚的被測樣本的檢測分析確定了較厚檢驗(yàn)樣本對揮發(fā)性能的影響。這是必須納入強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)中的一個補(bǔ)充事宜。“簡單地說：在開放式系統(tǒng)中被測樣本的體積在檢測分析中有一定的作用，并且在發(fā)泡材料的物質(zhì)傳遞中也扮演著非常重要的角色。在封閉式的發(fā)泡系統(tǒng)中只有表面的滲透性有著決定性的意義，”Kleine-Benne博士說。

圖3：用于PU聚氨酯發(fā)泡材料VOC揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測分析的GC-MS色譜-質(zhì)譜檢測系統(tǒng)；左側(cè)是DHS Large自動進(jìn)樣器。（譯者注：圖片中的右側(cè)有DHS字樣，應(yīng)為右側(cè)）

自動化所獲得的新知識

Eike Kleine-Benne先生和聶蕓蕓女士強(qiáng)調(diào)說道：自動化的檢測分析有著明顯的優(yōu)勢，“牽扯到操作者的事情較少，實(shí)驗(yàn)員可以有更多的精力完成例如檢測分析結(jié)果的評判等任務(wù)。更重要的是：計(jì)算機(jī)軟件控制下的自動化檢測分析過程有著更好的可重復(fù)再現(xiàn)的性能，對這種檢測分析方法的說服力起到了積極的作用?！?/p>

專家們總結(jié)性的說道：直接熱脫附–VDA278標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測分析方法——采用了Gerstel TDS熱脫附系統(tǒng)的檢測分析方法在SPF噴涂聚氨酯泡沫和其他聚氨酯泡沫材料樣本的定量和定性檢驗(yàn)中是成功的。一般情況下，兩種方法都需要相同的化合物來顯示檢測分析結(jié)構(gòu)；在本文所述情況下使用的化合物是：雙(2-二甲基氨基乙基)醚（BDMAEE）、雙（2-二甲基氨基乙基）甲基胺（PMDTA）、雙（二甲基氨基丙基）甲胺（DAPA）、三（2-氯異丙基）磷酸酯（TCPP）、四甲基氨基雙丙胺（TMIBPA）和N，N，N-三甲基氨基（TMAEEA）。

Eike Kleine-Benne先生強(qiáng)調(diào)說道：在自動化系統(tǒng)幫助下，人們可以更好理解PU聚氨酯發(fā)泡材料揮發(fā)特性以及影響聚氨酯泡沫材料揮發(fā)特性的邊界條件。而這些認(rèn)識是開放自動化檢測分析方法最重要的基礎(chǔ)知識。

動態(tài)頂空熱解析分析過程能夠有效利用GC-MS技術(shù)（氣相色譜-質(zhì)譜全自動檢測分析技術(shù)）快捷、高效檢測分析有機(jī)化合物（VOC）特性，例如，檢測聚氨酯泡沫塑料中散發(fā)出來的氣體特性物質(zhì)。

本文作者系Neuss市，Guido Deussing編輯部職工。