排除室内空气干扰高效分析聚氨酯泡沫塑料挥发性化合物

文/ Guido Deuβing

排除室内空气干扰高效分析聚氨酯泡沫塑料挥发性化合物

文/ Guido Deuβing

图：DHS Large 检测分析过程示意图

家装材料中的聚氨酯PU材料较多，例如，以隔热保温为目的的保温层、门槛密封处以及其他建筑、装修和房屋翻新等项目中都会用到喷涂塑料泡沫形式的聚氨酯塑料材料。根据不同配方、PU聚氨酯喷涂泡沫材料之中含有大量VOC挥发性有机化合物，例如，发泡剂、阻燃剂及胺催化剂等。VOC挥发性有机化合物能挥发成气体，造成室内空气污染。为了能够解决可重复再现的、具有说服力的聚氨酯喷涂泡沫的潜在危害，必须建立标准化检测分析方法。

PU聚氨酯材料的标准检测分析方法焦点

现行的、基于试验箱的检测分析方法有着自己的局限性。有些VOC挥发有机化合物具有吸附效应，意味着：试验箱检测得到的挥发有机化合物浓度数据低于实际散发出的化合物浓度，实际散发出来的挥发性有机化合物被墙壁吸收了一部分。另外，一般情况下，使用大型试验箱同样被视为一种过于复杂和代价昂贵的办法，而那些能够使用所谓的微型试验箱的挥发性有机化合物检测方法通常只能利用手工操作完成检测分析；也就是说：PU聚氨酯材料的标准检测分析方法是一种没有参数控制与数据存储方法的检测分析方法。利用秒表的手动计时不适合于高分辨率的挥发物类别的检测分析。

鲁尔河畔Mülheim市的Gerstel分析仪器生产厂在美国及德国的应用技术专家们参与了美国材料与试验协会ASTM进行的PU聚氨酯泡沫涂层材料的调查研究SPF。据Gerstel公司的产品研发部领导人Eike Kleine-Benne先生介绍：他们的任务之一就是查明影响挥发性有机化合物的因素。领导人Eike Kleine-Benne先生说：“这一项目的目的是：影响标准化检测方法的因素有哪些以及在检测分析技术方法的标准化中要特别注意些什么事情。”而最有帮助的可能是在具有可追溯性条件下快速取样的自动化检验分析方法。

为了能够实现项目目标专门设计了一套实验方法：利用这一实验方法可以模拟近似实际条件下的开孔式和闭孔式的PU聚氨酯泡沫材料检验。实验重点是温度、换气以及试样制备等影响因素，正如应用技术专家聂芸芸女士介绍：Eike Kleine-Benne先生以及他同事们关注的焦点是“微型化的检测分析方法，最好是全自动的检测分析技术方法；以保证很高的工作效率同时也把出错的可能性降低到最小程度。”

假设：必须设置多种不同的试验条件，以保证获得不同条件下PU聚氨酯发泡涂层材料挥发物情况的完整数据。对此，聂芸芸女士说道：最终采用了动态顶空进样器（DHS）的热脱附（Gestel公司TDU型设备）和随后的GC-MS气相色谱-质谱仪（Agilent科技公司）等检测分析仪器设备组成的三合一设备方案。科学家们实验时使用的是市场中可以购置到的DHS自动化动态顶空进样器（Gestel公司）；这种进样器（Gerstel公司DHS Large型）的样本池容积很大、可以放置一升容积的样本，在使用了合适的进样器之后可以实现大范围的自动检测分析。聂芸芸女士说：“DHS Large进样器满足了微量挥发物检测的所有功能要求，能够保证实验的各种样本都不会出现虚假碎片离子。”在本文所述的应用中，科学家们得到的是一把“非常锋利的手术刀”，不仅能够在样本制备过程中而且也能够在整个检测分析过程中覆盖所有的离子碎裂任务：项目研究的重点是聚氨酯发泡材料表面挥发出来的、与室内空气相互接触的挥发物有机化合物的检测。

图2：DHS Large样本容器满足了微量挥发物检测的所有功能要求，能够保证实验的各种样本都不会出现虚假碎片离子。

采用了不同的检测分析方法

为了能够评判和估计利用DHS自动进样器送来样本的检测结果，Eike Kleine-Benne先生和聂芸芸女士不仅仅只是利用DHS-TD-GC-MS所构成的三合一系统对PU聚氨酯发泡材料进行检测分析，而且，也利用VDA278标准中规定方法进行检测分析。VDA278标准中规定的热脱附检测分析方法是汽车工业领域中广泛使用的非金属汽车内饰，即，聚氨酯泡沫材料散发出来的挥发性有机化合物VOC和FOG非挥发性化合物的检测分析方法。不同方法的对比用来研究两种方法的应用潜力。“原则上讲，VDA278标准规定的方法操作起来更加简单；但问题是：这种方法能否提供具有可以比较的挥发物检测分析结果，是否具有可重复再现的能力。”聂芸芸女士说。

两种检测方法最大的差别就是：DHS-Large法的最大样本容量可以达到一升，而VDA278标准规定的方法只能采用微小的样本量、而且还要通过直接加热脱附的；是将样本注入热脱附瓶中进行热脱附的，总的挥发速率由样本质量所决定。“而动态顶空进样法则不同，它检测的是表面挥发速率，非常接近真实的实际情况。”Eike Kleine-Benne先生说道。

本刊提示：VDA278标准规定的检测分析方法

VDA278标准是一项有关汽车用非金属材料表面有机挥发物热解析检测分析方法的标准。它规定了易挥发的（VOC）材料和非挥发性的（FOG）材料的检测分析方法。在这一标准规定检测分析方法中，被测样本都要加热，利用气相色谱技术从气体中分离出释放出来的物质，利用质谱技术进行测定。

新方法的说服力

科学家们说：实验结果的报告已经出来了。所使用的DHS Large TD GC-MS三合一设备系统能够全自动的完成PU聚氨酯发泡材料挥发物的样本采集任务。实验中考虑了例如流量、温度和持续时间等因素。使用了DHSLarge动态顶空进样器之后能够更容易的、更准确的和更可靠的检测PU聚氨酯泡沫材料有机化合物随时间变化的挥发情况，简化不同安装使用条件下模拟不同流量和不同温度的检测分析试验。正如Eike Kleine-Benne先生所说的那样：能够在23摄氏度的室温环境中清楚的测定开孔式和闭孔式的PU聚氨酯泡沫材料样本中所含有的发泡剂、阻燃剂和胺催化剂；温度越高有机挥发物的挥发速率也就越高。

聂芸芸女士说：为了实现更高的挥发速率就要减少开放式PU聚氨酯发泡材料的样本体积，而封闭式PU聚氨酯发泡材料的情况恰恰相反。连续15小时的DHS Laege摄像监控的结果清楚的说明了样本的挥发状况和挥发因素。

值得注意的是：根据三至八厘米厚的被测样本的检测分析确定了较厚检验样本对挥发性能的影响。这是必须纳入强制标准中的一个补充事宜。“简单地说：在开放式系统中被测样本的体积在检测分析中有一定的作用，并且在发泡材料的物质传递中也扮演着非常重要的角色。在封闭式的发泡系统中只有表面的渗透性有着决定性的意义，”Kleine-Benne博士说。

图3：用于PU聚氨酯发泡材料VOC挥发性有机化合物检测分析的GC-MS色谱-质谱检测系统；左侧是DHS Large自动进样器。（译者注：图片中的右侧有DHS字样，应为右侧）

自动化所获得的新知识

Eike Kleine-Benne先生和聂芸芸女士强调说道：自动化的检测分析有着明显的优势，“牵扯到操作者的事情较少，实验员可以有更多的精力完成例如检测分析结果的评判等任务。更重要的是：计算机软件控制下的自动化检测分析过程有着更好的可重复再现的性能，对这种检测分析方法的说服力起到了积极的作用。”

专家们总结性的说道：直接热脱附–VDA278标准规定的检测分析方法——采用了Gerstel TDS热脱附系统的检测分析方法在SPF喷涂聚氨酯泡沫和其他聚氨酯泡沫材料样本的定量和定性检验中是成功的。一般情况下，两种方法都需要相同的化合物来显示检测分析结构；在本文所述情况下使用的化合物是：双(2-二甲基氨基乙基)醚（BDMAEE）、双（2-二甲基氨基乙基）甲基胺（PMDTA）、双（二甲基氨基丙基）甲胺（DAPA）、三（2-氯异丙基）磷酸酯（TCPP）、四甲基氨基双丙胺（TMIBPA）和N，N，N-三甲基氨基（TMAEEA）。

Eike Kleine-Benne先生强调说道：在自动化系统帮助下，人们可以更好理解PU聚氨酯发泡材料挥发特性以及影响聚氨酯泡沫材料挥发特性的边界条件。而这些认识是开放自动化检测分析方法最重要的基础知识。

动态顶空热解析分析过程能够有效利用GC-MS技术（气相色谱-质谱全自动检测分析技术）快捷、高效检测分析有机化合物（VOC）特性，例如，检测聚氨酯泡沫塑料中散发出来的气体特性物质。

本文作者系Neuss市，Guido Deussing编辑部职工。