炭黑的总挥发性有机物分析

苍飞飞，桓 宇，牛聃葳，曲晶明

[1.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143；2.瀚德（中国）汽车密封系统有限公司，北京 100176；3.北京市理化分析测试中心，北京 100089]

随着人民生活水平的提高，汽车成为很多家庭的必需品，人们在车内停留的时间也逐渐延长。与此同时，汽车零部件和内饰材料挥发出的有害物质也愈来愈受到人们的关注，而原材料中挥发性有机物（VOCs）是有害物质的真正来源。总挥发性有机物（TVOCs）包括烷类、芳烃类、烯类、卤烷类、脂类、酮类及其他类化合物，会引起儿童、老人等机体免疫功能失调、下降，严重时会损伤肝脏或造血系统[1-7]。

本研究以车用橡胶密封条使用的炭黑作为分析对象，对不同厂家生产的相同品种炭黑的挥发性进行评判，分析其TVOCs的组成。测量TVOCs有多种方法，需要根据期望的结果和材料类型选择。本工作选择更加适合原料级测试的空气袋法测试炭黑的TVOCs。

1 实验

1.1 测试炭黑

卡博特（中国）投资有限公司（简称K）生产的炭黑SP5000和炭黑N500[分别记为SP5000（K）和N500（K）]；青州市博奥炭黑有限责任公司（简称Q）生产的炭黑N500[记为N500（Q）]；欧励友工程炭（青岛）有限公司（简称O）生产的炭黑N500[记为N500（O）]。

1.2 主要仪器设备

Agilent 7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪和Agilent 7697A型热脱附仪，美国安捷伦公司产品；气体收集器，青岛崂山电子仪器总厂产品。

1.3 测试分析

1.3.1 样品制备

称取50 g炭黑样品用纱布包裹好，备用；将10 L的气袋抽真空，充入氮气，反复3次；然后将备用的炭黑放到10 L的气袋中，再次抽取真空，用流量计计算充入高纯氮气5 L；将装好的5个炭黑样品气袋放入70 ℃烘箱中加热2 h，在规定时间结束后取出，在室温下冷却至室温；用Tenax TA®管收集气袋中挥发气体，收集速率为200 mL·min-1，收集12 min，气体为2.4 L，备用[5]。

将取样袋和空白袋放在恒温箱中，将连接到每个袋子上的聚四氟乙烯管通过恒温箱中适当的开口穿出；取样袋和空白袋加热一段时间后处于稳定状态，然后将蒸汽取样装置同时连接到每袋连接的聚四氟乙烯管上，采用合适的管接头（包括包含聚四氟乙烯套圈的不锈钢压缩配件），以确保蒸汽取样装置与聚四氟乙烯管之间无泄漏连接。

温度校准后，测试TVOCs的气体收集体积为1～3 L。如有需要，可额外收集挥发性有机化合物。有限的采样量（小于3 L）可能会影响甲醛的检测限（按照ISO 16000-3测定）[6]。

1.3.2 TVOCs测试

按照ISO 16000-6[7]对TVOCs进行测试，试验样品和空白样品的TVOCs收集仪器见图1。

图1 TVOCs收集仪器示意Fig.1 Schematic diagram of TVOCs collection instrument

2 结果与讨论

图2—5分别示出了炭黑SP5000（K），N500（K），N500（Q）和N500（O）的总离子流色谱。表1—4分别示出了炭黑SP5000（K），N500（K），N500（Q）和N500（O）总离子流色谱数据。

表1 炭黑SP5000（K）总离子流色谱数据Tab.1 Total ion flow chromatographic data of carbon black SP5000（K）

图2 炭黑SP5000（K）的总离子流色谱Fig.2 Total ion flow chromatography of carbon black SP5000（K）

2.1 TVOCs含量

表5示出了4个炭黑产品的TVOCs测试结果。

从表5可以看出，来自3个不同厂家的4个炭黑产品中，炭黑SP5000（K）的TVOCs含量最大，炭黑N500（K），N500（Q）和N500（O）的TVOCs含量依次减小，其中炭黑SP5000（K）的TVOCs含量比炭黑N500（O）大60多倍。

表5 4个炭黑产品的TVOCs测试结果Tab.5 TVOCs test results of 4 carbon black products

2.2 TVOCs中有机物种类

4个炭黑产品中，炭黑SP5000（K），N500（K），N500（Q）和N500（O）的TVOCs中有机物分别为10，28，12和12种，其中炭黑N500（K）的TVOCs中有机物种类比炭黑SP5000（K）多18种。

2.3 TVOCs中苯系物含量

4个炭黑产品的TVOCs中有机物种类繁多，有苯系物和直链烃等化合物，根据测试结果将每种炭黑的TVOCs中苯系物质量加起来进行比较，炭黑N500（K）的TVOCs中苯系物质量高达919.62 ng，其次是炭黑N500（Q）的TVOCs中苯系物质量为229.2 ng，然后是炭黑SP5000（K）的TVOCs中苯系物质量为105.21 ng，炭黑N500（O）的TVOCs中苯系物质量为4.46 ng，其中炭黑N500（K）的TVOCs中苯系物质量是炭黑N500（O）的200多倍。

图3 炭黑N500（K）的总离子流色谱Fig.3 Total ion flow chromatography of carbon black N500（K）

图4 炭黑N500（Q）的总离子流色谱Fig.4 Total ion flow chromatography of carbon black N500（Q）

图5 炭黑N500（O）的总离子流色谱Fig.5 Total ion flow chromatography of carbon black N500（O）

2.4 TVOCs中含量最大的有机物

表6示出了4个炭黑产品的TVOCs中含量最大的有机物物质。

从表6可以看出，将4个炭黑产品的TVOCs中含量最大的有机物筛选出来，炭黑SP5000（K）和N500（O）的TVOCs中含量最大的有机物是甲酸丁酯，炭黑N500（K）和N500（Q）的TVOCs中含量最大有机物是苯酚。

表6 4个炭黑产品的TVOCs中含量最大的有机物Tab.6 The highest content organic compounds of TVOCs of 4 carbon black products

3 结论

（1）4个炭黑产品的TVOCs含量从大到小依次为炭黑SP5000（K），N500（K），N500（Q），N500（O），其中炭黑SP5000（K）的TVOCs含量比炭黑N500（O）大60多倍。

表2 炭黑N500（K）总离子色谱数据Tab.2 Total ion flow chromatographic data of carbon black N500（K）

表3 炭黑N500（Q）总离子流色谱数据Tab.3 Total ion flow chromatographic data of carbon black N500（Q）

表4 炭黑N500（O）总离子流色谱数据Tab.4 Total ion flow chromatographic data of carbon black N500（O）

（2）4个炭黑产品的TVOCs中有机物种类从多到少依次为N500（K），N500（Q）/N500（O），SP5000（K），其中炭黑N500（K）的TVOCs中有机物种类比炭黑SP5000（K）多18种。

（3）4个炭黑产品的TVOCs中苯系物含量从大到小依次为炭黑N500（K），N500（Q），SP5000（K），N500（O），其中炭黑N500（K）的TVOCs中苯系物含量是炭黑N500（O）的200多倍。

（4）4个炭黑产品的TVOCs中含量最大的有机物的分别为：炭黑SP5000（K）和N500（O）是甲酸丁酯，炭黑N500（K）和N500（Q）是苯酚。