氣相質譜儀於軟性材料之低釋氣檢出技術(上)

 

刊登日期:2016/8/5
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有機揮發物(VOCs)和有機半揮發物(SVOCs)以芳香性苯環或雜環的碳氫化合物(PAHs)為主,有許多都是對人體有害的物質, IARC 已標定出 16種常見 PAHs 中有7種具致突變性及致癌性。PAHs 普遍存在於日常生活中,劣質水杯、玩具、腳踏車握把、鞋墊等比比皆是,包括可塑劑、添加劑、溶劑、未反應完的單體等,若無含量管制,將經由接觸人體皮膚的油脂進入體內引發病痛,戕害下一代健康,是很嚴重的環境賀爾蒙問題。

存在材料中的 VOCs 不純物也同樣地影響成品安定性與應用可靠性。歐、美、日等先端材料開發者早有覺察,材料不純物總釋出量規範訂定尤為嚴格。畢竟若汙染下游客戶應用端的製造設備而造成不可逆的損害,材料供應商將可能面對高額求償的災難。近來,軟性電子材料受到重視,特別是具多功能整合性材料,低不純物檢出的高規格材料特性要求成了新戰場。本文針對軟性電子材料中 1 ppm 以下有機揮發物釋氣物檢出作介紹,內容為高感度氣相質譜儀串連熱脫附與熱裂解之 TD-GC/MS 以及 Py-GC/MS 技術分享。
 
釋氣動力學
從固體或液體中所釋放出的氣體過程有三種方式:釋氣(Outgassing)、除氣(De-gas)以及脫附(Desorption),如圖一。釋氣是一種自發的釋出;除氣是藉著強迫性的移去手段;而脫附則泛指著由物體表面釋放的過程。雖依照定義,釋氣不同於除氣或是脫附,但無論自發性或強迫性的釋出物,對材料而言都是需抑制的缺點,因此本文建議以廣義的釋氣為認定定義。



圖二、釋氣–擴散與脫附的動力學


圖三、釋出濃度與表面溫度關聯
 
釋氣量單位與分析標準
不同於釋氣速率依分析設備不同,有許多不同單位表示,包括單位時間下釋出的壓力、分子數、莫耳數等,材料釋氣量量測是以原材料重量損失或是未知釋出物濃度增加的實質表示,包括塊材(Bulk)以重量分率(e.g. μg/g)表示釋出物量,而載體上的塗層則泛用單位面積釋出量(e.g. ng/cm2)描述。目前釋氣控制與分析技術最早的工業界標準方法來自半導體潔淨室標準,發展至今,方法與標準不計其數,表一整理了部分之方法與標準。
 
軟性電子材料釋氣影響
軟性材料泛指應用於軟板與軟性電子元件用的材料,諸如軟性基板、印刷油墨、封膠、框膠、導電高分子等,因著不同的機械特性與耐熱特性選擇各種高分子樹脂,如 PET、PC、PI、PES、PP、PEN 等為主要成分,再輔以溶劑、添加劑、小分子、寡聚物調整應力和撓曲特性。因而這些軟性材料最常釋出的VOCs包括溶劑、添加劑、小分子以及殘餘單體等等,舉例而言,PC 釋氣物就常含有苯酚。這些材料的釋氣物可說是最直接的不純物,無論是本身聚合過程或是製程;甚至封裝包裝中都不應產生。有機揮發物影響材料特性不勝枚舉,以下列舉幾個重要影響項目。

氣相層析質譜儀在軟性電子材料釋氣分析
高濃度釋出物可採直接量測重量損失法如秤重或 TGA(熱裂解重量分析儀),來對總釋出量做解析,算出釋出重量分率(wt% 或 mg/g)。微量的釋氣則以氣相層析質譜儀(GC/MS)為主要(圖四)。事實上……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:謝葆如、張瑞發 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」356期,更多資料請見下方附檔。


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