X光機-XRF 全球無鹵素(Halogen Free)的趨勢及最新的檢測技術-利用X光螢光光譜儀原理(X-ray Fluorescent Analyzer, XRF,ED-XRF)及離子層析儀原理(Ion Chromatography,IC)來檢測無鹵素材料(Halogen Free)

新聞提供:科邁斯集團發表日:2008/01/10
關鍵字: 離子層析儀 Ion Chromatography IC Dionex 無鹵素 材料 Halogen Free xrf RoHS 問題提問
全球無鹵素的趨勢及最新的檢測技術-利用ED-XRF及離子層析儀(Ion
Chromatography,IC)來檢測無鹵素材料(Halogen Free)
         材料中所添加的鹵素主要是在做阻燃的弁遄A鹵素材料是指在週期表中的氟(F)、氯(Cl) 、溴(Br) 、碘(I) 、(At),其中以溴系耐燃劑為市場最普遍,溴系耐燃劑(BFRs)在電子產品內的應用如下:
 
耐燃劑
塑膠種類
電子產品應用
十溴聯苯醚
HIPS
電子機殼、手機、錄放影機、遙控器
(Deca-BDE)
PE
電線及電纜
PP
建築用電纜、通訊用電纜、電容器薄膜
PBT
電子產品用連接器
Epoxy Resins
個人電腦中使用及其他電子產品電路板
Nylon
電子產品連接器、電路遮斷器、線圈
四溴雙酚-A
Epoxy Resins
電路板板材、在餓人電腦上使用的電路板、其他電子產品
(TBBPA)
ABS
電腦外殼、鍵盤、電視、個人電腦監視器、收音機、遙控器、錄放影機、電源轉接器、電池、手機、辦公室自動化設備
表1.溴系耐燃劑(BFRs)在電子產品內的應用
 
       而在工業上常用阻燃劑,分為有: 溴系阻燃劑(BFRs)、氯系阻燃劑(CFRs)、磷系阻燃劑、無機阻燃劑等,各種阻燃劑常使用的應用如下:
 
    溴系阻燃劑(BFRs):這類阻燃劑阻燃效率高,其阻燃效果是氯系阻燃劑的兩倍,相對用量少,對複合材料的力學性能幾乎沒有影響 。常使用的有
     四溴雙酚-A: Tetrabromo Bisphenol A(TBBP-A)
     五溴聯苯醚:Pentabromodiphenyl ether(Penta-BDE)
     八溴聯苯醚:Octabromodiphenyl ether(Octa-BDE)
     十溴聯苯醚:Decabromodiphenyl ether (Deca-BDE)
     六溴環十二烷(HBCD)
    氯系阻燃劑(CFRs) :因價格便宜,目前仍是大量使用的阻燃劑。
    磷系阻燃劑:該類阻燃劑主要有磷(膦)酸酯和含鹵磷酸酯及鹵化磷等,廣泛地用於環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS等。
    無機阻燃劑 :包括氧化銻、氫氧化鋁、氫氧化鎂及硼酸鋅等。
 
如目前全球大部分地區敷設的電力及通信電纜均含有鹵素,該類線纜在燃燒時會散發出有毒霧狀化學物質。在火中,含鹵纜會產生酸性氣體,有損工人的鼻子、嘴和喉嚨,煙霧還使受害者容易迷失方向,難以逃離大火現場。
因此,在續歐盟的RoHS綠浪中,全球又掀起了無鹵素材料(halogen-free)禁用的要求,在電子電路互聯與封裝協會(IPC)定義:無鹵素(halogen free) ≠ 產品中不含鹵素
       電子及電機產品於裝配時,若未蓄意添加鹵素化合物時,可視為“無鹵素”(halogen-free)國際電工協會 IEC 61249-2-21 :2003定義:
 
Substance
Permissible Limit (by weight)
Bromine (Br)溴化合物
900 ppm (0.09%)
Chlorine (Cl)氯化合物
900ppm (0.09%)
Total concentration of: chlorine (Cl)+ bromine (Br)
1500ppm (0.15%)
表2. 國際電工協會 IEC 61249-2-21 :2003無鹵的定義:
        而儀器分析上,能分析鹵素濃度最常使用的分析儀器分別為ED-XRF(X光螢光光譜儀)及IC(離子層析儀)兩種,若還要再細分其鹵素的種類及成份,如細分溴系耐燃劑(BFRs)的種類,如歐盟所要求禁用的PBB及PBDE,那就需要使用氣相層析質譜儀(GC-MS)來分析。
但就目前IEC的規範,應指總氯(Cl)及總溴(Br),不再做其細分,因此,我們就對XRF及IC來做為主要的無鹵素要求之分析儀器及所應用的檢測流程來討論。


XRF之原理
       X-光螢光分析儀 (X-ray Fluorescence Spectrometer, XRF )係利用X-光束照射試片以激發試片中的元素,當原子自激發態回到基態時,偵測所釋放出來的螢光,經由分光儀分析其能量與強度後,可提供試片中組成元素的種類與含量,具有快速、非接觸、非破壞性及多元素分析等特點。
其原理是利用放射源(如Cd109)或高電壓激發光管(非輻射放射源)放射出X-ray,激發待測物內層的電子,此時為保持能量平衡,分子外圍電子補入內層電子的空缺。因外圍電子能量較高,故外為電子進入內層軌域時,放出特定的螢光能量,藉由能量的大小推知待測物的量。(如下圖) 


圖2.XRF的定性原理                    資料來源:科邁斯集團

        因此,一般ED-XRF就能在不同元素所產生的二次X射線來做定性的判斷,再依其強度,做定量的分析,但各廠牌的ED-XRF最大的差別,就是在定量分析時,其所使用的定量方式及技術的差異性,造成其精確度及可靠度的差異。
離子層析儀(Ion Chromatography,IC)原理簡介
利用離子交換的原理,採用Dow Chemical公司專利的高效率離子交換樹脂,配合可泵送定流量溶媒(eluent)之泵浦,高靈敏度之電導計,記錄器等,分析程序是(如圖),由泵浦泵送定流量溶媒,並將由注入口注入之被檢體,推送入分離管(Separation column),在管中各離子經過樹脂交換而分離,然後依次再被推送入抑制管(Suppressor Column),此時溶媒之離子都被抑制管吸附,不會影響電導計之檢出,而祇有所欲分析的離子被沖洗出來,進入電導計中,由其進入的順序及時間(Retention time)來定性,由電導度之大小來定量,這些都以尖峰(peaks)的型態,出現在記錄器上。在抑制管中,反應方程式如下:
(1)2R-H++Na2CO3(eluent)→2R-Na+H2CO3(Low conductivity)
R-H++NaHCO3(eluent)→R-Na+H2CO3
(2)R-H+Cation-A(sample)→R-Cation+H-A


 
圖3. 離子管柱分離示意圖                                             資料來源:Dionex
       目前科邁斯集團是Dionex的地區經銷商,負責無鹵市場銷售及市場技術應用,售後服務為Dionex公司負責全球產品服務,科邁斯集團在XRF、RoHS與無鹵材料的市場已經有了非常多的客戶(以超過800家),Dionex與科邁斯集團的合作就是一組超級銷售團隊與超強應用及售後服務的天作之合,簡單的說,客戶除了可以完全獲得Dionex的完美服務外,更可以獲得科邁斯集團所有客戶的相關應用資訊及定期研討會!
 
 
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