電子產品用膠粘劑氣味評價研究

劉曉琴, 孫文慧, 趙志浩

廣電計量檢測集團股份有限公司,廣東 廣州 510656

0 引言

膠粘劑是一種通過粘附力和內聚力將同類或異類的材料緊密結合在一起的高分子材料。隨著原材料的革新和生產技術的更新,膠粘劑的用途不僅限于傳統行業,更是朝著精細化、專業化的方向發展,在電子行業中應用廣泛,可用于電子產品元器件的粘接、密封、灌封、涂覆、結構粘接,共行覆膜和SMT貼片等[1-3]。但由于其中添加了稀釋劑、固化劑、增塑劑等助劑或自身反應不完全等,使用過程中可能會釋放大量的揮發性有機物(volatile organic compounds,VOC)和令人不適的氣味,從而影響使用者的主觀感受和人體健康[4-7]。加強對電子產品中膠粘劑氣味性的管控,有利于提升產品品質,增強產品競爭力。

目前,電子行業膠粘劑氣味評價方法尚未有明確的參考規范。本文的研究參考汽車行業的氣味標準ISO 12219-7:2017[8],結合電子產品本身特性,將膠粘劑制作成膠膜,對其進行主觀氣味強度評價,該方法簡單快捷,可直觀反映出氣味的強烈程度,并通過對氣味類型的描述使人對于氣味的理解更為形象。但該方法受人本身的影響較大,只能評價氣味的強弱等級和氣味類型,無法分析膠粘劑中主要的氣味物質。

為了更準確地評價電子產品中膠粘劑的氣味并實現對膠粘劑的氣味溯源,本文還采用綜合氣味指數方法對電子產品中常用的4類膠粘劑(熱熔膠、UV膠、結構膠、硅膠)的氣味性進行評價。通過分析不同膠粘劑釋放的重點氣味物質,結合氣味物質的嗅閾值得到不同膠粘劑的綜合氣味指數,并與主觀氣味評價結果進行比較,掌握不同類型膠粘劑的氣味性,可為電子企業選用膠粘劑提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗試劑

甲醇:純度99.9%,北京百靈威科技有限公司;苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、正己烷、正十六烷:純度99.5%,美國Chemservice公司。

1.2 試驗儀器

分析天平:精度0.1 mg,德國Sartorius公司;全自動熱脫附系統:TD100-xr,英國Makers公司;氣相色譜-質譜聯用儀:7890-5977B,美國Agilent公司;標準管制備系統:LAB-ASP600,萊創應用(廣州)科技有限公司;恒流空氣采樣泵:GilAir Plus,美國Gilian公司;氣體流量計Gilibrator-2,美國Gilian公司;VOC測試艙:V-BIR-24,東莞市升微機電設備科技有限公司。

1.3 試樣制備

取400 mg膠粘劑按照實際工況涂抹在5 cm×5 cm的鋁箔紙上,平行制樣6片,待試樣固化后形成膠膜。

1.4 試驗和分析方法

將制好的膠膜樣品放入3.5 L的聚四氟乙烯(PVF)采樣袋中,在袋中充入3 L的高純氮氣,將采樣袋放入VOC測試艙中,設定測試溫度為25 ℃,保持(24±1)h。

1)主觀氣味強度評價:參考ISO 12219-7:2017[8],由5名嗅辨員在嗅辨口對袋內氣體進行主觀氣味評價,嗅辨員將采樣袋放置離鼻尖1.5～2.5 cm處,并用手稍微打開采樣袋閥門,正常呼吸,然后按照表1規定的氣味強度等級對氣味進行評分,樣品的氣味強度等級為各嗅辨員嗅辨評價結果的算數平均值。

表1 氣味強度評價等級Tab.1 Evaluation level of odors

2)綜合氣味指數評價:使用Tenax管采集袋內的氣體,再用熱解析-氣相色譜質譜聯用儀(TDS-GC/MS)對氣體進行揮發性有機物全譜分析。

根據物質濃度及其嗅閾值,確定膠膜釋放的重點氣味物質。本研究參考桂根生[9]對汽車車內重點氣味物質的篩選方法,該方法將氣味物質濃度與其嗅閾值的比值定義為各物質的閾稀釋倍數,并將該結果作為判斷重點氣味物質的依據。當某氣味物質計算得到的閾稀釋倍數越大,就代表該物質對混合氣體的氣味影響越大,因此篩選混合氣體中氣味明顯且閾稀釋倍數大于等于1的物質,將其確定為重點氣味物質。

D=C/n

(1)

式中:D為閾稀釋倍數,無量綱;C為氣味物質濃度,mg/m3;n為嗅閾值,mg/m3。

由韋伯費希納定律[10]可知,人的嗅覺感知量與氣味物質刺激量的對數成正比,因此本研究將樣品中各重點氣味物質的閾稀釋倍數之和的對數,確定為膠粘劑的綜合氣味指數。綜合氣味指數的值越大,表明人們對該膠粘劑樣品的嗅覺感知越明顯。

(2)

式中:N為膠粘劑的綜合氣味指數;Di為膠粘劑中第i種重點氣味物質的閾稀釋倍數;m為膠粘劑中重點氣味物質的個數。

2 結果與討論

2.1 主觀氣味強度評價

表2是4類不同膠粘劑樣品的主觀氣味強度等級評價結果。由表2可知,除硅膠外,熱熔膠、結構膠和UV膠都表現出膠味,但不同類型的電子膠粘劑的氣味強度和氣味類型仍有一些差異。硅膠的氣味強度最小,2款硅膠的氣味都介于輕微可察覺和明顯可察覺之間;UV膠的氣味強度最大,3款UV膠的主觀氣味等級均達到4級及以上,表明其具有強烈的氣味,氣味類型除膠味外,還有苦味或刺激氣味。4類膠粘劑樣品氣味強烈程度排序為UV膠、結構膠、熱熔膠、硅膠,其中結構膠和熱熔膠的氣味強烈程度則較為接近,前者強度略高。綜合膠粘劑的氣味強度和氣味類型可知,硅膠對電子產品的膠味氣味貢獻較小,UV膠可能會在較大程度上影響電子產品的整體氣味感知。

表2 樣品氣味強度等級評價結果Tab.2 Evaluation results of odor for samples

2.2 綜合氣味指數評價

表3是根據式(1)計算和分析得到的各膠粘劑的重點氣味物質及其閾稀釋倍數,以及由式(2)計算得到的各膠粘劑樣品的綜合氣味指數。

表3 樣品的重點氣味物質和綜合氣味指數Tab.3 Key odor substances and composite odor index of samples

由表3可知,不同類型的膠粘劑樣品釋放的重點氣味物質有顯著差異,同類型不同款膠粘劑盡管氣味強度和氣味類型相似,但由于產品配方不同,重點氣味物質也明顯不同。3款熱熔膠樣品的重點氣味物質主要有酯類和有機酸類,其中酯類化合物是這3款熱熔膠散發膠味的主要來源,而熱熔膠A的氣味還有淡淡的酸味,其主要來源就是釋放的乙酸。3款UV膠以有機酸、醛酮類和酯類作為重點氣味物質,其中UV膠A中的環己酮和苯甲醛以及UV膠B中的苯乙酮使膠粘劑樣品表現出苦味。2款結構膠樣品中,結構膠A所含有的甲基丙烯酸甲酯和2-甲基丙烯酸均可使其散發出膠味,同時酯類化合物也是結構膠B產生膠味的主要來源。2款硅膠樣品中的重點氣味物質主要是醇類,這類物質的嗅閾值較高,且在膠類中含量較少,使其對應的氣味不易被察覺,這也使得硅膠樣品對應的氣味強度等級較低。

不同類型膠粘劑樣品的綜合氣味指數也具有較大的差異。3款熱熔膠樣品綜合氣味指數分別為0.9、0.78和0.6,其中樣品A的氣味性相對更強烈;3款UV膠的綜合氣味指數均大于1,其指數大小排序為C>B>A;2款結構膠樣品的綜合氣味指數分別為1和0.95,表明兩者對人的氣味感知影響相差不大;2款硅膠的綜合氣味指數均為0.3,顯著低于其他類型膠粘劑。

2.3 主觀氣味評價和綜合氣味指數評價對比

對比這4類膠粘劑樣品的主觀氣味評價和綜合氣味指數評價結果,可以發現2種方法都能對膠粘劑樣品的氣味性進行合理的評價,而且2種評價方法得到的結果具有較好的一致性。本研究的4類膠粘劑樣品氣味從大到小排序均為UV膠、結構膠、熱熔膠、硅膠;熱熔膠A的氣味強度相比其他2個樣品更強;UV膠樣品C氣味高于A和B;2款結構膠的氣味性相差不大;硅膠的氣味強度相對更低,對人的氣味感知影響更小。

主觀氣味評價方法通過人體嗅聞膠粘劑產品的氣味,除了對氣味強度進行評級,還可以評判氣味的類型,該方法操作簡單,設備投入少,但受人的主觀影響較大。綜合氣味指數評價方法可以確定膠粘劑的重點氣味物質,這對膠粘劑氣味的溯源和整改具有較強的指導意義。此外,該方法不需人進行嗅聞,避免了膠粘劑強烈的氣味對人的健康影響,同時結果由物質濃度計算得到,對膠粘劑氣味性的評價會相對更客觀。

3 結束語

本文選取熱熔膠、UV膠、結構膠和硅膠4大類共10款電子產品常用膠粘劑為研究對象,采用主客觀氣味評價和綜合氣味指數評價方法對樣品的氣味性進行分析。研究發現:2種方法對膠粘劑樣品氣味性的評價結果具有較好的一致性,氣味從大到小排序為UV膠、結構膠、熱熔膠、硅膠。綜合氣味指數評價方法除了能對氣味性進行評價對比外,還能分析膠粘劑的重點氣味物質,從而可以對膠粘劑進行氣味的溯源和整改,該方法對電子產品中膠粘劑的選用具有較好的實際參考價值。