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隨著WEEE (Waste of Electronic and Electrical Equipment,歐盟廢電子電機設備環境指令)、RoHS (RestrICTIon of Hazardous Substances,歐盟《關于在電氣電子設備中限制使用某些有害物質指令》)等綠色法規的先后實施,電子、信息、通訊等行業無不嚴陣以待。大部分的制造商都要求其供應商提供物質安全資料表及測試報告,或要求簽署不使用有害物質的保證書,以此作為制造商自我宣告產品不含有高于指令要求的有毒有害物質的證明。然而,部分制造商意識到,僅靠供應商提供的報告是不夠的,還應進一步加強進出口物料的管理,以確保產品符合指令要求。
有些大型企業在公司內部自行設置 ICP、GC/MS、UV/VIS 等精密分析儀器,計劃不假他人之手,對其產品進行所謂的“破壞性分析”。但事實上,擁有精密儀器并不代表其本身就具備物料分析的能力。“破壞性分析”的樣品前期處理,不僅需要花費大量時間和人力、其它儀器的維修保養、操作人員的訓練、問題的分析和檢測方法的開發等都需要投入龐大的資金,就投資回報率而言,這么做不符合成本的規律,而對于中小型企業而言,更是無力承擔。
幸運的是,“XRF” (非破壞性檢測)為企業打開了另一扇窗,具有簡易、快速、省時、非破壞性等優勢,在綠色檢測市場中顯得格外引人矚目;此外,近來 XRF 因軟硬件技術的不斷發展,促使篩選測試的準確性大幅提升,正逐漸為業界所接受。
以下我們針對現階段業界所采用的物料檢測方法及策略做進一步的介紹:
物料檢測方法
破壞性分析
“破壞性分析”是指利用傳統化學方法對均質材料 (Homogeneous Material) 進行分析。所謂的均質材料,歐盟技術協調委員會 (Technical Adaptation Committee,TAC) 的定義是“無法再被機械的方法 (例如:螺絲拆解、剪、切、鋸、磨等方式)將元件拆離成不同的單一材料”。廠商為了符合法規,須將所有電子電器產品拆解成均質以進行檢測。然而,目前國際市場上并沒有統一的測試標準,檢測機構的測試方法大多是將美國環保署廢棄物(或歐洲 ISO 以及 EN 的測試方法) 的檢測方法進行改良。
“破壞性分析”主要可分為樣品前期處理與上機測試階段。一般而言,樣品前期處理的技術包含硝化 (Digestion) (加熱板、微波酸液硝化) 或萃取 (Extraction) (有機溶液索式萃取、加熱板堿液萃取、沸水萃取);上機測試]則是利用 ICP (重金屬元素)、GC/MS (PBBs、PBDEs) 、UV/VIS (六價鉻) 等精密分析儀器對已完成前期處理的樣品溶液進行分析。
要取得一個準確的定量 (Quantitative Analysis) 分析通常需要經過良好的樣品前期處理步驟。根據經驗,樣品前期處理的質量對整體測試結果準確度的影響高達 70%~80%,因此,相對而言,儀器的敏感度并非是最關鍵因素。當然,如果儀器不能定期清潔及保養,仍會嚴重影響分析結果的準確性。
“破壞性測試”雖然耗時費力,但其高靈敏度、高準確性、低測試極限等特點卻絕非XRF等篩選性工具可比,所以目前仍被公認為最可靠的評估方式。
非破壞性分析
相對于“破壞性分析”的“定量分析” (Quantitative Analysis) 而言,目前較廣為人知的“非破壞性”檢測設備是“XRF”。
XRF 可用來作定性或半定量 (Qualitative or Semi-quantitative Analysis) (相對誤差 >20%) 及定量 (Quantitative Analysis)(相對誤差 <20%) 等分析,其傳統用途主要在于土壤、水、水泥、石化、金屬等制品的質量管理。XRF檢測無需復雜的化學前處理 (無二次污染),以及標準品檢量線制備 (內建自校系統),且在5分鐘內就能取得結果。由于其成本相對于“破壞性測試”較低,所以被大多數業者用于進料、出貨等初步的篩檢。然而,為了增加每次測試結果的可信度,專業的操作人員、一致化的樣品處理以及參考標準品的比對,都是絕對必要的。
另外,XRF 只能針對元素的特定波長位置和光譜強度來定性及定量,故對游離的六價鉻和含溴化合物,如 PBBs 及 PBDEs,無法直接獲得數據。雖然廠商可從鉻及溴的總量上,推算上述的元素是否高于限制值,但若數值顯示六價鉻和 PBBs、PBDEs 的存在風險,則仍須進一步通過化學方法加以確認。
有害物質管理策略
在對現階段采用的檢測方法有初步的認識后,接下來該如何有效利用這些測試方法,以進行有害物質的管理呢?
目前,企業多參照 IEC 提出的有害物質檢測建議方法---即先利用“篩選性設備”進行物料檢測,如果篩選檢測值介于合格與不合格之間的模糊地帶,則再進一步采取精密儀器測試。 IEC 的建議方法,亦針對XRF檢測篩選分析提出“建議值” (如表1)。由 < 表1 >可得知,測試結果可分為三類,合格(P)、不合格(F)、以及不確定(X),以下列出其詳細定義:
『合格(P)』: 若所有元素的分析結果都低于設定的限定值,則結果為“合格”。
『不合格(F)』: 若所測元素中的某個元素測試結果高于設定的最高限值,則結果為“不合格”。
『不確定(X)』: 若所測元素的測試結果在設定的最低限值和最高限值之間,則結果為“不確定”,此時,需要再進行 精密儀器測試。
當然,企業也可以根據自身的需要設定篩選管制值。更嚴謹的管制值,一是對企業本身的保護,同時也可增強其產品的市場競爭力。
此外,XRF也常搭配“FTIR”,以針對含溴化合物進行篩選測試。FTIR 分析與 XRF 一樣,不會破壞樣品或改變樣品的組成,短時間內就可得到測量結果。當 XRF 讀值顯示溴元素的存在,即可利用FTIR做進一步篩檢,PBBs、PBDEs 具特殊官能基 (Functional Group),利用 IR 光譜可加以判讀。
結論
面對 RoHS 指令,雖然XRF在許多研究報告中已被證實為有效的“篩選工具”,但是,目前因其硬件及技術上的限制,仍然無法取代傳統化學分析,而成為主要“分析工具”。XRF 的制造商現在也正積極對設備的軟硬件技術、標準樣品的制備進行開發研究,假若未來業界能在針對“取樣點的選擇” 、“取樣數量” 、及“數據可信度” 的定義做更廣泛的研究和討論,或許此法將能成為時間、人力、物力、可信度及便利性等綜合因素之外制造商考慮的最佳檢測方法。
參考資料:
1. Karen M. Dubiel and Scott C. Macleod, “Comparison Of X-Ray Fluorescence Spectrometry To Traditional Analytical Methods For Elemental Determination In Polymeric Materials”, Society Of Plastic Engineers (SPE), ANTEC Conference, May 2005
2. International Electrotechnical Commission, “Procedures for the Determination of Levels of Six Regulated Substances (Lead, Mercury, Cadmium, Hexavalent Chromium, Polybrominated Biphenyls, Polybrominated Diphenyl Ethers) in Electrotechnical Products”, IEC 62321, Chapter Six: Screening by X-Ray Fluorescence Spectrometry (XRF). Ed.1, Document 111/54/CDV (Committee Draft with Vote). May 5, 2006
3. Karen M. Dubiel and Scott C. Macleod,“Determining Compliance to the RoHS Directive for Wire & Cable Products”, Wire & Cable Technology International, Mar 2006