制动片中石棉含量的检测方法研究

陈晓健

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）

制动片，也叫刹车片，是指固定在与车轮旋转的制动鼓或制动盘上的摩擦材料。根据材料的不同，制动片一般可分为石棉型、半金属型、NAO型（即无石棉有机物型）制动片等三种[1]。由于石棉纤维具有高强度和耐高温的特性且相对廉价，因此从最初开始石棉就已经被用作制动片的加固材料。但是，石棉已被医学界证实是致癌物质，其针状的纤维很容易进入肺部并停留，造成刺激，最终可导致肺癌的发生。当制动片中含有石棉时，伴随着制动摩擦，石棉纤维将会散发到空气中，最终被人们呼吸吸收而影响健康[1,2]。因此，快速准确的测定制动片中石棉含量将变得十分必要。

按照现有的国内外标准以及文献方法，可分为体视显微镜（SM）、偏光显微镜（PLM）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜/能谱法（SEM/EDS）、透射电镜/能谱法（TEM/EDS）、相差显微镜法（P C M）、红外光谱法（I R）、差热分析法（DTA）和中子活化法（NAA）等[3,4]。考虑到制动片处理过程、成本以及检测结果的准确性和实效性，我们结合X射线衍射仪器和偏光显微镜，采用异丙醇作为分散剂，经超声分散处理，减少测试基底来修正衍射峰强度，过程更加高效便捷，结果准确可靠，可为制动片中石棉含量检测提供新的检测方法。

1.1 试验仪器和材料

试验仪器：X射线衍射仪（德国 Bruker 公司 D8 ADVANCE）；
偏光显微镜（德国Leica公司 DM 2700P）；
超声波洗净器；
箱式电阻炉。

试验材料：异丙醇、氟树脂胶粘玻璃纤维滤网。

1.2 试验方法

1.1.1 样品前处理

取样，放入粉碎设备中进行粉碎后放入已知质量为ma的磁性坩埚中，称量试样和坩埚的质量mb。将其放入温度为450 ℃的箱式电阻炉中，保温1 h。然后关闭电源，使试样在炉中冷却至室温，称量其质量为mc。计算减少率r[5]。

将高温处理后的试样用孔径为425 μm的筛子过筛，从中提取X射线衍射分析用的试样3份和偏光显微镜分析用的试样1份。

1.1.2 X 射线衍射仪定性分析

将试样均一且平整地放置到试样皿中，进行X衍射定性分析。将X射线衍射谱图与标准卡片PDF对比，确认试样中是否出现了石棉（温石棉、铁石棉、蓝石棉、透闪石、阳起石和直闪石）的衍射特征峰。X射线衍射仪的定性分析条件如表1所示。

表1 X射线衍射仪的定性分析条件

1.1.3 偏光显微镜定性分析

若出现石棉的X衍射特征峰，则取15μL在去离子水中充分分散的试样滴在载玻片上。干燥后，根据相应石棉的敏感色，选择合适折射率的浸渍液在载玻片上滴上3滴，然后盖上盖玻片，进行偏光显微镜定性分析。

1.1.4 X 射线衍射仪定量分析

⑴ 绘制标准曲线 称量10 mg的石棉标准试样放入500 mL的烧杯中，加入异丙醇150 mL搅拌，再用超声波洗净器进行充分分散。然后转移到1000 mL的容量瓶中，继续加入异丙醇直至满1000 mL，作为母液，充分振荡摇匀。

用移液管分别从母液中取出5、10、30、50、100 mL的悬浊液，分别放入三角烧杯中，再分别加入50 mL的异丙醇后，用超声波洗净器进行充分分散。用装有与X射线衍射仪的试样台直径相同的氟树脂胶粘玻璃纤维滤网的抽取过滤装置抽取过滤，从而制备不同石棉含量的标准曲线试样。

将制备好的各标准曲线试样固定在X射线衍射仪的试样台上，测量相应X射线衍射强度，从而绘制标准曲线。X射线衍射仪的定量分析条件如表2所示。

表2 X射线衍射仪的定量分析条件

⑵ 定量分析

首先制备二次分析试样。精确称量一次分析试样100 mg（M1），放入三角烧杯，加入50 mL异丙醇，用超声波洗净器分散均匀。用装有已知质量的滤网的抽取过滤装置抽取过滤，干燥后，称量滤网上收集到的试样的质量（M2），作为二次分析试样。

当残渣率（M2/M1）超过0.15时，制备三次分析试样。取15 mg二次分析试样，重复制备二次分析试样的步骤，干燥后进行称量（M3），作为三次分析试样。

在绘制标准曲线相同条件下，测量二次或三次分析试样石棉的X射线衍射强度，通过绘制的标准曲线计算出相关石棉的质量As，制品中的石棉含量C（%）由如下公式计算出[5]。

当残渣率（M2/M1）不超过0.15时：

2.1 样品前处理

在刹车片的制造工艺中，使用的摩擦材料是由多种黏合剂或添加剂组成的混合物[1]，因此含有部分的有机成分，经过高温处理，试样质量有所减少。根据刁帅等的研究，有机成分试样和无机成分试样的处理方法对制动片摩擦材料样品中石棉测试无明显影响[6]。

2.2 定性分析

X 射线衍射仪定性分析的谱图如图1所示。通过PDF标准谱库检索鉴定，发现样品在12.02°和24.30°的位置上出现了温石棉的衍射特征峰（002）和（004），因此该样品中可能含有温石棉。为了进一步确定样品中是否含有温石棉，我们需通过偏光显微镜分散染色法，根据试样的形状及试样的折射率用颜色的变化来判断。

图1 XRD定性分析数据谱图

通过X射线衍射仪定性分析，初步判断样品中可能含有温石棉，选择对应温石棉敏感色的折射率nD，25为1.550的浸渍液。通过偏光显微镜我们观察到波浪形发散色呈淡蓝色的纤维状粒子，旋转载物台，发现粒子具有消光性，则该粒子为温石棉纤维粒子。移动视野并计数直径为100 μm的圆内存在的1000个纤维状粒子所含的温石棉纤维粒子数，三个平行样本合计3000个粒子中，温石棉的纤维状粒子达到4个或4个以上，则认为该试样中含有石棉。

图2 样品中温石棉在偏光显微镜下的形态

2.3 定量分析

由于石棉的X射线衍射特征峰强度是由所含石棉的量决定的，所以通过分析试样的X射线衍射特征峰强度与已知含量的石棉所产生的特征峰强度进行对比，就可以确定制品中石棉的含量。

根据0.05～1.00 mg不同质量的温石棉标准试样在2θ=12.02°衍射特征峰的强度，我们绘制了标准曲线，如图3所示。

图3 温石棉标准曲线

温石棉的线性方程与相关系数分别是：y=20.88x-0.6144，R2=0.9973。通过X射线衍射仪定量分析，得到XRD数据谱图如图4所示，测得制动片试样在2θ=12.02°衍射特征峰的强度为34.63，代入方程计算得到温石棉质量为1.69 mg。通过公式⑵或⑶，进一步计算得出温石棉在制动片中的含量为16.7%。

图4 XRD定量分析数据谱图

本文通过粉末X射线衍射仪和偏光显微镜相结合的方法对制动片中是否含有石棉及种类进行定性分析，然后通过建立石棉标准曲线，进一步确定石棉的含量，该方法快速可靠。

绘制标准曲线是石棉定量分析的关键步骤，当石棉含量较小，如在0.05 mg时，石棉标准试样在滤网上是否均匀分布将对衍射峰强度的测定产生极大的影响。