Airborne Isocyanates, Aminoisocyanates and Amines

Abstract

Isocyanates are used in the production of polyurethane (PUR). Exposure to isocyanates is associated with respiratory disorders and may occur during production or processing of PUR. During thermal degradation of PUR, amines and aminoisocyanates are formed in addition to isocyanates. Some isocyanates and several aromatic amines are sensitizers and listed as carcinogens.



A liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) method for simultaneous determination of isocyanates, aminoisocyanates and amines in gas and particle phase was developed. Air samples were collected in midget impinger flasks, containing di-n-butylamine (DBA) in toluene, and glass fibre filters in series to form specific DBA-isocyanate derivatives. Amines were derivatized with ethyl chloroformate. Derivatives were characterized using both LC-MS and LC-chemiluminescent nitrogen detection. Gas chromatography with MS and thermionic specific detection was also used. LC-MS detection resulted in a highly sensitive measurement of isocyanates equivalent to 1/2000 of the Swedish threshold limit value (for TDI in a 5 L air sample).



In air samples from spray painting operations, aliphatic isocyanates that have not been reported previously were revealed.



In car repair shops, during work operations such as welding in PUR-coated metal sheets, isocyanates, aminoisocyanates and amines were observed at high concentrations in both gas and particle phase. Compounds with high volatility were efficiently collected in the impinger flask, whereas compounds with low volatility were mainly found on the filter. Isocyanic acid (ICA) and methyl isocyanate (MIC) were among the most dominating compounds present.



ICA and MIC could also be observed when urea-based resins were thermally degraded.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Isocyanater är en grupp kemiska ämnen som framförallt används vid tillverkning av polyuretan (PUR). PUR förekommer i många olika varianter och är ett av de vanligaste plastmaterialen i våra hem. PUR finns som ”skumgummi” i madrasser, möbler och i bilar, men även i en mängd andra produkter som t.ex. färg, lack och lim.



Det finns en risk för isocyanatexponering vid framställning och bearbetning av PUR. Vid uppvärmning till mer än 150-200°C sker en termisk nedbrytning av polymeren och det bildas förutom isocyanater även aminer och aminoisocyanater. Människor som exponeras för isocyanater löper en risk att drabbas av olika typer av luftvägsbesvär och i värsta fall kan man utveckla bronkit eller astma. Exponering för isocyanater är idag en av de vanligaste orsakerna till yrkesastma. En del av de isocyanater och aminer som bildas vid termisk nedbrytning av PUR är även klassificerade som cancerframkallande ämnen.



Metoder för att mäta isocyanater i luft är viktiga för att kunna bedöma risker vid olika arbeten och/eller arbetsmoment. Det finns en mängd olika typer av isocyanater som används inom industrin och gränsvärdena för tillåten exponering är väldigt låga. Detta ställer höga krav på en metod för att mäta isocyanater i luft. Isocyanater är reaktiva och för att få tillförlitliga mätresultat måste man skydda dessa, vanligtvis genom att omvandla (derivatisera) isocyanaterna till mer stabila ämnen under insamling. Detta är nödvändigt för att isocyanaterna inte ska fortsätta reagera med andra ämnen, vilket kan resultera i en underskattning av luftkoncentrationerna.



I denna avhandling har en metod utvecklats för samtidig bestämning av isocyanater, aminoisocyanater och aminer i luft. Isocyanaterna derivatiserades med dibutylamin (DBA) under provtagning. Analys av luftprover har utförts med en teknik som kallas vätskekromatografi-masspektrometri (LC-MS). Tekniken möjliggjorde en väldigt selektiv och känslig bestämning, dvs. många olika typer av ämnen kunde särskiljas och haltbestämmas i låga koncentrationer i ett luftprov.



Metoden gör det möjligt att påvisa ”okända” ämnen och är speciellt lämpad för provtagning av komplexa sammansättningar av isocyanater, aminoisocyanater och aminer, fördelade mellan både gas- och partikelfas. Sådana miljöer finns framförallt vid arbetsmoment som innefattar termisk nedbrytning av PUR.



Vid svetsning och kapning i PUR-lackerad bilplåt och svetsning i PUR-isolerade fjärrvärmerör, kunde höga halter av en mängd olika isocyanater, aminer och aminoisocyanater konstateras. Metylisocyanat (MIC) och isocyansyra (ICA), som tidigare inte varit kända vid dessa typer av exponeringssituationer, var ofta dominerande.



ICA och MIC bildades även vid termisk nedbrytning av ureabaserade hartser. Dessa typer av hartser används t.ex. som bindemedel i mineralull och gjutkärnor. Denna upptäckt ledde till att ”nya” yrkesområden kunde identifieras där man tidigare inte varit medveten om isocyanatexponering.



Analystekniker utvecklas och blir allt mer sofistikerade. Detta ger ökade möjligheter till att få detaljerad information om vilka ämnen som finns närvarande i luften på en arbetsplats. Det är därför viktigt att det sker en kontinuerlig metodutveckling för att kunna kartlägga potentiella risker i arbetslivet.

• author: Karlsson, Daniel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Rudzinski, Walter E, Department of Chemistry, Southwest Texas State University, USA.
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: Environmental health, Miljökemi, Environmental chemistry, amines, aminoisocyanates, isocyanates, polyurethane, exposure, occupational, thermal degradation, chemiluminescence, mass spectrometry, Liquid chromatography, gas chromatography, Miljömedicin, Occupational health, industrial medicine, Yrkesmedicin, arbetsmiljömedicin
• pages: 144 pages
• defense location: Lecture Hall C at the Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund, Sweden
• defense date: 2001-12-15 10:15:00
• ISBN: 91-7874-163-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004)
• id: 8d92e8f2-9416-40ea-95b8-d6950e53142e (old id 42173)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:14:53
• date last changed: 2018-11-21 21:09:52