Ambient air — Determination of the mass concentration of tire and road wear particles (TRWP) — Pyrolysis-GC-MS method

ISO/TS 20593:2017 specifies a method for the determination of the airborne concentration (μg/m3), mass concentration (μg/g) and mass fraction (%) of tyre and road wear particles (TRWP) in ambient particulate matter (PM) samples. ISO/TS 20593:2017 establishes principles for air sample collection, the generation of pyrolysis fragments from the sample, and the quantification of the generated polymer fragments. The quantified polymer mass is used to calculate the fraction of tyre tread in PM and concentration of tyre tread in air. These quantities are expressed on a TRWP basis, which includes the mass of tyre tread and mass of road wear encrustations, and can also be expressed on a tyre rubber polymer or tyre tread basis. Air sample collection is on quartz fibre filters with size-selective input in a range of PM2,5 or PM10. The method is suitable for the determination of TRWP in indoor or outdoor atmospheres.

Air ambiant — Détermination de la concentration en masse de particules provenant de l'usure des pneumatiques et des chaussées (TRWP) — Méthode par pyrolyse-CG/SM

L'ISO/TS 20593:2017 spécifie une méthode pour la détermination de la concentration en suspension par volume d'air (μg/m3), de la concentration en masse (μg/g) et de la fraction massique (%) des particules provenant de l'usure des pneumatiques et des revêtements routiers (TRWP) dans les échantillons de particules en suspension (PM) dans l'air ambiant. L'ISO/TS 20593:2017 établit les principes pour la collecte d'échantillons d'air, la génération de fragments par pyrolyse de l'échantillon, et la quantification des fragments de polymères générés. La masse quantifiée des polymères est utilisée pour calculer la fraction de particules de bandes de roulement dans les particules en suspension (PM) et la concentration des particules de bandes de roulement dans l'air. Ces quantités sont exprimées sur une base de TRWP qui comprend la masse de particules provenant des bandes de roulement et la masse d'incrustations provenant de l'usure du revêtement routier; ces quantités peuvent être également exprimées en termes de polymères de caoutchouc de pneumatiques ou en termes de bandes de roulement de pneumatiques. Les échantillons d'air sont collectés sur des filtres en fibres de quartz avec sélection des particules selon la taille dans une gamme de PM2,5 ou de PM10. La méthode convient pour la détermination des TRWP dans les atmosphères intérieures ou extérieures.

Zunanji zrak - Določevanje masne koncentracije delcev, ki nastanejo v cestnem prometu (TRWP) - Metoda GC-MS po pirolizi

Ta dokument določa metodo za določanje koncentracije v zraku (μg/m3), masne koncentracije (μg/g) in masnega deleža (%) delcev, ki nastanejo v cestnem prometu (TRWP) v vzorcih delcev v okolju (PM).
Ta dokument vzpostavlja načela za zbiranje vzorcev zraka, ustvarjanje delcev pirolize
iz vzorca ter kvantifikacijo ustvarjenih polimernih delcev. Kvantificirana polimerna
masa se uporablja za izračun deleža tekalne plasti pnevmatike v PM in koncentracije tekalne plasti pnevmatike v zraku. Te
količine so izražene na podlagi TRWP, ki vključuje maso tekalne plasti pnevmatik in maso inkrustacij cestne obrabe, lahko pa so izražene tudi na podlagi gumijastega polimera pnevmatike ali tekalne plasti pnevmatike.
Zbiranje vzorcev zraka poteka na kremenovih filtrih z vnosom z izbiro velikosti v razponu PM2,5 ali PM10. Metoda je primerna za določanje TRWP v notranjih ali zunanjih atmosferah.

General Information

Status
Published
Publication Date
14-Jun-2017
Current Stage
9093 - International Standard confirmed
Start Date
20-Sep-2020
Completion Date
20-Sep-2020

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Technical specification
ISO/TS 20593:2017 - Ambient air -- Determination of the mass concentration of tire and road wear particles (TRWP) -- Pyrolysis-GC-MS method
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ISO/TS 20593:2017 - Air ambiant -- Détermination de la concentration en masse de particules provenant de l'usure des pneumatiques et des chaussées (TRWP) -- Méthode par pyrolyse-CG/SM
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 20593
First edition
2017-06
Ambient air — Determination of the
mass concentration of tire and road
wear particles (TRWP) — Pyrolysis-
GC-MS method
Air ambiant — Détermination de la concentration en masse de
particules provenant de l’usure des pneumatiques et des chaussées
(TRWP) — Méthode par pyrolyse-CG/SM
Reference number
ISO/TS 20593:2017(E)
ISO 2017
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ISO/TS 20593:2017(E)
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© ISO 2017, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

the requester.
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ii © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 20593:2017(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 3

4.1 Symbols of units (see also ISO 4226) .................................................................................................................................. 3

4.2 Abbreviated terms ............................................................................................................................................................................... 3

5 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 4

6 Reagents ........................................................................................................................................................................................................................ 5

7 Apparatus ..................................................................................................................................................................................................................... 5

7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies ........................................................................................ 5

7.2 Specimen preparation laboratories ...................................................................................................................................... 6

7.3 Equipment for analysis .................................................................................................................................................................... 6

7.4 Consumables ............................................................................................................................................................................................. 6

8 Measuring range ................................................................................................................................................................................................... 7

9 Limit of detection ................................................................................................................................................................................................. 7

10 Procedure..................................................................................................................................................................................................................... 7

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

10.2 Sample collection .................................................................................................................................................................................. 7

10.3 Deuterated internal standard preparation ..................................................................................................................... 8

10.4 Calibration curve preparation ................................................................................................................................................... 8

10.4.1 Stock solutions ................................................................................................................................................................... 8

10.4.2 Calibration curves ........................................................................................................................................................... 9

10.5 Sample preparation ............................................................................................................................................................................ 9

10.5.1 Filter conditioning .......................................................................................................................................................... 9

10.5.2 Total PM and PM .................................................................................................................................................

2,5 10 10

10.5.3 Filter preparation .........................................................................................................................................................10

10.5.4 Internal standard addition ...................................................................................................................................10

10.6 Sample pyrolysis .................................................................................................................................................................................10

10.7 Sample measurement .....................................................................................................................................................................10

11 Analysis .......................................................................................................................................................................................................................11

11.1 General ........................................................................................................................................................................................................11

11.2 Total PM or PM concentration .....................................................................................................................................11

2,5 10

11.3 TRWP detection limit .....................................................................................................................................................................11

11.4 Quantity of tyre polymer in the sample ..........................................................................................................................11

11.5 Air concentration of TRWP ........................................................................................................................................................11

11.6 Mass concentration of TRWP...................................................................................................................................................12

12 Performance characteristics .................................................................................................................................................................12

12.1 General ........................................................................................................................................................................................................12

12.2 Specific performance characteristics ................................................................................................................................12

12.3 Method detection limit ..................................................................................................................................................................12

13 Test report ................................................................................................................................................................................................................12

Annex A (informative) Recipe for calibration curves and stock solutions .................................................................14

Annex B (informative) Curie-point pyrolyser ...........................................................................................................................................16

Annex C (informative) Representative calibration curves and pyrograms ...............................................................17

Annex D (normative) Calculation of TRWP detection limits ....................................................................................................24

© ISO 2017 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)

Annex E (normative) Calculation of results using dimer markers .....................................................................................26

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................28

iv © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following

URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 3,

Ambient atmospheres.
© ISO 2017 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
Introduction

Tyre and road wear particles (TRWP) are formed as a result of tread abrasion from the road surface

and subsequent particle release to the environment. TRWP consist of tyre tread particles which include

[3]

incorporated material from the road surface. The elastomeric fraction in TRWP contained in PM

2,5

or PM is quantified in this document by direct pyrolysis-GC-MS analysis of a sample filter. Mass can

be expressed on the basis of the rubber polymer, tyre tread, or TRWP. This method has been used to

measure the airborne concentration of TRWP in the PM fraction for three geographically separated

[4]

regions. The TRWP concentration in soil and sediment has also been characterized by a similar

[5]
method.

Specific chemical markers are generated from intact TRWP by pyrolysis of sample specimens. The

chemical markers consist of characteristic and specific pyrolysis dimeric fragments of passenger

and truck tyre tread polymers including butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and isoprene

rubber. The polymer fragments generated by sample pyrolysis are subsequently separated by gas

chromatography and identified by mass spectroscopy. The TRWP mass concentration is calculated

based on market average polymer use rates in tread and prior characterization of the mineral content

of TRWP. Rubber polymer specificity is achieved by quantification of dimeric polymer fragments

[6][7]

consisting of two monomer units. Repeatability is achieved by the use of a deuterated internal

standard of similar polymeric structure to the tyre tread polymers. The internal standard corrects for

variable analyte recovery caused by sample size, matrix effects, and temporal variation in instrument

response. The method is suitable for monitoring changes in ambient air TRWP concentrations over a

specified averaging time.
vi © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 20593:2017(E)
Ambient air — Determination of the mass concentration
of tire and road wear particles (TRWP) — Pyrolysis-GC-
MS method

WARNING 1 — Persons using this document should be familiar with normal laboratory practice.

This document does not purport to address all of the safety problems, if any, associated with its

use. It is the responsibility of the user to establish appropriate safety and health practices and to

ensure compliance with any national regulatory conditions.

WARNING 2 — Certain procedures specified in this document may involve the use or generation

of substances, or the generation of waste, that could constitute a local environmental hazard.

Reference should be made to appropriate documentation on safe handling and disposal after use.

1 Scope

This document specifies a method for the determination of the airborne concentration (μg/m ),

mass concentration (μg/g) and mass fraction (%) of tyre and road wear particles (TRWP) in ambient

particulate matter (PM) samples.

This document establishes principles for air sample collection, the generation of pyrolysis fragments

from the sample, and the quantification of the generated polymer fragments. The quantified polymer

mass is used to calculate the fraction of tyre tread in PM and concentration of tyre tread in air. These

quantities are expressed on a TRWP basis, which includes the mass of tyre tread and mass of road wear

encrustations, and can also be expressed on a tyre rubber polymer or tyre tread basis.

Air sample collection is on quartz fibre filters with size-selective input in a range of PM or PM . The

2,5 10

method is suitable for the determination of TRWP in indoor or outdoor atmospheres.

2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 4225, Air quality — General aspects — Vocabulary

ISO 7708:1995, Air quality — Particle size fraction definitions for health-related sampling

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4225 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
3.1
ambient air
outdoor air to which people, plants, animals, or material may be exposed
© ISO 2017 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
3.2
averaging time
interval of time over which the air quality has been expressed as an average
3.3
continuous sampling

sampling, without interruptions, throughout an operation or for a predetermined time

3.4
deuterated compound
compound containing at least one deuterium (3.5) molecule
3.5
deuterium
minor and stable isotope of hydrogen with one proton and one neutron
3.6
internal standard

compound added to a sample in a fixed amount that is nearly identical to the target analyte used to

correct for instrument drift and matrix interference
3.7
measurement period
interval of time between first and last measurement
3.8
monitoring
repeated measurement to follow changes over a period of time
3.9
natural background concentration

concentration of a given species in a pristine air mass in which anthropogenic emissions are negligible

3.10
particle aerodynamic diameter

diameter of a sphere of density 1 g/cm with the same terminal velocity due to gravitational force in

calm air as the particle, under the prevailing conditions of temperature, pressure, and relative humidity

3.11
particle
small discrete mass of solid or liquid matter
3.12
particulate matter — 2,5 μm
2,5

airborne particles (3.11) passing a size selective inlet with 50 % efficiency cut-off at a particle

aerodynamic diameter (3.10) of 2,5 μm
Note 1 to entry: See Thoracic Convention in ISO 7708:1995, Clause 6.
3.13
particulate matter — 10 μm

airborne particles (3.11) passing a size selective inlet with 50 % efficiency cut-off at an aerodynamic

diameter of 10 μm
Note 1 to entry: See High-Risk Respirable Convention in ISO 7708:1995, Clause 7.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
3.14
pyrolysis analysis

decomposition of organic polymeric molecules into characteristic fragments separated by gas

chromatography and quantified by mass spectroscopy

Note 1 to entry: The principle of sample decomposition is the application of thermal energy to a sample

encapsulated in a pyrolyser in the absence of oxygen. Secondary reactions are minimized by rapid heating of the

pyrolyser to the target temperature.
3.15
sampling time
interval of time over which a single sample is taken
3.16
tyre and road wear particles
TRWP

discrete mass of elongated particles (3.11) generated at the frictional interface between the tread of the

tyre and the roadway surface during the service life of a tyre

Note 1 to entry: The particles consist of tyre tread enriched with mineral encrustations from the roadway

surface.
3.17
thoracic convention
mass fraction of inhaled particles (3.11) which penetrate beyond the larynx
3.18
respirable convention

target specification for sampling instruments when the respirable fraction is of interest

4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols of units (see also ISO 4226)
μg microgram (10 gram)
cm centimeter (10 meter)
m cubic meter
cm square centimeter
μg/m microgram per cubic meter
4.2 Abbreviated terms
BdD vinylcyclohexene (butadiene dimer)
d-BdD deuterated butadiene dimer
d-IpD deuterated isoprene dimer
d-PI deuterated polyisoprene
d-PB deuterated polybutadiene
BR butadiene rubber
GC-MS gas chromatograph/mass spectrometer
© ISO 2017 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
IpD dipentene (isoprene dimer)
IR isoprene rubber
LOD limit of detection
LOQ limit of quantification
PM particulate matter
PM airborne particles with an aerodynamic diameter less than 2,5 μm
2,5
PM airborne particles with an aerodynamic diameter less than 10 μm
NR natural rubber
SBR styrene-butadiene rubber
TRWP tyre and road wear particles
5 Principle

Tyre tread polymer is quantified using internal standard calibration and the peak area of characteristic

fragment ions corresponding to dimers of the raw polymer. The thermal decomposition products

of cross-linked natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), and butadiene rubber (BR)

polymers depend on the abundance of polymers in the sample. SBR pyrolysis generates butadiene,

vinylcyclohexene (butadiene dimer), and styrene, whereas BR generates only butadiene monomer

and vinylcyclohexene. NR is associated with isoprene monomer and dipentene (isoprene dimer). The

dimer fragments have good specificity for rubber polymers, whereas both anthropogenic and natural

[6]

organic substances are sources of the monomer markers. Therefore, the monomeric pyrolysis marker

compounds are subject to interference from non-TRWP environmental sources and are not suitable for

quantification of TRWP mass or fraction in air. One well-known example is styrene, which is generated

[8]

from pyrolysis of both SBR and diesel exhaust particles. The tyre polymers and pyrolysis fragment

dimers used for quantification of TRWP are shown in Figure 1.

The procedure relies on deuterated homopolymer internal standards to increase the precision and

accuracy of the measured TRWP concentration. An internal standard is a chemical compound that is

nearly identical to the target analyte, but with sufficient differences in mass or functional groups to

be discriminated from the target analyte by the analytical method. The internal standard is used to

correct for matrix effects that affect polymer pyrolysis and fragment recovery. This correction is made

by comparing the instrument response for the internal standard of known amount to the instrument

response for the target analytes. The internal standard also corrects for changes in the mass

spectrometer ion source condition and fluctuations in carrier gas flow rates. The internal standards are

deuterated polyisoprene (d-PI) and deuterated polybutadiene (d-PB), which are polymers labelled with

the minor stable hydrogen isotope deuterium. The pyrolysis-GC-MS thermal decomposition products

of d-PI and d-PB are discriminated based on retention time and mass to charge ratio (m/z) from the

dipentene and vinylcyclohexene markers associated with NR and SBR/BR, respectively.

4 © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO/TS 20593:2017(E)
Figure 1 — Dimeric pyrolysis products of tyre rubber polymers
6 Reagents
During the analysis, use only reagents of recognized analytical grade.

WARNING — Use the reagents in accordance with the appropriate health and safety regulations.

6.1 Chloroform, analytical grade.
6.2 Helium, purity 99,999 5 %.
7 Apparatus
7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies
7.1.1 Quartz fibre filter.

A 47-mm quartz fibre filter consisting of woven filaments is required for compatibility with the

pyrolysis-GC-MS method. The filter should be suitable for PM or PM measurement by forming an

2,5 10

appropriate seal with the sampling device. The filters shall lie flat in the sampling device remaining

intact during handling. The filter selected shall be compatible with the ambient air particulate sampling

device. Quartz fibre filters are brittle and shall be handled with care for accurate mass measurement.

Preparation of the filter is not required, but the absence of contamination should be verified by at least

one blank filter analysis in accordance with 7.2.
7.1.2 Ambient air particulate sampling device.

The ambient air particulate sampling device shall be designed in a manner consistent with an identified

national or international guideline or reference method for the collection of PM samples.

© ISO 2017 – All rights reserved 5
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ISO/TS 20593:2017(E)
7.2 Specimen preparation laboratories

The specimen preparation laboratories and quartz fibre filters selected for analysis shall be sufficiently

free of contamination such that blank filter analyses demonstrate an absence of polymer as established

by the method detection limit. At least one laboratory blank analysis shall be performed for each type

of quartz fibre filter used for sample collection and following modifications to laboratory standard

operating procedures or equipment.
7.2.1 Gravimetric PM determination laboratory.

Samples shall be prepared for gravimetric PM determination in an environment free of polymer and

particulate contamination. Samples shall not be prepared for analysis until acceptable blank filter

analyses have been completed. The laboratory shall condition the quartz fibre filters in accordance with

the national or international reference method identified in the collection of the PM or PM sample.

2,5 10
7.2.2 Pyrolysis analysis laboratory.

Samples shall be prepared for pyrolysis analysis in an environment free of polymer contamination.

Samples shall not be prepared for analysis until acceptable blank filter analyses have been completed.

7.3 Equipment for analysis
7.3.1 General

Prior to pyrolysis analysis, the total mass of PM collected on the filter is determined gravimetrically.

After determination of PM mass, the destructive pyrolysis analysis is completed using an integrated

system consisting of a pyrolyser interfaced to a gas chromatograph/mass spectrometer (GC-MS).

7.3.2 Precision analytical balance, for determination of total mass collected on the quartz filter and

operated in accordance with the national or international reference method identified in the collection

of the PM or PM sample. Measurements shall be conducted in an environment of controlled

2,5 10

temperature and humidity. The balance shall be maintained, calibrated and certified in accordance with

the manufacturer’s recommendations.

7.3.3 Pyrolyser, operated at a temperature of 670 °C for 5 s in a helium atmosphere with an induction

time of less than 0,2 s. A single-use or reusable sample holder shall be selected in accordance with the

manufacturer’s recommendation. Examples of pyrolyser systems are provided in ISO 7270-1 and include

micro-furnace with quartz tube, Curie-point with holder, and platinum filament with holder. An example

of one type of pyrolyser that can be used is described in Annex B.

7.3.4 Gas chromatograph/mass spectrometer, operated and maintained in accordance with

the manufacturer’s instructions, with a split ratio suitable for the sample density, and pyrolysis-GC

interface and transfer line temperature maintained at 300 °C. A DB-5MS equivalent ultra inert column

(30 m × 0,25 mm i.d., 1 µm film thickness) shall be used to separate the pyrolysis products. The initial GC

temperature shall be 50 °C for 5 min followed by heating to 300 °C at a rate of 25 °C min . The MS shall

be operated in scan mode with m/z range of 35 to 500 and tuned using perfluorotributylamine at m/z

= 69, 212, and 502 prior to each analysis sequence in accordance with the manufacturer’s instructions.

7.4 Consumables

7.4.1 Pyrolyser sample holders, selected in accordance with the pyrolyser manufacturer’s

instructions and operated at a target temperature of 670 °C with a tolerance of ±0,1 °C. An example of

one type of sample holder that can be used is described in Annex B.
6 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 20593:2017(E)
8 Measuring range

The nominal surface area of the 47-mm quartz filter is 11,94 cm , of which a fraction of approximately

3,98 cm is analysed to allow for multiple destructive pyrolysis measurements from the sample. The

range of SBR/BR polymer that can be determined for a filter specimen area of 3,98 cm is approximately

0,1 μg to 25 μg, and the range of NR polymer that can be determined on the filter is approximately

0,03 μg to 12 μg. Assuming a total volume of air of 24 m , this mass range corresponds to a TRWP

3 3

concentration range in ambient air of approximately 0,06 μg/m to 13 μg/m . Assuming a total PM

2,5

or PM concentration of 20 μg/m , the measurement range of mass fraction of TRWP to PM ranges

from 0,3 % to 50 %.
9 Limit of detection

The TRWP limit of detection (LOD) depends on the volume of air drawn through the filter, as well as the

fraction of the total filter pyrolysed. In
...

SLOVENSKI STANDARD
SIST-TS ISO/TS 20593:2018
01-marec-2018
=XQDQML]UDN'RORþHYDQMHPDVQHNRQFHQWUDFLMHGHOFHYNLQDVWDQHMRYFHVWQHP
SURPHWX 75:3 0HWRGD*&06SRSLUROL]L

Ambient air - Determination of the mass concentration of tire and road wear particles

(TRWP) - Pyrolysis-GC-MS method

Air ambiant - Détermination de la concentration en masse de particules provenant de

l'usure des pneumatiques et des chaussées (TRWP) - Méthode par pyrolyse-CG/SM
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO/TS 20593:2017
ICS:
13.040.20 Kakovost okoljskega zraka Ambient atmospheres
SIST-TS ISO/TS 20593:2018 en

2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.

---------------------- Page: 1 ----------------------
SIST-TS ISO/TS 20593:2018
---------------------- Page: 2 ----------------------
SIST-TS ISO/TS 20593:2018
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 20593
First edition
2017-06
Ambient air — Determination of the
mass concentration of tire and road
wear particles (TRWP) — Pyrolysis-
GC-MS method
Air ambiant — Détermination de la concentration en masse de
particules provenant de l’usure des pneumatiques et des chaussées
(TRWP) — Méthode par pyrolyse-CG/SM
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ISO/TS 20593:2017(E)
ISO 2017
---------------------- Page: 3 ----------------------
SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 3

4.1 Symbols of units (see also ISO 4226) .................................................................................................................................. 3

4.2 Abbreviated terms ............................................................................................................................................................................... 3

5 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 4

6 Reagents ........................................................................................................................................................................................................................ 5

7 Apparatus ..................................................................................................................................................................................................................... 5

7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies ........................................................................................ 5

7.2 Specimen preparation laboratories ...................................................................................................................................... 6

7.3 Equipment for analysis .................................................................................................................................................................... 6

7.4 Consumables ............................................................................................................................................................................................. 6

8 Measuring range ................................................................................................................................................................................................... 7

9 Limit of detection ................................................................................................................................................................................................. 7

10 Procedure..................................................................................................................................................................................................................... 7

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

10.2 Sample collection .................................................................................................................................................................................. 7

10.3 Deuterated internal standard preparation ..................................................................................................................... 8

10.4 Calibration curve preparation ................................................................................................................................................... 8

10.4.1 Stock solutions ................................................................................................................................................................... 8

10.4.2 Calibration curves ........................................................................................................................................................... 9

10.5 Sample preparation ............................................................................................................................................................................ 9

10.5.1 Filter conditioning .......................................................................................................................................................... 9

10.5.2 Total PM and PM .................................................................................................................................................

2,5 10 10

10.5.3 Filter preparation .........................................................................................................................................................10

10.5.4 Internal standard addition ...................................................................................................................................10

10.6 Sample pyrolysis .................................................................................................................................................................................10

10.7 Sample measurement .....................................................................................................................................................................10

11 Analysis .......................................................................................................................................................................................................................11

11.1 General ........................................................................................................................................................................................................11

11.2 Total PM or PM concentration .....................................................................................................................................11

2,5 10

11.3 TRWP detection limit .....................................................................................................................................................................11

11.4 Quantity of tyre polymer in the sample ..........................................................................................................................11

11.5 Air concentration of TRWP ........................................................................................................................................................11

11.6 Mass concentration of TRWP...................................................................................................................................................12

12 Performance characteristics .................................................................................................................................................................12

12.1 General ........................................................................................................................................................................................................12

12.2 Specific performance characteristics ................................................................................................................................12

12.3 Method detection limit ..................................................................................................................................................................12

13 Test report ................................................................................................................................................................................................................12

Annex A (informative) Recipe for calibration curves and stock solutions .................................................................14

Annex B (informative) Curie-point pyrolyser ...........................................................................................................................................16

Annex C (informative) Representative calibration curves and pyrograms ...............................................................17

Annex D (normative) Calculation of TRWP detection limits ....................................................................................................24

© ISO 2017 – All rights reserved iii
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)

Annex E (normative) Calculation of results using dimer markers .....................................................................................26

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................28

iv © ISO 2017 – All rights reserved
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following

URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 3,

Ambient atmospheres.
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
Introduction

Tyre and road wear particles (TRWP) are formed as a result of tread abrasion from the road surface

and subsequent particle release to the environment. TRWP consist of tyre tread particles which include

[3]

incorporated material from the road surface. The elastomeric fraction in TRWP contained in PM

2,5

or PM is quantified in this document by direct pyrolysis-GC-MS analysis of a sample filter. Mass can

be expressed on the basis of the rubber polymer, tyre tread, or TRWP. This method has been used to

measure the airborne concentration of TRWP in the PM fraction for three geographically separated

[4]

regions. The TRWP concentration in soil and sediment has also been characterized by a similar

[5]
method.

Specific chemical markers are generated from intact TRWP by pyrolysis of sample specimens. The

chemical markers consist of characteristic and specific pyrolysis dimeric fragments of passenger

and truck tyre tread polymers including butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, and isoprene

rubber. The polymer fragments generated by sample pyrolysis are subsequently separated by gas

chromatography and identified by mass spectroscopy. The TRWP mass concentration is calculated

based on market average polymer use rates in tread and prior characterization of the mineral content

of TRWP. Rubber polymer specificity is achieved by quantification of dimeric polymer fragments

[6][7]

consisting of two monomer units. Repeatability is achieved by the use of a deuterated internal

standard of similar polymeric structure to the tyre tread polymers. The internal standard corrects for

variable analyte recovery caused by sample size, matrix effects, and temporal variation in instrument

response. The method is suitable for monitoring changes in ambient air TRWP concentrations over a

specified averaging time.
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 20593:2017(E)
Ambient air — Determination of the mass concentration
of tire and road wear particles (TRWP) — Pyrolysis-GC-
MS method

WARNING 1 — Persons using this document should be familiar with normal laboratory practice.

This document does not purport to address all of the safety problems, if any, associated with its

use. It is the responsibility of the user to establish appropriate safety and health practices and to

ensure compliance with any national regulatory conditions.

WARNING 2 — Certain procedures specified in this document may involve the use or generation

of substances, or the generation of waste, that could constitute a local environmental hazard.

Reference should be made to appropriate documentation on safe handling and disposal after use.

1 Scope

This document specifies a method for the determination of the airborne concentration (μg/m ),

mass concentration (μg/g) and mass fraction (%) of tyre and road wear particles (TRWP) in ambient

particulate matter (PM) samples.

This document establishes principles for air sample collection, the generation of pyrolysis fragments

from the sample, and the quantification of the generated polymer fragments. The quantified polymer

mass is used to calculate the fraction of tyre tread in PM and concentration of tyre tread in air. These

quantities are expressed on a TRWP basis, which includes the mass of tyre tread and mass of road wear

encrustations, and can also be expressed on a tyre rubber polymer or tyre tread basis.

Air sample collection is on quartz fibre filters with size-selective input in a range of PM or PM . The

2,5 10

method is suitable for the determination of TRWP in indoor or outdoor atmospheres.

2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 4225, Air quality — General aspects — Vocabulary

ISO 7708:1995, Air quality — Particle size fraction definitions for health-related sampling

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4225 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
3.1
ambient air
outdoor air to which people, plants, animals, or material may be exposed
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
3.2
averaging time
interval of time over which the air quality has been expressed as an average
3.3
continuous sampling

sampling, without interruptions, throughout an operation or for a predetermined time

3.4
deuterated compound
compound containing at least one deuterium (3.5) molecule
3.5
deuterium
minor and stable isotope of hydrogen with one proton and one neutron
3.6
internal standard

compound added to a sample in a fixed amount that is nearly identical to the target analyte used to

correct for instrument drift and matrix interference
3.7
measurement period
interval of time between first and last measurement
3.8
monitoring
repeated measurement to follow changes over a period of time
3.9
natural background concentration

concentration of a given species in a pristine air mass in which anthropogenic emissions are negligible

3.10
particle aerodynamic diameter

diameter of a sphere of density 1 g/cm with the same terminal velocity due to gravitational force in

calm air as the particle, under the prevailing conditions of temperature, pressure, and relative humidity

3.11
particle
small discrete mass of solid or liquid matter
3.12
particulate matter — 2,5 μm
2,5

airborne particles (3.11) passing a size selective inlet with 50 % efficiency cut-off at a particle

aerodynamic diameter (3.10) of 2,5 μm
Note 1 to entry: See Thoracic Convention in ISO 7708:1995, Clause 6.
3.13
particulate matter — 10 μm

airborne particles (3.11) passing a size selective inlet with 50 % efficiency cut-off at an aerodynamic

diameter of 10 μm
Note 1 to entry: See High-Risk Respirable Convention in ISO 7708:1995, Clause 7.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
3.14
pyrolysis analysis

decomposition of organic polymeric molecules into characteristic fragments separated by gas

chromatography and quantified by mass spectroscopy

Note 1 to entry: The principle of sample decomposition is the application of thermal energy to a sample

encapsulated in a pyrolyser in the absence of oxygen. Secondary reactions are minimized by rapid heating of the

pyrolyser to the target temperature.
3.15
sampling time
interval of time over which a single sample is taken
3.16
tyre and road wear particles
TRWP

discrete mass of elongated particles (3.11) generated at the frictional interface between the tread of the

tyre and the roadway surface during the service life of a tyre

Note 1 to entry: The particles consist of tyre tread enriched with mineral encrustations from the roadway

surface.
3.17
thoracic convention
mass fraction of inhaled particles (3.11) which penetrate beyond the larynx
3.18
respirable convention

target specification for sampling instruments when the respirable fraction is of interest

4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols of units (see also ISO 4226)
μg microgram (10 gram)
cm centimeter (10 meter)
m cubic meter
cm square centimeter
μg/m microgram per cubic meter
4.2 Abbreviated terms
BdD vinylcyclohexene (butadiene dimer)
d-BdD deuterated butadiene dimer
d-IpD deuterated isoprene dimer
d-PI deuterated polyisoprene
d-PB deuterated polybutadiene
BR butadiene rubber
GC-MS gas chromatograph/mass spectrometer
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ISO/TS 20593:2017(E)
IpD dipentene (isoprene dimer)
IR isoprene rubber
LOD limit of detection
LOQ limit of quantification
PM particulate matter
PM airborne particles with an aerodynamic diameter less than 2,5 μm
2,5
PM airborne particles with an aerodynamic diameter less than 10 μm
NR natural rubber
SBR styrene-butadiene rubber
TRWP tyre and road wear particles
5 Principle

Tyre tread polymer is quantified using internal standard calibration and the peak area of characteristic

fragment ions corresponding to dimers of the raw polymer. The thermal decomposition products

of cross-linked natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), and butadiene rubber (BR)

polymers depend on the abundance of polymers in the sample. SBR pyrolysis generates butadiene,

vinylcyclohexene (butadiene dimer), and styrene, whereas BR generates only butadiene monomer

and vinylcyclohexene. NR is associated with isoprene monomer and dipentene (isoprene dimer). The

dimer fragments have good specificity for rubber polymers, whereas both anthropogenic and natural

[6]

organic substances are sources of the monomer markers. Therefore, the monomeric pyrolysis marker

compounds are subject to interference from non-TRWP environmental sources and are not suitable for

quantification of TRWP mass or fraction in air. One well-known example is styrene, which is generated

[8]

from pyrolysis of both SBR and diesel exhaust particles. The tyre polymers and pyrolysis fragment

dimers used for quantification of TRWP are shown in Figure 1.

The procedure relies on deuterated homopolymer internal standards to increase the precision and

accuracy of the measured TRWP concentration. An internal standard is a chemical compound that is

nearly identical to the target analyte, but with sufficient differences in mass or functional groups to

be discriminated from the target analyte by the analytical method. The internal standard is used to

correct for matrix effects that affect polymer pyrolysis and fragment recovery. This correction is made

by comparing the instrument response for the internal standard of known amount to the instrument

response for the target analytes. The internal standard also corrects for changes in the mass

spectrometer ion source condition and fluctuations in carrier gas flow rates. The internal standards are

deuterated polyisoprene (d-PI) and deuterated polybutadiene (d-PB), which are polymers labelled with

the minor stable hydrogen isotope deuterium. The pyrolysis-GC-MS thermal decomposition products

of d-PI and d-PB are discriminated based on retention time and mass to charge ratio (m/z) from the

dipentene and vinylcyclohexene markers associated with NR and SBR/BR, respectively.

4 © ISO 2017 – All rights reserved
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
Figure 1 — Dimeric pyrolysis products of tyre rubber polymers
6 Reagents
During the analysis, use only reagents of recognized analytical grade.

WARNING — Use the reagents in accordance with the appropriate health and safety regulations.

6.1 Chloroform, analytical grade.
6.2 Helium, purity 99,999 5 %.
7 Apparatus
7.1 Air sampling — Equipment and consumable supplies
7.1.1 Quartz fibre filter.

A 47-mm quartz fibre filter consisting of woven filaments is required for compatibility with the

pyrolysis-GC-MS method. The filter should be suitable for PM or PM measurement by forming an

2,5 10

appropriate seal with the sampling device. The filters shall lie flat in the sampling device remaining

intact during handling. The filter selected shall be compatible with the ambient air particulate sampling

device. Quartz fibre filters are brittle and shall be handled with care for accurate mass measurement.

Preparation of the filter is not required, but the absence of contamination should be verified by at least

one blank filter analysis in accordance with 7.2.
7.1.2 Ambient air particulate sampling device.

The ambient air particulate sampling device shall be designed in a manner consistent with an identified

national or international guideline or reference method for the collection of PM samples.

© ISO 2017 – All rights reserved 5
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SIST-TS ISO/TS 20593:2018
ISO/TS 20593:2017(E)
7.2 Specimen preparation laboratories

The specimen preparation laboratories and quartz fibre filters selected for analysis shall be sufficiently

free of contamination such that blank filter analyses demonstrate an absence of polymer as established

by the method detection limit. At least one laboratory blank analysis shall be performed for each type

of quartz fibre filter used for sample collection and following modifications to laboratory standard

operating procedures or equipment.
7.2.1 Gravimetric PM determination laboratory.

Samples shall be prepared for gravimetric PM determination in an environment free of polymer and

particulate contamination. Samples shall not be prepared for analysis until acceptable blank filter

analyses have been completed. The laboratory shall condition the quartz fibre filters in accordance with

the national or international reference method identified in the collection of the PM or PM sample.

2,5 10
7.2.2 Pyrolysis analysis laboratory.

Samples shall be prepared for pyrolysis analysis in an environment free of polymer contamination.

Samples shall not be prepared for analysis until acceptable blank filter analyses have been completed.

7.3 Equipment for analysis
7.3.1 General

Prior to pyrolysis analysis, the total mass of PM collected on the filter is determined gravimetrically.

After determination of PM mass, the destructive pyrolysis analysis is completed using an integrated

system consisting of a pyrolyser interfaced to a gas chromatograph/mass spectrometer (GC-MS).

7.3.2 Precision analytical balance, for determination of total mass collected on the quartz filter and

operated in accordance with the national or international reference method identified in the collection

of the PM or PM sample. Measurements shall be conducted in an environment of controlled

2,5 10

temperature and humidity. The balance shall be maintained, calibrated and certified in accordance with

the manufacturer’s recommendations.

7.3.3 Pyrolyser, operated at a temperature of 670 °C for 5 s in a helium atmosphere with an induction

time of less than 0,2 s. A single-use or reusable sample holder shall be selected in accordance with the

manufacturer’s recommendation. Examples of pyrolyser systems are provided in ISO 7270-1 and include

micro-furnace with quartz tube, Curie-point with holder, and platinum filament with holder. An example

of one type of pyrolyser that can be used is described in Annex B.

7.3.4 Gas chromatograph/mass spectrometer, operated and maintained in accordance with

the manufacturer’s instructions, with a split ratio suitable for the sample density, and pyrolysis-GC

interface and transfer line temperature maintained at 300 °C. A DB-5MS equivalent ultra inert column

(30 m × 0,25 mm i.d., 1 µm film thickness) shall be used to separate the pyrolysis products. The initial GC

temperature shall be 50 °C for 5 min followed by heating to 300 °C at a rate of 25 °C min . The MS shall

be operated in scan mode with m/z range of 35 to 500 and tuned using perfluorotributylamine at m/z

= 69, 212, and 502 prior to each analysis sequence in accordance with the manufacturer’s instructions.

7.4 Consumables

7.4.1 Pyrolyser sample holders, selected in accordance with the pyrolyser manufacturer’s

instructions an
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 20593
Première édition
2017-06
Air ambiant — Détermination de la
concentration en masse de particules
provenant de l’usure des pneumatiques
et des chaussées (TRWP) — Méthode
par pyrolyse-CG/SM
Ambient air — Determination of the mass concentration of tire and
road wear particles (TRWP) — Pyrolysis-GC-MS method
Numéro de référence
ISO/TS 20593:2017(F)
ISO 2017
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ISO/TS 20593:2017(F)
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Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée

sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur

l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à

l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO/TS 20593:2017(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 3

4.1 Symboles des unités (voir également l’ISO 4226) .................................................................................................... 3

4.2 Abréviations .............................................................................................................................................................................................. 4

5 Principe .......................................................................................................................................................................................................................... 4

6 Réactifs ........................................................................................................................................................................................................................... 5

7 Appareillage .............................................................................................................................................................................................................. 6

7.1 Échantillonnage de l’air — Matériel et consommables ....................................................................................... 6

7.2 Laboratoires de préparation des éprouvettes .............................................................................................................. 6

7.3 Matériel d’analyse ................................................................................................................................................................................ 6

7.4 Consommables ........................................................................................................................................................................................ 7

8 Gamme de mesurage ........................................................................................................................................................................................ 7

9 Limite de détection ............................................................................................................................................................................................ 7

10 Mode opératoire.................................................................................................................................................................................................... 8

10.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 8

10.2 Collecte des échantillons ................................................................................................................................................................ 8

10.3 Préparation de l’étalon interne deutéré ............................................................................................................................ 9

10.4 Préparation des courbes d’étalonnage ............................................................................................................................... 9

10.4.1 Solutions mères ................................................................................................................................................................ 9

10.4.2 Courbes d’étalonnage .................................................................................................................................................. 9

10.5 Préparation des échantillons ...................................................................................................................................................10

10.5.1 Conditionnement du filtre ....................................................................................................................................10

10.5.2 Particules en suspension totales PM et PM .................................................................................

2,5 10 10

10.5.3 Préparation du filtre ..................................................................................................................................................11

10.5.4 Ajout des étalons internes ....................................................................................................................................11

10.6 Pyrolyse des échantillons ...........................................................................................................................................................11

10.7 Mesurage des échantillons.........................................................................................................................................................11

11 Analyse .........................................................................................................................................................................................................................11

11.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................11

11.2 Concentration en particules en suspension totales PM ou PM ........................................................

2,5 10 12

11.3 Limite de détection des TRWP ...............................................................................................................................................12

11.4 Quantité de polymère de pneumatique dans l’échantillon ............................................................................12

11.5 Concentration de TRWP dans l’air ......................................................................................................................................12

11.6 Concentration en masse de TRWP ......................................................................................................................................12

12 Caractéristiques de performance ....................................................................................................................................................13

12.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................13

12.2 Caractéristiques de performance spécifiques ...........................................................................................................13

12.3 Limite de détection de la méthode .....................................................................................................................................13

13 Rapport d’essai ....................................................................................................................................................................................................13

Annexe A (informative) Recette pour les courbes d’étalonnage et les solutions mères ..............................15

Annexe B (informative) Pyrolyseur à point de Curie ........................................................................................................................17

Annexe C (informative) Pyrogrammes et courbes d’étalonnage représentatives ..............................................18

Annexe D (normative) Calcul des limites de détection des TRWP ......................................................................................25

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ISO/TS 20593:2017(F)

Annexe E (normative) Calcul des résultats à l’aide de marqueurs dimères .............................................................27

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................30

iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO/TS 20593:2017(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ iso/ fr/ avant -propos .html

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 3,

Atmosphères ambiantes.
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ISO/TS 20593:2017(F)
Introduction

Les particules provenant de l’usure des pneumatiques et des revêtements routiers (TRWP) sont

générées par l’abrasion des bandes de roulement de pneumatiques par la surface de la chaussée et

émises dans l’environnement. Les TRWP se composent de particules de bandes de roulement de

[3]

pneumatiques incluant des matériaux provenant de la surface des revêtements routiers . La fraction

d’élastomères dans les TRWP présentes dans les particules en suspension PM ou PM est quantifiée

2,5 10

dans le présent document par analyse directe d’un échantillon sur filtre par pyrolyse-CPG-SM. La masse

peut être exprimée sur la base du polymère de caoutchouc, de la bande de roulement de pneumatique,

ou des particules provenant de l’usure des pneumatiques et des revêtements routiers (TRWP). Cette

méthode a été utilisée pour mesurer la concentration dans l’air de TRWP dans la fraction PM pour

[4]

trois régions géographiquement distinctes . La concentration en TRWP dans le sol et les sédiments a

[5]
été également caractérisée par une méthode similaire .

Des marqueurs chimiques spécifiques sont générés à partir de TRWP intacts, par pyrolyse

d’éprouvettes prélevées dans un échantillon. Les marqueurs chimiques se composent de fragments

de dimères caractéristiques et spécifiques, obtenus par pyrolyse de polymères de pneumatiques de

voitures particulières et de camions, incluant le caoutchouc butadiène, le caoutchouc styrène-butadiène

et le caoutchouc isoprène. Les fragments de polymères générés par pyrolyse des échantillons sont

ensuite séparés par chromatographie en phase gazeuse et identifiés par spectroscopie de masse.

La concentration en masse des TRWP est calculée sur la base des taux d’utilisation en moyenne de

part de marché des polymères dans les pneumatiques et sur la base de la caractérisation préalable

de la teneur en minéraux des TRWP. La spécificité des polymères de caoutchouc est réalisée par

[6][7]

quantification de fragments de dimères composés de deux unités monomères . La répétabilité est

obtenue par l’utilisation d’un étalon interne deutéré présentant une structure polymère similaire à

celle des polymères de bandes de roulement de pneumatiques. L’étalon interne permet de corriger les

différences de taille de prélèvement, les effets de matrice et les variations dans le temps de la réponse

de l’instrument. La méthode convient pour surveiller les variations de concentrations en TRWP dans

l’air ambiant sur un temps d’intégration moyen spécifié.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 20593:2017(F)
Air ambiant — Détermination de la concentration
en masse de particules provenant de l’usure des
pneumatiques et des chaussées (TRWP) — Méthode par
pyrolyse-CG/SM

AVERTISSEMENT 1 — Il convient que les personnes utilisant le présent document soient

familiarisées avec les pratiques courantes de laboratoire. Le présent document ne prétend pas

couvrir tous les problèmes de sécurité potentiels liés à son utilisation. Il incombe à l’utilisateur

de la présente norme d’établir des pratiques appropriées en matière d’hygiène et de sécurité et

de s’assurer de la conformité à la réglementation nationale en vigueur.

AVERTISSEMENT 2 — Certains modes opératoires spécifiés dans le présent document peuvent

impliquer l’utilisation ou la génération de substances ou de déchets pouvant représenter

un danger environnemental local. Il convient de se référer à la documentation appropriée

concernant la manipulation et l’élimination après usage en toute sécurité.
1 Domaine d’application

Le présent document spécifie une méthode pour la détermination de la concentration en suspension par

volume d’air (μg/m ), de la concentration en masse (μg/g) et de la fraction massique (%) des particules

provenant de l’usure des pneumatiques et des revêtements routiers (TRWP) dans les échantillons de

particules en suspension (PM) dans l’air ambiant.

Le présent document établit les principes pour la collecte d’échantillons d’air, la génération de fragments

par pyrolyse de l’échantillon, et la quantification des fragments de polymères générés. La masse

quantifiée des polymères est utilisée pour calculer la fraction de particules de bandes de roulement

dans les particules en suspension (PM) et la concentration des particules de bandes de roulement

dans l’air. Ces quantités sont exprimées sur une base de TRWP qui comprend la masse de particules

provenant des bandes de roulement et la masse d’incrustations provenant de l’usure du revêtement

routier; ces quantités peuvent être également exprimées en termes de polymères de caoutchouc de

pneumatiques ou en termes de bandes de roulement de pneumatiques.

Les échantillons d’air sont collectés sur des filtres en fibres de quartz avec sélection des particules selon

la taille dans une gamme de PM ou de PM . La méthode convient pour la détermination des TRWP

2,5 10
dans les atmosphères intérieures ou extérieures.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels

amendements).
ISO 4225, Qualité de l’air — Aspects généraux — Vocabulaire

ISO 7708:1995, Qualité de l’air — Définitions des fractions de taille des particules pour l’échantillonnage lié

aux problèmes de santé
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 4225 ainsi que les

suivants s’appliquent.
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L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp

3.1
air ambiant

air extérieur auquel peuvent être exposés les personnes, les plantes, les animaux et les matériaux

3.2
temps d’intégration

intervalle de temps pendant lequel la qualité de l’air a été exprimée sous forme de moyenne

3.3
échantillonnage continu

échantillonnage, sans interruption, pendant toute une opération ou un temps prédéterminé

3.4
composé deutéré
composé contenant au moins une molécule de deutérium (3.5)
3.5
deutérium

isotope mineur et stable de l’hydrogène, dont le noyau possède un proton et un neutron

3.6
étalon interne

composé ajouté à un échantillon en une quantité fixée qui est presque identique à l’analyte cible utilisé

pour corriger la dérive de l’instrument et les interférences de matrice
3.7
période de mesurage
intervalle de temps entre le premier et le dernier mesurage
3.8
contrôle

mesure répétée destinée à suivre l’évolution d’un paramètre pendant un intervalle de temps

3.9
bruit de fond naturel

concentration d’une espèce donnée dans une masse d’air idéale dans laquelle les émissions

anthropogéniques sont négligeables
3.10
diamètre aérodynamique d’une particule

diamètre d’une sphère de masse volumique 1 g/cm possédant la même vitesse terminale de chute

dans l’air calme liée à la gravité que celle de la particule, dans les mêmes conditions de température, de

pression et d’humidité relative
3.11
particule
petite partie de matière solide ou liquide
3.12
particules en suspension — 2,5 μm
2,5

particules en suspension (3.11) traversant une entrée de taille sélective avec une coupure d’efficacité à

50 % pour un diamètre aérodynamique (3.10) de 2,5 μm

Note 1 à l’article: Voir «Convention thoracique» dans l’ISO 7708:1995, Article 6.

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3.13
particules en suspension — 10 μm

particules en suspension (3.11) traversant une entrée de taille sélective avec une coupure d’efficacité à

50 % pour un diamètre aérodynamique de 10 μm

Note 1 à l’article: Voir «Convention alvéolaire à haut risque» dans l’ISO 7708:1995, Article 7.

3.14
analyse par pyrolyse

décomposition de molécules de polymères organiques en fragments caractéristiques séparés par

chromatographie en phase gazeuse et quantifiés par spectroscopie de masse

Note 1 à l’article: Le principe de décomposition d’un échantillon consiste à appliquer de l’énergie thermique à un

échantillon encapsulé dans un pyrolyseur en l’absence d’oxygène. Les réactions secondaires sont minimisées par

l’échauffement rapide du pyrolyseur à la température cible.
3.15
durée d’échantillonnage
intervalle de temps pendant lequel est prélevé un seul échantillon
3.16
particules provenant de l’usure des pneumatiques et des revêtements routiers
TRWP

masse discrète de particules (3.11) allongées produites à l’interface de frottement entre la bande de

roulement du pneumatique et la surface de la chaussée au cours de l’usage d’un pneumatique

Note 1 à l’article: Les particules sont constituées de particules de bande de roulement enrichies par des

incrustations minérales provenant de la surface du revêtement routier.
3.17
convention thoracique
fraction massique des particules (3.11) inhalées qui pénètrent au-delà du larynx
3.18
convention alvéolaire

spécification cible pour les instruments d’échantillonnage lorsque la fraction alvéolaire est la fraction

intéressante
4 Symboles et abréviations
4.1 Symboles des unités (voir également l’ISO 4226)
μg microgramme (10 gramme)
cm centimètre (10 mètre)
m mètre cube
cm centimètre carré
μg/m microgramme par mètre cube
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4.2 Abréviations
BdD vinylcyclohexène (dimère de butadiène)
d-BdD dimère de butadiène deutéré
d-IpD dimère d’isoprène deutéré
d-PI polyisoprène deutéré
d-PB polybutadiène deutéré
BR caoutchouc butadiène
CPG-SM chromatographe en phase gazeuse/spectromètre de masse
IpD dipentène (dimère d’isoprène)
IR caoutchouc isoprène
LD limite de détection
LQ limite de quantification
PM particules en suspension
PM particules en suspension ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 μm
2.5
PM particules en suspension ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 10 μm
NR caoutchouc naturel
SBR caoutchouc styrène-butadiène

TRWP particules provenant de l’usure des pneumatiques et des revêtements routiers

5 Principe

Le polymère de bande de roulement est quantifié en utilisant l’étalonnage par étalon interne et l’aire de

pic des ions caractéristiques de fragments correspondant aux dimères du polymère brut. Les produits

de décomposition thermique des polymères réticulés à base de caoutchouc naturel (NR), de caoutchouc

styrène-butadiène (SBR) et de caoutchouc butadiène (BR), dépendent de l’abondance des polymères

dans l’échantillon. La pyrolyse du caoutchouc SBR génère du butadiène, du vinylcyclohexène (dimère

de butadiène) et du styrène, tandis que la pyrolyse du caoutchouc BR génère uniquement un monomère

de butadiène et du vinylcyclohexène. Le caoutchouc NR est associé à un monomère d’isoprène et à un

dipentène (dimère d’isoprène). Les fragments de dimères ont une bonne spécificité pour les polymères

de caoutchouc, alors que les substances organiques aussi bien anthropiques que naturelles produisent

[6]

les marqueurs de monomères . Par conséquent, les composés monomères utilisés comme marqueurs

de pyrolyse subissent des interférences provenant de sources environnementales de particules autres

que des particules TRWP et ne conviennent pas pour la quantification de la masse ou de la fraction

de TRWP dans l’air. Un exemple bien connu est le styrène, qui est généré par pyrolyse de caoutchouc

[8]

SBR et de particules de gaz d’échappement de moteurs diesels . Les polymères de pneumatiques et les

dimères de fragments de pyrolyse utilisés pour la quantification des TRWP sont indiqués à la Figure 1.

Le mode opératoire repose sur l’utilisation d’étalons internes constitués d’homopolymères deutérés

pour augmenter la fidélité et l’exactitude de la concentration mesurée en TRWP. Un étalon interne est

un composé chimique qui est presque identique à l’analyte cible, mais avec des différences suffisantes

en termes de masse et de groupes fonctionnels pour être distingué de l’analyte cible par la méthode

d’analyse. L’étalon interne est utilisé pour corriger les effets de matrice qui affectent la pyrolyse des

polymères et la récupération des fragments. Cette correction est effectuée en comparant la réponse

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de l’instrument pour l’étalon interne en quantité connue à la réponse de l’instrument pour les analytes

cibles. L’étalon interne corrige également les variations d’état de la source d’ions du spectromètre de

masse et les fluctuations des débits de gaz porteurs. Les étalons internes utilisés sont le polyisoprène

deutéré (d-PI) et le polybutadiène deutéré (d-PB), qui sont des polymères marqués au deutérium

(isotope mineur et stable de l’hydrogène). Les produits de décomposition thermique de d-PI et de d-PB

obtenus selon la méthode par pyrolyse-CPG-SM sont identifiés sur la base du temps de rétention et du

rapport masse/charge (m/z) à partir des marqueurs dipentène et vinylcyclohexène respectivement

associés au NR et au SBR/BR.
Formule du polymère Dimère
Vinylcyclohexène
SBR
Vinylcyclohexène
Dipentène

Figure 1 — Produits dimères de pyrolyse de polymères de caoutchouc de pneumatiques

6 Réactifs
Utiliser uniquement des réactifs de qualité analytique reconnue pour l’analyse.

AVERTISSEMENT — Utiliser les réactifs conformément aux réglementations appropriées en

matière de santé et de sécurité.
6.1 Chloroforme, de qualité analytique.
6.2 Hélium, d’une pureté de 99,999 5 %.
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7 Appareillage
7.1 Échantillonnage de l’air — Matériel et consommables
7.1.1 Filtre en fibres de quartz

Un filtre en fibres de quartz de 47 mm, composé de filaments tissés doit être utilisé en raison de sa

compatibilité avec la méthode pyrolyse-CPG-SM. Il convient que le filtre soit adapté pour le mesurage

de particules PM ou PM , en formant un joint étanche approprié avec le dispositif d’échantillonnage.

2,5 10

Les filtres doivent être posés à plat dans le dispositif d’échantillonnage et demeurer intacts durant la

manipulation. Le filtre choisi doit être compatible avec le dispositif d’échantillonnage des particules

en suspension dans l’air ambiant. Les filtres en fibres de quartz sont fragiles et doivent être manipulés

avec précaution pour un mesurage exact des masses. Une préparation du filtre n’est pas nécessaire,

mais il convient de vérifier l’absence de contamination en effectuant au moins une analyse de filtre

témoin conformément à 7.2.

7.1.2 Dispositif d’échantillonnage des particules en suspension dans l’air ambiant

Le dispositif d’échantillonnage des particules en suspension dans l’air ambiant doit être conçu en accord

avec un guide d’application ou une méthode de référence nationale ou internationale identifiée pour la

collecte des échantillons de particules en suspension (PM).
7.2 Laboratoires de préparation des éprouvettes

Les laboratoires de préparation des éprouvettes et les filtres en fibres de quartz choisis pour l’analyse

doivent être suffisamment exempts de contamination pour que les analyses des filtres témoins

démontrent l’absence de polymères, telle qu’établie par la limite de détection de la méthode. Au moins

une analyse à blanc doit être effectuée par chaque laboratoire et pour chaque type de filtre en fibres de

quartz utilisé pour la collecte des échantillons et également lorsque des modifications ont été apportées

aux modes opératoires et aux matériels courants de laboratoire.

7.2.1 Laboratoire de détermination gravimétrique des particules en suspension (PM)

Des échantillons doivent être préparés pour la détermination gravimétrique des particules en

suspension (PM) dans un environnement exempt de contamination par les polymères et les particules.

Aucun échantillon pour analyse ne doit être préparé avant que les filtres témoins n’aient été soumis

avec succès à des analyses. Le laboratoire doit conditionner les filtres en fibres de quartz conformément

à la méthode de référence nationale ou internationale identifiée pour la collecte de l’échantillon de

PM ou de PM .
2,5 10
7.2.2 Laboratoire d’analyse par pyrolyse
Les échantillons doivent
...

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