《Atmospheric Research》：Non-exhaust emissions: physical and chemical characterization of brake wear particles
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刹车磨损颗粒的物理化学特性及其环境风险研究。通过实验室测试舱和多种分析技术，发现颗粒尺寸分布从90纳米到0.4微米，含85%无机物和15%有机物，主要成分为铁、氧、碳，并存在无序碳结构和铁氧化物。该研究揭示了刹车颗粒的化学异质性和潜在持久性毒性，为排放控制提供依据。
芭芭拉·阿皮切拉（Barbara Apicella）|弗朗切斯科·卡塔帕诺（Francesco Catapano）|西尔瓦娜·迪·伊奥里奥（Silvana Di Iorio）|阿涅塞·马尼奥（Agnese Magno）|卡梅拉·鲁索（Carmela Russo）
可持续能源与移动技术科学研究所（STEMS）- 意大利那不勒斯CNR
摘要
颗粒物污染对公共健康构成了严重威胁。尽管尾气排放量大幅减少，但由于非尾气来源（如车辆部件磨损）的贡献，颗粒物问题仍然存在。本研究通过实验室实验重点分析了刹车产生的颗粒物的物理和化学特性。设计了一个测试舱来隔离刹车系统，以便准确测量颗粒物的粒径分布。对刹车磨损的化学成分和形态进行了深入分析。在线物理检测显示，颗粒物大小范围从90纳米到0.4微米不等。热重分析表明，颗粒物大约由15%的有机物质（挥发性化合物和固体碳）和85%的无机物质组成。元素分析确定了铁、氧和碳是主要成分，同时还检测到了微量的铜、钛和钡。进一步使用拉曼光谱和X射线衍射技术证实了无序碳结构与磁铁矿和赤铁矿等结晶相的共存。这些发现强调了刹车磨损颗粒物的化学异质性，表明它们具有持续性和环境毒性。
引言
超过70%的欧洲人生活在环境污染严重的地区，这主要是由于人口密度高和经济活动频繁（欧洲环境署，2025年）。大气质量的恶化是一个关键的健康问题，而颗粒物（PM）是主要原因之一。已有充分证据表明，吸入颗粒物会显著增加心血管疾病、呼吸系统疾病和代谢性疾病的风险（Pope和Dockery，2006年）。空气质量与道路交通之间存在因果关系，尤其是在交通拥堵的城市中心，车辆拥堵会导致更高的排放量（Chang和Park，2023年）。
近年来，人们通过改进推进系统来减少车辆颗粒物排放（Ravi等人，2023年）。随着尾气颗粒物排放量的逐步减少，人们开始更加关注由刹车和轮胎磨损、道路侵蚀、重新悬浮的灰尘以及燃料和溶剂中的挥发性有机化合物引起的非尾气排放（Harrison等人，2021年）。在交通密集且频繁刹车的城市地区，刹车磨损是重要的非尾气颗粒物来源，其质量占比达到非尾气PM10排放量的55%，占总交通PM10排放量的21%（Grigoratos和Martini，2015年）。因此，为了减少总车辆排放并改善空气质量，即将实施的EURO7法规也将对刹车颗粒物排放量进行限制（欧盟委员会，2022年）。
刹车系统通过刹车片对运动部件（通常是转子）施加压力来减速或停车。这一过程会导致转子和刹车片的磨损，从而释放出从超细到粗粒度的颗粒物（Straffelini和Gialanella，2021年）。这些排放物可以分为空气中的颗粒物（被释放到空气中并带走）和沉积在车辆部件、刹车系统或道路表面的颗粒物（Kukutschová等人，2011年）。刹车磨损颗粒物（BWPs）是道路灰尘的重要组成部分，其重新悬浮的过程受道路灰尘负荷、道路表面宏观纹理、湿度、交通密度、成分和车辆速度等因素影响（Fussell等人，2022年）。Songkitti等人（2025年）分析了传动系统、车辆重量和载荷对内燃机和电动汽车道路灰尘重新悬浮排放的影响，他们发现电动汽车由于扭矩/重量较大，导致道路灰尘重新悬浮现象更为严重，因此制造商需要改进车辆设计以降低污染。
刹车磨损颗粒物的物理化学性质取决于刹车片材料，这些材料包括填料、粘合剂、磨料、润滑剂和纤维，它们经过精心选择以实现特定的刹车性能（Grigoratos和Martini，2014年）。文献中的研究（Gerlofs-Nijland等人，2019年）探讨了刹车磨损产生的PM2.5的毒性潜力，发现其危害性取决于其来源。刹车磨损颗粒物的有害影响不仅与其颗粒大小有关，还与其化学成分密切相关。事实上，其高金属含量会导致氧化应激和炎症反应（Gasser等人，2009年）。Parkin等人（2025年）指出，非尾气颗粒物的化学异质性更强，可能引发不同的生物效应。他们还观察到，刹车磨损颗粒物的毒性可能超过柴油尾气颗粒物。最近的一项综合性综述（Christou等人，2025年）表明，非尾气颗粒物可在哺乳动物、水生和陆地模型中引起显著的氧化应激和促炎反应，其毒性潜力与其他主要颗粒物来源相当甚至更高。这突显了对该领域研究的迫切需求，需要深入了解刹车颗粒物的特性。为了制定有效的控制措施，必须详细了解刹车颗粒物的粒径分布、化学成分、形态以及在不同驾驶条件下的排放率。Alves等人（2021年）指出，大多数关于刹车颗粒物的研究集中在其金属成分上，而他们首次尝试对不同刹车片磨损颗粒物的有机成分进行了分析，发现只有少量有机成分可以通过色谱法分离出来，这表明需要结合多种技术来识别和量化更多化合物。
在这项研究中，重点分析了市面上常见汽车刹车磨损产生的颗粒物。我们设计了一个定制的实验装置，包括一个带有过滤空气循环的密封舱，用于隔离和测量刹车磨损排放物。使用两种互补的仪器（Engine Exhaust Particle Sizer，测量范围5.6至560纳米；Optical Particle Sizer，测量范围0.3至10微米）对颗粒物进行了广泛的物理特性分析。同时研究了刹车磨损颗粒物的化学成分和形态。为此，收集了刹车测试后沉积在舱壁上的碎片，并进行了多种技术分析，包括光谱分析、热重分析（TGA）、显微镜观察和形态/元素分析。该样本可以代表沉积在路边土壤上随后重新悬浮到大气中的灰尘。
实验装置
刹车过程中产生的颗粒物是在实验室条件下使用刹车测功机进行表征的。如图1-a所示，设计了合适的实验布局以确保对刹车磨损颗粒物的准确可靠测量。
实验装置是一个密封舱，将刹车系统封闭在其中，以防止外部污染。该舱呈圆形，直径约为500毫米，深度为350毫米。
结果
实验结果分为两部分，旨在全面分析刹车磨损产生的颗粒物。第一部分重点关注这些颗粒物的物理特性，包括数量和粒径，从而揭示刹车过程对其排放的影响。随后进行了详细的化学和形态分析，以评估与刹车磨损相关的潜在风险。
结论
刹车磨损是颗粒物排放的重要来源，尤其是在交通频繁的城市地区。对这些排放物进行彻底的定性和定量分析对于评估其潜在风险并指导采取有效的缓解措施至关重要。本研究重点分析了直接排放到大气中并沉积在道路表面的刹车磨损颗粒物。
作者贡献声明
芭芭拉·阿皮切拉（Barbara Apicella）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念化。弗朗切斯科·卡塔帕诺（Francesco Catapano）：方法论设计、数据分析、概念化。西尔瓦娜·迪·伊奥里奥（Silvana Di Iorio）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念化。阿涅塞·马尼奥（Agnese Magno）：初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念化。卡梅拉·鲁索（Carmela Russo）：初稿撰写、方法论设计
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Carlo Rossi、Bruno Sgammato、Maria Maddalena Oliano和Luciano Cortese在实验装置评估和实验活动中的支持。
