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[气味性检测] 车内挥发性有机物的高温散发特性及管控方法

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发表于 2020-5-7 10:14:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车内挥发性有机物的高温散发特性及管控方法

李艾明,王雷,刘雪峰
(中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)
【中国汽车材料网】摘 要:采用采样袋法和环境舱法对主要内饰零部件和整车在常温和高温环境下的挥发性有机物(VOCs)的散发浓度进行测试和分析。结果表明,高温下的VOCs物质的散发浓度均高于常温,但高温对不同的VOCs物质的影响程度不同。通过比较主要内饰零部件的散发浓度差异,找到车内空气污染物的主要来源,对提升车内空气质量提出指导性的建议。
关键词:车内空气质量;挥发性有机化合物(VOCs);常温;高温

前言

随着我国汽车工业的飞速发展和乘用车产销量的逐年攀升,汽车已成为现代生活的必需品,是最为重要的交通出行工具。消费者在关注汽车的动力性、燃油经济性等性能指标的同时,也越来越关注汽车的健康环保性能,尤其是衡量车内空气质量优劣的最重要的因素:挥发性有机化合物(VOCs)的散发浓度[1,2]。因车内气味问题引发的消费者维权投诉,甚至车辆召回事件也时有发生,VOCs管控也已纳入“国六”法规标准的管控体系,可见,无论从法规标准层面,生产制造层面,还是消费者层面,VOCs的管控都应引起全产业链企业的高度关注和重视[3,4]。然而由于VOCs物质的来源广泛,影响因素繁多等,VOCs性能的提升仍存在较大的研究空间[5,6]。本文着重研究温度对车内VOCs物质散发浓度的影响。

1 试验对象和方法

依据HJ/T400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》和ISO 12219-1:2012《道路车辆内空气第一部分:整车测试环境舱法车内挥发性有机物的测定方法规范》,采用环境舱法,对11辆整车分别进行常温状态和高温状态下的VOCs样品的采集和测试。依据HJ/T400-2007要求,环境温度保持25±1℃不变[7];依据ISO 12219-1:2012要求,不控制车舱温度,但是环境舱的加热器应以400±50 W/m2的照射强度对受检车辆的顶棚进行4个小时的照射[8]。由此比较在相同的测试环境下,同一辆车在不同的温度条件下,车内VOCs物质散发浓度的差异。

采用采样袋法,对车内VOCs贡献度普遍较大的主要零部件分别进行常温状态和高温状态下的VOCs样品的采集和测试。常温状态即零部件在25℃的环境舱内放置12小时,高温状态即零部件在65℃的环境舱内放置2小时。由此比较在相同的测试环境下,同一零部件在不同的温度条件下,VOCs物质散发浓度的差异,筛选高温下的重点VOCs物质,对零部件及整车的气味溯源和整改途径提供参考依据。

所选的五种主要零部件是仪表板总成,顶棚总成,地毯总成,前排座椅总成和密封条总成。零部件的用材均为目前制造商普遍使用的材料,如表1所示。

[size=0.8em]表1 零部件的主要用材
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2 试验结果与讨论
2.1 温度对整车的VOCs散发浓度的影响

11辆整车在常温和高温状态下的苯,甲苯,乙苯,二甲苯,苯乙烯,甲醛,乙醛共7种VOCs物质的散发浓度值列于表2中,对于每种VOCs物质,计算了其浓度的增大量和增大倍数的平均值,见图1。增大倍数为高、常温下的浓度差值与常温浓度的比值。由于丙烯醛的散发浓度均接近于零,故不予计算。结果表明,7种VOCs物质在高温状态下的散发浓度均大于常温,但是浓度的增加量不同。平均增大浓度最大的是二甲苯,为440.86μg/m3,其次是乙苯和甲醛,平均增大了233.75μg/m3和207.73μg/m3。说明内饰材料所含的VOCs物质具有积累性,会随着温度的升高而逐渐释放。同时,7种VOCs物质的平均浓度增大倍数不同,最大的为甲醛,为7.31倍,其次是苯乙烯和乙苯,分别为2.19倍和1.84倍。可见甲醛因温度升高而加速释放地最为明显。说明随着温度的升高,不同的VOCs物质的释放速率增大幅度不同,即VOCs物质对温度的敏感性存在差异,这可能与VOCs物质自身的沸点,在内饰材料中的扩散系数,解吸附速率等有关。


2.2 温度对零部件的VOCs散发浓度的影响

五种主要零部件在高温和常温下的7种VOCs物质和TVOC的散发浓度列于表3,由于丙烯醛全部为未检出(ND)状态,故不予计算。结果表明,五种零部件的全部VOCs物质在高温的散发浓度较常温均有所增加。仪表板总成的苯乙烯的增大浓度最高,为589.67μg/m3,较其余6种VOCs物质对TVOC的增加量贡献度最大;甲醛的增大倍数最大,为9.33倍,是随着温度升高释放速率增大最为明显的物质,即温度敏感性最高。因此,苯乙烯和甲醛应列为仪表板的重点管控物质。

[size=0.8em]表2 高温和常温下整车VOCs物质散发浓度分析结果 单位:μg/m3
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图1 整车VOCs物质的高温相对常温的平均增大浓度和平均增大倍数


仪表板的主要用材是PP+EPDM-TD20,是一种以PP为硬段,EPDM(三元乙丙橡胶)为软段形成的共混型热塑性弹性体,经注塑成型。在确保材料的力学性能的前提下,应避免或减少使用VOCs散发量大的PP原材料,选用VOCs性能较好的PP与EPDM进行共混。在注塑加热过程中,为避免一些添加剂的氧化、分解而释放出小分子物质,应适当添加热稳定剂或使用热稳定性较好的添加剂。注塑前对塑料粒子进行烘烤预处理,可加快VOCs物质的散发,优化注塑产品的VOCs性能。

顶棚总成的苯乙烯的增大浓度最高,为318.12μg/m3,对TVOC的增加量贡献度最大;同时,苯乙烯的增大倍数也最大,为11.96倍,因温度升高释放进程明显加快。因此,苯乙烯是顶棚总成的重点管控物质。

表3 高温和常温下零部件VOCs物质散发浓度分析结果 单位:μg/m3
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顶棚的主体部分是板材,以PU泡沫,玻璃纤维毡和胶片经模具热压成型。模具加热温度为110~150℃,胶黏剂在加热固化过程中,会挥发出残留单体或有机溶剂,应选用环保型低VOCs胶黏剂,合理控制模具温度和保压时间。顶棚垫块使用的是再生PU泡沫,是将废弃的PU泡沫粉碎后,经过加热加压成型或粘合加压成型,实现PU泡沫的再利用。两种方式均会增大VOCs物质的散发量,建议用PE泡沫取代再生PU泡沫作为垫块。顶棚成品应选择通风良好的位置进行储存。

相较于常温,地毯总成的甲苯的增加量最大,为213.55 μg/m3,说明地毯中甲苯具有显著的积累性;甲醛的增大倍数最大,为19.53倍,受温度影响较大。因此,甲苯和甲醛应列为地毯的重点管控物质。

地毯的面层是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维经针刺而成型,为提高地毯的阻燃性和抗静电性,会在纤维表面喷洒或涂敷阻燃剂,抗静电剂,如常用的多元醇类抗静电剂,但醇类物质易被氧化成醛类。更换常规的溶剂型处理剂为水性处理剂,增加后续的烘烤工序,同时优化存放方式,注意通风,以减少VOCs物质的散发量。

前排座椅总成的甲醛的增大浓度最高,为332.89μg/m3,对TVOC的增加量贡献度最大;同时,甲醛的增大倍数也最大,为18.07倍。因此,甲醛是前排座椅总成的重点管控物质。

前排座椅总成中体积占比最大的是PU泡沫,PU泡沫通常是醛类物质的主要来源。PU泡沫的原材料多元醇单体易被氧化生成醛类,进而经过光热老化裂解,生成小分子醛类,如甲醛。所以甲醛在PU泡沫中具有明显的积累性。添加过氧化氢类醛类捕捉剂,换用低VOCs低气味的多元醇原料单体,修补泡沫时使用环保型的水性胶水,注意库房通风,存储过程中避免交叉污染,均是改善座椅VOCs性能的途径。

密封条总成的苯乙烯的增大浓度最高,为2517.58μg/m3,较其余6种VOCs物质对TVOC的增加量贡献度最大;乙醛的增大倍数最大,为6.40倍。因此,苯乙烯和乙醛应列为密封条的重点管控物质。

密封条总成的主要材质是EPDM硫化橡胶,调整配方体系,选用低VOCs的生胶、增塑剂、石蜡油等,改善硫化工艺,降低硫化温度,加长停放时间等,以削减密封条的VOCs挥发量。

可以看出,不同零部件在高温和常温下的VOCs物质散发特性是有所差异的,增大浓度较大的物质主要是甲苯,苯乙烯,甲醛;增大倍数较大的物质主要是苯乙烯,甲醛,乙醛。说明甲苯,苯乙烯,甲醛在内饰件中的积累性较强,会随着温度升高和时间累积而持续性地释放,产生持久性的空气污染,且内饰软触材料如泡沫,无纺布,真皮,PU合成革,PVC人造革等,表面积较大,具有易吸附的微孔结构,使VOCs物质难以散发;苯乙烯,甲醛,乙醛在内饰件中的温度敏感性较高,释放速率受温度的影响较大,在夏季阳光曝晒的情况下,车内浓度可能会快速集聚。

3 结论

(1)整车和零部件在高温状态下VOCs物质的散发浓度较常温均有所增加,但不同VOCs物质的散发特性不同。

(2)研发人员可通过比较零部件在高温和常温下VOCs物质的浓度增大量和增大倍数来筛选重点管控物质,提高整改效率。

(3)材料替换,工艺改善,存储环境优化是VOCs性能提升的三条基本途径。

参考文献

[1] 冯顺利.汽车车内空气质量检测和评价方法的研究[D].西安:长安大学,2008.

[2] 葛蕴珊,尤可为.车内污染物的影响因素和测量技术研究[J].科技导报,2006,(Sum No.217):44-47.

[3] 徐立恒,张明,徐茜.家用车内空气苯系物污染状况及健康风险分析[J].中国计量学院学报,2010,21(1):67-70.

[4] 薛振荣.座椅总成VOC挥发性能的改进[J].化学推进剂与高分子材料,2017,15(2).

[5] 李强,高磊,宣浩,等.温度对PC/ABS合金散发性的影响[J].汽车工艺与材料,2016(3):50-52.

[6] 刘琳琳.乘用车内空气污染物影响因素研究[D].北京:北京理工大学,2016:35- 49.

[7] 国家环境保护部 HJ/T400-2007 车内挥发性有机物和醛酮类化合物采样检测方法[S].北京:中国环境科学出版社,2008:33.

[8] ISO 12219-1:2012 Interior air of road vehicles-Part 1: Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determination of vol -atile organic compounds in cabin interiors[S].


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