基于環境艙法的車內空氣VOC釋放特性分析

張仲榮 丁瑾 姚慧 胡俊艷 王崇 王坤

（中國汽車技術研究中心)

隨著我國經濟和汽車工業的快速發展，汽車已成為人們日常生活和工作的重要組成部分，車內空氣的品質也備受公眾關注和重視。各國環保部門和汽車企業相繼采取降低車內空氣揮發性有機物（VOC）的舉措。在我國，標準 HJ/T400—2007[1]和 GB/T 27630—2011[2]為車內VOC提供了測量依據；日本汽車工業協會在2007年以前推出了《降低汽車內VOC（揮發性有機化合物）的自主舉措》[3]和《汽車內VOC的檢測方法》[4]；國際標準化組織（ISO）發布了 ISO 12219-1：2012[5]。文獻[6-9]對車內空氣的VOC檢測方法，以及非標方法下溫度、溫差及密閉時間對車內空氣VOC的影響等進行了相關研究。文章基于環境艙法，以研究型試驗車為試驗對象，對車內空氣VOC釋放特性進行了相關研究。

1 試驗方法

1.1 試驗車輛

選取了15輛中檔研究型試驗車，下線時間均在15天內，車內飾保持原出廠時的狀態：座椅內飾為真皮且包裹塑料薄膜，后備箱內置備胎、工具，無地墊。選取的車內VOC釋放特性研究用試驗車參數，如表1所示。

表1 車內空氣VOC釋放特性試驗車參數

1.2 試驗程序

1.2.1 常溫狀態測試方法

依據HJ/T400—2007，試驗前,將試驗車移入環境實驗艙中，首先去除車內飾件表面覆蓋物，打開車門、窗及后備箱門，通風6 h；采樣點布置于前排座椅中間的駕駛員呼吸帶高度，將采樣導管從車門上邊縫隙伸出，關閉車門、窗及后備箱門，將伸出車外的采樣導管采用硅膠軟管連接密封，車輛封閉16 h。封閉結束后采集車內空氣樣品。記錄采集時車內外的溫度、濕度及環境氣壓，同時對環境實驗艙采集背景空氣樣品。車外環境實驗艙采樣點距離車表面0.5 m內，高度與車內采樣位置相當。

1.2.2 高溫狀態測試方法

依據ISO 12219-1：2012，在國標測試方法采樣結束后，將采樣點布置于駕駛員呼吸帶且距離方向盤50 cm處，用于高溫狀態測試和空調狀態樣品采集。將車門關閉，并開啟環境實驗艙中的加熱器，輻照強度為400 W/m2，保持4.5 h，包括0.5 h采樣時間。

1.2.3 空調狀態測試方法

在高溫狀態測試后，空調狀態試驗開始前，預先將排氣管連接到環境實驗艙的排風管道上，避免背景空氣受到污染。同時保持環境實驗艙加熱器處于開啟狀態。試驗人員快速打開駕駛室門進入車內，啟動發動機，開啟預先設定溫度為23℃的空調，然后下車，迅速關閉車門。整個開關車門時間小于60 s。采集車內空氣樣品，采集時間為30 min。

采樣結束后，關閉環境實驗艙的加熱器及發動機，將車輛移出艙外。

VOC采樣管采氣流速為100 mL/min，采集時間為30 min；醛酮DNPH采樣管采氣流速為500 mL/min，采集時間為30 min。

1.3 車內VOC分析方法

1.3.1 VOC吸附管分析方法

VOC采樣管采用儀器型號為MarkesATD Unity-AgilentGC7890B-MS5977A的熱脫附-氣相色譜質譜聯用儀，儀器分析條件如下。

1）熱脫附儀條件。

預吹掃流速為20 mL/min，預吹掃時間為1 min；傳輸線溫度為180℃。1級熱脫附：吸附管脫附溫度為280℃，脫附時間為10 min，熱脫附氣體流速為40 mL/min，分流比為2∶1。冷阱溫度為-10℃，保持10 min。2級熱脫附：冷阱加熱溫度為300℃，冷阱加熱速率為 40 ℃/s，加熱 5 min，分流比為 20∶1。

2）氣相色譜條件。

柱溫箱升溫程序為：初始溫度為40℃，保持5 min，以升溫速率5℃/min升溫至120℃保持0 min，再以升溫速率10℃/min升溫至280℃，保持5 min。采用的石英毛細色譜柱型號規格為HP-5MS（60 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣采用純度為99.999 5%以上的氦氣，色譜柱流速為1 mL/min。

3）質譜條件。

離子源、四極桿及傳輸線溫度分別為230，150，250℃；離子化方式為EI電子轟擊離子源，電離電壓為70 eV；掃描方式為全掃描模式，質量數掃描范圍為 30～500 u。

1.3.2 醛酮吸附管分析方法

1）洗脫條件。

采樣后的醛酮DNPH采樣管，采用5 mL的乙腈進行反向洗脫，收集洗脫液至5 mL的容量瓶中，超聲，定容。分析時采用0.45 μm濾膜過濾。

2）分析條件。

對于醛酮的洗脫液，采用型號為Agilent 1260的高效液相色譜儀分析，具體分析條件如下：色譜柱采用規格為250 mm×4.6 mm的ODS C18反相色譜柱，粒徑為5 μm。流動相A相為水（H2O）與四氫呋喃（C4H8O）的混合溶劑，V（H2O）∶V（C4H8O）=9∶1；B相為乙腈。柱流速為1.2 mL/min，進樣量為10 μL，柱溫為30℃，檢測器為二極管陣列檢測器，檢測波長360 nm，帶寬8 nm。

2 試驗結果與討論

2.1 車輛下線時間對車內VOC的影響

采用環境艙法，控制溫度、濕度、風速及背景濃度等試驗條件，在車輛試驗程序下比較了5#試驗車內空氣中8種揮發性有機物（苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛及丙烯醛）的釋放水平隨車輛下線時間的變化，以及各VOC的衰減特性，如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，隨著車輛下線時間的延長，車內各VOC的質量濃度水平大致呈下降趨勢。從圖2可以看出，在車輛下線60天內，在國標常溫、高溫及空調狀態3種測試條件下，其中苯、甲苯、乙苯、二甲苯及苯乙烯這些苯系物的下降比例相對較大，而醛酮類化合物下降的程度較小，個別有些波動；在下線30天和60天內，苯、甲苯、乙苯、二甲苯及苯乙烯下降幅度可達40%～90%，而甲醛、乙醛及丙烯醛的釋放程度相對于苯系物要緩慢很多，下降程度在10%～35%，丙烯醛除了在高溫狀態釋放增加外，其他狀態基本維持在一個穩定水平。

圖1 車內VOC質量濃度隨汽車下線時間的變化

圖2 車內VOC隨汽車下線時間的衰減特性

2.2 短期通風對車內VOC的影響

對車輛進行短暫24 h通風試驗比較。首先對車輛封閉24 h以上進行采樣測試，然后打開車門進行24 h通風，通風結束后關閉車門再進行采樣測試。通風前后的采樣測試結果比較，如圖3所示。從圖3可看出，除含量較低的苯以外，甲苯、乙苯、二甲苯及苯乙烯4種苯系物經過通風后，質量濃度水平均有所減少，減少幅度可達40%左右，而甲醛、乙醛及丙烯醛則隨短暫通風影響效果不大。

圖3 車內VOC在通風前后的釋放水平比較

2.3 不同采樣位置下車內VOC的差異

為了考察HJ/T400—2007和ISO 12219-1：2012中車內采樣位置對VOC的影響差異，同時在前排座椅頭枕連線中間、駕駛員頭枕與方向盤連線50 cm處布置采樣點，試驗發現，2個采樣位置對試驗結果的相對偏差在15%以內，無明顯差異。

2.4 不同測試狀態下VOC的釋放特點

試驗中對15輛中檔車進行了常溫狀態25℃、高溫狀態40℃及空調狀態25～27℃下汽車內VOC采樣分析比較。圖4示出苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛及丙烯醛8種有機物釋放特性的變化。

圖4 車內VOC在不同測試狀態下的比較

從圖4中看出，高溫下，車內空氣VOC高于國標常溫模式和空調模式，空調模式開啟后，車內的有機物基本恢復到了常溫狀態下的水平，表明在高溫后，在0.5 h內，空調循環系統有助于將車內空氣VOC快速降低并恢復到高溫前未加熱的狀態水平。從圖4e可以看出，對于1，5，7#試驗車，苯乙烯常溫釋放水平均高于GB/T 27630—2011 標準限值要求（260 μg/m3），說明車內飾件有使用苯乙烯聚合度不太好或使用苯乙烯溶劑的材質，需要查找原因進行控制。此外，由于試驗車的座椅表皮均為真皮材質，常溫下乙醛的釋放水平在標準限值要求（50 μg/m3）附近，乙醛質量濃度比較高。而其他化合物在常溫的釋放水平基本在限值要求以下。

車內8種VOC在高溫和空調狀態下與常溫狀態下的質量濃度比值，如圖5所示。從圖5可看出，對于苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛及丙烯醛8種VOC而言，其高溫與常溫的質量濃度比值范圍主要集中在1.0～3.5，空調與常溫的比值范圍主要集中在0.5～1.5。由此可見，當車輛經歷高溫暴曬，在開啟空調30min以后，車內的VOC水平便可降至與常溫狀態相當。

圖5 車內8種VOC物質在高溫和空調狀態與常溫狀態的質量濃度比值

2.5 內飾部件對車內VOC的貢獻

表2示出試驗車內飾拆解狀態。在常溫狀態下，依據表2對4#和5#車分別進行內飾件分批拆解，考察車內飾對車內VOC的影響，8種VOC的分析結果，如圖6所示。

表2 試驗車內飾拆解狀態

圖6 車輛內飾對車內空氣VOC的影響

從圖6可以看出，當車內飾件逐一拆除后，4#車內的大部分VOC都在一定程度上呈減少趨勢，但甲醛卻有一定程度的增加，特別是在最后工序5時，甲醛釋放水平明顯高于其他工序的水平，這說明該車的甲醛很大一部分可能來自于拆除內飾件后被暴露出來的其他材料。對于5#試驗車，隨著車內飾件的拆除，該車的有機物水平也是呈下降趨勢。

從2輛車拆解后的VOC試驗研究看出，該品牌車輛的前后排座椅對車內VOC的貢獻最大，其次為儀表臺、門內飾板及立柱；同時也說明了不同車輛的內飾件對車內VOC的影響會不同。從整車逆向至部件，研究內飾部件VOC的釋放原因可作為一種參考方式。與文獻[10]采用對從問題零部件VOC著手推斷到車內空氣質量的研究方法互補。

3 結論

1）對于新生產的汽車，隨著下線時間的延長，60天內的VOC有效下降了初始水平的40%以上，其中苯系物衰減速度較快，而醛酮類化合物的衰減相對較慢，衰減周期可能會更持久些。

2）對于新下線的汽車，在狹小的密閉環境中，車內高溫狀態下VOC均高于常溫狀態和空調狀態，不同化合物的倍數在1～3.5倍，因此對人體的健康危害程度相對嚴重；開啟空調模式可有效降低車內VOC的質量濃度，使其在0.5 h內恢復到室溫狀態水平。

3）對于下線不久的汽車，通過短期通風，車內苯系物的下降速率會優于醛酮類化合物。

4）汽車內飾件對于車內VOC的貢獻各不相同，對于一些特殊情況，采用整車逆向至內飾部件的試驗方法可以作為研究車內污染物來源的一種參考方式。