烘烤、噴漆對頂蓋VOC的影響研究

馬國蓮,曹玉春

(北京汽車研究總院有限公司,北京 101300)

0 引言

揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)是影響車內空氣質量的重要原因。VOC主要包括烷烴、烯烴、芳烴、醛類或酮類[1-2]等物質，具有特殊的刺激性氣味，而且部分已被列為致癌物，如氯乙烯、苯、多環芳烴等，部分VOC對臭氧層也有破壞作用，如氯氟烴和氫氯氟烴。

VOC濃度過高時，很容易引起急性中毒，輕者會出現頭痛、頭暈、咳嗽、惡心、嘔吐；嚴重時會出現抽搐，并會傷害到人的肝臟、腎臟、大腦和神經系統，對人體健康產生重大危害[3]。

2017年，車內空氣質量標準法規已強制執行[4-5]，各大主機廠紛紛加強對零部件VOC的管控，尤其是對車內空氣VOC貢獻率較大的樣件。比如自主品牌越野車某車型專用的前頂蓋安裝總成和后頂蓋安裝總成，因其樣件表面積大、生產工藝使用多層噴漆、原材料不具環保性等特點而成為對該車型車內空氣質量造成重大影響的罪魁禍首。各個生產廠家的頂蓋VOC優劣如何、頂蓋內表面噴漆對VOC有何影響以及烘烤能否有效降低VOC成為目前研究的重點。

1 試驗方法

國內外零部件VOC的試驗方法有袋式法、1 m3環境艙法、桶式法、微艙法。袋式法是國內同行業普遍認可的試驗方法，其成本低、操作簡便。1 m3環境艙法成本較高，桶式法只有少數主機廠在使用，微艙法使用也較少。

文中采用袋式法，將5個廠家的SMC(Sheet Molding Compound)材料統一模壓為25 cm×25 cm的樣片10片，每家2片，其中一個樣片在80 ℃下烘烤2 h；再選擇其中一個廠家(A廠家)制作2個模壓件，然后噴漆，其中的一個噴漆件在80 ℃下烘烤2 h。將12個樣件采用50 L袋子在試驗箱內分別開展65 ℃/2 h下的VOC測試。

2 試驗設備

2.1 高溫試驗箱

高溫試驗箱(見圖1)型號為SH401-200，滿足以下條件：

環境氣流速度：≤0.3 m/s；

環境污染物背景質量濃度值：α甲苯≤0.02 mg/m3，α甲醛≤0.02 mg/m3。

圖1 高溫試驗箱

2.2 熱脫附-氣質聯用儀

熱脫附為英國Markes的TD-100，配置100位自動進樣器；氣質聯用儀為ThermoFisher的Trace1300 ISQ LT，配置60 m毛細管柱和真空鎖裝置。熱脫附-氣質聯用儀如圖2所示。

圖2 熱脫附-氣質聯用儀

2.3 高效液相色譜儀

高效液相色譜儀型號為原戴安公司的Ultimate 3000，配置低壓四元梯度泵(LPG-3400SDN)、自動進樣器(WPS-3000SL)、柱溫箱(TCC-3000RS)、二極管陣列檢測器，如圖3所示。

圖3 高效液相色譜儀

2.4 抽氣泵

抽氣泵(見圖4)用于采樣袋的抽真空，確保采樣袋內背景氣體不對試驗結果造成影響。

圖4 抽氣泵

2.5 VOC充氣裝置

VOC充氣裝置(見圖5)型號為VL-050，用于采樣袋的充氣，該裝置可以設定充氣體積，當達到設定體積時自動停止充氣，方便了試驗人員的現場操作。

圖5 VOC充氣裝置

2.6 采樣泵

采樣泵(見圖6)型號為GilAir-Plus，具有自動補償功能并能自動記錄采樣體積，有利于試驗結果的準確性。

圖6 采樣泵

2.7 皂膜流量計

皂膜流量計(見圖7)型號為Gilibrator，流量為20～6 000 mL/min。

圖7 皂膜流量計

2.8 采樣管

采樣管為Tenax管和DNPH管，分別如圖8、圖9所示。

圖8 Tenax管 圖9 DNPH管

3 試驗步驟

3.1 樣品采集

(1)采樣袋翻面，置于環境艙中，90 ℃老化至少16 h。

(2)將樣件封裝于采樣袋中，用高純氮氣對采樣袋進行清洗，充抽氣3次(見圖10)。

圖10 頂蓋樣片VOC采樣袋清洗

(3)檢漏后充入50%采樣袋體積的高純氮氣。

(4)將采樣袋置于65 ℃高溫試驗箱中，進行2 h的加熱，樣件清單見表1。

表1 樣件清單

(5)加熱結束后，連接導氣管、恒流采樣泵，打開閥門進行采樣(見圖11)。

圖11 頂蓋樣片VOC樣品采集

(6)樣品采集后用鋁箔紙密封，低溫保存(﹤4 ℃)。

3.2 上機檢測

3.2.1 苯系物檢測

(1)用標準濃度的物質制作標準系列管。

(2)將樣品和標準系列管安裝在熱脫附儀上，對氣路進行嚴格檢漏。

(3)設置程序升溫參數，初溫50 ℃保持10 min，以5 ℃/min的速率升溫至250 ℃，保持至所有目標組分流出。

(4)質譜選擇全掃描模式，掃描范圍35～350 μm，電子轟擊能量70 eV，選擇化合物特征質量離子峰面積(或)峰高定量。

(5)對得出的譜圖進行定性、定量分析。

3.2.2 醛酮物檢測

(1)標準品儲備液用乙腈逐級稀釋，配置至少6個濃度的標準樣品。

(2)將采集的樣品洗脫、定容至5 mL，用濾膜過濾，并超聲清洗5 min。

(3)配置流動相，2 mMol/L的乙酸銨溶液、過濾后的純乙腈、10%的乙腈溶液。

(4)調試設備，清洗管路，設置檢測器波長360 nm、采集頻率5 Hz、進樣體積5 μL、柱流速0.6 mL/min、柱溫30 ℃，開啟紅外燈和紫外燈。

(5)設置梯度洗脫程序對樣品進行梯度洗脫。

(6)對得出的數據進行處理。

4 試驗分析

4.1 烘烤對VOC的影響

將A、B、C、D、E 5個廠家的樣件烘烤前后的VOC揮發量進行對比，見圖12—16。

圖12 A廠家樣件烘烤前后VOC揮發量對比圖

圖13 B廠家樣件烘烤前后VOC揮發量對比圖

圖14 C廠家樣件烘烤前后VOC揮發量對比圖

圖16 E廠家樣件烘烤前后VOC揮發量對比圖

通過比對可以看出：烘烤后A、B、D廠家所產的SMC樣片VOC升高，C、E廠家所產的樣片VOC下降；且每個廠家、每種物質升高或下降的幅度各有不同。

4.2 噴漆對VOC的影響

圖17—19為模壓件噴漆前后的苯系物、醛酮類物質和TVOC變化圖。

通過對比可以看出：噴漆后大部分VOC升高，尤其是二甲苯、乙苯劇增，TVOC升高約77倍。

圖17 噴漆前后的苯系物變化

圖18 噴漆前后的醛酮類物質變化

圖19 噴漆前后的TVOC變化

4.3 烘烤對噴漆件VOC的影響

圖20—22為噴漆件烘烤前后苯系物、醛酮類物質和TVOC的變化圖。

圖20 噴漆件烘烤前后苯系物的變化

圖22 噴漆件烘烤前后TVOC變化

從比對可以看出：噴漆后又進行烘烤，烘烤后VOC均下降。

5 試驗結論

(1)不噴漆條件下，5個廠家SMC頂蓋樣片VOC優劣順序為：A、B、C、E、D；D廠家最差，不噴漆情況下VOC都高于A廠家噴漆情況。

(2)烘烤對VOC的影響具有不確定性，可能造成VOC升高也可能造成VOC下降。

(3)噴漆會造成樣件VOC的急劇上升。

(4)噴漆件經烘烤后VOC下降，但依然比不噴漆的VOC高。

參考文獻:

[1]陳振賀,方小丹,何萬清,等.超高效液相色譜法測定餐飲油煙中的十五種醛酮[J].分析試驗室，2014，33(10)：1211-1215.

CHEN Z H,FANG X D,HE W Q,et al.Separation and Analysis of Fifteen Carbonyl Compounds from Oil Smoke in Restaurant with a UPLC Method[J].Chinese Journal of Analysis Laboratory,2014,33(10):1211-1215.

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[5]中華人民共和國環境保護部.車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法:HJ/T 400-2007[S].北京：中國環境科學出版社，2008.