乘客艙地毯VOC性能優(yōu)化的實(shí)驗研究

虞接華,牛茜,鄭冠崔

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣東廣州 510000；2.廣州林駿汽車內(nèi)飾件有限公司,廣東廣州 510000)

0 引言

近年來，隨著公眾的環(huán)保意識和健康意識的不斷提高，車內(nèi)空氣質(zhì)量成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)車內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds,VOC)濃度較高時，有機(jī)物揮發(fā)物質(zhì)會強(qiáng)烈刺激人體感官，引起不舒適感，并導(dǎo)致一系列健康問題[1]。在已知的VOC物質(zhì)中，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將苯確定為致癌物，乙苯和苯乙烯歸為潛在致癌物[2]。對于車企而言，汽車空氣質(zhì)量的改善已成為中國汽車行業(yè)新的競爭領(lǐng)域。2012 年，環(huán)保部與國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布的《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》開始實(shí)施，其中規(guī)定了車內(nèi)空氣中苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛的濃度要求；2015 年《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》強(qiáng)標(biāo)修訂工作開始，目前已發(fā)布第二次征求意見稿，計劃2020年開始實(shí)施，這可能會是全球范圍內(nèi)最嚴(yán)格的車內(nèi)空氣質(zhì)量控制強(qiáng)制性法規(guī)[3]。有研究表明，車內(nèi)空氣中的污染物大部分來源于內(nèi)飾材料[4]。研究表明，零部件對整車VOC的貢獻(xiàn)程度與材料的用量、零部件的展開面積等因素均呈正比例關(guān)系[5]。乘客艙地毯作為汽車內(nèi)飾中最大零部件之一，其暴露面積可占內(nèi)飾件總體10%左右。因此，乘客艙地毯成為研究整車VOC需要重點(diǎn)關(guān)注的零部件。目前，對乘客艙地毯VOC散發(fā)的測試方法分為靜態(tài)頂空法、動態(tài)頂空法、箱式法及袋式法。其中箱式法和袋式法的靈敏度最高，檢測出的化合物最全面[6-7]。本文作者采用袋式法測試零部件及材料的VOC散發(fā)，找出散發(fā)來源，并提出了優(yōu)化措施[8]。

1 試驗部分

1.1 試劑

乙腈(色譜純)，甲醇(農(nóng)殘級)，苯系物mix12混標(biāo)1 000 ppm(o2si)，醛酮mix15混標(biāo)15 ppm(SUPELCO),2,4-二硝基苯肼標(biāo)準(zhǔn)物(GL Sciences Inc. mini AERODNPH,Cat.No.5010-23500)，Tenax-TA (markes CTBP1TC)。

1.2 設(shè)備與儀器

高效液相色譜儀/二極管陣列檢測器(Agilent 1260)，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890B-5977A),熱脫附儀(Markes TD100),恒流空氣采樣泵(Gilian GilAir plus),氣體流量校準(zhǔn)計(Gilian Gilibrator-2)，Tenax管老化爐(北京踏實(shí)科貿(mào) BTH-10)。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 2 000 L袋式法VOC測試

將乘客艙地毯放入干凈的2 000 L聚氟乙烯密封袋中，再準(zhǔn)備一個空的干凈的2 000 L聚氟乙烯密封袋。將1 000 L高純氮?dú)獬淙? 000 L袋子，然后抽干，反復(fù)操作3次。再向袋子中沖入1 000 L高純氮?dú)猓湃?5 ℃恒溫箱內(nèi)，恒溫放置2 h，輕柔密封袋，使氣體分布均勻。用2根Tenax管以400 mL/min的速度對袋中的VOC物質(zhì)采集7.5 min，各采集3 L氣體；用1根DNPH采樣管以800 mL/min的速度對袋中的醛酮類物質(zhì)采集15 min，共采集12 L氣體。通過熱脫附-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對Tenax管中的VOC物質(zhì)用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析；通過高效液相色譜儀對DNPH管內(nèi)的醛酮類物質(zhì)用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。

1.3.2 10 L袋式法VOC測試

將20 cm×20 cm地毯表皮、直立棉和普通棉墊放入干凈的10 L聚氟乙烯密封袋中，再準(zhǔn)備一個空的干凈的10 L聚氟乙烯密封袋。將5 L高純氮?dú)獬淙?0 L袋子，然后抽干，反復(fù)操作3次。再向袋子中沖入5 L高純氮?dú)猓湃?5 ℃恒溫箱內(nèi)，恒溫放置2 h，輕柔密封袋，使氣體分布均勻。用2根Tenax管以200 mL/min的速度對袋中的VOC物質(zhì)采集5 min，各采集1 L氣體；用1根DNPH采樣管以500 mL/min的速度對袋中的醛酮類物質(zhì)采集4 min，共采集2 L氣體。通過熱脫附-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對Tenax管中的VOC物質(zhì)用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析；通過高效液相色譜儀對DNPH管內(nèi)的醛酮類物質(zhì)用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析[9]。

1.4 分析與測試

1.4.1 樣品的單個有機(jī)化合物含量的計算

(1)空白袋背景值C1(μg/m3)的計算

C1=1 000C空白/V1

式中：C空白為空白袋中待測化合物含量(μg/tube);

V1為Tenax管采樣體積(L)。

(2)樣品測試值C2(μg/m3)的計算

C2=1 000C樣品/V1

式中：C樣品為樣品中待測化合物含量(μg/tube)。

(3)樣品測試值減空白袋背景值C3(μg/m3)的計算

C3=C2-C1

1.4.2 醛類物質(zhì)的計算

(1)DNPH管中醛類物質(zhì)含量M1(μg/tube)的計算

M1=C·V2

式中：C為醛類的濃度(μg/mL);

V2為用于洗脫DNPH管的乙腈體積(mL)。

(2)空白袋背景值M2(mg/m3)的計算

M2=M空白/V3

式中：M空白為DNPH管采集空白袋中醛類物質(zhì)含量(μg/tube);

V3為DNPH管采樣體積(L)。

(3)樣品中醛類物質(zhì)測試值M3(mg/m3)的計算

M3=M樣品/V3

式中：M樣品為DNPH管采集樣品袋中醛類物質(zhì)含量(μg/tube)。

(4)樣品中醛類物質(zhì)測試值減空白袋背景值M4(mg/m3)的計算

M4=M3-M2

2 結(jié)果與討論

2.1 乘客艙地毯VOC性能結(jié)果評價

某車型乘客艙地毯總成產(chǎn)品優(yōu)化前的VOC性能測試結(jié)果見表1。

表1 某車型乘客艙地毯優(yōu)化前VOC測試結(jié)果 μg/m3

從表1中可以看出,對比該產(chǎn)品的VOC限值標(biāo)準(zhǔn)要求,優(yōu)化前的乘客艙地毯總成產(chǎn)品VOC性能中乙醛超標(biāo)明顯，乘客艙地毯總成VOC性能較差，對車內(nèi)環(huán)境污染具有較大影響[10]。

2.2 乘客艙地毯總成VOC性能優(yōu)化研究及分析

2.2.1 乘客艙地毯污染來源問題分析

乘客艙地毯是將加工好的地毯表皮和直立棉高溫烘烤后模壓成型、水切割成型，再通過人工把附件粘貼到產(chǎn)品的相應(yīng)位置加工而成。

乘客艙地毯加工生產(chǎn)中VOC污染來源主要有：

(1)主要原材料：地毯表皮、直立棉和普通棉墊等，不同原材料的成分不一樣，其VOC含量有差異；

(2)生產(chǎn)工藝：加熱、模壓成型、沖裁、附件安裝等，加工過程中材料加熱對VOC有一定的影響，一定程度上加快了材料本身的VOC散發(fā)，但散發(fā)的效果要取決于加熱后抽排氣的效果；

(3)倉儲運(yùn)輸：采用臺車上疊加放置、專車運(yùn)輸，自然環(huán)境存放，通風(fēng)環(huán)境有利于VOC的散發(fā)，但與VOC污染源存放時也會造成交叉污染。

2.2.2 乘客艙地毯主要污染來源確認(rèn)

通過對產(chǎn)品構(gòu)成材料、加工、倉儲運(yùn)輸?shù)冗^程分析，發(fā)現(xiàn)VOC污染影響因素有很多，但原材料對VOC的影響及貢獻(xiàn)最大。因此,從實(shí)施有效性角度出發(fā),乘客艙地毯VOC 性能優(yōu)化改進(jìn)的直接方式為原材料的改進(jìn)。

2.2.3 地毯表皮、直立棉和棉墊VOC性能污染問題分析

(1)地毯表皮

地毯表皮材料是由PET纖維及低熔點(diǎn)纖維按照一定的比例用量，經(jīng)過開松、混合、梳理、針刺、起絨、熱定型等加工制成，化纖、低熔點(diǎn)纖維在加熱過程中部分融化分解產(chǎn)生小分子有機(jī)揮發(fā)污染物。

(2)直立棉

由普通纖維、低熔點(diǎn)纖維、阻燃纖維3種材料按照一定比例開松、混棉、梳理、直立成網(wǎng)、熱定型和裁切等加工工藝制成，化纖、低熔點(diǎn)纖維在加熱過程中部分融化分解產(chǎn)生小分子有機(jī)揮發(fā)污染物。

(3)普通棉墊

由普通纖維、低熔點(diǎn)纖維、廢棉3種材料按照一定比例開松、混棉、梳理、鋪網(wǎng)、熱定型和裁切等加工工藝制成。廢棉一般來源于廢舊衣服回收或制衣邊角料通過開松、阻燃處理等工藝制成。廢棉材料由于使用的是回收料，會存在材料污染因素更多，管控更困難的情況。

對地毯表皮、直立棉和普通棉墊3種材料進(jìn)行VOC性能測試，具體結(jié)果見表2。

表2 原材料10 L袋子法VOC測試結(jié)果 μg/m3

從表2可以看出，在同一產(chǎn)品中，普通棉墊產(chǎn)生的醛類污染物較其他兩種材料相比，有較大的貢獻(xiàn)影響。因此乘客艙地毯VOC污染主要來源為普通棉墊。

2.2.4 普通棉墊VOC的優(yōu)化

普通棉墊優(yōu)化前情況：

(1)原材料大部分為服裝的回收料，如果對回收料的來源沒有管控會含有不同程度的污染物或臭氣物；

(2)普通棉墊由于需要達(dá)到阻燃性的要求，一般需要在回收料上浸泡或噴涂阻燃劑處理，阻燃劑為化學(xué)藥品，如果非環(huán)保處理則會不同程度產(chǎn)生VOC及臭味。

棉墊優(yōu)化后情況：

(1)原材料上的管控：對衣服回收料進(jìn)行分類，剔除牛仔布等高染料布料，并規(guī)定其來源；

(2)回收料不作浸泡或噴涂阻燃劑處理，取消使用阻燃劑，通過加入阻燃纖維來達(dá)到普通棉墊的阻燃要求(但成本會有一定的上漲)；

(3)通過普通棉墊的加工工藝改善，加熱工序中增加抽排氣裝置，加快VOC及臭氣的散發(fā)。

通過對優(yōu)化前后的棉墊進(jìn)行VOC測試，得到測試結(jié)果見表3。

表3 棉墊材料10 L袋子法VOC測試結(jié)果 μg/m3

從表3可以看出，優(yōu)化后棉墊的乙醛有明顯降低。將優(yōu)化后的棉墊替換優(yōu)化前的棉墊搭載到該車型乘客艙地毯，VOC性能測試結(jié)果見表4。

表4 某車型乘客艙地毯VOC測試結(jié)果 μg/m3

從表4可以看出，經(jīng)過對乘客艙地毯棉墊的優(yōu)化，使乘客艙地毯產(chǎn)品VOC污染物含量明顯降低，滿足該類產(chǎn)品VOC標(biāo)準(zhǔn)限值要求，其他車型乘客艙地毯可參考。

3 結(jié)論

文中主要從原材料、過程工藝及倉儲等角度對VOC污染散發(fā)問題逐一排查、分析，最終確認(rèn)乘客艙地毯主要污染源優(yōu)化方案，具體產(chǎn)生的優(yōu)化研究結(jié)論如下：

(1)子部件棉墊是影響乘客艙地毯乙醛超標(biāo)的主要原因；

(2)實(shí)驗表明，通過對棉墊原材料的篩選(剔除牛仔布等高染料原材料)、用阻燃纖維替代阻燃劑以及在加熱工序增加抽排裝置，能顯著降低棉墊的乙醛散發(fā)量；

(3)實(shí)驗表明，乘客艙地毯產(chǎn)品搭載優(yōu)化后的棉墊，其VOC性能滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求；

(4)乘客艙地毯產(chǎn)品通過較小的改進(jìn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，對其他類似汽車內(nèi)飾件VOC性能提升具有一定參考意義。