火焰復合海綿苦杏仁味來源分析及改善方案

付鑫,陳浩然，李海青，任明輝，郭秋彥

吉利汽車研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315000

0 引言

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展與人們不斷發(fā)展提高的審美觀念，汽車內(nèi)飾的制作與設(shè)計不斷趨于色彩豐富，造型華美，并兼具奢華、舒適與高級感，而車用面料在內(nèi)飾設(shè)計變化上占有舉足輕重的作用。車用面料主要應用于座椅面料、頂棚面料、門板裝飾板，立柱等部位。而其中座椅面料與頂棚面料使用面積最大，且因追求柔軟的觸感，面料多配合海綿使用，當前車企多使用火焰復合獲得柔軟、富有彈性、透氣的面料，并且火焰復合工藝成熟、成本低。但是火焰復合使得聚氨酯燃燒、降解產(chǎn)生很多有毒有害物質(zhì)，從環(huán)保角度講是十分不利的。為此，文中針對座椅火焰復合面料常出現(xiàn)的苦杏仁，分析聚醚海綿燃燒和降解產(chǎn)物，探索苦杏仁味來源以及優(yōu)化復合面料氣味的方式，對于提升車內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有一定的指導意義。

1 海綿火焰復合原理

火焰復合主要是把聚氨酯海綿材料通過燒蝕海綿，使海綿呈熔融狀態(tài)和織物一層或者多層疊加在一起，從而得到平挺的復合材料。聚醚型軟質(zhì)泡沫的著火點為415 ℃，火焰復合燃燒過程中溫度可達800～1 000 ℃，在該高溫下，使聚氨酯發(fā)生劇烈燃燒與分解。

2 汽車座椅面套氣味問題與溯源

2.1 主觀氣味評價分析

由于座椅面套要求表面平整，不出現(xiàn)褶皺，一般前排座椅面套進行懸掛存放運輸，后排座椅有序堆疊平放，且考慮存放與運輸成本，每個掛架或堆疊格都放置比較多的面套，面套之間無空氣流通，導致面料本身的氣味得不到有效揮發(fā)，而是富集在面套中。以聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)火焰復合聚醚海綿為探索對象，用火焰復合后做成的成品面套常常可以明顯識別出刺激性苦杏仁味，且氣味濃度較大，個別復合產(chǎn)品會有焦煳味，單獨PVC面料或單獨聚醚海綿沒有苦杏仁與焦煳味氣味類型。故初步判定苦杏仁味與焦糊味為聚醚海綿燒蝕后產(chǎn)生。

2.2 火焰復合面料苦杏仁氣味溯源分析

采用10 L袋子法對復合前的聚醚海綿和復合后的海綿按照尺寸為10 cm×10 cm，厚度保持不變，進行取樣全譜分析，來確認苦杏仁味物質(zhì)。

(1)試驗條件

Tedlar采樣袋，室溫(25±2)℃，袋子中準確充入袋子體積50%的氮氣(純度不小于99.99%)，放置于已達到60 ℃的零部件揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds,VOC)環(huán)境艙中培養(yǎng)2 h，使用Tenax管采集袋中1 L氣體，通過氣質(zhì)聯(lián)用儀進行分析。

(2)試驗結(jié)果分析

火焰復合后含量TOP3物質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 火焰復合后含量TOP3物質(zhì)分析結(jié)果

通過對比火焰復合后的面料和單海綿的全譜物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，含量TOP1的物質(zhì)相同，揮發(fā)量也幾乎一致，但是火焰復合后的面料TOP3物質(zhì)比單海綿多出了兩種物質(zhì)，分別為苯甲腈與N-乙基-2-吡咯烷酮，其中苯甲腈表現(xiàn)苦杏仁氣味，N-乙基-2-吡咯烷酮表現(xiàn)為焦香味，這兩種物質(zhì)的氣味類型符合成品面套所呈現(xiàn)出的氣味類型。

苯甲腈的物理特征：無色油狀液體，有杏仁的氣味;微溶于冷水，溶于熱水，易溶于乙醇、乙醚;有一定的毒性。

3 苯甲腈來源探究

通過實物嗅辨與全譜分析可以得出結(jié)論為：單海綿中不含有苯甲腈，火焰復合后，海綿經(jīng)過燃燒、降解產(chǎn)生了具有苦杏仁氣味的苯甲腈。

通過查找有關(guān)文獻獲悉：聚氨酯一般在150～300 ℃時開始熱解，其產(chǎn)物一般是一氧化碳和氫氰酸。在缺氧的情況下，800 ℃下裂解還會產(chǎn)生二氨基甲苯、乙腈、丙烯腈、吡啶和苯甲腈等有毒氣體。其中對人體有害的物質(zhì)主要為一氧化碳和氫氰酸，氫氰酸中毒分為刺激期、呼吸障礙期、痙攣期和麻痹期。在刺激期會感到苦杏仁味及眼鼻喉和呼吸道刺激癥狀。而火焰復合的溫度符合聚氨酯熱解與裂解條件，全譜分析對比產(chǎn)物也證明了吡啶和苯甲腈這兩種有害物質(zhì)的存在，從該文獻中亦可獲得另一種苦杏仁氣味物質(zhì)——氫氰酸，該物質(zhì)為劇毒無機強酸，且不能被Tenax管所吸附，故無法通過氣質(zhì)聯(lián)用儀來分析出，所以并不能排除火焰復合后的海綿中不含有氫氰酸。

由于聚酯海綿生成反應與燃燒反應均為復雜快速反應過程，海綿本身為復雜混合物，故其燃燒分解機制尚難全部被破譯，通過當下獲得的燃燒分解產(chǎn)物苯甲腈、N-乙基-2-吡咯烷酮、氫氰酸，結(jié)合文獻[3]所提出的聚醚型聚氨酯熱解途徑如圖1所示。

圖1 聚醚型泡沫在200～1 000 ℃下生成的分解產(chǎn)物

其中，在低溫環(huán)境下，聚氨酯會分解為其單體，即二異氰酸酯和多元醇。二異氰酸酯為苯甲腈及其相似產(chǎn)物的唯一來源。常用聚氨酯的二異氰酸酯單體有如下兩種，分別為是甲苯二異氰酸酯(TDI，分為2,4位和2,6位兩種異構(gòu)體)和二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，如圖2所示。

圖2 常見的聚氨酯海綿單體

異氰酸酯在高溫下和氧化、灼燒產(chǎn)生的水蒸氣反應，可以生成胺類物質(zhì)，并釋放二氧化碳。胺類物質(zhì)被進一步氧化，形成腈基。反應的基本化學方程如圖3所示。可以推斷出，經(jīng)歷一系列氧化反應后，無論是TDI還是MDI型的聚氨酯海綿，都會生成苯甲腈或其相似結(jié)構(gòu)的芳香族腈化物。

圖3 異氰酸酯氧化反應下生成腈基的化學過程

4 優(yōu)化汽車座椅面套氣味方式

(1)對于針織面料火焰復合產(chǎn)品的后處理方式

由于苯甲腈溶于熱水，氫氰酸易溶于水，故對火焰復合的針織面料如頂棚針織復合面料可采用溫熱流動水浸濕面料，后進入熱烘箱后熱風吹掃烘烤，進一步促進可揮發(fā)性有機物散發(fā)，從而提升面料的氣味與VOC性能。

(2)對于PVC面料火焰復合產(chǎn)品的后處理方式

由于PVC浸水+烘烤會加速材料的老化降解，故對于PVC復合面料，推薦熱水蒸氣少量浸潤復合面料后再進入烘箱進行烘烤，該方法處理的產(chǎn)品氣味提升至少為0.5個等級。

(3)使用水性膠或熱熔膠取代火焰復合，水性膠與熱熔膠相對火焰燃燒聚氨酯海綿更加環(huán)保，但也有一定的局限性，對于設(shè)備要求、膠水要求均較高，成本亦是需要考慮的因素。

水性膠復合面料產(chǎn)品手感好、設(shè)備投入小，但是設(shè)備占地較大、能耗較高，其成品在潤濕性、滲透性、黏接強度上還是存在一定的不足的。

熱熔膠目前可用于汽車面料的可選品牌和種類較少，故成本受到一定的制約，同時熱熔膠產(chǎn)品對于需要二次熱加工的產(chǎn)品會產(chǎn)生一定的變形風險。

5 結(jié)束語

文中通過對使用火焰復合的座椅面套產(chǎn)生苦杏仁味的原因進行全譜分析發(fā)現(xiàn)燃燒后的海綿有苯甲腈，該物質(zhì)氣味為苦杏仁味。結(jié)合火焰復合海綿燃燒溫度800～1 000 ℃的高溫，聚氨酯分解為氫氰酸，因無法被Tenax管吸附故無法被檢出，不能排除苦杏仁物質(zhì)中包含有氫氰酸。未來整車趨于綠色環(huán)保方向發(fā)展，更推薦水性膠或熱熔膠復合方式替代火焰燃燒海綿復合面料的方式。