朱運(yùn)鋒，大下直紀(jì)，胡雅晰

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

車內(nèi)空氣污染嚴(yán)重危害人體健康，其中揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC：Volatile Organic Compounds)的污染最為顯著。近年來(lái)，隨著消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)及自我保護(hù)意識(shí)的不斷提高，車內(nèi)空氣污染問(wèn)題，尤其是車內(nèi)空氣對(duì)乘員健康的影響逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。2007年我國(guó)制定了 HJ/T 400—2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法》，2010年頒布了GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》，進(jìn)而基于車內(nèi) VOC對(duì)消費(fèi)者健康狀況的重大隱患，2012年開始進(jìn)行強(qiáng)制性法規(guī)的研討。

車內(nèi) VOC 污染物主要包括揮發(fā)性有機(jī)物組分和醛酮組分。揮發(fā)性有機(jī)物組分的實(shí)驗(yàn)是指通過(guò)GC-MS(Gas Chromatography and Mass Spectrometry)對(duì)保留時(shí)間在正己烷到正十六烷之間具有揮發(fā)性的化合物檢測(cè)的總稱；醛酮組分的實(shí)驗(yàn)是指使用 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)對(duì)甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、丁烯醛、丁酮、丁醛、甲基丙烯醛、苯甲醛、戊醛、甲基苯甲醛、環(huán)己酮、己醛等化合物進(jìn)行檢測(cè)的總稱。基于車內(nèi) VOC 種類眾多、成分復(fù)雜，現(xiàn)行推薦性標(biāo)準(zhǔn) GB/T 27630—2011選取苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛8種常見(jiàn)污染物進(jìn)行定量分析和管控。

目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠針對(duì)于車內(nèi)VOC的管控主要是通過(guò)開發(fā)使用綠色低 VOC環(huán)保材料，降低車內(nèi)使用材料和零件中各對(duì)象物質(zhì)的直接添加量，進(jìn)而降低整車的 VOC散發(fā)量。但是，乙醛作為非直接添加物質(zhì)(其他物質(zhì)分解產(chǎn)生)，也是整車的易超標(biāo)物質(zhì)，其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素一直以來(lái)就是汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)和管控的難點(diǎn)，且車內(nèi)乙醛的散發(fā)量受季節(jié)、環(huán)境的影響較大。目前，針對(duì)車內(nèi)乙醛散發(fā)量影響因素的研究主要集中在溫度方面。

本文選取某織物式樣車輛為研究對(duì)象，參照GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》和行業(yè)內(nèi)常用的零件和材料的 VOC袋式實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)人為控制實(shí)驗(yàn)時(shí)的濕度，行業(yè)內(nèi)首次創(chuàng)新性研究了濕度對(duì)乙醛散發(fā)量的影響作用。該研究填補(bǔ)了業(yè)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究空白，有效揭示了目前車輛開發(fā)和制造過(guò)程中備受困擾的乙醛散發(fā)量波動(dòng)性較大的現(xiàn)象，對(duì)于今后材料、零件及整車制造過(guò)程中乙醛性能的開發(fā)與管控，甚至今后法規(guī)檢測(cè)條件的制定，都具有非常大的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)樣品設(shè)備及方法

試驗(yàn)所用樣品、設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣品、設(shè)備Tab.1 Sample and equipment

1.1 整車試驗(yàn)方法

參照 HJ/T 400—2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣評(píng)定方法》實(shí)施，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖 1。將整車置于溫濕度設(shè)定好的整車環(huán)境倉(cāng)中按照一定條件預(yù)處理后關(guān)閉車門和車窗，車內(nèi)零件散發(fā)出的有機(jī)物在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不斷累積后，對(duì)醛酮類成分進(jìn)行采集后，進(jìn)行定性及定量分析。試驗(yàn)溫度為 25℃，車輛開放前處理時(shí)長(zhǎng)為 24h，密閉時(shí)長(zhǎng)為 16h。本試驗(yàn)通過(guò)整車 VOC環(huán)境倉(cāng)的濕度調(diào)節(jié)功能，分別對(duì)35%R.H、50%R.H、85%R.H 條件下的車內(nèi)乙醛散發(fā)量進(jìn)行測(cè)試。

圖1 整車試驗(yàn)方法示意圖Fig.1 Diagram of vehicle test method

1.2 零件總成試驗(yàn)方法

參照業(yè)內(nèi)常用的零件總成VOC袋式法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖 2。將零件總成置于采樣袋中排干空氣后充入一定量的 N2，通過(guò)恒溫恒濕箱控制采樣袋的加熱溫度，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后對(duì)采樣袋中零件散發(fā)出的醛酮類成分采集，進(jìn)行定性及定量分析。本試驗(yàn)通過(guò)加熱前向零件表面噴灑去離子水進(jìn)行濕度的控制。

圖2 零件總成試驗(yàn)方法示意圖Fig.2 Diagram of parts test method

1.3 材料試驗(yàn)方法

參照業(yè)內(nèi)常用的材料試驗(yàn)片的VOC袋式法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖 3。將試驗(yàn)片置于采樣袋中排干空氣后充入一定量的 N2，通過(guò)恒溫恒濕箱控制采樣袋的加熱溫度，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后對(duì)采樣袋中試驗(yàn)片散發(fā)出的醛酮類成分采集，進(jìn)行定性及定量分析。本試驗(yàn)通過(guò)加熱前向試驗(yàn)片表面噴灑去離子水進(jìn)行濕度控制。

圖3 材料試驗(yàn)方法示意圖Fig.3 Diagram of materials test method

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 濕度對(duì)整車乙醛散發(fā)量的影響

同一車輛分別在 35%R.H.、50%R.H.和 85%R.H.的濕度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，車內(nèi)乙醛散發(fā)量的測(cè)試結(jié)果及變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4，可以看出：隨著濕度的增加，車內(nèi)乙醛散發(fā)量大幅升高。

2.2 濕度對(duì)織物式樣座椅零件總成乙醛散發(fā)量的影響

為了探究車內(nèi)車輛乙醛的發(fā)生源，本文選取車內(nèi)乙醛主要散發(fā)零件——織物座椅總成進(jìn)行了濕度影響驗(yàn)證，對(duì)該座椅總成在不同濕度條件下的乙醛發(fā)生量進(jìn)行了測(cè)試(根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，相同制造和試驗(yàn)條件下織物式樣車輛的乙醛散發(fā)量明顯高于皮革式樣車輛，二者內(nèi)飾零件的主要差別僅為座椅總成的式樣不同)。

圖4 不同濕度下車內(nèi)乙醛的散發(fā)量Fig.4 Acetaldehyde emission in vehicle at different humidities

試驗(yàn)后使用溫濕度計(jì)對(duì)采樣袋內(nèi)的濕度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果分別為 40%R.H 和 78%R.H，對(duì)應(yīng)濕度下，座椅總成乙醛散發(fā)量的測(cè)試結(jié)果及變化趨勢(shì)見(jiàn)圖 5，可以看出：織物式樣座椅總成的乙醛散發(fā)量隨著濕度的增加大幅升高。

圖5 不同濕度下織物式樣座椅總成的乙醛散發(fā)量Fig.5 Acetaldehyde emission of fabric seats at different humidities

2.3 濕度對(duì)織物式樣座椅總成構(gòu)成材料乙醛散發(fā)量的影響

為了進(jìn)一步探討導(dǎo)致座椅總成受濕度影響的發(fā)生源，本文研究了座椅的各主要構(gòu)成材料(聚氨酯發(fā)泡材、織物表皮面料)受濕度的影響作用。

將各試驗(yàn)片放入采樣袋中進(jìn)行試驗(yàn)，人為控制測(cè)試濕度條件，在 0%R.H～100%R.H的濕度范圍內(nèi)選取5個(gè)濕度點(diǎn)，不同濕度點(diǎn)下乙醛散發(fā)量的測(cè)試結(jié)果及變化趨勢(shì)見(jiàn)圖 6：座椅聚氨酯發(fā)泡材的乙醛散發(fā)量隨著濕度的增加大幅升高，說(shuō)明了聚氨酯發(fā)泡材的濕度影響特性是造成座椅總成隨濕度增加而升高的主要原因。

圖6 不同濕度下座椅聚氨酯發(fā)泡材的乙醛散發(fā)量Fig.6 Acetaldehyde emission of polyurethane foam at different humidities

2.4 聚氨酯發(fā)泡材的濕度影響機(jī)理

聚氨酯(PUR)是由異氰酸酯與多元醇反應(yīng)而制成的一種具有氨基甲酸酯鏈段重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的聚合物。Schollenberger等[3]、吳宇雄等[4]的研究指出，常溫下聚氨酯材料浸泡在水中或暴露在濕氣中會(huì)逐漸發(fā)生水解，水與聚氨酯鏈中的羧酸酯鍵反應(yīng)，使聚合物鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生兩條較短的鏈，其中一條鏈的末端是羥基(-OH)，另一端是酸性的羧基(-COOH)。這種酸性羧基加速了聚酯氨酯中聚酯鏈的進(jìn)一步水解，即其水解過(guò)程是一個(gè)自催化過(guò)程。含有RCOOCH＝CH2結(jié)構(gòu)的酯基水解產(chǎn)生的醇(HOCH＝CH2)不穩(wěn)定(當(dāng)有碳碳雙鍵的碳原子上連接羥基時(shí)，很不穩(wěn)定，會(huì)轉(zhuǎn)化為醛基)，會(huì)轉(zhuǎn)化為乙醛CH3CHO。

3 結(jié) 論

隨著試驗(yàn)濕度的增加，車內(nèi)乙醛散發(fā)量大幅升高。聚氨酯發(fā)泡材遇水發(fā)生水解產(chǎn)生乙醛是造成座椅乃至車輛乙醛散發(fā)量隨濕度增加而升高的主要原因。