乘客舱地毯VOC性能优化的实验研究

虞接华,牛茜,郑冠崔

(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510000；2.广州林骏汽车内饰件有限公司,广东广州 510000)

0 引言

近年来，随着公众的环保意识和健康意识的不断提高，车内空气质量成为人们日益关注的焦点。当车内空气中挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOC)浓度较高时，有机物挥发物质会强烈刺激人体感官，引起不舒适感，并导致一系列健康问题[1]。在已知的VOC物质中，国际癌症研究机构(IARC)将苯确定为致癌物，乙苯和苯乙烯归为潜在致癌物[2]。对于车企而言，汽车空气质量的改善已成为中国汽车行业新的竞争领域。2012 年，环保部与国家质检总局联合发布的《乘用车内空气质量评价指南》开始实施，其中规定了车内空气中苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛的浓度要求；2015 年《乘用车内空气质量评价指南》强标修订工作开始，目前已发布第二次征求意见稿，计划2020年开始实施，这可能会是全球范围内最严格的车内空气质量控制强制性法规[3]。有研究表明，车内空气中的污染物大部分来源于内饰材料[4]。研究表明，零部件对整车VOC的贡献程度与材料的用量、零部件的展开面积等因素均呈正比例关系[5]。乘客舱地毯作为汽车内饰中最大零部件之一，其暴露面积可占内饰件总体10%左右。因此，乘客舱地毯成为研究整车VOC需要重点关注的零部件。目前，对乘客舱地毯VOC散发的测试方法分为静态顶空法、动态顶空法、箱式法及袋式法。其中箱式法和袋式法的灵敏度最高，检测出的化合物最全面[6-7]。本文作者采用袋式法测试零部件及材料的VOC散发，找出散发来源，并提出了优化措施[8]。

1 试验部分

1.1 试剂

乙腈(色谱纯)，甲醇(农残级)，苯系物mix12混标1 000 ppm(o2si)，醛酮mix15混标15 ppm(SUPELCO),2,4-二硝基苯肼标准物(GL Sciences Inc. mini AERODNPH,Cat.No.5010-23500)，Tenax-TA (markes CTBP1TC)。

1.2 设备与仪器

高效液相色谱仪/二极管阵列检测器(Agilent 1260)，气相色谱质谱联用仪(Agilent 7890B-5977A),热脱附仪(Markes TD100),恒流空气采样泵(Gilian GilAir plus),气体流量校准计(Gilian Gilibrator-2)，Tenax管老化炉(北京踏实科贸 BTH-10)。

1.3 实验方法

1.3.1 2 000 L袋式法VOC测试

将乘客舱地毯放入干净的2 000 L聚氟乙烯密封袋中，再准备一个空的干净的2 000 L聚氟乙烯密封袋。将1 000 L高纯氮气充入2 000 L袋子，然后抽干，反复操作3次。再向袋子中冲入1 000 L高纯氮气，放入65 ℃恒温箱内，恒温放置2 h，轻柔密封袋，使气体分布均匀。用2根Tenax管以400 mL/min的速度对袋中的VOC物质采集7.5 min，各采集3 L气体；用1根DNPH采样管以800 mL/min的速度对袋中的醛酮类物质采集15 min，共采集12 L气体。通过热脱附-气相色谱质谱联用仪对Tenax管中的VOC物质用外标法进行定量分析；通过高效液相色谱仪对DNPH管内的醛酮类物质用外标法进行定量分析。

1.3.2 10 L袋式法VOC测试

将20 cm×20 cm地毯表皮、直立棉和普通棉垫放入干净的10 L聚氟乙烯密封袋中，再准备一个空的干净的10 L聚氟乙烯密封袋。将5 L高纯氮气充入10 L袋子，然后抽干，反复操作3次。再向袋子中冲入5 L高纯氮气，放入65 ℃恒温箱内，恒温放置2 h，轻柔密封袋，使气体分布均匀。用2根Tenax管以200 mL/min的速度对袋中的VOC物质采集5 min，各采集1 L气体；用1根DNPH采样管以500 mL/min的速度对袋中的醛酮类物质采集4 min，共采集2 L气体。通过热脱附-气相色谱质谱联用仪对Tenax管中的VOC物质用外标法进行定量分析；通过高效液相色谱仪对DNPH管内的醛酮类物质用外标法进行定量分析[9]。

1.4 分析与测试

1.4.1 样品的单个有机化合物含量的计算

(1)空白袋背景值C1(μg/m3)的计算

C1=1 000C空白/V1

式中：C空白为空白袋中待测化合物含量(μg/tube);

V1为Tenax管采样体积(L)。

(2)样品测试值C2(μg/m3)的计算

C2=1 000C样品/V1

式中：C样品为样品中待测化合物含量(μg/tube)。

(3)样品测试值减空白袋背景值C3(μg/m3)的计算

C3=C2-C1

1.4.2 醛类物质的计算

(1)DNPH管中醛类物质含量M1(μg/tube)的计算

M1=C·V2

式中：C为醛类的浓度(μg/mL);

V2为用于洗脱DNPH管的乙腈体积(mL)。

(2)空白袋背景值M2(mg/m3)的计算

M2=M空白/V3

式中：M空白为DNPH管采集空白袋中醛类物质含量(μg/tube);

V3为DNPH管采样体积(L)。

(3)样品中醛类物质测试值M3(mg/m3)的计算

M3=M样品/V3

式中：M样品为DNPH管采集样品袋中醛类物质含量(μg/tube)。

(4)样品中醛类物质测试值减空白袋背景值M4(mg/m3)的计算

M4=M3-M2

2 结果与讨论

2.1 乘客舱地毯VOC性能结果评价

某车型乘客舱地毯总成产品优化前的VOC性能测试结果见表1。

表1 某车型乘客舱地毯优化前VOC测试结果 μg/m3

从表1中可以看出,对比该产品的VOC限值标准要求,优化前的乘客舱地毯总成产品VOC性能中乙醛超标明显，乘客舱地毯总成VOC性能较差，对车内环境污染具有较大影响[10]。

2.2 乘客舱地毯总成VOC性能优化研究及分析

2.2.1 乘客舱地毯污染来源问题分析

乘客舱地毯是将加工好的地毯表皮和直立棉高温烘烤后模压成型、水切割成型，再通过人工把附件粘贴到产品的相应位置加工而成。

乘客舱地毯加工生产中VOC污染来源主要有：

(1)主要原材料：地毯表皮、直立棉和普通棉垫等，不同原材料的成分不一样，其VOC含量有差异；

(2)生产工艺：加热、模压成型、冲裁、附件安装等，加工过程中材料加热对VOC有一定的影响，一定程度上加快了材料本身的VOC散发，但散发的效果要取决于加热后抽排气的效果；

(3)仓储运输：采用台车上叠加放置、专车运输，自然环境存放，通风环境有利于VOC的散发，但与VOC污染源存放时也会造成交叉污染。

2.2.2 乘客舱地毯主要污染来源确认

通过对产品构成材料、加工、仓储运输等过程分析，发现VOC污染影响因素有很多，但原材料对VOC的影响及贡献最大。因此,从实施有效性角度出发,乘客舱地毯VOC 性能优化改进的直接方式为原材料的改进。

2.2.3 地毯表皮、直立棉和棉垫VOC性能污染问题分析

(1)地毯表皮

地毯表皮材料是由PET纤维及低熔点纤维按照一定的比例用量，经过开松、混合、梳理、针刺、起绒、热定型等加工制成，化纤、低熔点纤维在加热过程中部分融化分解产生小分子有机挥发污染物。

(2)直立棉

由普通纤维、低熔点纤维、阻燃纤维3种材料按照一定比例开松、混棉、梳理、直立成网、热定型和裁切等加工工艺制成，化纤、低熔点纤维在加热过程中部分融化分解产生小分子有机挥发污染物。

(3)普通棉垫

由普通纤维、低熔点纤维、废棉3种材料按照一定比例开松、混棉、梳理、铺网、热定型和裁切等加工工艺制成。废棉一般来源于废旧衣服回收或制衣边角料通过开松、阻燃处理等工艺制成。废棉材料由于使用的是回收料，会存在材料污染因素更多，管控更困难的情况。

对地毯表皮、直立棉和普通棉垫3种材料进行VOC性能测试，具体结果见表2。

表2 原材料10 L袋子法VOC测试结果 μg/m3

从表2可以看出，在同一产品中，普通棉垫产生的醛类污染物较其他两种材料相比，有较大的贡献影响。因此乘客舱地毯VOC污染主要来源为普通棉垫。

2.2.4 普通棉垫VOC的优化

普通棉垫优化前情况：

(1)原材料大部分为服装的回收料，如果对回收料的来源没有管控会含有不同程度的污染物或臭气物；

(2)普通棉垫由于需要达到阻燃性的要求，一般需要在回收料上浸泡或喷涂阻燃剂处理，阻燃剂为化学药品，如果非环保处理则会不同程度产生VOC及臭味。

棉垫优化后情况：

(1)原材料上的管控：对衣服回收料进行分类，剔除牛仔布等高染料布料，并规定其来源；

(2)回收料不作浸泡或喷涂阻燃剂处理，取消使用阻燃剂，通过加入阻燃纤维来达到普通棉垫的阻燃要求(但成本会有一定的上涨)；

(3)通过普通棉垫的加工工艺改善，加热工序中增加抽排气装置，加快VOC及臭气的散发。

通过对优化前后的棉垫进行VOC测试，得到测试结果见表3。

表3 棉垫材料10 L袋子法VOC测试结果 μg/m3

从表3可以看出，优化后棉垫的乙醛有明显降低。将优化后的棉垫替换优化前的棉垫搭载到该车型乘客舱地毯，VOC性能测试结果见表4。

表4 某车型乘客舱地毯VOC测试结果 μg/m3

从表4可以看出，经过对乘客舱地毯棉垫的优化，使乘客舱地毯产品VOC污染物含量明显降低，满足该类产品VOC标准限值要求，其他车型乘客舱地毯可参考。

3 结论

文中主要从原材料、过程工艺及仓储等角度对VOC污染散发问题逐一排查、分析，最终确认乘客舱地毯主要污染源优化方案，具体产生的优化研究结论如下：

(1)子部件棉垫是影响乘客舱地毯乙醛超标的主要原因；

(2)实验表明，通过对棉垫原材料的筛选(剔除牛仔布等高染料原材料)、用阻燃纤维替代阻燃剂以及在加热工序增加抽排装置，能显著降低棉垫的乙醛散发量；

(3)实验表明，乘客舱地毯产品搭载优化后的棉垫，其VOC性能满足标准限值要求；

(4)乘客舱地毯产品通过较小的改进达到标准要求，对其他类似汽车内饰件VOC性能提升具有一定参考意义。