整车VOC挥发特性研究

2021-11-18张志洪许加升官小芬步玉磊黄文捷

环境技术 2021年5期

张志洪，许加升，官小芬，步玉磊，黄文捷

（广汽本田汽车有限公司，广州 510700）

引言

近年来，我国汽车保有量逐年增加，驾驶者和乘客每天乘坐在车内的时间达到数十亿小时，该数字预计还将以每年约7 %的速率快速增长[1]。在这样的大背景下，以挥发性有机化合物（VOC）为主要成分的车内空气污染成为了影响人们身体健康的重要问题，并受到了越来越多的关注[2-4]。2013年在北京召开的第九届环境与发展论坛首届车内空气质量与发展国际峰会上，指出车内空气污染问题成为继中国装饰装修和家具污染、室内环境中的PM2.5污染之后第三大危害人们身体健康的室内环境污染问题之一。世界卫生组织WHO也将VOC列为影响现代人体健康的十大威胁之一，当车内VOC达到一定浓度，就会使人们感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退、引发婴儿畸形、白血病等严重后果[5-7]。

随着车内空气质量投诉事件的增多以及媒体的频频曝光，我国政府逐渐加大对车内VOC的管控力度。我国于2007年和2011年分别发布了HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[8]和GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》，规定了车内挥发的甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等8种VOC物质的限值要求[9]。在HJ/T 400-2007标准中规定了车辆准备阶段时间不少于6小时，并没有具体明确准备阶段时间，而且该标准规定了车辆在常温的环境中，处于静止的状态下进行测量，但往往消费者抱怨的是夏季高温状态车内VOC引发的异味问题。在车辆的实际使用过程中，车内VOC含量受到的影响因素较多[10-15]。

基于上述问题，本文开展了整车VOC的挥发特性研究，探讨了常温状态下车辆准备阶段时间、封闭阶段时间以及高温和空调状态对车内VOC含量的影响规律，为进一步推动相关标准体系的完善提供有力的数据支持，为车企顺利开展车内VOC项目提供理论依据。

1 实验部分

1.1 试验车辆

M1类中档新车（车内饰保持原出厂时的状态，座椅内饰为真皮，下线时间均为7天，行驶里程均小于10 km）。

1.2 实验设备与试剂

实验设备主要有：整车VOC采样舱（东莞市升微机电设备科技有限公司，型号VA-120）；高效液相色谱仪（美国Agilent公司，型号1260 Infinity II）；热脱附气质联用仪（美国PerkinElmer公司，型号Turbo Matrix ATD 400；美国Agilent公司，型号6890N-5975i）；气体采样泵（日本GL Sciences公司，型号SP208-1000DualⅡ）；DNPH采样管（日本GL Sciences公司，型号380-00863-02）；Tenax采样管（美国PerkinElmer公司，型号N930-7012）。

实验试剂主要有：乙腈（上海安谱科学仪器有限公司，型号4.003306.4000，HPLC级纯）；醛酮-DNPH混标（美国Supelco公司，型号CRM47285，浓度15µg/mL）；VOC混标（环境保护部标准样品研究所，10 ug/mL，100 ug/mL，1 000 ug/mL）；高纯水。

1.3 实验方法

1.3.1 常温状态测试方法

把整车VOC采样舱的温度设置为25 ℃，相对湿度设置为50 %，舱内各处风速不超过0.3 m/s，启动整车VOC采样舱。在采样舱外把车内饰件表面的覆盖物去除，将试验车辆推进采样舱中，打开车门、车窗及后尾箱门，静止放置一定时间，此阶段为准备阶段。采样点布置在前排座椅头枕连线的中点，高度与驾乘人员呼吸带高度相一致，将聚四氟乙烯采样导管从车门下边缝伸出，然后关闭全部的车门、车窗及后尾箱门，进入封闭阶段。封闭一定时间后，对车内空气进行采样，Tenax采样管的采样流速设为100 mL/min，DNPH采样管的采样流速设为400 mL/min，采样时间设为30 min，并且记录采样时车内外的温度、湿度及环境气压。

1.3.2 高温状态测试方法

常温阶段（准备通风6 h，封闭16 h）采样结束后，进入高温试验阶段。启动采样舱内顶部的红外照射加热系统，模拟阳光垂直照射试验车辆，车顶的辐照强度为（400±50）W/m2，对车辆持续照射3.5 h后，对车内空气进行采样，Tenax采样管和DNPH采样管的采样流速和采样时间与常温阶段相同。

1.3.3 空调状态测试方法

在高温状态试验结束后，进入空调状态试验前，首先将采样舱的排风管连接到试验车辆的尾气管上，启动采样舱的尾气抽排系统，把尾气抽排到采样舱外，避免采样舱内环境受到污染影响测试结果，同时保持红外照射加热系统处于开启状态。试验人员在1 min内快速完成打开车门进入车内、启动发动机、开启空调系统（内循环，23 ℃，风量最大）、下车关闭车门等一系列动作，然后对车内空气进行采样，采样方法与常温阶段相同。

2 试验结果与讨论

2.1 准备阶段时间对车内VOC的影响

试验车辆在常温状态的整车采样舱里，分别放置6 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h的准备时间后，进入封闭阶段，封闭16 h后对车内空气VOC进行采样，使用液相色谱仪分析所采集样品的醛醛类物质，使用热脱附气质联用仪分析所采集样品的苯系物，所得的测试结果如图1所示。

从图1可以看出，随着准备阶段时间的增加，醛类物质和苯系物的含量均呈下降的趋势，当准备阶段时间达到24 h或28 h，醛类物质和苯系物的含量均达到最低值并趋于平衡；准备阶段时间从6 h增加到24 h，甲醛下降17 %、乙醛下降35 %、苯下降44 %、甲苯下降67 %、乙苯下降61 %、二甲苯下降54 %、苯乙烯下降57 %，苯系物的衰减率达到44 %以上，而醛类物质的衰减率相对较低，主要是由于苯系物和醛类物质释放特性不同造成的，苯系物主要通过自由释放散发，而醛类物质一部分通过自由释放散发，而另一部分通过阻隔性释放和化学性释放散发的，阻隔性释放和化学性释放的散发速率相对自由释放较慢[16]，从而导致醛类物质的衰减率相对苯系物较快。

图1 准备阶段时间对醛类物质和苯系物含量的影响

2.2 封闭阶段时间对车内VOC的影响

试验车辆在常温状态的整车采样舱里，准备阶段放置6 h后，进入封闭阶段，分别封闭12 h、16 h、20 h、24 h、32 h后对车内空气VOC进行采样，所得的测试结果如图2所示。

从图2可以看出，当封闭阶段时间增加时，各VOC物质的含量随着增加，随着封闭时间的进一步延长，各物质的增加速率变缓慢。封闭时间从6 h增加到32 h时，甲醛增加25 %、乙醛增加28 %、苯增加56 %、甲苯增加45 %、乙苯增加50 %、二甲苯增加33 %、苯乙烯增加39 %。封闭时间从24 h增加到32 h时，各物质的增长率在2~5 %之间。根据PoLanyi的多层吸附理论[17]，车内VOC发生脱附时，各VOC物质从内饰件外层到内层依次脱附，脱附难度随着吸附层的增加而逐渐增加，从而导致内层的吸附层相对难以脱附，因此车内的VOC浓度随着封闭时间的进一步延长，各物质的增加速率变缓慢。

图2 封闭阶段时间对醛类物质和苯系物含量的影响

2.3 高温和空调状态对车内VOC的影响

对5辆试验车辆分别进行了常温状态25 ℃、高温状态（辐照强度400±50 W/m2）及空调状态的车内VOC采样，测试结果如图3~9所示，图中数据分别以高温状态和空调状态的含量与常温状态的含量比值来绘图。

从图3~9可见，车内醛类物质在高温和常温状态下的含量比值范围为2.2~10.0，在空调和常温状态下的含量比值范围为0.7~1.8；苯系物在高温和常温状态下的含量比值范围为2.0~6.8，在空调和常温状态下的含量比值范围为0.7~1.6。车辆经过照射3.5 h后，车内高分子材料会随着车内温度的升高出现降解或小分子的渗出现象，并且内饰件中各类有机物的散发速率也会随着车内温度的升高而加快，使得车内VOC释放量增大。空调开启30 min后，空调的过滤作用使车内VOC含量能快速降低至常温状态的相当水平。