胶粘剂粘接组件的气味释放影响研究

2023-03-09苏晓峰王新颖王咏祥张兰兰

粘接 2023年2期

关键词：制样贡献度胶粘剂

苏晓峰，王新颖，王咏祥，张兰兰

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2.广州广电计量检测股份有限公司，广东广州 510656)

随着“绿色制造”理念的日益普及，人们对轨道车辆的环保舒适性要求也越来越高[1-3]。其中粘接组件作为车内用量最大的内装部件之一，其环保性能对车内空气质量影响较大[4-6]；而车内异味便首当其冲[7]。

胶粘剂是粘接组件的重要组成部分，其主要作用就是将不同类的材料紧密结合在一起[8-9]。但由于其在使用过程中会释放出大量的挥发性有机化合物(VOC)，一方面会造成其他材料异味污染；另一方面也会造成车内及周围环境中气味超标。

目前，关于轨道车辆胶粘剂VOC和气味领域的研究已有报道，但针对粘接组件中胶粘剂贡献影响的研究在VOC领域较多，如探究了胶粘剂对地板粘接组件和防寒材粘接组件21 d内VOC释放的影响[4-5]；对相关气味方面的研究报道较少。

为此，选取轨道车辆常用的地板粘接组件、防寒材粘接组件及其组成材料——胶粘剂、地板、地板布和防寒材为研究对象，利用袋式法[10]、GC-O技术[11-13]、气味活度法[14-18]及气味匹配度[7，19]，探究了胶粘剂在粘接组件中的气味释放规律，为轨道车辆及粘接产品气味品质提升提供指导。

1 试验部分

1.1 试验材料

甲醇(纯度≥99.9%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲苯、正己烷、正十六烷(纯度均为99.5%)，美国ChemService公司。

1.2 试验仪器

X205BDU型电子分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)、7890B/5977B型气相色谱-质谱联用仪(美国安捷伦科技有限公司)、maekes TD100-Xr型热解析脱附系统(美国安捷伦科技有限公司)、ODP3型嗅觉检测器(德国GERSTEL公司)、520H型气体流量校准计(美国BIOS公司)、GilAir Plus型恒流气体采样泵(美国Gilian公司)、1 000 L聚氟乙烯采样袋(宁波环测实验器材有限公司)。

1.3 试样制备

按照实际工艺制成1 m×1 m的地板粘接组件(地板+胶粘剂+地板布)、防寒材粘接组件(铝板+胶粘剂+防寒材)及其组成材料——地板、地板布和防寒材，并按照实际工艺中用胶量将胶粘剂喷涂到1 m×1 m的铝板上。

1.4 试验方案

利用袋式法[10]和GC-O技术[11-13]筛选出制样初期时各粘接组件中的典型气味物质；利用气味活度法[14-18]计算上述各典型气味物质的气味活度值及权重系数。之后，基于气味匹配度[7，19]，计算各组成材料(胶粘剂、地板、地板布、防寒材)对粘接组件的气味贡献度；最后，按照上述操作，探究粘接组件中胶粘剂的气味贡献度随时间的变化规律。

1.5 试验方法

1.5.1袋式法VOC测试和全谱分析

将各试样放置1、7、14和21 d后，分别密封于1 000 L聚氟乙烯采样袋中，充入纯度为99.999%的500 L氮气，在温度25 ℃条件下平衡16 h后进行测试和VOCs全谱分析。

1.5.2粘接组件中典型气味物质筛选

由专业嗅辨员在嗅觉检测器嗅探口处进行嗅闻，依据所记录的气味物质类型及气味等级，确定粘接组件中的典型气味物质。

2 结果与讨论

2.1 制样初期，粘接组件中的典型气味物质分析

基于GC-O嗅辨分析，得到了地板粘接组件a和b、防寒材粘接组件c和d制样初期时的典型气味物质，并利用各物质质量浓度与其嗅阈值的比值计算出相应的气味活度值D；进一步地通过计算各物质气味活度值与所有物质气味活度值加和的比值得到了相应的权重系数K，它反映了混合气体中气味物质的贡献程度，其值越大，表明气味贡献度越大；相关的分析结果如表1所示。

表1 制样初期粘接组件中的典型气味物质Tab.1 Typical odor substances in bonding components at the initial stage of sample preparation

续表

(1)

式中：Ki为粘接组件中第i种典型气味物质的权重系数，无量纲；Di为粘接组件中第i种典型气味物质的气味活度值，无量纲；m为粘接组件中典型气味物质的个数。

由表1可知，(1)地板粘接组件a和b制样初期分别筛选出10种和9种典型气味物质，其中地板粘接组件a中甲苯和苯乙烯的权重系数值最大，分别为0.652和0.169；地板粘接组件b中正丁醇的权重系数值最大为0.404，乙酸丁酯、苯甲醛、环己酮和苯乙烯次之，均接近于0.11。鉴于地板粘接组件a和b使用相同的地板和地板布，但权重系数值较大的物质却明显不同，说明造成这种差异的原因是由于胶粘剂更换引起的。(2)防寒材粘接组件c和d制样初期均筛选出9种典型气味物质，其中甲苯和p-二甲苯的权重系数值均最大，分别为0.558、0.227和0.573、0.257；鉴于其所用胶粘剂相同，表明胶粘剂对该防寒材粘接组件气味影响较大。

综上所述，制样初期，胶粘剂对地板粘接组件a和b、防寒材粘接组件c和d中气味均起到了重要影响。为了量化其气味贡献大小，需基于客观物质维度做进一步分析。

2.2 制样初期，胶粘剂对粘接组件的气味贡献度分析

基于气味匹配度[7，19]分析，计算胶粘剂、地板、地板布、防寒材与各粘接组件的气味匹配度(M)，并进一步衍化得到各组成材料的气味贡献度(P)；其客观反映了每种组成材料对粘接组件的气味贡献大小，相关的分析结果如表所示。

(2)

式中：M为各组成材料与相应粘接组件的气味匹配度，无量纲；Kj为各组成材料中第j种典型气味物质在粘接组件中的权重系数，无量纲；Dj为各组成材料中第j种典型气味物质在该材料中的气味活度值；n为各组成材料中所包含的粘接组件中典型气味物质的个数。

(3)

式中：Px为粘接组件中第x种组成材料的气味贡献度，无量纲；Mx为粘接组件中第x种组成材料与其的气味匹配度，无量纲；y为组成粘接组件的材料个数。

由表2可知，(1)制样初期胶粘剂a和b分别对地板粘接组件a和b中气味贡献度最大，均达到了80%以上；地板布的气味贡献度不足15%，而地板的气味贡献度在3%左右。(2)制样初期，胶粘剂c对防寒材粘接组件c和d的气味贡献度均达到了99%以上，处于绝对的气味主导地位。

表2 各组成材料对粘接组件的气味贡献度数据Tab.2 Odor contribution data of each constituent material to bonding components

2.3 随放置时间延长，胶粘剂对粘接组件中气味释放的影响

为了进一步探究胶粘剂对粘接组件中气味释放的影响，分别对各组件及组成材料进行放置7、14和21 d后的袋式法测试，并按上述方法进行气味贡献度分析，最后再以放置时间为横坐标、气味贡献度为纵坐标，绘制胶粘剂对粘接组件中气味贡献度随时间变化的规律图，结果如图1所示。

图1 胶粘剂对粘接组件气味贡献的变化规律图Fig.1 Variation law of the contribution of adhesives to the odor of bonding components

从图1可以看出，随放置时间的延长，胶粘剂对地板粘接组件a和b、防寒材粘接组件c和d的气味贡献度均逐渐降低，其中胶粘剂a和b对地板粘接组件a和b的气味贡献度在前14 d内近似呈线性关系降低，斜率分别为-3.0和-3.2，且14 d时的气味贡献度仍都高于40%；继续放置至21 d时气味贡献度分别降至39.8%和26.1%，此时其对地板粘接组件a和b的气味贡献仍较大。而胶粘剂c对防寒材粘接组件c和d的气味贡献度在前14 d内均高于60%，继续放置至21 d时气味贡献度分别降至52.6%和43.0%，此时其对防寒材组件c和d的气味贡献仍与相应的防寒材c和d相当。