汽車轉(zhuǎn)向盤中VOC的檢測與分析

朱玲琳，李 紅＊，滕 增，花昌亮，郝 瑋

（1.揚州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司，上海 201201）

汽車轉(zhuǎn)向盤中VOC的檢測與分析

朱玲琳1，李 紅1＊，滕 增1，花昌亮2，郝 瑋2

（1.揚州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司，上海 201201）

為了確定汽車轉(zhuǎn)向盤中揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOC）釋放的量，采用袋式方法研究了時間、溫度、材料對VOC質(zhì)量濃度的影響.結(jié)果表明：VOC質(zhì)量濃度每7 d下降約20%，VOC揮發(fā)量隨溫度升高而增加，使用水性材料及 PC－ABS（polycarbonate／acrylonitrile－butadiene－styrene）等綠色環(huán)保材料可降低VOC質(zhì)量濃度.汽車轉(zhuǎn)向盤中所使用的化工膠水、油漆涂料、真皮、桃木、聚氨酯發(fā)泡材料等容易產(chǎn)生VOC，因而可以選用水性聚氨酯作為成膜物質(zhì)，選擇水性助劑和水性纖維樹脂作原材料，替代或改善原有制品，可使VOC質(zhì)量濃度達(dá)到主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn).

汽車轉(zhuǎn)向盤；揮發(fā)性有機(jī)化合物；袋式檢測

近年來，隨著汽車市場的不斷發(fā)展，人們不僅追求汽車的款式、性能，也更加關(guān)注汽車內(nèi)飾物品對人體所產(chǎn)生的傷害.2011年，我國頒布了GB／T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》［1］，規(guī)定了車內(nèi)空氣中苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛的濃度限值標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)主要針對整車而言，并未對內(nèi)飾件的檢測做出詳細(xì)規(guī)定.車內(nèi)環(huán)境決定于車內(nèi)裝飾件材料的化學(xué)物質(zhì)排放，而轉(zhuǎn)向盤是汽車內(nèi)飾件的一個重要組成，且接近駕駛員，揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC將會直接影響其健康［2－4］.目前，國內(nèi)進(jìn)行VOC測試的方法主要是日系的袋式法，即將一定體積或質(zhì)量的零件放在50 L容積的氣袋中，經(jīng)過氣體培養(yǎng)后，采集氣體進(jìn)行分析.與歐美系的VDA法相比，這種采集法采集的氣體濃度更平衡，且能控制溫度、空氣流量、濕度，模擬的條件更真實，所得實驗結(jié)果更精確.轉(zhuǎn)向盤中VOC主要來源于PU（poly urethane，聚氨酯發(fā)泡料）、脫模劑、清洗劑、模內(nèi)漆（固化劑）、真皮、膠水等，氣體成分中的苯烴類組分用Tenax管采樣，用ATD－GCMS（熱脫附氣相質(zhì)譜）［5－6］儀器分析，而醛酮類組分用DNPH管采樣，HPLC（高效液相色譜儀）［7－9］分析.本文對整個轉(zhuǎn)向盤及各材料進(jìn)行VOC的測試，從存放時間、溫度、材料的角度分析所得測試結(jié)果.

1 試樣袋處理和樣件封裝

由于轉(zhuǎn)向盤直徑一般在360～380 mm，根據(jù)其大小選取50 L的樣袋型號；將所需測試的油漆、膠水、清洗劑噴涂于100 mm×100 mm的樣板上，脫模劑、模內(nèi)漆噴涂于300 mm×500 mm的鋁箔紙上，PU、真皮切割成100 mm×100 mm的試驗片，這些試驗樣片選用10 L樣袋進(jìn)行測試.然后將選取的樣袋密封，用真空泵抽空樣袋內(nèi)氣體，隨后向樣袋內(nèi)注入樣袋容積50%的純氮氣（純度在99.99%以上），并將樣袋放在65℃恒溫箱內(nèi)，放置2 h，用真空泵快速將樣袋內(nèi)的氣體抽出，上述步驟重復(fù)操作2次.由于樣袋本身也會釋放VOC，為降低對測試的干擾，須清洗采樣袋.

樣袋處理后，將轉(zhuǎn)向盤緩慢放到樣袋內(nèi)，并注入約占樣袋容積30%的純氮氣，用泵將氣體抽出，操作2次后，在25℃的恒溫環(huán)境下注入約占樣袋容積50%的純氮氣，將封裝好的樣件放置在65℃的恒溫箱內(nèi)約2 h.

2 氣體采集

在65℃恒溫環(huán)境下將封裝好的樣件放置2 h后采集氣體，過程如下：① 將裝有樣件的樣袋整體輕揉，使樣袋內(nèi)部的氣體均勻分布，再將閥門微開，慢慢擠出管道內(nèi)殘留氣體；② 裝配Tenax管和DNPH管；③ 打開管道閥門開始采樣；④ 完成采集的捕集管必須立即關(guān)閉兩端，防止氣體泄漏影響測試準(zhǔn)確性；⑤空白采樣袋也應(yīng)該嚴(yán)格按上述步驟進(jìn)行空白采樣，保證試驗數(shù)值的準(zhǔn)確性.

采集方法均依據(jù)HJ／T 400—2007車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法［10］實施，具體采樣管捕集條件如表1所示.

3 結(jié)果與分析

Tenax和DNPH捕集管應(yīng)至少采樣2次，已捕集的Tenax管用ATD－GCMS檢測苯烴物質(zhì)的濃度，用DNPH管吸附醛酮類物質(zhì)，洗脫后用HPLC檢測其濃度.第1個Tenax管在測量苯系物時如有定量物超過線性范圍，可增加標(biāo)液最高點，或者降低樣品取樣量，或改變分流比重新測量.平行取樣（不少于2個平行樣）的測定值與平均值相對偏差不得超過20%.醛酮物的分析過程與苯系物相似，分析每批樣件時至少保留2個采樣管（Tenax管和DNPH管各1個）.對空白樣（沒有封裝樣件但充有氮氣并經(jīng)過加熱處理）進(jìn)行氣體捕集與分析，作為采樣過程中的現(xiàn)場空白檢驗，分析結(jié)果須與校準(zhǔn)曲線的零濃度值進(jìn)行比較，若異常，則樣品作廢.

樣件揮發(fā)濃度計算公式為：ρ＝m×103／V0，式中ρ為樣件揮發(fā)質(zhì)量濃度（μg·m－3）；m為捕集管所測得化合物的質(zhì)量（μg）；V0為捕集管采集的氣體量（換算成25℃時的體積，L）.

3.1 時間對檢測VOC的影響

表2是在65℃的條件下，分別對同款PU轉(zhuǎn)向盤放置10，5，2 d和立即取樣進(jìn)行VOC質(zhì)量濃度的測定，結(jié)果顯示，VOC的質(zhì)量濃度隨存放時間的增加而降低.但不同有機(jī)物其質(zhì)量濃度降低程度不同，甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛、乙醛等物質(zhì)質(zhì)量濃度降低比較明顯，存放時間越長久，下降速率越快；轉(zhuǎn)向盤的主要揮發(fā)性有機(jī)物甲苯和乙醛的質(zhì)量濃度下降最為明顯，而苯、丙烯醛隨著時間增加下降速率緩慢.

表2 放置不同時間PU轉(zhuǎn)向盤VOC的檢測結(jié)果Tab.2 PU steering wheel VOC test results at different time μg·m－3

美國研究機(jī)構(gòu)［11］發(fā)現(xiàn)車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物VOC質(zhì)量濃度每7 d呈現(xiàn)e－0.23的趨勢衰減.圖1，2是溫度為65℃的條件下，不同零件中甲苯和乙醛揮發(fā)濃度隨時間變化情況.由圖可知，甲苯質(zhì)量濃度大于350μg·m－3時濃度衰減顯著，而質(zhì)量濃度小于100μg·m－3后隨放置時間增加濃度基本不變；當(dāng)乙醛質(zhì)量濃度大于200μg·m－3時濃度迅速衰減至較低值后變化不明顯，當(dāng)質(zhì)量濃度小于100μg·m－3時，衰減速度較緩慢.約30 d后甲醛質(zhì)量濃度下降約20%，而乙醛質(zhì)量濃度僅10 d就下降至30%左右，這是由于VOC的揮發(fā)濃度及速度主要取決于材料本身的VOC水平和在空氣中的揮發(fā)速度.

圖1 不同零件甲苯質(zhì)量濃度隨時間的變化Fig.1 Toluene concentration from different parts change over time

圖2 不同零件乙醛質(zhì)量濃度隨時間的變化Fig.2 Acetaldehyde concentration from different components change over time

3.2 溫度對檢測VOC的影響

真皮與PU轉(zhuǎn)向盤在不同溫度條件下的檢測結(jié)果見表3，設(shè)置加熱時間為2 h.結(jié)果表明，車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物的質(zhì)量濃度隨溫度升高而增大.當(dāng)溫度從23℃升到50℃時，苯、甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物升高較快；當(dāng)溫度從50℃升到65℃時，無論是真皮轉(zhuǎn)向盤還是PU轉(zhuǎn)向盤，其主要污染物甲苯、甲醛、乙醛的揮發(fā)均升高較多.因此，夏季汽車在太陽下暴曬后，封閉的車廂內(nèi)會有刺激的味道（尤其是新車），這是車內(nèi)各材質(zhì)隨溫度升高而使VOC的揮發(fā)量增加所致.

表3 不同溫度下VOC質(zhì)量濃度Tab.3 The concentrations of VOC under different temperature μg·m－3

3.3 材料對檢測VOC的影響

表4為不同材料的VOC質(zhì)量濃度.油性環(huán)保漆比水性油漆揮發(fā)的有機(jī)物濃度高；環(huán)保膠與普通膠相比，苯乙烯質(zhì)量濃度下降3倍多；新工藝改進(jìn)后，真皮與發(fā)泡料的揮發(fā)性有機(jī)物濃度均減少，但發(fā)泡料的減少幅度更顯著，因其成分改進(jìn)比真皮的工藝改進(jìn)更簡單；而水性脫模劑也比油性脫模劑的有機(jī)物揮發(fā)量少，濃度減少顯著.

發(fā)泡料聚氨酯仍以溶劑型為主，使用水性聚氨酯可以減少或消除聚氨酯固化過程中有機(jī)溶劑揮發(fā)帶來的問題；真皮中的大多數(shù)甲醛產(chǎn)生于鞣制和復(fù)鞣過程中，可在鞣制階段加入甲醛清洗劑（銨鹽）和使用植物鞣劑能減少VOC的揮發(fā)；油漆涂料中的成膜物質(zhì)主要是合成樹脂，使用能釋放揮發(fā)性有機(jī)物的涂料助劑，開發(fā)水性涂料或高固體涂料均能有效降低VOC的揮發(fā).

表4 不同材料的VOC質(zhì)量濃度Tab.4 The concentrations of VOC released from different materials μg·m－3

4 結(jié)論

由本研究結(jié)果可知，為降低車內(nèi)飾件揮發(fā)性有機(jī)物的質(zhì)量濃度，建議各供應(yīng)商可將半成品、成品儲存于空氣流通處，放置7 d以上再進(jìn)行包裝，包裝時增大包裝箱的透氣孔，不要使用塑料袋包裝，整體可改為環(huán)保材料，并在包裝箱中加入活性炭，能有效降低VOC的質(zhì)量濃度.作為主機(jī)廠，整車裝配完成后，可開窗進(jìn)行空氣流通，夏季注意降低倉庫溫度等.

從材料上看，汽車轉(zhuǎn)向盤中使用的化工膠水、油漆涂料等，尤其是裝飾豪華的轎車內(nèi)部使用的真皮、桃木、工程塑材等更容易產(chǎn)生VOC，因而可以選用水性聚氨酯作為成膜物質(zhì)，選擇水性助劑和水性纖維樹脂作原材料，來替代或改善原有制品，這樣才能從根本上降低轉(zhuǎn)向盤中VOC的揮發(fā).

［1］GB／T 27630—2011乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南 ［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

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Detection and analysis of automobile steering wheel VOC

ZHU Linglin1，LI Hong1＊，TENG Zeng1，HUA Changliang2，HAO Wei2

（1.Mech Engin Coll，Sch of Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Shanghai East Joylong Motor Airbag Co Ltd，Shanghai 201201，China）

In order to determine the concentration of automobile steering wheel volatile organic compounds（VOC），the author studies the effect of time，temperature and materials on the concentration of VOC using Tedler Bag method.The results show that the concentration of VOC decreases about 20%per week，and it increases as the temperature rises.By using green materials such as water－based materials and PC＋ABS，VOC can be significantly reduced.The materials used in car steering wheel production process include chemical glue，paint，leather，wood，polyurethane foam and so on which release VOC.Thus water－based polyurethane can be used as a film－forming material，water－based and water－based cellulose additive fat can be chosen as raw materials to replace or improve existing products.In this way，VOC can reach the standard of original equipment manufacturers.

automobile steering wheel；volatile organic compound；tedler bag

U 465.6；TG 174.48

A

1007－824X（2015）03－0070－04

2015－03－06.＊ 聯(lián)系人，E－mail：18352764350＠163.com.

國家科技部火炬計劃資助項目（2012GH530716）.

朱玲琳，李紅，滕增，等.汽車轉(zhuǎn)向盤中VOC的檢測與分析 ［J］.揚州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，18（3）：70－73，78.

（責(zé)任編輯 秋 實）