輪胎磨損顆粒物排放特性研究現(xiàn)狀綜述

張子鵬 張新峰 劉振國

摘 要：輪胎是整車上唯一與地面直接接觸的部件，起到承受車輛載荷、車輛行駛和轉(zhuǎn)向等作用。車輛行駛過程中，輪胎與地面磨損產(chǎn)生微小顆粒物并排放到空氣、土壤和河流中。本文從輪胎磨損機(jī)理、測試方法和顆粒物對環(huán)境的影響角度出發(fā)究，結(jié)合UN WP29 GRPE PMP工作組進(jìn)展，對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析。簡要闡述了輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生和物理特征，并介紹了顆粒物排放測試手段和顆粒物傳輸及對環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：輪胎磨損;顆粒排放;測試方法;傳輸路徑;環(huán)境影響;PMP工作組

1 導(dǎo)言

新世紀(jì)以來，我國機(jī)動車保有量快速增加，尤其是新能源汽車得到快速發(fā)展，而機(jī)動車相關(guān)排放則直接影響群眾健康。汽車排放分為尾氣排放和非尾氣排放：尾氣排放，有著長期的深入研究基礎(chǔ)和立法管理，已被大眾多熟知;非尾氣排放，主要包括輪胎和制動襯片的磨損顆粒排放，在一定意義上屬于新研究領(lǐng)域，國內(nèi)外研究相對較少[1，3]。據(jù)研究表面，輪胎磨損、襯片磨損、道路揚(yáng)塵等非尾氣的排放在一定條件下能夠占到空氣中PM的50%[2]。輪胎磨損顆粒物（TWPs），是車輛行駛時輪胎與地面摩擦后產(chǎn)生的微小顆粒，是非尾氣排放的重要組成部分，也是大氣中顆粒物的重要來源。對新能源汽車來說，車輛自身尾氣排放明顯減少，甚至為0（純電動汽車），非尾氣排放顯的尤為重要[4]。本為以輪胎磨損顆粒為對象，結(jié)合UN WP29 GRPE PMP（聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇污染和能源工作組 顆粒測量程序非正式工作組，以下簡稱“PMP工作組”）中輪胎磨損顆粒排放工作開展情況，簡要介紹國內(nèi)外輪胎磨損顆粒排放特性研究現(xiàn)狀。

2 輪胎磨損及顆粒物

輪胎是復(fù)雜的橡膠彈性橡膠制品，是車輛中唯一與地面接觸的部件。輪胎結(jié)構(gòu)主要包括胎面、胎肩、胎側(cè)、趾口、帶束層、簾布層、氣密層等，如圖1所示。輪胎磨損過程比較復(fù)雜，但影響因素主要有三種，輪胎自身因素（結(jié)構(gòu)、材料、耐磨性等）、車輛因素（懸架參數(shù)、負(fù)荷、車速、驅(qū)動力等）和環(huán)境因素（道路條件、溫度、駕駛習(xí)慣等）。研究輪胎磨損顆粒物的產(chǎn)生必須要研究橡膠磨損原理，摩擦學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的橡膠磨損機(jī)理研究已經(jīng)較為成熟，包括疲勞磨損、摩粒磨損、黏著磨損和化學(xué)侵蝕磨損等[5]。車輛在行駛過程中，輪胎與地面直接接觸，在車輛轉(zhuǎn)向、制動和驅(qū)動時承受垂向、側(cè)向載荷、切向載荷、回正力矩、翻傾力矩、滾動阻力矩。輪胎和地面接觸過程中，存在直接摩擦和滑移作用，從而引起輪胎接地面與路面微觀切割和撕裂。在這個過程中，輪胎與地面接觸區(qū)域在不停的做功，當(dāng)接觸區(qū)域某一局部體積累積的摩擦能量達(dá)到接觸區(qū)域輪胎表面的破壞能量（臨界值）時，此局部體積將以磨屑的形式脫離表面[7]，即磨損產(chǎn)生。但輪胎磨損通常不會以單一形式存在，而是輪胎與道路路面混合磨損，各占大約50%比重[9]。

輪胎磨損后，以顆粒物形式釋放到空氣、道路路面、土壤或河流中。圖3、圖4為顆粒物物理特征圖。據(jù)PMP工作組研究[9]：輪胎和道路磨損顆粒物（TRWP）直徑主要分布在4-350μm，平均直徑為100μm，大于PM2.5（≤2.5μm）和PM10（≤10μm）中顆粒物的體積（如圖2所示）;顆粒物的密度大約為1.8g/cm3，大于水的密度1.0g/cm3。

張靜[4]通過實(shí)驗(yàn)室臺架模擬技術(shù)對輪胎磨損顆粒物開展研究：對數(shù)量粒徑分布，輪胎磨損顆粒的數(shù)量主要為超細(xì)顆粒物，濃度峰值多出現(xiàn)在100nm以下;對質(zhì)量粒徑分布，輪胎磨損顆粒的質(zhì)量主要是細(xì)顆粒物和粗顆粒物，濃度峰值多出現(xiàn)在0.5μm和1.3-2.5μm。同樣，Mathissen[12]、DallOsto[13]、Kwak[14，15]等都用不同試驗(yàn)方法對輪胎磨損顆粒物粒徑開展研究，得出不同或類似的試驗(yàn)結(jié)論。

3 磨損顆粒排放測試方法

輪胎磨損顆粒物排放研究的測試手段主要有實(shí)驗(yàn)室臺架測試（測試設(shè)備如圖5所示）和道路測試兩種方式。目前，針對該領(lǐng)域的測試方法只有ISO系列標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。

據(jù)PMP工作組資料，日本JASIC（日本汽車標(biāo)準(zhǔn)國際化中心）基于開發(fā)了乘用車輪胎粉塵排放測量方法。該方法是在六分力測量車輛基礎(chǔ)上，增加粉塵采樣、過濾、計(jì)數(shù)等裝置，研究車輛側(cè)向加速度與輪胎粉塵排放的關(guān)系，并基于熱裂解和GC分析，實(shí)現(xiàn)了定量測量粉塵排放量，進(jìn)而計(jì)算排放因子[16]，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。最終研究得出，輪胎粉塵排放對空氣中PM2.5的貢獻(xiàn)比例大約為3%，其他大部分粉塵落在了路面上。

J.Kwak 首次使用車輛道路測試方法和試驗(yàn)室內(nèi)模擬測試方法去調(diào)查車輛非尾氣排放超細(xì)顆粒物的物理和化學(xué)特征。該研究在車輛恒大速度、制動和轉(zhuǎn)彎條件下對車輛右前輪處的顆粒排放進(jìn)行采集和分析，并設(shè)置了距離地面40mm和距離地面90mm的兩個采集點(diǎn)。圖7、圖8分別為試驗(yàn)方法和試驗(yàn)原理圖。

研究表面，制動和轉(zhuǎn)彎條件下的超細(xì)顆粒物排放濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與恒速狀態(tài)下的排放濃度。在制定條件下，距離地面90mm處的排放濃度高于距離地面40mm處的排放濃度。

國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究相對較少，但隨著國家對空氣污染的監(jiān)管力度加大和各領(lǐng)域的關(guān)注，部分研究機(jī)構(gòu)（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司[4]、北京市環(huán)境環(huán)保科學(xué)研究院[3]等）和高校（如寧波大學(xué)[17]、南開大學(xué)[4]等）也開展了相關(guān)研究?；谑覂?nèi)道路模擬測試設(shè)備，張靜等首次在國內(nèi)基于臺架模擬設(shè)備（如圖9）對輪胎磨損顆粒物排放開展研究，涉及輪胎速度、載荷、側(cè)偏角、外傾角的單一和復(fù)合影響因素，對排放顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度和組成成分開展分析和研究。

測試設(shè)備為外轉(zhuǎn)鼓測試裝置，鼓面為瀝青路模仿真鼓面。經(jīng)研究，輪胎磨損顆粒排放物主要為超細(xì)顆粒物，直徑在6nm-10μm顆粒占比約94.80%。不同工況下至少有兩個濃度峰值，分別在10-13nm和23-41nm。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果顯示，側(cè)偏角對輪胎磨損顆粒排放影響最大，其次是速度，再次是負(fù)載，傾角的影響最小;其中側(cè)偏角與標(biāo)準(zhǔn)化的PM10濃度具有很好的以e為底的指數(shù)關(guān)系（R2>0.999）。

4 磨損顆粒傳輸與環(huán)境影響

ETRMA在2017年3月授權(quán)美國Cardno ChemRisk公司和荷蘭Deltares研究院開展關(guān)于輪胎和道路磨損顆粒物在環(huán)境中的傳播路徑的研究[9]。主要有以下三點(diǎn)結(jié)論：（1）TRWP的平均直徑大于細(xì)粉塵，平均密度大于水，而直徑和密度是影響TRWP路徑傳輸?shù)淖钪匾膬蓚€參數(shù);（2）TRWP產(chǎn)生后，會降沉到土壤和淡水沉淀物中，經(jīng)與塞納河沉積物中測量到的TRWP平均濃度進(jìn)行比較，證實(shí)淡水沉積物中TRWP的收集效率在90%左右;（3）TRWP在海洋水域的實(shí)際存在從未得到證實(shí)，Cardno ChemRisk公司和Deltares研究院的模型計(jì)算出TRWP對河口微塑料的貢獻(xiàn)在2%-5%范圍內(nèi)（最現(xiàn)實(shí)的估計(jì)）。

Julie M. Panko[10]曾開展一個全球采樣研究項(xiàng)目，對美國、法國、日本的城市和鄉(xiāng)村地區(qū)的81個空氣樣品開展TRWP濃度測量研究。使用基于熱解技術(shù)的橡膠聚合物化學(xué)標(biāo)記方法對空氣樣品進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明PM10中TRWP的濃度處于0.05-0.70g/m3范圍，代表著TRWP對對PM10的平均貢獻(xiàn)率為0.84%。同時，該研究提供了一個強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集合，以去理解潛在的人體對空氣中TRWP的暴露。

Cardno ChemRisk公司的Ken M. Unice[18]基于GC/MS分析方法對法國、日本和美國內(nèi)相關(guān)集水區(qū)的沉淀物的TRWP含量開展定量測量工作。采樣工作是在人口和土地用途多樣化的集水區(qū)進(jìn)行的，結(jié)果97%的樣品中檢測到TRWP。沉淀物中TRWP的平均濃度在0.77-4.5mg/g范圍內(nèi)。經(jīng)研究分析，淡水生物（分析了7種）對沉淀物中TRWP的暴露濃度高達(dá)10mg/g，但沒有顯示出不良影響（急性和慢性）。圖11為美國華盛頓地區(qū)TRWP濃度分布圖。

5 研究趨勢

在UN WP29 GRPE PMP工作組進(jìn)展基礎(chǔ)上，本文對輪胎磨損排放顆粒物的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合闡述。目前國際上對該領(lǐng)域的研究處于嘗試和分析階段，并沒有系統(tǒng)的、成熟的、科學(xué)的研究成果體系。為此，提出以下展望方向，為后續(xù)深入研究提供參考。

（1）未知領(lǐng)域理論研究：包括路面、土壤、水流區(qū)域等的數(shù)據(jù)情況，TRWP的化學(xué)降解，不同路面影響，路面排水系統(tǒng)影響，廢棄垃圾及污水中微塑料處理。

（2）研究可量化TRWP的測試方法和混合顆粒樣品中區(qū)分TRWP的方法，如建立模擬環(huán)境空間，開展模擬空間和實(shí)際空間的對比研究。

（3）基于國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果（Cardno ChemRisk公司和Deltares研究院研究成果等），繼續(xù)深入研究，拓寬理論模型應(yīng)用范圍。

（4）為得到足夠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和分析，需要對典型地區(qū)長期開展TRWP相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析工作。

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