汽車內飾零部件VOCs快速分析的應用

王若鑫 劉娟 湯品一

1.泛亞汽車技術中心 上海市 201206 2.上海天祥質量技術服務有限公司 上海市 201206

1 汽車內飾零部件VOCs現(xiàn)狀

隨著汽車使用量的不斷增加，國民環(huán)保意識的不斷提高，汽車揮發(fā)性有機化合物(VOCs)污染越來越受到消費者和政府部分的高度關注[1]。歐洲、美國、日本、俄羅斯等國家已按相關標準實施了強制管理制度，而我國繼2012年3月1日，推薦性標準GB/T-27630-2011《乘用車內空氣質量評價指南》[2]實施后，2017年環(huán)保部又發(fā)布《乘用車內空氣質量評價指南》征求意見稿，意在出臺強制性標準。在此背景下，車內環(huán)境空氣質量的檢測方法顯得尤為重要。

汽車內飾零部件VOCs的主流分析方法有兩種。其一為袋式法[3]，因其配套設備投資較低，測試批處理能力強周期短，且價格有優(yōu)勢，成為目前各車廠的主要VOC分析手段之一。另一種方法為艙式法[4]，可配套連接在線FID，且艙內設有氣流交換裝置，可實現(xiàn)動態(tài)散發(fā)狀態(tài)下的實時在線監(jiān)測，較為接近車輛實際使用時的狀態(tài)，但其設備成本昂貴，測試周期較長。

無論是袋式法亦或艙式法，都需要后續(xù)的化學精密分析設備如TDS-GCMS[5]和HPLC[6]進行定量分析，因此傳統(tǒng)的測試方法普遍存在的問題是除了需要前端樣品加熱及氣體采集設備，還需要配套后期分析設備，整套設備價格極其昂貴，測試成本高，需要專業(yè)分析技術人員，且測試周期長，無法滿足汽車生產鏈的實施有效監(jiān)控。往往在發(fā)現(xiàn)VOCs不合格時，生產裝配都已批量完成。為了更好的實現(xiàn)實時質量監(jiān)控，急切需要一種快速測試技術來滿足汽車生產鏈的進度。本文中使用的這種快速質譜技術就能很好的解決目前面臨的問題。

2 汽車內飾部件VOCs快速分析方法簡介

多離子在線質譜（Selected ion online spectrometry）是一種直接的質譜形式，它通過精準的化學離子反應來檢測和定量痕量的VOCs物質，是一種實時、高效分析氣體的理想工具。

該技術可實現(xiàn)同時分析多種物質，每次測試只需要數(shù)分鐘即可完成，因此能夠進行快速、全面、靈敏的在線監(jiān)測，實現(xiàn)批次合格產品檢驗。同時，也可為成為零部件或材料VOCs散發(fā)研究的有效數(shù)據提供手段。是一種對氣體高效和實時分析的理想應用工具，非常適用于車內多種揮發(fā)性化學成分的分析及研究。

多離子在線質譜儀主要有三部分組成，首先通過微波等離子體將濕潤空氣離子化，產生出試劑離子，而離子的選擇通過第一個四級桿完成，客戶可根據需要選擇試劑離子；然后被選擇的試劑離子被注射入流動管，通過與載氣氮氣碰撞釋放出多余的能量，樣品引入后可被試劑離子離子化，產生具有良好表征的產物離子；最后產物離子和未反應的試劑離子被輸送到第二個四級桿和檢測器，利用化合物譜庫和軟件分析每個物質的絕對濃度。

3 汽車內飾部件VOCs快速分析的應用

3.1 實驗裝置

本文使用的多離子在線質譜，是新西蘭Syft Technology公司的Voice 200Ultra型選擇流動管質譜SIFT-MS (Selected Ion Flow Tube Mass Spectrometry)[7]，該設備能通過微波等離子體將濕潤空氣離子化，產生八種試劑離子，H3O+，NO+，O2+，O-，O2-，OH-，NO2-和NO3-。這八種試劑離子可表現(xiàn)出多種反應機制，在流動管內與不同的分析物產生特異性的、具有良好表征的產物離子。這些產物離子被載氣輸送到質譜分析器，隨后利用儀器自帶的數(shù)據庫和軟件自動計算出每個化合物的實時濃度。

3.2 實驗方案

比較常見的零部件VOCs分析方法之一：袋式法，是將待測試部件放入Tedlar材質的專用袋內，用密封條封口后，將袋內抽真空以排出背景空氣的影響。之后再充入一定體積的高純氮氣，放入預先設定好溫度的恒溫艙內，加熱一定時間后，通過專用吸附管富集采集袋內樣品中揮發(fā)出的VOCs物質，再通過TDS-GC/MS和HPLC等多種精密化學分析設備，定量分析其中的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等揮發(fā)性物質的散發(fā)濃度。

圖1 VOCs散發(fā)趨勢曲線（后排座椅發(fā)泡）

圖2 VOCs散發(fā)趨勢曲線（前圍隔音墊）

本文通過SIFT-MS設備的配合，實現(xiàn)了袋式法測試過程中樣品在Tedlar袋內散發(fā)濃度的全程在線監(jiān)測，呈現(xiàn)出零部件在密閉Tedlar袋內的苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等8種國標管控物質的散發(fā)濃度實時濃度曲線，為后續(xù)的方法研究提供了可行的方式和思路。

本次選用的樣品為M1類車的后排座椅發(fā)泡、前圍隔音墊兩類樣品，參考泛亞汽車技術中心標準TS-BD-003[8]2000L袋式法方法，使用體積為2000L的Tedlar袋，氮氣充氣體積為60%，加熱溫度為65℃。從樣品袋在恒溫艙內開始加熱起始，至4小時結束，期間通過SIFT-MS連續(xù)在線監(jiān)測袋內各種VOCs的濃度變化曲線，從而了解在密閉袋環(huán)境下，樣品的VOCs散發(fā)趨勢曲線。

3.3 結果與討論

從下圖1及圖2的趨勢曲線圖可以看出，本次實驗選用的兩類樣品有如下發(fā)現(xiàn)：

1）按本實驗方案操作，Tedlar袋內溫度在25min左右達到穩(wěn)定狀態(tài)；

2）Tedlar袋內的甲醛較易達到散發(fā)平衡狀態(tài)，袋內濃度在110～120min左右開始趨于穩(wěn)定；

3）Tedlar袋內乙醛和丙烯醛的散發(fā)較難達到平衡，在120min后繼續(xù)呈現(xiàn)濃度遞增，在200min之后才開始出現(xiàn)增長放緩的趨勢；

4）部分苯系物在120min后也出現(xiàn)了濃度緩慢遞增的情況，但由于所選樣品的濃度絕對值并不高，所以繼續(xù)增加的量值并不明顯。

4 結論

目前多數(shù)的袋式法測試標準如ISO 12219-2：2012[3]等，規(guī)定裝有樣品的Tedlar袋在艙內加熱時間為120min±5min。之后開始使用專用吸附管富集采集袋內樣品中揮發(fā)出的VOCs物質。但從本文的研究結果看，此時袋內部分VOCs物質的濃度尚未達到平衡，因此采樣時間的稍有偏差，可能會對最終的測試結果產生不同程度的影響，在實際測試過程中需要加以控制。

從以上研究發(fā)現(xiàn)可見，不同的樣品在密閉Tedlar袋內的散發(fā)趨勢可能會呈現(xiàn)不同的規(guī)律，這與樣品的材料、結構、VOCs物質濃度等諸多因素有關。通過多離子在線質譜儀的在線監(jiān)測功能，有機會深入VOCs散發(fā)特性的研究并建立趨勢預測的可能性，為更加高效的VOCs散發(fā)質量的提升提供優(yōu)秀的技術手段和解決方案。