汽車(chē)內(nèi)飾件VOC散發(fā)規(guī)律及控制

任曉康 彭宏 滕永泉 李東強(qiáng) 楊平 肖宇

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州511434）

1 前言

隨著消費(fèi)者對(duì)于健康座艙要求不斷提高，以及國(guó)家法規(guī)對(duì)于乘用車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于車(chē)企而言，汽車(chē)空氣質(zhì)量的改善也必將成為汽車(chē)行業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。由于汽車(chē)內(nèi)飾件是車(chē)內(nèi)空氣污染的重要來(lái)源，控制內(nèi)飾件VOC 對(duì)于汽車(chē)內(nèi)飾件開(kāi)發(fā)將是急迫的挑戰(zhàn)[1-2]。汽車(chē)內(nèi)飾造型分件多，制造工藝和材料選型多樣，不同工藝及材料的VOC 散發(fā)規(guī)律均有差異[3]，總成零件的VOC受到多種因素的影響。以某車(chē)型的門(mén)飾板總成為例，從內(nèi)飾零部件總成、子級(jí)件、材料選擇3 個(gè)維度對(duì)零件VOC 控制和改善進(jìn)行分析和闡述，更加精準(zhǔn)地探究不同材料、工藝、子級(jí)件與總成零件VOC之間的關(guān)系，達(dá)到從源頭上進(jìn)行VOC 設(shè)計(jì)和控制的目的。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試樣原料

某車(chē)型門(mén)飾板總成（左前門(mén)），門(mén)飾板各子級(jí)件包括門(mén)板本體、PVC（聚氯乙烯表皮）上裝、嵌飾板、扶手飾板、地圖袋、INS 飾條等，以及內(nèi)飾件常用的PVC、PU（聚氨酯表皮）、TPO（熱塑性聚烯烴彈性體表皮）、針織面料等4 種表皮材料為試驗(yàn)原料，所有零件及表皮均為下線7 天內(nèi)產(chǎn)品，全程PE薄膜+鋁箔紙包裝完好。

2.2 主要儀器設(shè)備

熱脫附：Markes TD-100，英國(guó)Markes 公司；

氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）：Agilent 7890B/5977A，安捷倫科技有限公司；

高效液相色譜儀：1260，安捷倫科技有限公司。

2.3 測(cè)試與表征

VOC 測(cè)試按照廣汽的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ/GAC 1550.002-2016《車(chē)內(nèi)非金屬材料及零件揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類(lèi)物質(zhì)采樣測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 門(mén)飾板總成的VOC表現(xiàn)

門(mén)飾板系統(tǒng)作為內(nèi)飾零件的典型代表，同時(shí)具備多種工藝類(lèi)型和材料應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行VOC 研究具有比較重要的意義。圖1 通過(guò)對(duì)多個(gè)門(mén)飾板總成的VOC 分析（醛類(lèi)和苯類(lèi)），發(fā)現(xiàn)甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛分別是其門(mén)飾板系統(tǒng)主要的苯系物和醛系物，在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 門(mén)飾板總成8種VOC物質(zhì)對(duì)比

3.2 門(mén)飾板總成與其子級(jí)件的VOC關(guān)系

門(mén)飾板總成基本囊括了大部分主要的內(nèi)飾工藝，包括硬塑成型、真空吸附、膜片裝飾條、表皮包覆、PU 發(fā)泡、電鍍、噴涂等，圖2 是一典型的門(mén)飾板總成的圖示。通常主機(jī)廠主要考察總成零件和整車(chē)的VOC，而沒(méi)有對(duì)子級(jí)件VOC 及其與總成VOC的關(guān)系進(jìn)行探究。子級(jí)件的VOC 表現(xiàn)影響總成VOC 的最終狀態(tài)，門(mén)飾板子級(jí)件根據(jù)材料類(lèi)型可分為PP（聚丙烯）類(lèi)、ABS（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯的三元共聚物）+表皮包覆類(lèi)、PC（聚碳酸酯）+ABS類(lèi)、POM（聚甲醛）類(lèi)，所以分析門(mén)板子級(jí)件材料與總成之間的VOC 散發(fā)關(guān)系具有重要意義。

圖2 門(mén)飾板總成的典型圖示

以某車(chē)型門(mén)飾板為例，分別利用袋子法（1 000 L）測(cè)試總成零件和各子級(jí)件的VOC。通過(guò)表1 和圖3可發(fā)現(xiàn)，在甲苯、二甲苯、甲醛和乙醛等4 種最主要VOC 散發(fā)物方面，根據(jù)貢獻(xiàn)大小排序?yàn)镻P 類(lèi)、ABS+表皮包覆類(lèi)、PP+表皮包覆類(lèi)、ABS+噴涂/膜片/電鍍。

表1 門(mén)總成VOC物質(zhì)的主要來(lái)源

PP 類(lèi)材料占整個(gè)門(mén)板總成的60%～70%，其對(duì)總成VOC 的影響最大，所以PP 類(lèi)材料是門(mén)飾板總成VOC 管控的關(guān)鍵；其次是包覆類(lèi)材料，PVC 等表皮材料（特別是表面處理層）含有較多的揮發(fā)性小分子導(dǎo)致VOC 含量上升；POM 材料對(duì)于甲醛揮發(fā)的影響不容忽視，POM 在不穩(wěn)定的狀態(tài)下，容易分解或者析出甲醛分子釋放到空氣中。

3.3 PP類(lèi)材料VOC控制

根據(jù)上文分析可知，門(mén)飾板VOC 最主要貢獻(xiàn)源是PP 類(lèi)材料，有效控制PP 類(lèi)材料的VOC 散發(fā)，可以最大程度地改善內(nèi)飾產(chǎn)品的VOC。對(duì)于PP類(lèi)材料的VOC 管控，可從PP 原材料、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境3 方面進(jìn)行改進(jìn)，具體措施詳見(jiàn)表2。

3.4 ABS+包覆材料VOC控制

包覆產(chǎn)品一般由多層材料組成，包括基材、表皮層、發(fā)泡層以及膠粘劑等，包覆零件的層級(jí)構(gòu)成見(jiàn)圖4，每層材料均具有不同的材料選型，導(dǎo)致包覆材料VOC 的源頭相對(duì)比較復(fù)雜。包覆材料作為僅次于PP 類(lèi)材料的VOC 貢獻(xiàn)源，有必要對(duì)每種材質(zhì)的VOC 特性進(jìn)行解析，以便更好的管控。

圖3 門(mén)板總成與各子級(jí)件的VOC情況對(duì)比

3.4.1 ABS 類(lèi)材料VOC 控制

ABS 類(lèi)材料具有優(yōu)異的綜合性能，因此廣泛應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾。目前主要的ABS 生產(chǎn)工藝包括乳液法和本體法[6]。乳液法具有工藝成熟、易于大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量好、產(chǎn)品范圍寬等特點(diǎn)，可生產(chǎn)各類(lèi)專(zhuān)用料產(chǎn)品，可根據(jù)用戶需求調(diào)整和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能指標(biāo)；本體法工藝投資低、產(chǎn)率高、能耗低、連續(xù)操作、環(huán)境污染少，但其生產(chǎn)品種比較窄、操作彈性小。

表2 PP類(lèi)材料的VOC控制策略

圖4 包覆材料的構(gòu)成和分類(lèi)

2 種工藝的主要性能差異見(jiàn)表3。由此可見(jiàn)，在一些作為骨架材料或者免噴涂的零件上，可以傾向于選擇本體法ABS，更有利于VOC 的管控。

表3 2種ABS工藝的主要性能差異

3.4.2 表皮材料VOC 控制

表皮工藝在內(nèi)飾領(lǐng)域應(yīng)用非常豐富，有效提升內(nèi)飾質(zhì)感。內(nèi)飾常見(jiàn)的表皮包括PVC、PU、TPO等，不同表皮的VOC 散發(fā)性存在差異，在前期設(shè)計(jì)和表皮定義時(shí)可以針對(duì)性的加以考慮。通常而言，表皮VOC 管控一般從原材料、表面處理劑及生產(chǎn)工藝等3 個(gè)方面進(jìn)行入手。

a.原材料方面，常見(jiàn)的表皮原材料包括PVC、PU、TPO、針織面料等，從圖5 分析發(fā)現(xiàn)，相比于PVC 和PU，TPO 和針織面料的TVOC 含量明顯較低，屬于相對(duì)環(huán)保的原材料，目前TPO 表皮在內(nèi)飾中的應(yīng)用也越來(lái)越多。另外，從原材料本身而言，其中的溶劑等小分子助劑等是表皮材料VOC 散發(fā)的主要來(lái)源之一，目前一般禁止使用苯類(lèi)溶劑，以其它相對(duì)環(huán)保的溶劑（酮類(lèi)、酯類(lèi)）代替。

圖5 不同表皮（不含發(fā)泡層）的TVOC散發(fā)情況

表皮材料一般還需要覆合發(fā)泡層，常見(jiàn)的發(fā)泡層包括PU 發(fā)泡和PP 發(fā)泡。以TPO 表皮總成為例，從圖6 和圖7 可以發(fā)現(xiàn)，PP 發(fā)泡對(duì)于總成VOC的貢獻(xiàn)較小，TPO 表皮是其VOC 的主要散發(fā)源。另外，PP 發(fā)泡的VOC 相比于PU 發(fā)泡更小，一方面是由于材料本身特性決定，PP 的VOC 散發(fā)小于PU；另一方面是由于品質(zhì)管控，PP 發(fā)泡技術(shù)壁壘較高，基本被幾家外資企業(yè)壟斷，質(zhì)量控制較規(guī)范；而PU 發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，生產(chǎn)廠家多，標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一，不利于VOC 管控。

圖6 各表皮層對(duì)TPO表皮總成的VOC貢獻(xiàn)量

b.一般為了調(diào)節(jié)表皮光澤度、耐磨性等，表皮表面需要涂布處理劑。表面處理劑一般含有多種溶劑，導(dǎo)致VOC 極易超標(biāo)。從圖8 和圖9 可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)2 種不同的處理劑的VOC 進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，以水性處理劑代替油性處理劑，表皮的甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物含量可相對(duì)降低；另外，水性處理劑代替油性處理劑可明顯降低TVOC（所有可檢出的有機(jī)物，沸點(diǎn)在50～250 ℃）含量，TVOC 含量與零件氣味等級(jí)有著較強(qiáng)的關(guān)系，所以應(yīng)用水性處理劑對(duì)于氣味性也有明顯改善。

圖7 PP發(fā)泡和PU發(fā)泡的VOC對(duì)比

圖8 表面處理劑對(duì)PVC表皮VOC的影響

圖9 處理劑類(lèi)型對(duì)TVOC含量影響

c.常規(guī)的表皮生產(chǎn)工藝包括涂布法和壓延法，圖10 是2 種工藝生產(chǎn)的PVC 表皮的VOC 對(duì)比，涂布法的VOC 散發(fā)值相對(duì)較小，推測(cè)可能是因?yàn)橥坎挤ㄒ话憬?jīng)過(guò)多層涂布，多次烘烤工序，最大限度的使VOC 提前揮發(fā)。另外，保持較高的加工溫度可以有效降低VOC 含量，例如當(dāng)PVC 和PU 的加工溫度超過(guò)150 ℃時(shí)，能夠最大限度的使VOC 提前揮發(fā)（五苯三醛的最高沸點(diǎn)146 ℃），減少材料在使用階段的VOC 含量。

3.4.3 膠粘劑VOC 控制

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前1臺(tái)整車(chē)的膠粘劑用量大約20 kg，包括內(nèi)飾用膠粘劑、密封膠、結(jié)構(gòu)膠等。膠粘劑的VOC散發(fā)是影響汽車(chē)乘員艙空氣質(zhì)量的主要原因之一，主要針對(duì)內(nèi)飾用覆合膠粘劑進(jìn)行分析，適用于汽車(chē)內(nèi)飾零件的膠粘劑主要有溶劑膠、水性膠和熱熔膠3大類(lèi)，主要對(duì)比情況見(jiàn)表4。

圖10 生產(chǎn)工藝對(duì)VOC的影響

表4 不同膠粘劑的對(duì)比

水性膠相比溶劑膠，VOC 含量更低，環(huán)保型更好。但相比溶劑膠，水性膠的使用存在一些工藝限制，如工藝溫度有特殊要求，在15～30 ℃才能達(dá)到激活溫度；PP 基材一般需要火焰處理，提高極性；初始粘接力較弱；處理完的樣件通常需要養(yǎng)生24～48 h 才能達(dá)到最佳粘接效果。

熱熔膠是1 種更加環(huán)保的膠粘劑，不含溶劑或者其他介質(zhì)，現(xiàn)階段受限于成本和設(shè)備要求，還未得到廣泛應(yīng)用，只有奔馳寶馬等高端車(chē)型有少量應(yīng)用，相信熱熔膠在未來(lái)汽車(chē)內(nèi)飾的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

4 結(jié)論

以門(mén)飾板系統(tǒng)為例，對(duì)門(mén)飾板總成的VOC 含量進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)門(mén)飾板系統(tǒng)的主要污染物為甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛。通過(guò)對(duì)門(mén)飾板總成及其子級(jí)件的VOC 含量進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PP 類(lèi)材料、表皮材料、ABS 類(lèi)材料以及膠粘劑等各種材料在VOC 的表現(xiàn)方面均存在較大的差異，PP 作為用量最大的材料，直接關(guān)系到整個(gè)總成的VOC 表現(xiàn)；TPO 表皮、針織面料是目前相對(duì)環(huán)保的表皮類(lèi)型；在一些非外觀的骨架材料方面，本體法ABS 相比于乳液法ABS 具有一定的優(yōu)勢(shì)；相比溶劑膠和熱熔膠，水性膠是成本和性能綜合優(yōu)勢(shì)明顯的膠粘劑類(lèi)型。

在內(nèi)飾前期設(shè)計(jì)階段，通過(guò)選擇相對(duì)環(huán)保的材料能夠達(dá)到更加精準(zhǔn)控制整體內(nèi)飾VOC 的目的，而不是完全依賴于后期的整改，這樣有利于內(nèi)飾VOC 由始至終的全流程管控，提升乘員艙的空氣質(zhì)量水平，提高整個(gè)內(nèi)飾的感知水平。