活性炭填充乘用車座椅泡沫對氣味VOC影響的研究

程亞非 李宇彤 劉楊勝 漆建華 唐智

（重慶金康賽力斯新能源汽車設(shè)計院有限公司，重慶 400000）

1 前言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平日益提高，汽車作為家庭日常代步工具越來越普遍。汽車已成為家和工作場所外的第三空間。因此，車內(nèi)空氣質(zhì)量越發(fā)受到人們的關(guān)注。近年來因車內(nèi)異味及VOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）超標(biāo)導(dǎo)致車主患病造成的維權(quán)事件層出不窮，已經(jīng)引起社會和國家立法層面的重點關(guān)注。2016 年GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[1]正式發(fā)布后，明確要求車輛都必須滿足GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[2]的限值要求。

早在2011 年GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[2]正式發(fā)布實施，對乘用車內(nèi)部散發(fā)的8 種物質(zhì)提出了限制要求之時，國內(nèi)外汽車企業(yè)已意識到乘用車的車內(nèi)空氣質(zhì)量已進(jìn)入法規(guī)時代。眾多國內(nèi)外汽車廠家都加大了對該領(lǐng)域的研發(fā)投入力度，探索提升車內(nèi)空氣質(zhì)量的新技術(shù)。

汽車是由一萬多個零部件組裝而成的綜合功能體。乘員艙內(nèi)的零部件大多由塑料、橡膠、面料、發(fā)泡材料等制作而成，這些材料使車內(nèi)環(huán)境變得更舒適，車輛的重量更輕，但塑料、橡膠、面料、發(fā)泡材料同時也容易散發(fā)各種揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)和難聞氣味，對乘員的身體造成不良影響。乘用車座椅是車內(nèi)表面積最大的零部件，座椅的軟質(zhì)泡沫是車內(nèi)異味的主要源頭之一。軟質(zhì)泡沫是由異氰酸酯和多元醇2 種主要化學(xué)物質(zhì)按一定比例混合，在適當(dāng)條件下經(jīng)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和后續(xù)發(fā)泡形成多孔結(jié)構(gòu)的固態(tài)聚氨酯泡沫[3]。這些空隙的存在就導(dǎo)致許多未參與反應(yīng)的小分子物質(zhì)會通過空隙逸散到乘員艙內(nèi)。通過氣味和VOC 檢測表明，車內(nèi)難聞氣味主要是聚氨酯泡沫散發(fā)出的胺味，氣味非常刺鼻，VOC 超標(biāo)物質(zhì)是聚氨酯泡沫反應(yīng)的副產(chǎn)物甲醛和乙醛[4]。乘用車經(jīng)長時間使用或經(jīng)陽光持續(xù)暴曬后，車內(nèi)的空氣中就會充滿這些有害物質(zhì)。

研究主要是通過在聚氨酯泡沫合成的過程中加入微小粒徑的改性活性炭顆粒作為氣體捕捉劑。通過表面改性讓活性炭顆粒能均勻地分散在異氰酸酯溶液中，進(jìn)而合成聚氨酯泡沫后，活性炭顆粒也能均勻分布于泡沫中，起到長效吸收泡沫中有害揮發(fā)性物質(zhì)的作用。研究了不同粒徑的活性炭顆粒[5]對車內(nèi)異味的吸收能力，對泡沫的物理性能做了測試。確保在不影響聚氨酯泡沫原本性能的前提下，降低其異味，從而改善整個乘員艙的空氣質(zhì)量。

2 材料制備

2.1 設(shè)備與原料

研究所述的在聚氨酯泡沫合成過程中加入微小粒徑的改性活性炭形成的復(fù)合材料所用到的設(shè)備與原料如表1、表2 所示。

表1 主要設(shè)備

2.2 材料的制備方法

因為該研究立足于工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用，涉及原料、輔料較多，材料制備方法采用工業(yè)生產(chǎn)中常用份數(shù)來表示各種原料之間的投入比例關(guān)系，這個比例為質(zhì)量比。

表2 主要原料

a.將10 份經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的活性炭加入到110 份異氰酸酯中，室溫下，使用磁力攪拌器持續(xù)攪拌30 min，攪拌速率1 000 r/min，使活性炭均勻地分散于異氰酸酯中，得到反應(yīng)A 組份；

b.將100 份聚醚多元醇、3 份發(fā)泡劑、0.15 份開孔劑、0.75 份催化劑、13 份交聯(lián)劑在攪拌式反應(yīng)釜中充分?jǐn)嚢杌旌?0 min，反應(yīng)釜溫度設(shè)置為＜50 ℃，攪拌速率2 500 r/min，通冷卻水冷卻到室溫，得到反應(yīng)B 組份；

c.將A 組份勻速注入反應(yīng)釜中與B 組份充分?jǐn)嚢?，攪拌速? 500 r/min，反應(yīng)釜溫度為25 ℃，同時，從反應(yīng)釜中向模具中注入混合溶液，使其在模具中交聯(lián)、發(fā)泡，模溫設(shè)定為35 ℃，交聯(lián)及發(fā)泡時間為20 min；

d.反應(yīng)結(jié)束后，從模具中取出泡沫在避光通風(fēng)條件下進(jìn)行熟化，熟化時間為2 d。

3 性能表征

3.1 建立性能對照組

如表3 所示，共設(shè)置7 組，采用不同粒徑的活性炭添加入聚氨酯泡沫發(fā)泡體系中，研究不同粒徑的活性炭對異味和VOC 的吸收能力。

表3 實驗對照組

3.2 氣味性及VOC測試

3.2.1 氣味性測試

研究采用的氣味性評價方法按照VDA 270:2018 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles[6]。氣味評價由5 位評價員根據(jù)聞到的泡沫氣味，按照表4 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分。最終取5 位評價師的結(jié)果的平均值作為氣味等級的評價結(jié)果。

表4 氣味評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 VOC 測試

本研究采用GB/T 27630—2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[2]的采樣方法及試驗條件測試。

3.3 形貌觀察

掃描電鏡SEM 測試采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi S-4800 型場發(fā)射掃描電鏡觀察微小粒徑的活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中的分散情況。

3.4 力學(xué)性能測試

以下力學(xué)性能測試按照表5 中的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

表5 測試內(nèi)容及采用標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)果與討論

4.1 氣味及VOC測試分析

表6為7組試驗樣品的氣味和VOC測試值。如圖1所示，由7組氣味性試驗數(shù)據(jù)得知，組1～組4泡沫樣品的氣味測試數(shù)值都在2.5級以下。其中填加微米級活性炭顆粒粒徑范圍在100～150 μm的聚氨酯泡沫樣品的氣味性最佳，為2.0級。而觀察組5～組7 數(shù)據(jù)則可發(fā)現(xiàn)，填加納米級活性炭顆粒的樣品與空白對照（組7）組的氣味數(shù)據(jù)沒有實質(zhì)區(qū)別。

表6 氣味及VOC試驗數(shù)據(jù)

圖1 氣味性折線圖

如圖2 所示，組1～組4 泡沫樣品的TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）均＜2 000 μg/m3，組3 的TVOC 最低為103 μg/m3，證明微米級顆粒粒徑范圍在100～150 μm 的聚氨酯泡沫樣品中，活性炭吸收的可揮發(fā)性物質(zhì)最多。同樣的，觀察組5～組7 的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，添加納米級活性炭顆粒的樣品與空白對照組（組7）的TVOC 數(shù)據(jù)沒有實質(zhì)性區(qū)別。

圖2 TVOC折線圖

推測原因可能是，微米級顆粒在現(xiàn)有工業(yè)條件下經(jīng)過改性就能均勻地分散在聚氨酯泡沫反應(yīng)體系內(nèi)，從而起到了吸收泡沫內(nèi)可揮發(fā)性小分子物質(zhì)的能力。而納米級顆粒因其尺寸為10-9m，具有巨大的表面能，在一般工業(yè)條件下無法通過改性使其均勻地分散在反應(yīng)體系內(nèi)，從而發(fā)生了團(tuán)聚，造成大量活性炭顆粒被包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部，其吸收界面無法與泡沫體系接觸。

4.2 形貌觀察

因聚氨酯泡沫材料的內(nèi)部有大量的因發(fā)泡劑發(fā)泡而產(chǎn)生的泡孔，所以直接采用聚氨酯泡沫作為觀察樣品無法清晰的看到活性炭在整個體系中的分散性。因此，采用的方法是觀察活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中的分散情況。

如圖3 所示，分別為粒徑范圍為150～300 nm和100～150 μm 的2 組改性活性炭顆粒分散在在異氰酸酯溶液中的SEM（場發(fā)射掃描電鏡）照片。由圖3 可以看出2 組改性活性炭顆粒分布情況。如圖3a 所示粒徑在納米級別的活性炭經(jīng)改性后，在異氰酸酯溶液中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重地團(tuán)聚現(xiàn)象，活性炭顆粒無法均勻地分散于異氰酸酯溶液中。而如圖3b 所示，微米級別的活性炭經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的改性后，能較均勻地分散于異氰酸酯溶液中。

圖3 不同粒徑的改性活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中分散性的SEM圖

結(jié)合4.1 節(jié)中氣味及VOC 測試分析的結(jié)果，能得出微米級改性活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中具有良好的分散性，因此，在異氰酸酯與多元醇發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)及后續(xù)發(fā)泡后，聚氨酯泡沫材料中所含有的微米級活性炭能夠良好地分散于聚氨酯泡沫體系中，起到吸收小分子氣味物質(zhì)的作用。而納米級別的活性炭因無法均勻地分散在反應(yīng)體系中，大量活性炭顆粒被包裹于團(tuán)聚體內(nèi)部，并未起到吸收小分子氣味物質(zhì)的作用。

4.3 力學(xué)性能分析

結(jié)合表7 所測7 組聚氨酯泡沫力學(xué)性能數(shù)據(jù)。如圖4 所示，組3 材料的斷裂伸長率相較于組7 空白對照樣品的數(shù)據(jù)最為接近，說明添加粒徑范圍在100～150 μm 的改性活性炭顆粒，基本不會影響聚氨酯泡沫的斷裂伸長率。組1、組2、組4 的斷裂伸長率均因為添加了微米級活性炭而略有下降。而添加了納米級活性炭的組5、組6 的斷裂伸長率下降較多。說明團(tuán)聚后的納米及活性炭會造成聚氨酯泡沫的斷裂伸長率下降。

表7 力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)

圖4 斷裂伸長率折線圖

如圖5 所示為聚氨酯泡沫材料的撕裂強(qiáng)度，組3 試驗數(shù)據(jù)相較于組7 空白對照樣品，基本持平，說明添加粒徑范圍在100～150 μm 的改性活性炭顆粒后，聚氨酯泡沫材料的抗撕裂性能沒有明顯的下降。組1、組2、組4 的撕裂強(qiáng)度卻因為添加了微米級活性炭而有所降低。而添加了納米級活性炭的組5、組6 的撕裂強(qiáng)度下降較多。進(jìn)一步說明了團(tuán)聚后的納米及活性炭的團(tuán)聚會造成聚氨酯泡沫的抗撕裂性能下降。

圖5 撕裂強(qiáng)度折線圖

5 結(jié)束語

立足于工業(yè)化規(guī)?；瘲l件下制造汽車座椅用聚氨酯泡沫材料，發(fā)現(xiàn)汽車內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)量差的最大貢獻(xiàn)者為座椅聚氨酯泡沫，為了盡量減少汽車企業(yè)改善車內(nèi)異味的成本支出，在泡沫交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生之前，將微小粒徑的活性炭加入反應(yīng)體系中，待反應(yīng)完成后，均勻分布于聚氨酯泡沫體系中的活性炭顆粒就能長效持久地吸收泡沫內(nèi)的小分子異味物質(zhì)，起到改善車內(nèi)空氣質(zhì)量的作用。

研究表明活性炭顆粒的粒徑選擇是本研究的最重要組成部分。納米材料雖然具有巨大的尺寸優(yōu)勢，但是在現(xiàn)有工業(yè)條件下應(yīng)用還不太實際，且納米材料如果應(yīng)用在民用產(chǎn)品上，成本將是一個巨大的障礙。而微米級活性炭，特別是粒徑范圍在100～150 μm 的活性炭顆粒既具有很好的分散性，能保持材料的力學(xué)強(qiáng)度不下降，又能起到良好地吸收車內(nèi)異味物質(zhì)的作用。