汽車非均質(zhì)材料座椅VOC散發(fā)特性研究

洪麗 許明春 胡雋雋 姚其海

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

隨著消費(fèi)者對(duì)健康座艙要求的不斷提高，以及國(guó)家法規(guī)對(duì)于乘用車車內(nèi)空氣質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格，座艙內(nèi)部空氣質(zhì)量的高低已經(jīng)成為汽車行業(yè)重要的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。內(nèi)飾零部件一直是座艙內(nèi)部空氣污染的重要來源[1]。包括座椅在內(nèi)的很多的內(nèi)飾零部件總成系統(tǒng)都屬于非均質(zhì)材料（構(gòu)成組分類別眾多、制造工藝和材料選型多樣及工藝種類繁多）。非均質(zhì)材料的揮發(fā)性有機(jī)物散發(fā)并不是各種單一材料散發(fā)的簡(jiǎn)單疊加，而是受到包覆、遮蔽和吸附的共同影響，單獨(dú)材料的散發(fā)規(guī)律并不適用，受到多重因素的影響。本文以座椅系統(tǒng)為研究目標(biāo)，從零部件總成、子級(jí)件、材料選擇3個(gè)維度對(duì)座椅零部件VOC性能控制和改善提升進(jìn)行分析和闡述，精準(zhǔn)探究不同材料、工藝與總成零部件VOC性能散發(fā)之間的聯(lián)系，達(dá)到從源頭上進(jìn)行VOC性能設(shè)計(jì)和控制的目的。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

某車型座椅總成（前排主副駕）：座椅主面料、輔面料、座椅發(fā)泡及座椅護(hù)板等，所有零件及原材料均為下線14天內(nèi)產(chǎn)品，以PE膜、鋁箔紙包裝完好。

1.2 主要儀器

熱脫附：Markers TD-100。

氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）：Agilent 7890B/5977A。

1260高效液相色譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 座椅總成的VOC性能表現(xiàn)

座椅系統(tǒng)作為典型的非均質(zhì)材料系統(tǒng)，通常包括多種材料及工藝類型，其VOC檢測(cè)結(jié)果分析對(duì)于非均質(zhì)內(nèi)飾零部件的散發(fā)特性研究具有代表性的意義。如表1所示，通過對(duì)多套座椅系統(tǒng)中的VOC測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，甲苯、二甲苯、甲醛和乙醛是風(fēng)險(xiǎn)高的苯系物和醛系物，在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

表1 不同車型前排座椅VOC性能對(duì)比

2.2 座椅系統(tǒng)主要材料對(duì)其總成VOC性能的貢獻(xiàn)

座椅總成中包括了大部分的內(nèi)飾工藝，包括有PU發(fā)泡、硬塑成型等，其中對(duì)VOC性能有貢獻(xiàn)的材料主要包含有主面料、輔面料、泡沫材料及座椅護(hù)板[2]。分別利用袋子法（100 L）測(cè)試上述各類材料的有機(jī)揮發(fā)物散發(fā)值，可以發(fā)現(xiàn)甲苯、二甲苯、甲醛和乙醛4類主要VOC散發(fā)物。其中苯系物貢獻(xiàn)最大的為座椅護(hù)板（PP），醛系物貢獻(xiàn)最大的是皮革和海綿發(fā)泡，如表2所示。

表2 座椅材料VOC性能對(duì)比

針對(duì)不同材料的有機(jī)散發(fā)來源和管控手段分述如下：

2.2.1 PP類材料

6種不同PP塑料粒子樣本VOC性能對(duì)比如圖1所示。高壓條件下及注塑加工過程中的剪切力作用會(huì)誘導(dǎo)高分子出現(xiàn)斷鏈、降解等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生揮發(fā)小分子。目前的PP材料大部分以共混物的形式存在，為了獲得綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在共混物的生產(chǎn)過程中需要加入各種助劑或者改性劑，例如增韌劑、增塑劑、抗靜電劑、光穩(wěn)定劑以及阻燃劑等。在使用過程中各種小分子添加劑容易產(chǎn)生滲出現(xiàn)象，從而誘導(dǎo)VOC或異味氣體產(chǎn)生。高分子合成過程中可能會(huì)存在殘留的單體、溶劑以及催化劑等，這些物質(zhì)在原材料后續(xù)加工或者使用過程中容易出現(xiàn)滲出現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致VOC含量的提高。

圖1 6種不同PP塑料粒子樣本VOC性能對(duì)比

針對(duì)上述PP材料VOC散發(fā)來源，其管控和提升措施主要有以下幾點(diǎn)[3]：1）控制成型溫度（≤220℃范圍內(nèi)盡可能低溫注射）；2）配方添加除醛劑；3）選用高溫穩(wěn)定性基材等方式進(jìn)行改善。

2.2.2 海綿發(fā)泡

5種不同海綿發(fā)泡樣本VOC性能對(duì)比如圖2所示。聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)生醛類的機(jī)理：生產(chǎn)原料中的基礎(chǔ)聚醚、接枝聚醚中本身都含在有醛類化合物；生產(chǎn)原料中的基礎(chǔ)聚醚在熔融加工過程中解聚為醛類小分子，成品發(fā)泡件在熱和氧的作用下易發(fā)生產(chǎn)生醛類的降解反應(yīng)，催化劑和其他添加劑也會(huì)釋放醛類物質(zhì)；發(fā)泡反應(yīng)過程中的副反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生醛類物質(zhì)。

圖2 5種不同海綿發(fā)泡樣本VOC性能對(duì)比

控制措施：采用水性聚氨酯，減少聚氨酯固化過程中有機(jī)物揮發(fā)；優(yōu)選抗氧化劑、穩(wěn)定劑、催化劑和添加劑，避免在發(fā)泡反應(yīng)過程中過多產(chǎn)生醛類物質(zhì)；改變合成工藝，調(diào)節(jié)混合反應(yīng)溫度、模具溫度，控制注料時(shí)間和泵流速比例，調(diào)整注射高度及注射頭和模具的水平位置，優(yōu)化固化溫度及時(shí)間，盡可能減少在發(fā)泡過程中原材料的降解和聚氨酯受熱，光和氧的作用下降解產(chǎn)生醛類小分子的比例。增加后處理環(huán)節(jié)，延長(zhǎng)熟化時(shí)間，便于氣味散發(fā)，增加烘烤設(shè)備，提高醛類小分子化合物散發(fā)速率；改用綠色環(huán)保溶劑等避免有機(jī)溶劑的殘留和散發(fā)；生產(chǎn)過程中使用在實(shí)踐中證明有效的甲醛清除劑；在加工過程中，應(yīng)使用綠色環(huán)保替代產(chǎn)品；在操作工藝后期，避免引入二次污染源。

2.2.3 真皮皮革

4種不同真皮樣本VOC性能對(duì)比如圖3所示。皮革制造中的醛類和苯系物主要產(chǎn)生于鞣制和復(fù)鞣過程中。材料本身或者吸附有揮發(fā)性小分子；涂層中揮發(fā)性小分子化合物散發(fā)；各類助劑和溶劑揮發(fā)；表面處理劑及其受熱后揮發(fā)；顏料、色漿揮發(fā)；高溫中引發(fā)的產(chǎn)品降解揮發(fā)。

圖3 4種不同真皮樣本VOC性能對(duì)比

控制措施：嚴(yán)格管控原料氣味性，使用低散發(fā)的助劑；使用低揮發(fā)的水性表處劑；使用更加環(huán)保的顏料、色漿；增大排風(fēng)通氣效率、延長(zhǎng)成品放置時(shí)間，利于揮發(fā)性小分子化合物釋放；增加烘箱烘烤工序流程，快速烘除氣味以及增加VOC揮發(fā)；生產(chǎn)運(yùn)輸過程中防止污染；成品儲(chǔ)存時(shí)防止其他材料交叉污染，加抽排風(fēng)設(shè)備也有助于減少有機(jī)物揮發(fā)。

2.2.4 PVC革

5種不同PVC革樣本VOC性能對(duì)比如圖4所示。PVC革的有機(jī)物散發(fā)來源如下：原料本身的有機(jī)化合物散發(fā)；PVC層中加入的大量增塑劑（小分子醇類化合物和這些小分子醇類主要來自增塑劑）；高溫引發(fā)的助劑降解；油性表面處理劑的散發(fā)。

圖4 5種不同PVC革樣本VOC性能對(duì)比

管控措施：嚴(yán)格管控原料VOC性能，增加醛類捕捉劑；改進(jìn)配方中的增塑劑種類；使用抗氧化劑減少分解反應(yīng)；嚴(yán)格控制溫度；盡量專線生產(chǎn)、避免交叉污染；加大排風(fēng)系統(tǒng)效率；延長(zhǎng)成品放置時(shí)間；增加烘箱除味流程；生產(chǎn)運(yùn)輸過程中防止污染；儲(chǔ)存時(shí)防止其他材料交叉污染。

3 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果來看，座椅零部件總成的VOC散發(fā)并不是其中各主要VOC散發(fā)貢獻(xiàn)材料的VOC的簡(jiǎn)單加合，這主要是由于非均質(zhì)包覆類零部件總成中，零部件層層包覆產(chǎn)生的結(jié)果是遮蔽和包覆效應(yīng)對(duì)內(nèi)飾零部件的散發(fā)起到一定的阻礙作用，尤其受到環(huán)境的溫度、壓力和包覆材料的性質(zhì)（如孔徑率、孔徑大小等等）的影響。

本文主要分析座椅總成的揮發(fā)性有機(jī)物散發(fā)特性，并針對(duì)其中不同的材料和工藝提出各自的管控措施，在兼顧成本和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，降低零部件及整車的揮發(fā)性有機(jī)物散發(fā)，提升整車車內(nèi)空氣質(zhì)量，提升產(chǎn)品的客戶滿意度。