整車VOC揮發(fā)特性研究

張志洪，許加升，官小芬，步玉磊，黃文捷

（廣汽本田汽車有限公司，廣州 510700）

引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車保有量逐年增加，駕駛者和乘客每天乘坐在車內(nèi)的時(shí)間達(dá)到數(shù)十億小時(shí)，該數(shù)字預(yù)計(jì)還將以每年約7 %的速率快速增長(zhǎng)[1]。在這樣的大背景下，以揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）為主要成分的車內(nèi)空氣污染成為了影響人們身體健康的重要問(wèn)題，并受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2-4]。2013年在北京召開(kāi)的第九屆環(huán)境與發(fā)展論壇首屆車內(nèi)空氣質(zhì)量與發(fā)展國(guó)際峰會(huì)上，指出車內(nèi)空氣污染問(wèn)題成為繼中國(guó)裝飾裝修和家具污染、室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5污染之后第三大危害人們身體健康的室內(nèi)環(huán)境污染問(wèn)題之一。世界衛(wèi)生組織WHO也將VOC列為影響現(xiàn)代人體健康的十大威脅之一，當(dāng)車內(nèi)VOC達(dá)到一定濃度，就會(huì)使人們感到頭痛、惡心、嘔吐、乏力等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)抽搐、昏迷，并會(huì)傷害到人的肝臟、腎臟、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，造成記憶力減退、引發(fā)嬰兒畸形、白血病等嚴(yán)重后果[5-7]。

隨著車內(nèi)空氣質(zhì)量投訴事件的增多以及媒體的頻頻曝光，我國(guó)政府逐漸加大對(duì)車內(nèi)VOC的管控力度。我國(guó)于2007年和2011年分別發(fā)布了HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法》[8]和GB/T 27630-2011《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》，規(guī)定了車內(nèi)揮發(fā)的甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等8種VOC物質(zhì)的限值要求[9]。在HJ/T 400-2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了車輛準(zhǔn)備階段時(shí)間不少于6小時(shí)，并沒(méi)有具體明確準(zhǔn)備階段時(shí)間，而且該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車輛在常溫的環(huán)境中，處于靜止的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，但往往消費(fèi)者抱怨的是夏季高溫狀態(tài)車內(nèi)VOC引發(fā)的異味問(wèn)題。在車輛的實(shí)際使用過(guò)程中，車內(nèi)VOC含量受到的影響因素較多[10-15]。

基于上述問(wèn)題，本文開(kāi)展了整車VOC的揮發(fā)特性研究，探討了常溫狀態(tài)下車輛準(zhǔn)備階段時(shí)間、封閉階段時(shí)間以及高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)車內(nèi)VOC含量的影響規(guī)律，為進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善提供有力的數(shù)據(jù)支持，為車企順利開(kāi)展車內(nèi)VOC項(xiàng)目提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)車輛

M1類中檔新車（車內(nèi)飾保持原出廠時(shí)的狀態(tài)，座椅內(nèi)飾為真皮，下線時(shí)間均為7天，行駛里程均小于10 km）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：整車VOC采樣艙（東莞市升微機(jī)電設(shè)備科技有限公司，型號(hào)VA-120）；高效液相色譜儀（美國(guó)Agilent公司，型號(hào)1260 Infinity II）；熱脫附氣質(zhì)聯(lián)用儀（美國(guó)PerkinElmer公司，型號(hào)Turbo Matrix ATD 400；美 國(guó)Agilent公 司，型 號(hào)6890N-5975i）；氣體采樣泵（日本GL Sciences公司，型號(hào)SP208-1000DualⅡ）；DNPH采樣管（日本GL Sciences公司，型號(hào)380-00863-02）；Tenax采樣管（美國(guó)PerkinElmer公司，型號(hào)N930-7012）。

實(shí)驗(yàn)試劑主要有：乙腈（上海安譜科學(xué)儀器有限公司，型號(hào)4.003306.4000，HPLC級(jí)純）；醛酮-DNPH混 標(biāo)（美 國(guó)Supelco公 司，型 號(hào)CRM47285，濃 度15μg/mL）；VOC混標(biāo)（環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，10 ug/mL，100 ug/mL，1 000 ug/mL）；高純水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 常溫狀態(tài)測(cè)試方法

把整車VOC采樣艙的溫度設(shè)置為25 ℃，相對(duì)濕度設(shè)置為50 %，艙內(nèi)各處風(fēng)速不超過(guò)0.3 m/s，啟動(dòng)整車VOC采樣艙。在采樣艙外把車內(nèi)飾件表面的覆蓋物去除，將試驗(yàn)車輛推進(jìn)采樣艙中，打開(kāi)車門、車窗及后尾箱門，靜止放置一定時(shí)間，此階段為準(zhǔn)備階段。采樣點(diǎn)布置在前排座椅頭枕連線的中點(diǎn)，高度與駕乘人員呼吸帶高度相一致，將聚四氟乙烯采樣導(dǎo)管從車門下邊縫伸出，然后關(guān)閉全部的車門、車窗及后尾箱門，進(jìn)入封閉階段。封閉一定時(shí)間后，對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行采樣，Tenax采樣管的采樣流速設(shè)為100 mL/min，DNPH采樣管的采樣流速設(shè)為400 mL/min，采樣時(shí)間設(shè)為30 min，并且記錄采樣時(shí)車內(nèi)外的溫度、濕度及環(huán)境氣壓。

1.3.2 高溫狀態(tài)測(cè)試方法

常溫階段（準(zhǔn)備通風(fēng)6 h，封閉16 h）采樣結(jié)束后，進(jìn)入高溫試驗(yàn)階段。啟動(dòng)采樣艙內(nèi)頂部的紅外照射加熱系統(tǒng)，模擬陽(yáng)光垂直照射試驗(yàn)車輛，車頂?shù)妮椪諒?qiáng)度為（400±50）W/m2，對(duì)車輛持續(xù)照射3.5 h后，對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行采樣，Tenax采樣管和DNPH采樣管的采樣流速和采樣時(shí)間與常溫階段相同。

1.3.3 空調(diào)狀態(tài)測(cè)試方法

在高溫狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)入空調(diào)狀態(tài)試驗(yàn)前，首先將采樣艙的排風(fēng)管連接到試驗(yàn)車輛的尾氣管上，啟動(dòng)采樣艙的尾氣抽排系統(tǒng)，把尾氣抽排到采樣艙外，避免采樣艙內(nèi)環(huán)境受到污染影響測(cè)試結(jié)果，同時(shí)保持紅外照射加熱系統(tǒng)處于開(kāi)啟狀態(tài)。試驗(yàn)人員在1 min內(nèi)快速完成打開(kāi)車門進(jìn)入車內(nèi)、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)（內(nèi)循環(huán)，23 ℃，風(fēng)量最大）、下車關(guān)閉車門等一系列動(dòng)作，然后對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行采樣，采樣方法與常溫階段相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 準(zhǔn)備階段時(shí)間對(duì)車內(nèi)VOC的影響

試驗(yàn)車輛在常溫狀態(tài)的整車采樣艙里，分別放置6 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h的準(zhǔn)備時(shí)間后，進(jìn)入封閉階段，封閉16 h后對(duì)車內(nèi)空氣VOC進(jìn)行采樣，使用液相色譜儀分析所采集樣品的醛醛類物質(zhì)，使用熱脫附氣質(zhì)聯(lián)用儀分析所采集樣品的苯系物，所得的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著準(zhǔn)備階段時(shí)間的增加，醛類物質(zhì)和苯系物的含量均呈下降的趨勢(shì)，當(dāng)準(zhǔn)備階段時(shí)間達(dá)到24 h或28 h，醛類物質(zhì)和苯系物的含量均達(dá)到最低值并趨于平衡；準(zhǔn)備階段時(shí)間從6 h增加到24 h，甲醛下降17 %、乙醛下降35 %、苯下降44 %、甲苯下降67 %、乙苯下降61 %、二甲苯下降54 %、苯乙烯下降57 %，苯系物的衰減率達(dá)到44 %以上，而醛類物質(zhì)的衰減率相對(duì)較低，主要是由于苯系物和醛類物質(zhì)釋放特性不同造成的，苯系物主要通過(guò)自由釋放散發(fā)，而醛類物質(zhì)一部分通過(guò)自由釋放散發(fā)，而另一部分通過(guò)阻隔性釋放和化學(xué)性釋放散發(fā)的，阻隔性釋放和化學(xué)性釋放的散發(fā)速率相對(duì)自由釋放較慢[16]，從而導(dǎo)致醛類物質(zhì)的衰減率相對(duì)苯系物較快。

圖1 準(zhǔn)備階段時(shí)間對(duì)醛類物質(zhì)和苯系物含量的影響

2.2 封閉階段時(shí)間對(duì)車內(nèi)VOC的影響

試驗(yàn)車輛在常溫狀態(tài)的整車采樣艙里，準(zhǔn)備階段放置6 h后，進(jìn)入封閉階段，分別封閉12 h、16 h、20 h、24 h、32 h后對(duì)車內(nèi)空氣VOC進(jìn)行采樣，所得的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)封閉階段時(shí)間增加時(shí)，各VOC物質(zhì)的含量隨著增加，隨著封閉時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，各物質(zhì)的增加速率變緩慢。封閉時(shí)間從6 h增加到32 h時(shí)，甲醛增加25 %、乙醛增加28 %、苯增加56 %、甲苯增加45 %、乙苯增加50 %、二甲苯增加33 %、苯乙烯增加39 %。封閉時(shí)間從24 h增加到32 h時(shí)，各物質(zhì)的增長(zhǎng)率在2~5 %之間。根據(jù)PoLanyi的多層吸附理論[17]，車內(nèi)VOC發(fā)生脫附時(shí)，各VOC物質(zhì)從內(nèi)飾件外層到內(nèi)層依次脫附，脫附難度隨著吸附層的增加而逐漸增加，從而導(dǎo)致內(nèi)層的吸附層相對(duì)難以脫附，因此車內(nèi)的VOC濃度隨著封閉時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，各物質(zhì)的增加速率變緩慢。

圖2 封閉階段時(shí)間對(duì)醛類物質(zhì)和苯系物含量的影響

2.3 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)車內(nèi)VOC的影響

對(duì)5輛試驗(yàn)車輛分別進(jìn)行了常溫狀態(tài)25 ℃、高溫狀態(tài)（輻照強(qiáng)度400±50 W/m2）及空調(diào)狀態(tài)的車內(nèi)VOC采樣，測(cè)試結(jié)果如圖3~9所示，圖中數(shù)據(jù)分別以高溫狀態(tài)和空調(diào)狀態(tài)的含量與常溫狀態(tài)的含量比值來(lái)繪圖。

從圖3~9可見(jiàn)，車內(nèi)醛類物質(zhì)在高溫和常溫狀態(tài)下的含量比值范圍為2.2~10.0，在空調(diào)和常溫狀態(tài)下的含量比值范圍為0.7~1.8；苯系物在高溫和常溫狀態(tài)下的含量比值范圍為2.0~6.8，在空調(diào)和常溫狀態(tài)下的含量比值范圍為0.7~1.6。車輛經(jīng)過(guò)照射3.5 h后，車內(nèi)高分子材料會(huì)隨著車內(nèi)溫度的升高出現(xiàn)降解或小分子的滲出現(xiàn)象，并且內(nèi)飾件中各類有機(jī)物的散發(fā)速率也會(huì)隨著車內(nèi)溫度的升高而加快，使得車內(nèi)VOC釋放量增大?？照{(diào)開(kāi)啟30 min后，空調(diào)的過(guò)濾作用使車內(nèi)VOC含量能快速降低至常溫狀態(tài)的相當(dāng)水平。

圖3 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)甲醛的影響

圖4 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)乙醛的影響

圖5 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)苯的影響

圖6 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)甲苯的影響

圖7 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)乙苯的影響

圖8 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)二甲苯的影響

圖9 高溫和空調(diào)狀態(tài)對(duì)苯乙烯的影響

3 結(jié)論

1）隨著準(zhǔn)備階段時(shí)間的增加，車內(nèi)各VOC物質(zhì)的含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)準(zhǔn)備階段時(shí)間達(dá)到24 h或28 h，各VOC物質(zhì)的含量均達(dá)到最低值并趨于平衡。準(zhǔn)備階段時(shí)間從6 h增加到24 h，醛類物質(zhì)的衰減率為17~35 %，苯系物的衰減率達(dá)到44 %以上。

2）隨著封閉階段時(shí)間的增加，各VOC物質(zhì)的含量隨著增加，隨著封閉時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，各物質(zhì)的含量增加變緩慢。封閉時(shí)間從6 h增加到32 h時(shí)，甲醛增加25 %、乙醛增加28 %、苯系物增加33 %以上。

3）車輛在長(zhǎng)時(shí)間靜止放置并經(jīng)暴曬后，車內(nèi)VOC含量顯著增加，增加倍數(shù)為2.0~10.0之間，但開(kāi)啟空調(diào)后，車內(nèi)VOC能快速恢復(fù)到常溫水平。因此在日常使用汽車時(shí)，特別是長(zhǎng)時(shí)間不用和經(jīng)過(guò)日曬后，可以通過(guò)適當(dāng)開(kāi)門通風(fēng)或開(kāi)啟空調(diào)換氣后再進(jìn)入車內(nèi)使用。