火焰復(fù)合海綿苦杏仁味來(lái)源分析及改善方案

付鑫,陳浩然，李海青，任明輝，郭秋彥

吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315000

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展與人們不斷發(fā)展提高的審美觀念，汽車(chē)內(nèi)飾的制作與設(shè)計(jì)不斷趨于色彩豐富，造型華美，并兼具奢華、舒適與高級(jí)感，而車(chē)用面料在內(nèi)飾設(shè)計(jì)變化上占有舉足輕重的作用。車(chē)用面料主要應(yīng)用于座椅面料、頂棚面料、門(mén)板裝飾板，立柱等部位。而其中座椅面料與頂棚面料使用面積最大，且因追求柔軟的觸感，面料多配合海綿使用，當(dāng)前車(chē)企多使用火焰復(fù)合獲得柔軟、富有彈性、透氣的面料，并且火焰復(fù)合工藝成熟、成本低。但是火焰復(fù)合使得聚氨酯燃燒、降解產(chǎn)生很多有毒有害物質(zhì)，從環(huán)保角度講是十分不利的。為此，文中針對(duì)座椅火焰復(fù)合面料常出現(xiàn)的苦杏仁，分析聚醚海綿燃燒和降解產(chǎn)物，探索苦杏仁味來(lái)源以及優(yōu)化復(fù)合面料氣味的方式，對(duì)于提升車(chē)內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 海綿火焰復(fù)合原理

火焰復(fù)合主要是把聚氨酯海綿材料通過(guò)燒蝕海綿，使海綿呈熔融狀態(tài)和織物一層或者多層疊加在一起，從而得到平挺的復(fù)合材料。聚醚型軟質(zhì)泡沫的著火點(diǎn)為415 ℃，火焰復(fù)合燃燒過(guò)程中溫度可達(dá)800～1 000 ℃，在該高溫下，使聚氨酯發(fā)生劇烈燃燒與分解。

2 汽車(chē)座椅面套氣味問(wèn)題與溯源

2.1 主觀氣味評(píng)價(jià)分析

由于座椅面套要求表面平整，不出現(xiàn)褶皺，一般前排座椅面套進(jìn)行懸掛存放運(yùn)輸，后排座椅有序堆疊平放，且考慮存放與運(yùn)輸成本，每個(gè)掛架或堆疊格都放置比較多的面套，面套之間無(wú)空氣流通，導(dǎo)致面料本身的氣味得不到有效揮發(fā)，而是富集在面套中。以聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)火焰復(fù)合聚醚海綿為探索對(duì)象，用火焰復(fù)合后做成的成品面套常常可以明顯識(shí)別出刺激性苦杏仁味，且氣味濃度較大，個(gè)別復(fù)合產(chǎn)品會(huì)有焦煳味，單獨(dú)PVC面料或單獨(dú)聚醚海綿沒(méi)有苦杏仁與焦煳味氣味類(lèi)型。故初步判定苦杏仁味與焦糊味為聚醚海綿燒蝕后產(chǎn)生。

2.2 火焰復(fù)合面料苦杏仁氣味溯源分析

采用10 L袋子法對(duì)復(fù)合前的聚醚海綿和復(fù)合后的海綿按照尺寸為10 cm×10 cm，厚度保持不變，進(jìn)行取樣全譜分析，來(lái)確認(rèn)苦杏仁味物質(zhì)。

(1)試驗(yàn)條件

Tedlar采樣袋，室溫(25±2)℃，袋子中準(zhǔn)確充入袋子體積50%的氮?dú)?純度不小于99.99%)，放置于已達(dá)到60 ℃的零部件揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds,VOC)環(huán)境艙中培養(yǎng)2 h，使用Tenax管采集袋中1 L氣體，通過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行分析。

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

火焰復(fù)合后含量TOP3物質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 火焰復(fù)合后含量TOP3物質(zhì)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)比火焰復(fù)合后的面料和單海綿的全譜物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，含量TOP1的物質(zhì)相同，揮發(fā)量也幾乎一致，但是火焰復(fù)合后的面料TOP3物質(zhì)比單海綿多出了兩種物質(zhì)，分別為苯甲腈與N-乙基-2-吡咯烷酮，其中苯甲腈表現(xiàn)苦杏仁氣味，N-乙基-2-吡咯烷酮表現(xiàn)為焦香味，這兩種物質(zhì)的氣味類(lèi)型符合成品面套所呈現(xiàn)出的氣味類(lèi)型。

苯甲腈的物理特征：無(wú)色油狀液體，有杏仁的氣味;微溶于冷水，溶于熱水，易溶于乙醇、乙醚;有一定的毒性。

3 苯甲腈來(lái)源探究

通過(guò)實(shí)物嗅辨與全譜分析可以得出結(jié)論為：?jiǎn)魏＞d中不含有苯甲腈，火焰復(fù)合后，海綿經(jīng)過(guò)燃燒、降解產(chǎn)生了具有苦杏仁氣味的苯甲腈。

通過(guò)查找有關(guān)文獻(xiàn)獲悉：聚氨酯一般在150～300 ℃時(shí)開(kāi)始熱解，其產(chǎn)物一般是一氧化碳和氫氰酸。在缺氧的情況下，800 ℃下裂解還會(huì)產(chǎn)生二氨基甲苯、乙腈、丙烯腈、吡啶和苯甲腈等有毒氣體。其中對(duì)人體有害的物質(zhì)主要為一氧化碳和氫氰酸，氫氰酸中毒分為刺激期、呼吸障礙期、痙攣期和麻痹期。在刺激期會(huì)感到苦杏仁味及眼鼻喉和呼吸道刺激癥狀。而火焰復(fù)合的溫度符合聚氨酯熱解與裂解條件，全譜分析對(duì)比產(chǎn)物也證明了吡啶和苯甲腈這兩種有害物質(zhì)的存在，從該文獻(xiàn)中亦可獲得另一種苦杏仁氣味物質(zhì)——?dú)淝杷?，該物質(zhì)為劇毒無(wú)機(jī)強(qiáng)酸，且不能被Tenax管所吸附，故無(wú)法通過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用儀來(lái)分析出，所以并不能排除火焰復(fù)合后的海綿中不含有氫氰酸。

由于聚酯海綿生成反應(yīng)與燃燒反應(yīng)均為復(fù)雜快速反應(yīng)過(guò)程，海綿本身為復(fù)雜混合物，故其燃燒分解機(jī)制尚難全部被破譯，通過(guò)當(dāng)下獲得的燃燒分解產(chǎn)物苯甲腈、N-乙基-2-吡咯烷酮、氫氰酸，結(jié)合文獻(xiàn)[3]所提出的聚醚型聚氨酯熱解途徑如圖1所示。

圖1 聚醚型泡沫在200～1 000 ℃下生成的分解產(chǎn)物

其中，在低溫環(huán)境下，聚氨酯會(huì)分解為其單體，即二異氰酸酯和多元醇。二異氰酸酯為苯甲腈及其相似產(chǎn)物的唯一來(lái)源。常用聚氨酯的二異氰酸酯單體有如下兩種，分別為是甲苯二異氰酸酯(TDI，分為2,4位和2,6位兩種異構(gòu)體)和二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，如圖2所示。

圖2 常見(jiàn)的聚氨酯海綿單體

異氰酸酯在高溫下和氧化、灼燒產(chǎn)生的水蒸氣反應(yīng)，可以生成胺類(lèi)物質(zhì)，并釋放二氧化碳。胺類(lèi)物質(zhì)被進(jìn)一步氧化，形成腈基。反應(yīng)的基本化學(xué)方程如圖3所示?？梢酝茢喑?，經(jīng)歷一系列氧化反應(yīng)后，無(wú)論是TDI還是MDI型的聚氨酯海綿，都會(huì)生成苯甲腈或其相似結(jié)構(gòu)的芳香族腈化物。

圖3 異氰酸酯氧化反應(yīng)下生成腈基的化學(xué)過(guò)程

4 優(yōu)化汽車(chē)座椅面套氣味方式

(1)對(duì)于針織面料火焰復(fù)合產(chǎn)品的后處理方式

由于苯甲腈溶于熱水，氫氰酸易溶于水，故對(duì)火焰復(fù)合的針織面料如頂棚針織復(fù)合面料可采用溫?zé)崃鲃?dòng)水浸濕面料，后進(jìn)入熱烘箱后熱風(fēng)吹掃烘烤，進(jìn)一步促進(jìn)可揮發(fā)性有機(jī)物散發(fā)，從而提升面料的氣味與VOC性能。

(2)對(duì)于PVC面料火焰復(fù)合產(chǎn)品的后處理方式

由于PVC浸水+烘烤會(huì)加速材料的老化降解，故對(duì)于PVC復(fù)合面料，推薦熱水蒸氣少量浸潤(rùn)復(fù)合面料后再進(jìn)入烘箱進(jìn)行烘烤，該方法處理的產(chǎn)品氣味提升至少為0.5個(gè)等級(jí)。

(3)使用水性膠或熱熔膠取代火焰復(fù)合，水性膠與熱熔膠相對(duì)火焰燃燒聚氨酯海綿更加環(huán)保，但也有一定的局限性，對(duì)于設(shè)備要求、膠水要求均較高，成本亦是需要考慮的因素。

水性膠復(fù)合面料產(chǎn)品手感好、設(shè)備投入小，但是設(shè)備占地較大、能耗較高，其成品在潤(rùn)濕性、滲透性、黏接強(qiáng)度上還是存在一定的不足的。

熱熔膠目前可用于汽車(chē)面料的可選品牌和種類(lèi)較少，故成本受到一定的制約，同時(shí)熱熔膠產(chǎn)品對(duì)于需要二次熱加工的產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生一定的變形風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)使用火焰復(fù)合的座椅面套產(chǎn)生苦杏仁味的原因進(jìn)行全譜分析發(fā)現(xiàn)燃燒后的海綿有苯甲腈，該物質(zhì)氣味為苦杏仁味。結(jié)合火焰復(fù)合海綿燃燒溫度800～1 000 ℃的高溫，聚氨酯分解為氫氰酸，因無(wú)法被Tenax管吸附故無(wú)法被檢出，不能排除苦杏仁物質(zhì)中包含有氫氰酸。未來(lái)整車(chē)趨于綠色環(huán)保方向發(fā)展，更推薦水性膠或熱熔膠復(fù)合方式替代火焰燃燒海綿復(fù)合面料的方式。