軌道車輛用聚氨酯膠綜合環(huán)保性能研究

孟 鶴，吳惠惠，魏瑞霞，常 虹，范駿波，王詠祥，郭艷華

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510656)

膠粘劑、涂料等膏狀輔料是重要的化工材料，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，其中聚氨酯膠粘劑以其優(yōu)良的粘接、耐沖擊、耐低溫、剝離強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、施工簡單等性能，廣泛用于軌道車輛制造過程。然而，其產(chǎn)品成分往往較為復(fù)雜，施工過程中會釋放大量的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)，這會影響車內(nèi)或周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量。

目前，軌道交通行業(yè)針對膠粘劑的環(huán)保管控主要是VOC，無論是新修訂的TB/T 3139─2021《機(jī)車車輛非金屬材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》,還是各主機(jī)廠制定的環(huán)保管控標(biāo)準(zhǔn)，均未引入氣味管控，這主要是由于尚未頒布相應(yīng)的國家或行業(yè)氣味標(biāo)準(zhǔn)。但是，單純的從VOC維度評判膠粘劑的環(huán)保性能顯然有些片面，從多維度進(jìn)行考核較全面。

為此，本文選取軌道車輛常用的4種溶劑型聚氨酯膠粘劑為研究對象，從VOC、氣味和釋放率3個方面建立了聚氨酯膠粘劑綜合環(huán)保性能評價方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

甲醇(純度為99.9%，北京百靈威科技有限公司)；苯、甲苯、乙苯、二甲苯和苯乙烯、正己烷和正十六烷(純度均為99.5%的標(biāo)準(zhǔn)品，美國ChemService公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器

電子分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫公司)，熱解析脫附系統(tǒng)(美國安捷倫公司)，全自動標(biāo)樣制備器(廣州市萊創(chuàng)科技應(yīng)用發(fā)展有限公司)，恒溫恒濕箱(東莞市升微機(jī)電設(shè)備科技有限公司)，氣體流量校準(zhǔn)計(jì)(美國BIOS公司)，恒流氣體采樣泵(美國Gilian公司)。

1.3 試樣制備

4種聚氨酯膠粘劑分別命名為A、B、C和D，取5 g均勻涂抹在10 cm×10 cm的鋁箔上形成膠膜，室溫平衡4 h后，作為初始試樣，與之后放置1、3、7和14 d后的樣品進(jìn)行相同的袋式法VOC測試。

1.4 試驗(yàn)方法

將各聚氨酯膠樣品放入10 L聚氟乙烯采樣袋中，充入純度為99.999%的5 L高純氮?dú)?，在溫?5 ℃條件下平衡16 h后用Tenax-TA管進(jìn)行采集；采集流速為200 mL/min，共采集1 L氣體，之后利用熱解析-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行VOCs全譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯膠初始試樣VOC分析

4種聚氨酯膠粘劑初始試樣中的TVOC含量及其主要釋放物質(zhì)列于表1。

表1 各聚氨酯膠樣品中的主要釋放物質(zhì)

由表1可知，4種聚氨酯膠TVOC性能排序依次為膠粘劑C、A、B、D，且膠粘劑D的TVOC含量是前三者的3～4倍。同時，各膠粘劑中主要釋放物質(zhì)有所不同，其中膠粘劑A中主要是二甲苯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)83%)，膠粘劑B和C中占比最高的均是甲苯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為63%和75%)，而膠粘劑D中主要以氯代物、硅氧烷和丙醛為主(占比之和為81%)。

2.2 聚氨酯膠初始試樣氣味分析

氣味活度值(Odor Activity Value，OAV)是氣味物質(zhì)的濃度與其嗅閾值濃度的比值?；旌蠚怏w中，若某物質(zhì)的氣味活度值越高，表明其對氣味的貢獻(xiàn)度越大，即OAV反映了單一氣味物質(zhì)對混合氣味的貢獻(xiàn)程度。計(jì)算時，忽略O(shè)AV小于1的物質(zhì)，將OAV不小于1的物質(zhì)作為樣件或車內(nèi)的重點(diǎn)氣味物質(zhì)。而氣味活度總值(Sum of the Odor Activity Value，SOAV)是混合氣體中所有重點(diǎn)氣味物質(zhì)的OAV之和，它能準(zhǔn)確地評價某樣件或車內(nèi)整體氣味情況，值越大，表明整體氣味性也就越強(qiáng)。表2列出了4種聚氨酯膠粘劑初始試樣中的重點(diǎn)氣味物質(zhì)及相應(yīng)的SOAV。

表2 各聚氨酯膠樣品中的重點(diǎn)氣味物質(zhì)

由表2可知，4種聚氨酯膠中SOAV大小排序依次為膠粘劑D、C、B、A，即膠粘劑A的氣味最優(yōu)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他3種膠粘劑(約是前三者的1/108～1/35)。同時，除膠粘劑A外，其他3種膠粘劑中的重點(diǎn)氣味物質(zhì)均與其VOC中的主要釋放物質(zhì)差異明顯，但占比最高的氣味物質(zhì)均是醛類(約占SOAV的99%)，其中膠粘劑B中主要是正庚醛和正己醛(二者OVA之比為1.3)；膠粘劑C中是正己醛；膠粘劑D中主要以丙醛、戊醛和壬醛為主，丙醛的OAV占SOAV的89%。

2.3 聚氨酯膠樣品TVOC和氣味隨時間變化規(guī)律

將4種聚氨酯膠放置1、3、7和14 d后的樣品也進(jìn)行相同的袋式法測試，其TVOC釋放量和SOAV隨時間的變化擬合曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著放置時間的延長，4種聚氨酯膠樣品中的TVOC釋放量和SOAV均不斷降低，且前3 d變化最為明顯，3～7 d降幅逐漸減緩，之后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，放置3 d后，聚氨酯膠A、B、C和D的TVOC降幅分別為84%、71%、66%和76%，其SOAV降幅分別為88%、71%、66%和77%；而放置7 d后，聚氨酯膠A、B、C和D的TVOC降幅分別為96%、80%、77%和88%，其SOAV降幅分別為98%、83%、79%和87%。很明顯，放置7 d后各膠粘劑中的絕大多數(shù)VOC已經(jīng)釋放，且膠粘劑A中VOC短期內(nèi)釋放率最快。

圖1 各聚氨酯膠樣品中TVOC和SOAV隨放置時間的變化曲線

2.4 綜合環(huán)保性能評估

對于聚氨酯膠粘劑的環(huán)保性能評價，不能只依靠單純的一個評判指標(biāo)，而應(yīng)該綜合考慮對車內(nèi)空氣、司乘和施工人員生命健康以及整個使用周期中對環(huán)境的影響。因此，低VOC、低氣味和高釋放率的聚氨酯膠產(chǎn)品是現(xiàn)階段相對最環(huán)保的產(chǎn)品?；谶@一綜合環(huán)保性能評價方法，膠粘劑A是4種聚氨酯膠中環(huán)保性能最優(yōu)的一款產(chǎn)品。

3 結(jié)語

本文選取軌道車輛常用的4種溶劑型聚氨酯膠粘劑為研究對象，利用袋式法、氣味活度值進(jìn)行聚氨酯膠粘劑綜合環(huán)保性能研究，結(jié)果表明：4種聚氨酯膠初始試樣TVOC性能排序依次為膠粘劑C、A、B、D，其中膠粘劑C與A的TVOC釋放率較為接近；而SOAV大小排序依次為膠粘劑D、C、B、A，其中前三者的SOAV是膠粘劑A的35～108倍；同時，隨放置時間的延長，4種聚氨酯膠樣品中的TVOC釋放量和SOAV均不斷降低，其中7 d后各膠粘劑中的絕大多數(shù)VOC已經(jīng)釋放，且膠粘劑A中VOC釋放率最快。因此，低VOC、低氣味和高釋放率的膠粘劑A是4種聚氨酯膠中環(huán)保性能最優(yōu)的一款產(chǎn)品，這為聚氨酯膠產(chǎn)品環(huán)保指標(biāo)的綜合評價提供了重要依據(jù)。