汽車(chē)塑料零部件VOC 的產(chǎn)生原因分析及解決措施

邱志文

（517000 廣東省 河源市 河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

在汽車(chē)領(lǐng)域，塑料替代傳統(tǒng)的金屬材料已成為當(dāng)下的發(fā)展趨勢(shì)，強(qiáng)度高的工程塑料可減少零部件生產(chǎn)加工及后期維修更換的費(fèi)用，還使汽車(chē)變得更輕便、更環(huán)保、更節(jié)能。

塑料汽車(chē)零部件的廣泛使用，給人類(lèi)帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)相應(yīng)的困擾。塑料汽車(chē)零部件的成型過(guò)程中，不可避免地引入部分金屬催化劑或揮發(fā)性助劑，但在使用過(guò)程中，這些物質(zhì)的揮發(fā)使汽車(chē)的乘坐空間有刺鼻的氣味，當(dāng)深度變高時(shí)，會(huì)使駕乘人員有不適感[1]。

1 汽車(chē)零部件用的主要塑料

研究表明，汽車(chē)輕量化的材料中，塑料及其復(fù)合材料是最關(guān)鍵、最重要的。與金屬材質(zhì)的零部件相比，它們可減輕質(zhì)量和生產(chǎn)成本約40%。塑料及其復(fù)合材料在汽車(chē)制造中的使用數(shù)量快速增加，扮演著汽車(chē)輕量化進(jìn)程中不可或缺的“主角”。

目前，汽車(chē)塑料零部件的生產(chǎn)中，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和ABS 樹(shù)脂是用量最多的通用塑料。它們?cè)谄?chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用如表1 所示。

表1 部分汽車(chē)中工程塑料零部件的應(yīng)用情況Tab.1 Application of engineering plastic parts in some automobiles

（續(xù)表）

塑料零部件在汽車(chē)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以大幅度降低汽車(chē)制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了汽車(chē)輕量化的發(fā)展。此外，部分特殊的高分子材料，比如具有記憶、自我修復(fù)的塑料，可讓汽車(chē)零部件具有相應(yīng)的特殊功能，提高了駕乘人員的舒適體驗(yàn)，提升了汽車(chē)的科技感，讓汽車(chē)更富吸引力與競(jìng)爭(zhēng)力。但塑料在汽車(chē)零部件制造中的廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)明顯的同時(shí)，也逐漸暴露出它的不足，其中最大的不足就是汽車(chē)塑料零部件在使用的過(guò)程中會(huì)釋放出VOC，揮發(fā)性有機(jī)化合物的濃度低則車(chē)內(nèi)汽味刺鼻，濃度高則對(duì)駕乘人員的身體健康造成巨大的甚至是無(wú)法治愈的損害。

2 汽車(chē)塑料零部件VOC 的來(lái)源及危害

2.1 VOC 概述

VOC（Volatile Organic Compounds）指內(nèi)飾部件的揮發(fā)性有機(jī)化合物，是影響車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量的主要原因之一[2]。

普通意義上的VOC 就是指揮發(fā)性有機(jī)物，但是環(huán)保意義上的定義是指活潑的一類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)物，即會(huì)產(chǎn)生危害的那一類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)物。美國(guó)ASTM D3960-98 標(biāo)準(zhǔn)將VOC 定義為任何能參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物。美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署（EPA）的定義：揮發(fā)性有機(jī)化合物是除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物。世界衛(wèi)生組織（WHO，1989）對(duì)總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）的定義為，熔點(diǎn)低于室溫而沸點(diǎn)在50～260 ℃之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱(chēng)[3]。

巴斯夫公司則根據(jù)沸點(diǎn)來(lái)判斷，這是最簡(jiǎn)單也是最常用的方法，如這些化學(xué)物質(zhì)的沸點(diǎn)等于或低于250 ℃，就判定為VOC。

2.2 VOC 的來(lái)源

塑料制品在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)需求加入具體揮發(fā)性的助劑、金屬催化劑，在使用的過(guò)程中，這些助劑和催化劑會(huì)慢慢地?fù)]發(fā)出來(lái)。在汽車(chē)塑料零部件的制造過(guò)程中，產(chǎn)生的三大類(lèi)廢棄物分別是氣體、液體和固體。其中，由有機(jī)揮發(fā)性氣體（VOC）和無(wú)機(jī)揮發(fā)氣體構(gòu)成的氣體廢棄物，來(lái)源渠道廣、處理難度大，危害也較大。VOC 的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：

（1）汽車(chē)塑料零部件的注塑過(guò)程。在汽車(chē)塑料零部件的制造過(guò)程中，樹(shù)脂原材料及改性所需的各種添加劑，均有產(chǎn)生VOC 的可能。比如：在PVC 制品的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)有部分的水份和低分子有機(jī)物質(zhì)無(wú)法排出，當(dāng)溫度高于其沸點(diǎn)后，會(huì)從制品中揮發(fā)出味道較重的氣體，PVC 分解所得的HCl 也會(huì)有酸味，如夾雜著部分助劑揮發(fā)物，味道會(huì)變得更特殊、更難聞；POM 雖然在一般條件下是耐高溫的、不會(huì)分解的，但當(dāng)溫度達(dá)到230 ℃左右就會(huì)開(kāi)始分解成主要成分為甲醛的有機(jī)物氣體。

（2）汽車(chē)塑料零部件的印刷油墨。含有機(jī)溶劑較低的水性油墨在干燥過(guò)程中產(chǎn)生的VOC較少，但對(duì)塑料基材零部件而言，溶劑性油墨的印刷效果最佳。在印刷工藝、烘干過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較多主要成分為乙酸乙酯、酮類(lèi)、苯類(lèi)的VOC污染。

（3）粘合劑。聚氨酯類(lèi)和丙烯酸系粘合劑較為常用，聚氨酯類(lèi)粘合劑和丙烯酸系膠粘劑與表面光滑的汽車(chē)塑料零部件有著優(yōu)良的化學(xué)粘接力，但以乙酸乙酯有機(jī)溶劑為主導(dǎo)致產(chǎn)生VOC較多。

（4）汽車(chē)塑料零部件的表面涂層。零部件的顏色可依靠涂層進(jìn)行改變，同時(shí)涂層可改善零部件的表面缺陷，滿足零部件耐磨、抗靜電等的性能需求，但常用的聚氨酯類(lèi)和丙烯酸酯涂料，均會(huì)有較多的VOC 產(chǎn)生。

（5）汽車(chē)塑料零部件的脫模劑。脫模劑的用量比較大，但常用脫模劑中含有CH3CHCl，CH2Cl2等有機(jī)溶劑，致使零部件在使用的過(guò)程中釋放出VOC。

2.3 VOC 的危害

VOC 的揮發(fā)非常緩慢，但對(duì)人類(lèi)的健康有巨大的影響，當(dāng)汽車(chē)內(nèi)部空間達(dá)到一定的濃度時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使駕乘人員有頭痛、惡心、乏力、抽搐、昏迷等程度不一的癥狀，并會(huì)嚴(yán)重?fù)p害駕乘人員的肝臟、腎臟、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。VOC 的存在還會(huì)造成2.5 μm 顆粒物（PM2.5）含量上升，局部地區(qū)產(chǎn)生霧霾，嚴(yán)重時(shí)引起地表臭氧，形成城市光化學(xué)煙霧[4]。

據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2020 年6 月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.6 億輛，其中汽車(chē)2.7 億輛；機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)?.4 億人，其中汽車(chē)駕駛?cè)藬?shù)量為4億人，占駕駛?cè)丝倲?shù)的90.9%。由此可見(jiàn)，VOC危害消費(fèi)群體數(shù)量相當(dāng)大，全社會(huì)必須高度重視VOC 的問(wèn)題。我國(guó)乃至世界各國(guó)對(duì)駕乘人員的健康越來(lái)越重視，相關(guān)的政策必將越來(lái)越嚴(yán)，數(shù)量龐大的消費(fèi)者的要求，促使汽車(chē)塑料零部件制造企業(yè)越來(lái)越重視降低并著力改進(jìn)VOC 的問(wèn)題。

3 降低汽車(chē)塑料零部件VOC 的方法

3.1 在注塑過(guò)程中降低VOC

（1）選用更為純凈的樹(shù)脂。殘留在樹(shù)脂中的單體會(huì)產(chǎn)生VOC，而選用的樹(shù)脂如果單體殘留量很少，則可以大大降低VOC 的排放。比如醫(yī)用PVC 樹(shù)脂較為純凈，它的VOC 可以低到1 ppm，遠(yuǎn)低于正常值。

（2）選擇分子量較大的助劑。汽車(chē)塑料零部件成型的溫度較高，選擇分子量大的助劑，可以大大減少向外遷移及揮發(fā)。比如，零部件生產(chǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑劑、阻燃劑、分散劑分別選用分子量較大的PETS、溴化環(huán)氧樹(shù)脂、PE-WAX 等。

（3）利用VOC 吸附劑進(jìn)行吸附。加入吸附劑后，可以吸附或捕獲殘留在樹(shù)脂基本中的有機(jī)小分子，從而實(shí)現(xiàn)VOC 含量的控制。吸附法分為物理吸附和化學(xué)反應(yīng)吸附兩種機(jī)理，物理吸附法是利用活性炭、硅藻泥、沸石、分子篩等多孔材料進(jìn)行物理吸附，化學(xué)反應(yīng)吸附則是利用能與VOC 反應(yīng)的添加劑，把VOC 變?yōu)楦菀讚]發(fā)的氣體或相對(duì)分子量較大、沸點(diǎn)較高的物質(zhì)，以達(dá)到消除原材料中的VOC。

（4）控制注塑工藝條件。在制品的成型過(guò)程中，能保證塑化效果的前提下，低的加工溫度可降低小分子物質(zhì)的生成。通過(guò)增加抽真空的次數(shù)，盡可能地把生成的小分子物質(zhì)排出。

（5）謹(jǐn)慎使用有機(jī)溶劑型材料。為了減少有機(jī)溶劑型材料的使用，一般選擇水性涂料、光固化涂料、水性粘合劑和水性脫模劑，雖仍需使用部分有機(jī)溶劑，但能有效降低VOC 的排放；因?yàn)楣腆w粉末涂料不含有機(jī)溶劑，因此可實(shí)現(xiàn)VOC 的零排放。

（6）高溫干蒸。就高溫干蒸而言，一般塑料生產(chǎn)企業(yè)的做法是：塑料原料造料后，輸送到VOC 處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)高溫加熱，把吸附在塑料粒子上的苯、甲苯、乙苯等烴類(lèi)VOC 盡量干蒸干凈，時(shí)間的長(zhǎng)短視溫度而定，溫度一般為80～120 ℃，時(shí)間一般為3 h。

3.2 采用低VOC 含量的塑料

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，人們對(duì)身體健康日益重視，汽車(chē)制造企業(yè)對(duì)塑料零部件VOC 的排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。經(jīng)世界各國(guó)研究人員的努力，通過(guò)材料制備和材料加工成型這兩方面進(jìn)行改進(jìn)，可選用的低VOC含量的車(chē)用塑料也越來(lái)越多了。

（1）優(yōu)化聚合手段

最常用于汽車(chē)工程領(lǐng)域的通用塑料是聚烯烴塑料，主要包括PE，PP，PVC，ABS 等，其中PP 在所有車(chē)用塑料的占比超過(guò)60%，是應(yīng)用最為廣泛的通用塑料。

材料的制備過(guò)程很大程度上決定著材料的結(jié)構(gòu)、組成及性能，即可從單體的精制、催化劑、溶劑、聚合方法的選擇等各個(gè)方面對(duì)材料制備源頭進(jìn)行控制，以控制汽車(chē)塑料零部件的VOC 含量和氣味等級(jí)。聚烯烴的制備中，所選用的單體的純度和硫化物含量、催化劑類(lèi)型、所用的共聚單體類(lèi)型、溶液聚合時(shí)選用的溶劑均會(huì)影響聚合物的等規(guī)度、分子量、低聚物含量、催化劑和溶劑殘留量等，后續(xù)難以通過(guò)加工或純化等方法把這些物質(zhì)除去，因此只能在制備階段來(lái)優(yōu)化[5]。

由表2 可見(jiàn)，采用常規(guī)降解法，需引入過(guò)氧化物，VOC 的含量較高，可高達(dá)67 μg/g。而利用加氫法對(duì)聚丙烯材料的分子量進(jìn)行了調(diào)控，不僅無(wú)需引入過(guò)氧化物，還大大降低了VOC 的含量，可低至22 μg/g。由于未引入過(guò)氧化物，使制備的PP 及改性PP 在使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的降解反應(yīng)和釋放出VOC 污染物，大大降低了材料VOC 含量的同時(shí)，相應(yīng)材料的力學(xué)性能和流動(dòng)性較好，完全滿足汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叻肿硬牧系氖褂脴?biāo)準(zhǔn)。

表2 常規(guī)降解法與加氫法制備聚丙烯的VOC 含量比較Tab.2 Comparison of VOC content of polypropylene prepared by conventional degradation method and hydrogenation method

（2）選用合適的母料和助劑

選用合適的母料和助劑亦是降低VOC 含量的有效手段。制備塑料時(shí)，通常在母料中添加不同的助劑，以改善材料的強(qiáng)度、韌性、抗老化性等性能，這些助劑的選用將對(duì)VOC 的含量產(chǎn)生重大的影響[6]。劉凱[7]等將聚丙烯基料、滑石粉、增韌劑、偶聯(lián)劑等按72:20:8:0.2 的重量比例進(jìn)行混合，先后確定最優(yōu)PP 基料、滑石粉、增韌劑、偶聯(lián)劑的牌號(hào)。根據(jù)綜合性能比較，當(dāng)PP 基料為韓國(guó)聚美萊公司的EA5074S、滑石粉為上海三成的WF-D6.5、增韌劑為美國(guó)陶氏集團(tuán)的POE 8200、偶聯(lián)劑為武漢高創(chuàng)有機(jī)硅新材料的KH550時(shí)，所得的改性PP 的VOC 含量較低，最低為98 μg/g，且強(qiáng)度高、氣味低。

（3）氣味吸附劑和萃取劑

塑料改性時(shí)，可以加入以多孔材料為主的氣味吸附劑和由低沸點(diǎn)物質(zhì)構(gòu)成的氣味萃取劑，通過(guò)將VOC 物質(zhì)吸附在材料內(nèi)部而不釋放和利用共沸特性萃取材料內(nèi)部的VOC，達(dá)到降低材料的氣味等級(jí)和VOC 的含量，得到更環(huán)保、健康的汽車(chē)內(nèi)飾件用的聚丙烯材料。

4 結(jié)語(yǔ)

消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾件除了要求美觀、耐用外，環(huán)保、健康、低VOC 含量將成為更新的、更高層級(jí)的要求，從而促使汽車(chē)內(nèi)飾件生產(chǎn)企業(yè)把降低VOC 的含量作為研究的重點(diǎn)。

我國(guó)汽車(chē)保有量大，駕駛?cè)藛T及乘坐人員多，VOC 的存在嚴(yán)重影響駕乘人員的身體健康。目前，可通過(guò)樹(shù)脂、助劑的合理選用，吸附劑、萃取劑的添加，注塑工藝條件、材料制備和材料加工的控制，有機(jī)溶劑型材料的減少使用，進(jìn)而有效降低VOC 的含量，有效調(diào)控材料VOC 的含量和氣味，為駕乘人員的身體健康保駕護(hù)航。