膠粘劑粘接組件的氣味釋放影響研究

蘇曉峰，王新穎，王詠祥，張?zhí)m蘭

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510656)

隨著“綠色制造”理念的日益普及，人們對(duì)軌道車輛的環(huán)保舒適性要求也越來越高[1-3]。其中粘接組件作為車內(nèi)用量最大的內(nèi)裝部件之一，其環(huán)保性能對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量影響較大[4-6]；而車內(nèi)異味便首當(dāng)其沖[7]。

膠粘劑是粘接組件的重要組成部分，其主要作用就是將不同類的材料緊密結(jié)合在一起[8-9]。但由于其在使用過程中會(huì)釋放出大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，一方面會(huì)造成其他材料異味污染；另一方面也會(huì)造成車內(nèi)及周圍環(huán)境中氣味超標(biāo)。

目前，關(guān)于軌道車輛膠粘劑VOC和氣味領(lǐng)域的研究已有報(bào)道，但針對(duì)粘接組件中膠粘劑貢獻(xiàn)影響的研究在VOC領(lǐng)域較多，如探究了膠粘劑對(duì)地板粘接組件和防寒材粘接組件21 d內(nèi)VOC釋放的影響[4-5]；對(duì)相關(guān)氣味方面的研究報(bào)道較少。

為此，選取軌道車輛常用的地板粘接組件、防寒材粘接組件及其組成材料——膠粘劑、地板、地板布和防寒材為研究對(duì)象，利用袋式法[10]、GC-O技術(shù)[11-13]、氣味活度法[14-18]及氣味匹配度[7，19]，探究了膠粘劑在粘接組件中的氣味釋放規(guī)律，為軌道車輛及粘接產(chǎn)品氣味品質(zhì)提升提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

甲醇(純度≥99.9%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲苯、正己烷、正十六烷(純度均為99.5%)，美國(guó)ChemService公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

X205BDU型電子分析天平(瑞士Mettler Toledo公司)、7890B/5977B型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)、maekes TD100-Xr型熱解析脫附系統(tǒng)(美國(guó)安捷倫科技有限公司)、ODP3型嗅覺檢測(cè)器(德國(guó)GERSTEL公司)、520H型氣體流量校準(zhǔn)計(jì)(美國(guó)BIOS公司)、GilAir Plus型恒流氣體采樣泵(美國(guó)Gilian公司)、1 000 L聚氟乙烯采樣袋(寧波環(huán)測(cè)實(shí)驗(yàn)器材有限公司)。

1.3 試樣制備

按照實(shí)際工藝制成1 m×1 m的地板粘接組件(地板+膠粘劑+地板布)、防寒材粘接組件(鋁板+膠粘劑+防寒材)及其組成材料——地板、地板布和防寒材，并按照實(shí)際工藝中用膠量將膠粘劑噴涂到1 m×1 m的鋁板上。

1.4 試驗(yàn)方案

利用袋式法[10]和GC-O技術(shù)[11-13]篩選出制樣初期時(shí)各粘接組件中的典型氣味物質(zhì)；利用氣味活度法[14-18]計(jì)算上述各典型氣味物質(zhì)的氣味活度值及權(quán)重系數(shù)。之后，基于氣味匹配度[7，19]，計(jì)算各組成材料(膠粘劑、地板、地板布、防寒材)對(duì)粘接組件的氣味貢獻(xiàn)度；最后，按照上述操作，探究粘接組件中膠粘劑的氣味貢獻(xiàn)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1袋式法VOC測(cè)試和全譜分析

將各試樣放置1、7、14和21 d后，分別密封于1 000 L聚氟乙烯采樣袋中，充入純度為99.999%的500 L氮?dú)?，在溫?5 ℃條件下平衡16 h后進(jìn)行測(cè)試和VOCs全譜分析。

1.5.2粘接組件中典型氣味物質(zhì)篩選

由專業(yè)嗅辨員在嗅覺檢測(cè)器嗅探口處進(jìn)行嗅聞，依據(jù)所記錄的氣味物質(zhì)類型及氣味等級(jí)，確定粘接組件中的典型氣味物質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 制樣初期，粘接組件中的典型氣味物質(zhì)分析

基于GC-O嗅辨分析，得到了地板粘接組件a和b、防寒材粘接組件c和d制樣初期時(shí)的典型氣味物質(zhì)，并利用各物質(zhì)質(zhì)量濃度與其嗅閾值的比值計(jì)算出相應(yīng)的氣味活度值D；進(jìn)一步地通過計(jì)算各物質(zhì)氣味活度值與所有物質(zhì)氣味活度值加和的比值得到了相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)K，它反映了混合氣體中氣味物質(zhì)的貢獻(xiàn)程度，其值越大，表明氣味貢獻(xiàn)度越大；相關(guān)的分析結(jié)果如表1所示。

表1 制樣初期粘接組件中的典型氣味物質(zhì)Tab.1 Typical odor substances in bonding components at the initial stage of sample preparation

續(xù)表

(1)

式中：Ki為粘接組件中第i種典型氣味物質(zhì)的權(quán)重系數(shù)，無量綱；Di為粘接組件中第i種典型氣味物質(zhì)的氣味活度值，無量綱；m為粘接組件中典型氣味物質(zhì)的個(gè)數(shù)。

由表1可知，(1)地板粘接組件a和b制樣初期分別篩選出10種和9種典型氣味物質(zhì)，其中地板粘接組件a中甲苯和苯乙烯的權(quán)重系數(shù)值最大，分別為0.652和0.169；地板粘接組件b中正丁醇的權(quán)重系數(shù)值最大為0.404，乙酸丁酯、苯甲醛、環(huán)己酮和苯乙烯次之，均接近于0.11。鑒于地板粘接組件a和b使用相同的地板和地板布，但權(quán)重系數(shù)值較大的物質(zhì)卻明顯不同，說明造成這種差異的原因是由于膠粘劑更換引起的。(2)防寒材粘接組件c和d制樣初期均篩選出9種典型氣味物質(zhì)，其中甲苯和p-二甲苯的權(quán)重系數(shù)值均最大，分別為0.558、0.227和0.573、0.257；鑒于其所用膠粘劑相同，表明膠粘劑對(duì)該防寒材粘接組件氣味影響較大。

綜上所述，制樣初期，膠粘劑對(duì)地板粘接組件a和b、防寒材粘接組件c和d中氣味均起到了重要影響。為了量化其氣味貢獻(xiàn)大小，需基于客觀物質(zhì)維度做進(jìn)一步分析。

2.2 制樣初期，膠粘劑對(duì)粘接組件的氣味貢獻(xiàn)度分析

基于氣味匹配度[7，19]分析，計(jì)算膠粘劑、地板、地板布、防寒材與各粘接組件的氣味匹配度(M)，并進(jìn)一步衍化得到各組成材料的氣味貢獻(xiàn)度(P)；其客觀反映了每種組成材料對(duì)粘接組件的氣味貢獻(xiàn)大小，相關(guān)的分析結(jié)果如表所示。

(2)

式中：M為各組成材料與相應(yīng)粘接組件的氣味匹配度，無量綱；Kj為各組成材料中第j種典型氣味物質(zhì)在粘接組件中的權(quán)重系數(shù)，無量綱；Dj為各組成材料中第j種典型氣味物質(zhì)在該材料中的氣味活度值；n為各組成材料中所包含的粘接組件中典型氣味物質(zhì)的個(gè)數(shù)。

(3)

式中：Px為粘接組件中第x種組成材料的氣味貢獻(xiàn)度，無量綱；Mx為粘接組件中第x種組成材料與其的氣味匹配度，無量綱；y為組成粘接組件的材料個(gè)數(shù)。

由表2可知，(1)制樣初期膠粘劑a和b分別對(duì)地板粘接組件a和b中氣味貢獻(xiàn)度最大，均達(dá)到了80%以上；地板布的氣味貢獻(xiàn)度不足15%，而地板的氣味貢獻(xiàn)度在3%左右。(2)制樣初期，膠粘劑c對(duì)防寒材粘接組件c和d的氣味貢獻(xiàn)度均達(dá)到了99%以上，處于絕對(duì)的氣味主導(dǎo)地位。

表2 各組成材料對(duì)粘接組件的氣味貢獻(xiàn)度數(shù)據(jù)Tab.2 Odor contribution data of each constituent material to bonding components

2.3 隨放置時(shí)間延長(zhǎng)，膠粘劑對(duì)粘接組件中氣味釋放的影響

為了進(jìn)一步探究膠粘劑對(duì)粘接組件中氣味釋放的影響，分別對(duì)各組件及組成材料進(jìn)行放置7、14和21 d后的袋式法測(cè)試，并按上述方法進(jìn)行氣味貢獻(xiàn)度分析，最后再以放置時(shí)間為橫坐標(biāo)、氣味貢獻(xiàn)度為縱坐標(biāo)，繪制膠粘劑對(duì)粘接組件中氣味貢獻(xiàn)度隨時(shí)間變化的規(guī)律圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 膠粘劑對(duì)粘接組件氣味貢獻(xiàn)的變化規(guī)律圖Fig.1 Variation law of the contribution of adhesives to the odor of bonding components

從圖1可以看出，隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粘劑對(duì)地板粘接組件a和b、防寒材粘接組件c和d的氣味貢獻(xiàn)度均逐漸降低，其中膠粘劑a和b對(duì)地板粘接組件a和b的氣味貢獻(xiàn)度在前14 d內(nèi)近似呈線性關(guān)系降低，斜率分別為-3.0和-3.2，且14 d時(shí)的氣味貢獻(xiàn)度仍都高于40%；繼續(xù)放置至21 d時(shí)氣味貢獻(xiàn)度分別降至39.8%和26.1%，此時(shí)其對(duì)地板粘接組件a和b的氣味貢獻(xiàn)仍較大。而膠粘劑c對(duì)防寒材粘接組件c和d的氣味貢獻(xiàn)度在前14 d內(nèi)均高于60%，繼續(xù)放置至21 d時(shí)氣味貢獻(xiàn)度分別降至52.6%和43.0%，此時(shí)其對(duì)防寒材組件c和d的氣味貢獻(xiàn)仍與相應(yīng)的防寒材c和d相當(dāng)。

3 結(jié)語

利用袋式法、GC-O技術(shù)、氣味活度法、氣味匹配度和貢獻(xiàn)度對(duì)地板粘接組件、防寒材粘接組件及其組成材料——膠粘劑、地板、地板布和防寒材進(jìn)行氣味研究，得到如下結(jié)論：

(1)制樣初期，膠粘劑對(duì)地板粘接組件和防寒材粘接組件的氣味影響要遠(yuǎn)大于地板、地板布和防寒材；

(2)隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粘劑對(duì)地板粘接組件和防寒材粘接組件中氣味的貢獻(xiàn)逐漸降低，但前21 d內(nèi)的氣味影響一直較大，甚至處于主導(dǎo)地位；

(3)在滿足使用要求的前提下，盡量選用氣味低或能快速散味的膠粘劑，以此提升軌道車輛及粘接產(chǎn)品的氣味環(huán)保性能。