光觸媒及UV協(xié)同空氣凈化技術(shù)在車載空調(diào)上的應(yīng)用研究

摘 要：觸媒技術(shù)以納米二氧化鈦為代表，具備殺菌、凈化、除臭等優(yōu)勢，已應(yīng)用于醫(yī)療、家具、建材等領(lǐng)域，可高效分解空氣中有害物質(zhì)。其在汽車領(lǐng)域雖應(yīng)用于內(nèi)飾自清潔、空氣凈化等場景，但因傳統(tǒng)水溶液噴灑工藝效率低、易損零部件，尚未大批量應(yīng)用。隨著健康座艙需求提升，主機(jī)廠亟須突破空氣治理技術(shù)難題。傳統(tǒng)車內(nèi)治理分為源頭控制（材料工藝正向開發(fā)）與末端治理（吸附材料），但多為靜態(tài)手段，缺乏兼具高效除醛、除臭、抗菌殺毒及動態(tài)持續(xù)凈化能力的方案。文章針對傳統(tǒng)短板，提出新型應(yīng)用方法：在空濾框架涂布可見光光觸媒，通過光照分解污染物、祛除異味；結(jié)合空調(diào)濾芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化與短波紫外線（UVC）燈源對向投射，提升光觸媒活性。該方案融合光觸媒、紫外消殺與空調(diào)過濾系統(tǒng)，動態(tài)除醛殺菌，發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢，突破靜態(tài)單一局限，填補(bǔ)復(fù)合過濾技術(shù)空白，為車內(nèi)空氣治理提供高效動態(tài)解決方案，改善空氣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：健康座艙 空氣治理 光觸媒 空調(diào)濾芯 UVC

隨著汽車消費(fèi)升級，座艙成為“第三空間”，消費(fèi)者對健康舒適需求提升，健康座艙成為主機(jī)廠新戰(zhàn)略方向。

光觸媒技術(shù)憑借光催化特性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、凈水等領(lǐng)域，潛力顯著。其在汽車前裝市場通過內(nèi)飾材料涂層分解有害物，但噴涂工藝易致零部件外觀受損、延長處理時(shí)間，推廣受限；后市場雖將其納入服務(wù)，但缺乏統(tǒng)一規(guī)范、產(chǎn)品質(zhì)量參差，效果難達(dá)預(yù)期，故前裝與后市場均未普及。

文章以提升車內(nèi)空氣質(zhì)量為核心，在不增加改造成本、確保技術(shù)穩(wěn)定性的前提下，創(chuàng)新融合光觸媒與UVC于空調(diào)濾芯，發(fā)揮疊加效應(yīng)動態(tài)優(yōu)化環(huán)境，與傳統(tǒng)源頭控制形成互補(bǔ)，實(shí)踐表明成效顯著。

1 光觸媒技術(shù)的原理及應(yīng)用情況

光觸媒也叫光催化劑，是一種以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的半導(dǎo)體材料的總稱。二氧化鈦在光照射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的物質(zhì)如羥基自由基（·OH）和超氧自由基（O2·-）等活性物種等，能夠有效分解有機(jī)化合物、部分無機(jī)化合物、細(xì)菌及病毒等。在日常生活中，可以降解空氣中有毒有害氣體如甲醛等，高效凈化空氣；同時(shí)，能夠有效殺滅多種細(xì)菌，并將細(xì)菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。

光觸媒技術(shù)源于日本，“觸媒”的中文含義是催化劑。1967年，東京大學(xué)本多建一團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)紫外線照射下，二氧化鈦電極可分解水為氫氣與氧氣，進(jìn)而催化空氣中的水或氧氣生成羥基自由基等強(qiáng)氧化性光生活性基團(tuán)。?

自發(fā)現(xiàn)后的50多年間，光觸媒逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用：1994年，日本TOTO公司開發(fā)光觸媒抗菌防污瓷磚，開啟商業(yè)化；1999年，日本盛和工業(yè)開發(fā)光觸媒空氣凈化器；2001年全面進(jìn)入日常生活；2005年自潔鍍膜技術(shù)應(yīng)用于建筑外墻和光伏發(fā)電面板；2015年，日本松下公司開發(fā)新型光觸媒粒子，可凈化污水，相關(guān)凈水設(shè)備效率高、成本低。?

目前，光觸媒在日本應(yīng)用廣泛，如日本新干線用其清新空氣、手術(shù)室用于殺菌、建筑物表面抗菌防污，東京超萬座大廈使用該涂層，且計(jì)劃應(yīng)用于美國空間站空氣凈化。

2 光觸媒技術(shù)在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

光觸媒技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用場景豐富，在汽車外觀及內(nèi)飾自清潔、空氣凈化、殺菌消毒、尾氣凈化等方面均有一定的應(yīng)用。特別是在汽車前裝市場，部分零部件廠商于出廠前對座椅、儀表盤等部件噴涂光觸媒，形成的涂層可抑菌、除臭并延長內(nèi)飾壽命。但因依賴水溶液噴灑工藝，存在零部件表面受損風(fēng)險(xiǎn)及處理時(shí)間長、效率低等問題，前裝推廣未達(dá)預(yù)期。

另一方面，在汽車后市場中，依托建筑行業(yè)資源的終端治理公司與經(jīng)銷商合作，提供光觸媒車內(nèi)空氣治理服務(wù)。雖能有效消殺有害氣體，但處理后易留白色痕跡、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失導(dǎo)致效果與成本參差，故后裝市場也未廣泛普及。

為突破傳統(tǒng)車內(nèi)空氣治理存在的靜態(tài)、單一的局限性，解決上述傳統(tǒng)光觸媒在實(shí)際應(yīng)用中的使用痛點(diǎn)，我們致力于研究一種新型光觸媒技術(shù)在汽車座艙空氣治理上的創(chuàng)新應(yīng)用方法，通過充分挖掘光觸媒的獨(dú)特優(yōu)勢，最大限度地發(fā)揮其潛力，不斷拓展整車開發(fā)中的應(yīng)用場景，為用戶營造清新健康的駕乘呼吸環(huán)境。

3 一種創(chuàng)新的光觸媒技術(shù)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用場景

汽車座艙零部件多由塑料、橡膠等非金屬材料構(gòu)成，因其化學(xué)特性，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)散發(fā)難以避免。即便汽車企業(yè)采用低揮發(fā)性材料與合理工藝設(shè)計(jì)，也無法杜絕座艙內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）散發(fā)。在高溫暴曬或長時(shí)間密閉場景下，VOC揮發(fā)加速或難以排出，易導(dǎo)致苯、甲醛等有害物質(zhì)含量超標(biāo)并產(chǎn)生異味。如“2023年懂車帝夏測”顯示，96.7%的測試車輛甲醛含量超標(biāo)，遠(yuǎn)超正常標(biāo)準(zhǔn)。?

另一方面，汽車座艙衛(wèi)生狀況也不容樂觀，方向盤等部位細(xì)菌密集，大腸桿菌等菌群威脅消費(fèi)者健康。當(dāng)前，多數(shù)車企采用無機(jī)銀離子抗菌劑處理零部件，但納米銀使用在歐美受限，因其可能危害母嬰群體生殖健康；無害有機(jī)抗菌劑雖無健康風(fēng)險(xiǎn)，卻因耐高溫性差無法應(yīng)用于生產(chǎn)。?

鑒于汽車座艙空氣質(zhì)量與抗菌處理存在上述問題，開發(fā)新型光觸媒動態(tài)空氣凈化系統(tǒng)十分必要。文章所述系統(tǒng)創(chuàng)新融合了光觸媒與短波紫外線（UVC）兩大高效消殺要素，充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，突破傳統(tǒng)車內(nèi)空氣治理靜態(tài)、單一的局限，填補(bǔ)復(fù)合過濾技術(shù)空白，為車內(nèi)空氣治理提供專業(yè)高效的動態(tài)解決方案。

3.2 創(chuàng)新思路

傳統(tǒng)的動態(tài)空氣凈化方式是通過空調(diào)系統(tǒng)交換新風(fēng)或應(yīng)用活性炭HAPE濾芯實(shí)現(xiàn)空氣凈化功能，主要能對顆粒物、細(xì)菌、VOC、氣味進(jìn)行凈化，但效率偏低。本次創(chuàng)新主要基于一方面光觸媒經(jīng)過光源照射實(shí)現(xiàn)良好的除醛去味、另一方面UVC紫外線燈本身具備高效消殺病菌的功能，將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合后，并與空調(diào)過濾系統(tǒng)集成部件，以達(dá)到高效凈化車內(nèi)空氣的目的?？照{(diào)過濾系統(tǒng)新型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如下。

在產(chǎn)品模塊的進(jìn)風(fēng)區(qū)域，于左右兩側(cè)對稱排列的位置布置窄角度聚光型UVC光源陣列，實(shí)施對向投射疊加。（圖1）

模塊載體框架選用抗紫外線光導(dǎo)材料，采用過風(fēng)孔折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建極低阻抗的過濾模塊。通過紫外線對空調(diào)過濾系統(tǒng)內(nèi)空氣的精準(zhǔn)照射，實(shí)現(xiàn)殺菌消毒功能，使過濾后的空氣趨近無菌狀態(tài)。（圖1）

在模塊載體框架表面均勻涂布可見光光觸媒，由于框架本身具有全反射光導(dǎo)作用，因此框架表面上的光觸媒在得到紫外線照射后，光觸媒的除醛功能得到全部釋放。

空調(diào)濾芯采用HAPE濾紙，并符合活性炭吸附降解材料，保持原有過濾顆粒物、除醛去味的基本作用。

經(jīng)過模塊的氣流，由于過風(fēng)口折疊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)引，使模塊的進(jìn)出風(fēng)兩面均成為有效作用面，在保證過濾顆粒物同時(shí)，形成具備高效消殺病菌、強(qiáng)力除醛去味的全新凈化模塊。

4 新型光觸媒紫外消殺技術(shù)的應(yīng)用效果

為全面準(zhǔn)確地評估新型光觸媒紫外消殺技術(shù)在整車上的應(yīng)用效果，驗(yàn)證其對整車VOC氣味、吸附降解能力、抗菌能力以及空調(diào)濾芯風(fēng)阻的影響，通過對車輛空調(diào)濾芯進(jìn)行針對性改制，并依托公司內(nèi)部現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按照科學(xué)的實(shí)驗(yàn)流程和標(biāo)準(zhǔn)，開展了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

4.1 整車VOC及氣味試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)策劃借用公司內(nèi)部2臺同配置車型，其中1臺搭載新型光觸媒紫外消殺過濾模塊，1臺裝配普通空調(diào)濾芯進(jìn)行空白比對驗(yàn)證（整車VOC及氣味試驗(yàn)），車型信息如表1所示。

試驗(yàn)條件：第一步：兩臺實(shí)驗(yàn)車輛同時(shí)放置于嚴(yán)格控制的特定環(huán)境條件中。環(huán)境溫度設(shè)定為（25±1）℃、相對濕度控制在（50±

10）%、氣流速度限制在不超過0.3m/s，兩臺車輛持續(xù)恒溫存放（16±1）h。

試驗(yàn)人員：①北汽方面：袁磊磊、賈曉社、丁偉良、王安琪；②北京質(zhì)檢院：趙繼波、王博、石冰。

試驗(yàn)方案：首先，當(dāng)車輛達(dá)到試驗(yàn)條件存放時(shí)間后，試驗(yàn)人員立即分別對兩臺車輛車內(nèi)苯系物和醛系物含量進(jìn)行測量，并記錄氣味測評結(jié)果。

其次，測評完成后，試驗(yàn)人員分別啟動空調(diào)內(nèi)循環(huán)，通過過濾系統(tǒng)凈化車內(nèi)空氣5分鐘后，再次測評驗(yàn)證新型空調(diào)過濾系統(tǒng)的效果。

整車試驗(yàn)流程圖如圖2所示。

整車實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過整車實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩款車在初始測試值基本相當(dāng)（同批次車），搭載光觸媒消殺模塊的車型1在內(nèi)循環(huán)5分鐘后，整車VOC、氣味的降低率更高。

4.2 抗菌性能試驗(yàn)驗(yàn)證

紫外線輻射能夠?qū)?xì)菌的 DNA 結(jié)構(gòu)造成破壞，實(shí)現(xiàn)消殺細(xì)菌的效果。為驗(yàn)證新型光觸媒紫外消殺裝置對車內(nèi)空氣中細(xì)菌的實(shí)際消殺作用，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。

試驗(yàn)儀器：UVC波段紫外線燈、培養(yǎng)皿（用于培養(yǎng)菌落，常用還有瓊脂的培養(yǎng)基）。

試驗(yàn)方法：（1）準(zhǔn)備培養(yǎng)基，將細(xì)菌培養(yǎng)基溶解在適量的蒸餾水中，并攪拌均勻；（2）培養(yǎng)細(xì)菌，使用洗凈的玻璃器皿，將培養(yǎng)基分裝入多個(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)皿中；（3）接種細(xì)菌，使用無菌的技術(shù)，在每個(gè)試驗(yàn)培養(yǎng)皿中接種一定數(shù)量的細(xì)菌；（4）紫外線照射，將紫外線燈置于20cm內(nèi)，對實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)皿進(jìn)行紫外線照射15分鐘，照射時(shí)間和距離保持一致；（5）設(shè)置對照組，不進(jìn)行紫外線照射，作為比較基準(zhǔn)；（6）將實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中，以適宜的溫度培養(yǎng)24小時(shí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對比實(shí)驗(yàn)組合對照組的細(xì)菌生長情況，可以得出，經(jīng)過紫外線照射后，細(xì)菌生長明顯得到抑制，甚至完全死亡。未經(jīng)紫外線照射的細(xì)菌在培養(yǎng)基上正常生長。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以判斷在空調(diào)過濾系統(tǒng)上設(shè)計(jì)紫外消殺燈能夠有效消殺過濾空氣中的細(xì)菌。

5 結(jié)論

汽車作為現(xiàn)代人出行的重要載體，車內(nèi)空氣質(zhì)量問題日益受到關(guān)注。光觸媒在汽車領(lǐng)域的傳統(tǒng)應(yīng)用已被人們所熟悉，廣泛應(yīng)用于車輛前裝市場以及后裝市場。針對實(shí)際應(yīng)用中存在的成本、質(zhì)量、開發(fā)周期等問題，文章創(chuàng)新性提出一項(xiàng)新型光觸媒應(yīng)用技術(shù)，將光觸媒的除醛去味功能與紫外線的殺菌抗病毒效果系統(tǒng)集成于汽車空調(diào)過濾結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該技術(shù)效果顯著，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，其動態(tài)空氣凈化模式更填補(bǔ)了領(lǐng)域空白。

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