某車型頂棚總成揮發性有機物含量的改進

余雙平，林棠華，李芳萍

（中國質量認證中心華南實驗室，廣東 廣州 510700）

前言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車的使用率也越來越高，人們對汽車的要求除了硬件性能等各方面的要求外，對汽車車內空氣的質量也越來越關注。我國環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局也于 2011頒布了 GB/T 27630-2011《乘用車內空氣質量評價指南》并于2012 年3 月開始實施，明確提出了對于乘用車內空氣質量的要求。而影響車內空氣質量的主要為汽車內飾零部件的VOC揮發量，為此各大汽車廠也紛紛制定了一系列的企業標準對汽車零部件及材料進行VOC管控。

頂棚內飾是汽車整車內飾的重要組成部分，它的主要作用是提高車內的裝飾性，同時頂棚內飾還可提高與車外的隔熱、絕熱效果；降低車內噪聲，提高吸音效果；提高乘員乘坐的舒適性和安全性。汽車內飾零部件中頂棚占車內大面積，對車內空氣質量的影響較大，且材料組成較為復雜，在實際的VOC管控過程中易超出限值要求，受各大主機廠的關注較多。

1 頂棚總成VOC 含量的測試

圖1 某車型頂棚改進前VOC含量測試結果與限值要求

此次試驗采用袋式法，將抽檢的頂棚總成放置在 2000L采樣袋中，充入1000L的高純氮氣，在80℃的采樣艙中加熱2 h ，分別采集甲醛（Form）、乙醛（Acet）、丙烯醛(Acryl)等醛酮類物質及苯（Benz）、甲苯(Tolu)、二甲苯(Xyl)、乙苯(Ethylbenz)、苯乙烯(Styr)等苯系物，分別通過高效液相色譜儀（HPLC）和配置熱脫附儀的氣相色譜-質譜聯用儀（TDS-GC/MS）進行定量分析，最終換算得出頂棚總成VOC含量。如圖1所示，測試分析所得的8種VOC物質中甲醛的測試值為305.60μg，超出頂棚總成甲醛限值要求的130.00 μg，苯乙烯的測試值為 133.60μg，超出限值要求的 48.00 μg。

表1 某車型頂棚改進前VOC含量測試結果與限值要求

2 原因分析及改進方案

2.1 原因分析

2.1.1 頂棚個材料組成分析

頂棚總成的組成分為以下材料：無紡布（M1）、熱熔膠（M2）、玻璃纖維（M3）、PU泡片（M4）(見圖2)以及背面的卷邊接著劑（M5）和支架（M6）(見圖3)。

圖2 頂棚總成材料組成

頂棚無紡布面料主要起裝飾作用，其顏色及質地要與車身內飾顏色和質地相協調。熱熔膠和卷邊接著劑起連接作用，玻璃纖維網具有吸音，隔聲，隔熱，環保，阻燃等作用。

中間的泡沫層為PU泡片聚氨酯（PU）是一種新興的有機高分子材料，被譽為“第五大塑料”。它是一種質輕、含有多孔的材料，具有減震、隔熱、保溫、吸能、廉價等眾多優良性能。亦因其卓越的性能而被廣泛應用于在家具業、建筑業、體育行業、交通行業等眾多領域應，比如床墊、合成木材、人造革、車內飾件座椅，扶手，頭枕，門內板，儀表盤，方向盤等[1～2]。

圖3 頂棚總成背面的卷邊接著劑和支架

背面支架（M6）主要成分為ABS塑料，即丙烯晴--丁二烯--苯乙烯共聚物，其特性是由三組份的配比及每一種組分的化學結構，物理形態控制。丙烯腈表現的特性是耐熱性、耐化學性、剛性、抗拉強度；丁二烯表現的特性是抗沖擊強度；苯乙烯表現的特性是加工流動性，光澤性。這三組分的結合，優勢互補，使ABS樹脂具有多項良好性能，比如耐熱、剛性好，沖擊強度高、機械強度和電器性能優良、易于加工且加工尺寸穩定性，表面光澤好，容易涂裝及著色，還可以進行噴涂金屬、電鍍、焊接和粘接等。

2.1.2 各材料組分中的VOC含量測試

為分析得出上述各材料中的VOC含量，同樣采取袋式法測試，各材料均截取25*20cm樣品片，放入10L采樣袋中，充入5L高純氮氣，在80℃恒溫艙中加熱2h后，上機分析各組成材料中的甲醛及苯乙烯，結果如圖4所示：

圖4 頂棚總成中各組成材料中的甲醛及苯乙烯

如圖4所示，可以得出結論，幾種材料中PU泡片（M4）的甲醛含量最高，支架中的苯乙烯含量最高。改進方向從優化PU泡片（M4）中的甲醛含量以及背面支架（M6）中的苯乙烯含量進行。

2.2 改進方案

2.2.1 PU泡片的VOC改進方案

PU泡片是以異氰酸酯和聚醚多元醇混合物為主要原料，在發泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，通過專用設備混合，經高壓噴涂現場發泡而成的高分子聚合物。聚醚由環氧丙烷為聚合單體配合含有活性氫的起始劑反應而成，側基含有2個以上羥基或主鏈含有醚鍵、端基低聚物，醚鍵對氧的作用非常敏感，特別在高溫時，易被氧化產生酸、醛、酮等物質。為防止聚醚在生產、運輸和儲存過程中被氧化產生醛類物質，需在聚醚生產反應中添加一定的抗氧化劑。因此在不影響PU泡片其他功能的前提下，在其發泡生產過程中添加一定量的抗氧化劑，可減少PU泡片中醛類物質的產生[3]。

2.2.2 支架的VOC改進方案

背面支架是由ABS樹脂利用一定模具注塑加工而得。其中ABS樹脂的工業生產方法很多，主要有乳液聚合法和連續本體法等。乳液聚合法是使苯乙烯單體和丙烯腈接枝在聚丁二烯膠乳上得到的ABS樹脂，在乳液中的細小微粒進行聚合。在聚合過程中，必須使用皂類添加劑，使反應可以在乳液中進行，而這些添加劑部分會殘留在最終產品中，成為雜質，也會導致顏色變黃。連續本體法是使用苯乙烯作為溶劑，將聚丁二烯橡膠直接溶解于苯乙烯單體和丙烯腈中進行本體聚合，從而制得ABS樹脂。連續本體聚合工藝通常使用3-4個連續反應釜以線性排列連續生產，苯乙烯在生產過程中會被完全回收并且循環利用，很少殘留在最終產品中。產物質量非常的一致和穩定，其單體轉化率很高，可以省去分離工序和聚合物后處理工序，同時產品純度高[4～5]。改用連續本體聚合能夠高效反應掉聚合單體，殘留單體及雜質較少，能有效的降低產品中的VOC含量。

2.2.3 改進方案的實驗驗證

圖6 頂棚總成中背面支架的VOC改進結果

按照以上PU泡片的改進方案，在發泡過程中添加一定比例的抗氧化劑制得新型PU泡片，利用新型的PU泡片再次進行VOC含量分析測試。同樣截取25*20cm新型PU泡片放入10L采樣袋中充入5L高純氮氣，在80℃恒溫艙中加熱2h后。實驗結果見圖5所示，實驗結果顯示PU泡片甲醛含量由原來改進的 6.78μg降低至 2.90μg,較原來的降低了56.05%，改善效果較明顯。

同樣用改進后ABS樹脂制得新型的ABS支架，再次進行VOC試驗。實驗結果如圖6所示，由試驗結果分析得出，改進后的支架 VOC整體揮發均有降低，其中苯乙烯由原來的0.86μg降低至0.24μg，較原來的降低了72.09%，改善效果明顯。

圖7 頂棚總成改進后VOC含量及限值要求

結合以上實驗結果，利用改善后的PU泡片以及背面支架組裝成新的頂棚總成，同樣放置在 2000L采樣袋中，充入1000L高純氮氣，在80℃的采樣艙中加熱2 h，采集氣體分析得到實驗結果如圖7所示，由圖7可見改善后的頂棚總成達到了限值要求。

3 結論

通過對頂棚各組成材料進行逐一分析，找出造成頂棚總成甲醛和苯乙烯不符合限值的材料分別為 PU泡片和背面支架。在PU泡片生產過程中加入抗氧化劑，減少支架生產中降低ABS樹脂聚合反應單體及雜質的殘留，有效降低了PU泡片中的甲醛含量和支架中苯乙烯的含量，從而降低了頂棚總成中甲醛和苯乙烯的含量，達到了VOC限值要求。

參考文獻

[1] 宋友樺.硬質聚氨酯泡沫復合材料在汽車內飾設計中的應用[J].輕型汽車技術,1998,06.

[2] 孫德文.聚氨酯納米復合泡沫材料的制備及表征研究[D].蘭州大學,2011.

[3] 薛振榮.座椅總成 VOC 揮發性能的改進[J].化學推進劑與高分子材料,2017,15(2).

[4] 夏燕敏,周文樂.連續本體法聚合 ABS樹脂的研究進展[J].中國石化上海石油化工研究院廣州化工 2009,37(3).

[5] 叢日新,梁滔,鄭紅兵等.連續本體法合成ABS樹脂[J].中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院蘭州化工研究中心.工程塑料應用2010,38(1).