軌道車輛線纜VOC釋放量和含量相關(guān)性研究

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 概述

目前，我國鐵路運(yùn)輸事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展中[1]，高鐵動車和城鐵等軌道車輛已逐步成為中國人出行的主要交通工具。2018年以來，中國鐵路總公司運(yùn)營動車組發(fā)生多起車內(nèi)異味嚴(yán)重被投訴事件[2]。軌道交通車內(nèi)空氣的異味主要來源是車內(nèi)非金屬內(nèi)裝材料釋放的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)、或車外的有害氣體。揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)是指在常壓下，沸點(diǎn)范圍在50 ℃～260 ℃的各種有機(jī)化合物的總稱[3]。已經(jīng)有研究人員對城軌車輛內(nèi)裝飾材料對空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行研究[4]，但隨著新型動車和高鐵組的研制，機(jī)車線纜的用量也越來越大，并逐漸成為軌道內(nèi)VOC的主要污染源。

“VOC含量”，是一個質(zhì)量單位，其表明了在線纜配方中的有機(jī)揮發(fā)物含量(重量表示)；而“VOC釋放量”則是指線纜在使用過程中，通過空氣所釋放出來的有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)量。兩者的區(qū)別在于，VOC含量并不表示從線纜表面可以釋放到空氣中的有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)量。目前針對軌道交通行業(yè)有害物質(zhì)管控的國內(nèi)外主流標(biāo)準(zhǔn)：TB/T3139-2006《機(jī)車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》對于內(nèi)裝材料的管控內(nèi)容沒有涉及重要VOC污染源線纜材料，因此為了更充分地了解線纜主要VOC物質(zhì)釋放量和含量兩者的相關(guān)性，開展線纜主要VOC物質(zhì)二者相關(guān)性的研究顯得尤為重要。

本試驗(yàn)通過考察軌道交通車輛使用的30個線纜樣品，分別進(jìn)行VOC物質(zhì)的釋放量和含量的測試，主要包含苯，甲苯，乙苯和二甲苯及硅烷類等物質(zhì)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并參考美國EPA木制品甲醛法規(guī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析研究，得到苯，甲苯，二甲苯和硅烷類物質(zhì)的含量和釋放量的關(guān)聯(lián)方程，為研究線纜VOC釋放量提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 VOC釋放量測試方法

本試驗(yàn)對線纜的VOC釋放量測試方法參考HJ/T400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采用和測定方法》[5]，取下線4周內(nèi)的1 m長的線纜樣品，裝入潔凈50 L采樣袋置于采樣艙中25±1 ℃處理6±0.5 h后，用Tenax采樣管吸附VOC物質(zhì)，熱脫附氣相色譜定量分析，得到六甲基環(huán)三硅氧烷、八甲基環(huán)四硅氧烷、十甲基環(huán)戊基硅氧烷的釋放量。

2.2 VOC含量測試方法

本試驗(yàn)對線纜的VOC含量測試依據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部測試方法，分別對苯、甲苯、乙苯、十甲基環(huán)戊基硅氧烷在塑膠中的含量檢測。首先選取塑膠樣品，粉碎后，使用烷/丙酮有機(jī)試劑按一定比例對樣品進(jìn)行萃取，然后使用GC-MS分析萃取液，使用全定量或半定量分析技術(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 線纜VOC的釋放量

線纜VOC釋放量測試結(jié)果轉(zhuǎn)換。由于線徑不同，不同樣品的釋放表面積也不同。故此參考德國AgBB標(biāo)準(zhǔn)艙法對所有檢測的線纜TVOC測試數(shù)據(jù)，根據(jù)線纜表面積，把TVOC釋放量單位由μg/m3轉(zhuǎn)換為μg/m2，才能與線纜VOC含量測試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性研究。線纜屬于小面積材料，AgBB標(biāo)準(zhǔn)艙法的承載率為0.05。在本次項目50 L袋式法中，承載率為0.113～1.098不等，故應(yīng)增加承載率轉(zhuǎn)換系數(shù)L(L for loading rate)。L=標(biāo)準(zhǔn)艙法承載率/袋式法承載率。根據(jù)線纜表面積，把TVOC釋放量單位由μg/m3轉(zhuǎn)換為μg/m2，公式為：

TVOC-surface=TVOC-volume×V/S

TVOC-surface-converted=TVOC-surface×L

TVOC-surface:單位表面積的TVOC釋放濃度，μg/m2

TVOC-volume:單位體積的TVOC釋放濃度，μg/m3

V:袋式法體積，m3；本次項目50 L，0.05 m3

S:樣品表面積，m2

TVOC-surface-converted:經(jīng)承載率轉(zhuǎn)換后的單位表面積的TVOC釋放濃度，μg/m2

L：承載率轉(zhuǎn)換系數(shù)，L=標(biāo)準(zhǔn)艙法承載率/袋式法承載率。

經(jīng)轉(zhuǎn)換后，線纜的單位表面積TVOC釋放濃度(TVOC-surface-converted)數(shù)據(jù)如表1線纜的單位表面積各VOC釋放濃度。

3.2 線纜的含量測試

線纜的含量的測試結(jié)果。本次試驗(yàn)依據(jù)1.2的方法進(jìn)行，測試結(jié)果主要涉及苯、甲苯、乙苯、十甲基環(huán)戊基硅氧烷等物質(zhì)，具體如表2線纜中各VOC含量測試結(jié)果。

表1 線纜的單位表面積各VOC釋放濃度

表2 線纜中各VOC含量測試結(jié)果

3.3 VOC物質(zhì)含量及釋放量相關(guān)性評估

線纜VOC含量和釋放量的關(guān)聯(lián)評估參考美國EPA木制品甲醛法規(guī)，于軌道交通線纜的VOC含量測試數(shù)據(jù)和其VOC釋放量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，計算關(guān)聯(lián)方程。如果關(guān)聯(lián)方程的相關(guān)系數(shù)符合當(dāng)自由度等級(n-2≥10)，相關(guān)系數(shù)r>0.576時，則相關(guān)性成立，相關(guān)系數(shù)r<0.576時，則相關(guān)性不成立。

1)經(jīng)計算，苯含量及釋放量相關(guān)性方程為：y=1.982 5 x-381.32，其相關(guān)系數(shù)r>0.576，則苯含量及釋放量相關(guān)性成立。見圖1苯含量及釋放量相關(guān)性。

2)經(jīng)計算，甲苯含量及釋放量相關(guān)性方程為：y=0.127 2 x-54.294，相關(guān)系數(shù)r>0.576，則甲苯含量及釋放量相關(guān)性成立。見圖2甲苯含量和釋放量相關(guān)性。

3)經(jīng)計算，乙苯含量及釋放量相關(guān)性方程為：y=0.163 1 x-16.862，相關(guān)系數(shù)r>0.576，則乙苯含量及釋放量相關(guān)性成立。見圖3乙苯含量和釋放量相關(guān)性。

4)經(jīng)計算，十甲基環(huán)戊基硅氧烷含量及釋放量相關(guān)性方程為：y=0.137 4 x+1 772.5，相關(guān)系數(shù)r<0.576，則十甲基環(huán)戊基硅氧烷含量及釋放量相關(guān)性不成立。見圖4十甲基環(huán)戊基硅氧烷含量和釋放量相關(guān)性。

圖1 苯含量及釋放量相關(guān)性 圖2 甲苯含量及釋放量相關(guān)性

圖3 乙苯含量及釋放量相關(guān)性 圖4 十甲基環(huán)戊基硅氧烷含量及釋放量相關(guān)性

4 結(jié)果與討論

本試驗(yàn)證明，線纜VOC釋放量和其含量之間并不是均可建立相關(guān)性，關(guān)鍵要區(qū)別兩者的意義不同，VOC釋放量是指材料中能夠釋放到空氣中的VOC的量，而VOC含量則是指該材料本身含有該VOC的量，根據(jù)不同材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)以及加工工藝的不同，導(dǎo)致釋放量大小受各種因素的影響。根據(jù)本試驗(yàn)驗(yàn)證了線纜部分主要VOC的釋放量和VOC含量存在關(guān)聯(lián)性的結(jié)果，后續(xù)研究人員應(yīng)當(dāng)在線纜生產(chǎn)中嚴(yán)格控制該類VOC物質(zhì)的使用，例如采用環(huán)保成分替換原有VOC物質(zhì)或者減低該VOC物質(zhì)的量，必然會降低線纜的VOC釋放量，達(dá)到最終優(yōu)化客室內(nèi)空氣質(zhì)量的。

5 結(jié)語

對于本試驗(yàn)中涉及的線纜，可以建立相關(guān)性的有苯、甲苯、乙苯、六甲基環(huán)三硅氧烷、八甲基環(huán)四硅氧烷五種物質(zhì)，十甲基環(huán)戊基硅氧烷暫未能建立相關(guān)性。若對線纜采取針對該六種VOC物質(zhì)的含量進(jìn)行重點(diǎn)管控，理論上可最終達(dá)到減少線纜TVOC的釋放，改善軌道交通車輛整車空氣質(zhì)量。