軌道車輛司機室操作臺復合材料VOC和氣味改善研究

鐘源 李人哲 關玲玲

摘要：VOC改善是提高材料環(huán)保指標的重要方法，更改材料配方，烘烤后處理，通風后處理是改善VOC的三個主要措施，文章選用司機室操作臺FRP，PUR，PHONEY三種材料，采用烘烤結合通風的后處理工藝和更換材料的方法，驗證分析了其對VOC和氣味的改善效果，改善后TVOC散發(fā)濃度符合中車企標要求。

關鍵詞：司機室操作臺;烘烤;更換材料;VOC和氣味;改善

中圖分類號：X322 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.136

Abstract：VOC improvement is an important method to enhance the environmental protection index of materials. Changing the material formulation， post-baking treatment， and post-ventilation treatment are the three main measures to improve VOC. In this paper， three materials of driver's cab console， FRP， PUR and PHONEY， are selected. The post-treatment process of baking combined with ventilation and the method of replacing materials were used to verify the improvement effect of VOC and odor. The improved TVOC emission concentration met the requirements of CRRC's standard.

Keywords： driver's cab console;baking;replace materials;VOC and odor;improvement

1 前言

操作臺是軌道車輛司機室內(nèi)最主要的組成部分，其上布置了各種操作設備和顯示儀表，是操縱列車運行的人機界面。隨著軌道交通材料輕量化技術的發(fā)展，越來越多的新型材料在操縱臺和其他結構的部件生產(chǎn)中得到廣泛應用，如：玻璃鋼、碳纖維復合材料、鋁蜂窩等。顯而易見，非金屬材料在生產(chǎn)過程中會使用大量的聚合物單體，溶劑，增塑劑，粘合劑、阻燃劑等有機成分，因此不可避免地帶來揮發(fā)性有機物的釋放。同時，由于司機室密閉且空間狹小，工作人員長期頻繁暴露其中，空氣質(zhì)量污染問題尤為值得重視。

本文對部件VOC改善的方法進行了綜述分析，同時選用司機室操作臺使用的三種代表性材料，探討了通風烘烤后處理工藝及更換材料兩種方法對VOC和氣味的改善效果。

2 VOC改善方法研究綜述

2.1 更改材料配方或工藝

VOC含量在一定程度上與生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)原材料等方面密切相關， 源頭管控實際影響的是材料初始可散發(fā)濃度，是VOC改善最有效的方法之一。伴隨環(huán)保需求的不斷提高，越來越多的新型低VOC材料被開發(fā)和應用。張偉[1]等通過篩選PP 樹脂基體，同時添加納米氧化鋅和納米二氧化鈦氣味吸收劑的方法制備了低氣味、低VOC 的玻璃纖維增強PP 材料，該材料生產(chǎn)的空調(diào)系統(tǒng)電機風扇葉輪氣符合指定的氣味要求。熊武[2]等通過對產(chǎn)品配方的調(diào)整成功制備了固體分高達90%以上的機車車輛用硅氧烷改性聚酯涂料，施工VOC含量低，具有綠色環(huán)保的施工性能。

2.2 高溫烘烤后處理

材料生產(chǎn)下線后，其初始可散發(fā)濃度可以認為是一定的，VOC的改善重點在于如何影響材料內(nèi)部擴散系數(shù)和氣固界面的分離系數(shù)。考慮到VOC的散發(fā)速率正比于擴散系數(shù)，因此，可以通過加熱的方式提高擴散系數(shù)以達到加速VOC釋放的目的[3]。但是非金屬材料不僅僅是VOC的釋放源，同時也是VOC的吸收源。當外界VOC濃度高于材料中VOC的濃度時，材料由VOC的釋放源變成吸收源，當外界VOC濃度低于材料中VOC濃度時，吸收的VOC會再次從材料中釋放出來，成為二次釋放源。高溫烘烤會使環(huán)境中的VOC濃度升高，因此通常會結合排風處理工藝一起進行以減少材料本身VOC的殘留。鄭曉紅[4]對比了換氣率為10次/h的情況下，不同溫度時室內(nèi)VOC濃度的變化情況，隨著溫度的升高，室內(nèi)VOC濃度水平達到標準值的時間逐漸縮短。

2.3 通風后處理

相比于烘烤后處理工藝，單純的通風處理對VOC的改善效果需要較長的時間。因為通風降低的是環(huán)境中的VOC， 直接影響材料氣固界面的分離系數(shù)，通過材料內(nèi)部和表面形成的濃度差來增加材料內(nèi)部的擴散效果。胡懿[5]等對比了地板布及其粘結樣件通風放置后VOC的改善效果，通常放置7天，大部分材料的TVOC含量能減少30%～50%左右。

3 操作臺復合材料VOC改善研究

本研究采用高溫烘烤結合通風處理的方法對操作臺復合材料：玻璃鋼（GFRP）、聚氨酯發(fā)泡（PUR）和芳綸蜂窩（PHONEY）進行后處理，為了進一步提高VOC改善效果將烘烤參數(shù)調(diào)整為80℃/6h，通過對比后處理前后TVOC的變化及其中車標的符合性確認改善成果。

3.1 儀器和耗材

熱脫附氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（TDS-GCMS，Gerstel德國， 7890B-5977B美國安捷倫）;高效液相色譜儀（HPLC，Agilent1260，美國安捷倫）;恒流空氣采樣泵（GilAir-5RP，美國GilAir）;真空泵（GM-0.33Ⅱ，天津津騰）;充氣裝置（AP Sampler VL050，寧波環(huán)測）;PVF采樣袋（1000L，大連德霖）;高溫烘箱。

3.2 材料和試劑

選取三種用于制造軌道車輛司機室操作臺的材料，材質(zhì)分別為GFRP、PUR和PHONEY，各兩塊，每塊樣品表面積為1m2;高純氮氣（99.99%，東莞空氣化工）;乙腈（HPLC級別，默克）。

3.3 測試流程

試驗分為兩組進行，一組為未經(jīng)高溫烘烤的樣品，另一組為經(jīng)高溫烘烤的樣品。具體測試流程如下：（1）將材料放入加熱至80度的高溫烘箱內(nèi)，烘烤6h，取出冷卻至室溫。（2）將樣品置于25℃、50%濕度條件下平衡24h，放入1 000L的PVF袋中密封，用高純氮氣清洗三次袋子后，充入500L高純氮氣。（3）將裝有樣品的袋子放置于25℃條件下，16h后用Tenax-TA管采集苯系物和總揮發(fā)性有機物（TVOC），用DNPH管采集醛酮類物質(zhì)。Tenax-TA管的采集流速為200mL/min，采集氣體3L;DNPH管的采集流速為800mL/min，采集氣體12L。采集完成后對袋中剩余氣體參考VDA 270進行氣味等級評價。（4）采集好的Tenax-TA管采用TDS-GCMS分析苯系物和TVOC，并依據(jù)NIST-2017譜庫對VOC成分進行全譜分析;采集好的DNPH管用乙腈進行洗脫后，溶液用HPLC分析醛酮類物質(zhì)。

3.4 結果分析與討論

3.4.1 TVOC改善效果

本文對產(chǎn)品符合性的評價參照中國中車發(fā)布的企業(yè)標準《軌道交通車輛客室、司機室揮發(fā)性有機化合物管控技術要求（試行）》版進行，根據(jù)管控類別操作臺GFRP和PHONEY材料應符合8.5mg/m3的限值要求，PUR材料沒有對應的產(chǎn)品類別，考慮到其同屬于操作臺材料，參照8.5mg/m3的限值要求進行管控。如表1所示，三種材料在80℃通風烘烤6h后TVOC濃度水平均有大幅下降，其衰減率分別為83.3%， 64.6%， 54.2%。其中GFRP和PUR兩種材料的散發(fā)結果已明顯低于管控指標要求。PHONEY的散發(fā)濃度依然很高，需要經(jīng)過更長時間的處理或者更換材料的方式來提高產(chǎn)品環(huán)保性能。由于車輛實際生產(chǎn)過程對時間要求苛嚴，部件后處理的時間延長，有可能影響交付時間，因此選擇更改材料的方式從根本上解決VOC的污染問題。操作臺材料PHONEY為一種夾芯結構的復合材料，由以纖維增強材料+樹脂復合材料為面板、以芳綸蜂窩為夾芯層的結構組成。根據(jù)VOC多層擴散的機理，部件機體內(nèi)材料中的VOC需要通過內(nèi)部擴散到表層后再釋放到環(huán)境中，實驗研究結果表明材料內(nèi)部擴散平衡的時間在14h-48h[6]，而袋式法測試的平衡時間為16h，因此檢測到的VOC以表面材料釋放為主，所以首先考慮更換樹脂面板。將酚醛樹脂面板更換為環(huán)氧樹脂面板后，未經(jīng)烘烤處理袋式法TVOC散發(fā)結果為5.369mg/m3，符合中車企標限值管控要求。

3.4.2 氣味改善效果

TVOC散發(fā)濃度測試的同時，對材料氣味變化情況也進行了研究，由5位氣味評價員參考VDA 270對采樣后PVF袋中剩余氣體進行嗅辯。其氣味強度等級變化如表2所示，針對GFRP和PUR兩款材料經(jīng)過烘烤處理后氣味等級有一定降低，PHONEY材料在烘烤處理和更換面板材料后氣味等級有一定提高。可見TVOC含量的降低并不一定會使氣味等級降低，主要原因如之前研究[7]所述，VOC含量和氣味貢獻程度有一定關聯(lián)，但是在同一個測試中單個VOC 含量的高低與其對氣味的貢獻程度并沒有必然的關系。氣味的改善首先要確認對氣味貢獻明顯的物質(zhì)后再有針對性地找到對應的治理辦法。依據(jù)基于嗅閾值的氣味評價方法[8]，氣味活度值（OAV）越高，化合物對氣味的貢獻程度越大。以PHONEY材料為例，相比與材料的初始狀態(tài)，烘烤處理后氣味活度值TOP10物質(zhì)中新增了幾種醛類，比如：辛醛、壬醛、己醛、乙醛等;更換面板材料后氣味活度值TOP10物質(zhì)中新增了辛醛、乙醛、壬醛等;推斷這幾種醛類物質(zhì)是引起氣味強度升高的關鍵所在。局限的是氣味活度值只能評價單一成分的氣體情況，混合組分的氣體目前還沒有驗證有效的方法。因混合氣體間存在協(xié)同、累加、拮抗[9]等相互作用，不能通過簡單的加和計算來操作來評估，這也是單個氣體氣味活度值高，但是混合氣味強度等級評估值低的可能原因。

4 結論

本文結合材料中VOC釋放的機理對材料VOC的改善進行了綜述分析，更改材料配方或工藝是VOC源頭管控的有效措施，烘烤和通風后處理對材料VOC改善均有效果，但處理條件對改善效果有顯著影響;同時選用烘烤結合通風處理和更改材料的方法對司機室操作臺FRP，PUR，PHONEY三種材料VOC和氣味改善效果進行了驗證分析，改善后三種材料TVOC的散發(fā)濃度均符合中車標的管控要求。

參考文獻

[1]張偉，孫圳，吳玉成.低氣味低VOC 玻纖增強聚丙烯材料的研制[J].工程塑料應用，2017，45（1）：35-38.

[2]熊武，龔文晶，李勝群.一種機車車輛用聚硅氧烷改性聚酯涂料研究[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2019，20（10）：9-14.

[3]熊建銀.建材VOC散發(fā)特征性研究：測定，微觀詮釋及模擬[D].北京：清華大學，2010.

[4]鄭曉紅，錢華，王如竹，等.烘焙和通風對室內(nèi)VOC濃度分布的影響及預測[J].東南大學學報：自然科學版，2009，39（5）：978-982.

[5]胡懿，劉豐芹.城軌車輛內(nèi)裝飾材料對空氣質(zhì)量的影響[J].電力機車與城軌車輛，2019，42（5）：31-35.

[6]姚遠，家具化學污染物釋放標識若干關鍵問題研究[D].北京：清華大學，2011.

[7]李人哲，鐘源，關玲玲，等.某軌道車輛司機室整車及其內(nèi)飾材料氣味溯源研究[J].電力機車與城軌車輛，2019，42（6）：44-47.

[8]李人哲，鐘源，關玲玲，等.嗅閾值在軌道車輛內(nèi)飾材料氣味溯源中的應用[J].中國科技縱橫，2019，（11）：81-83.

[9]王鑫，傅強，忽波.基于GC-O和OAV方法前壁板隔音墊氣味物質(zhì)研究[J].汽車零部件，2018，（11）：70-74.

收稿日期：2020-07-18

作者簡介：鐘源（1979-），男，漢族，碩士研究生，高級工程師，研究方向為軌道車輛產(chǎn)品環(huán)保研究。