面向消費者感知的整車TVOC持續優化提升

陳德美 劉樹文 / 文

前言

隨著汽車越來越多進入家庭，車內空氣污染問題日益受到關注。其主要原因，一是社會公眾的環境意識和自我保護意識不斷提高，對直接關系身體健康的車內空氣質量關注度增強；二是消費者對汽車舒適性和感觀的要求越來越高，為適應消費者的要求，汽車企業不斷提高車內設施的裝飾水平及車廂密閉性，使車內空氣污染物更容易聚積而產生污染。

因此，開展對車內空氣中揮發性有機物尤其是TVOC（總揮發性有機物）的研究，將為解決車內空氣污染問題、提高汽車制造技術水平、保護消費者的健康發揮重要作用。上汽集團秉持用戶滿意的企業宗旨，堅定履行負責任企業的社會義務，組織所屬乘用車企業開展跨企業整車TVOC聯合改進提升攻關活動，并將成果固化與實施，全面提升上汽乘用車產品TVOC質量水平。集團由主管副總裁掛帥，全面領導車內空氣質量提升工作；任命泛亞技術中心TVOC專家作為技術負責人，全權負責車內空氣質量提升的技術方案與實施；打破不同企業間的界限，融合上汽大眾、上汽通用、上汽乘用車、上汽通用五菱、上汽大通等骨干企業在TVOC專業上的人才、技術、資源各方面的優勢；匯聚上汽所屬整車和關鍵零部件企業中技術、質量、測試、制造、采購、供應商管理方面的精兵強將、專家隊伍，團結在“上汽”旗幟下，共創共贏，歷時一年取得良好成效。此項目涵蓋了環境保護、化學分析測試以及汽車零部件、材料生產等領域[1～3]。本文的重點是對整車TVOC進行溯源分析研究，并對關鍵材料及零部件進行專項提升，最終完成整車TVOC的優化。

1 整車TVOC溯源分析

1.1 整車TVOC貢獻關鍵物質識別

TVOC是總揮發性有機化合物的簡稱。任何液體或固體在常溫常壓下自然揮發出來的有機物即為總揮發性有機化合物。本項目用Tenax TA采樣、非極性色譜柱（極性指數小于10）進行分析，將保留時間在正己烷和正十六烷之間的揮發性有機化合物定義為整車TVOC[4]。

由于車內空間使用材料種類眾多，如膠類、發泡、皮革、塑料等，其TVOC中包含的揮發性有機物包括烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮類及其它，種類數量多達幾百種，但多數揮發濃度較低。降低整車TVOC的首要問題是針對車內空氣主要成分進行分析，找到整車TVOC需控制的關鍵化學物質種類及范圍。

本項目利用氣相色譜質譜聯用儀對整車空氣采樣樣品進行全譜定性分析，識別各揮發組分的具體化學物質，用甲苯半定量法對識別出的化學物質進行定量。氣相色譜質譜聯用是指利用氣體作流動相的色層分離分析方法。工作原理圖如圖1所示。

圖1 氣相色譜質譜聯用儀原理示意圖

應用這一方法對整車空氣采樣樣品進行全譜定性分析，通過大量的整車色譜數據積累，我們定義單個揮發性有機化學物質濃度高于0.3mg/m3為整車TVOC的主要貢獻物質。通過這一方法，可以從上百種物質中有效識別出整車TVOC貢獻占比85%以上的化學物質。如表1我們以部分車型為例，發現這些車型整車TVOC揮發性有機物中，“Heptane, 2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”兩種揮發物質為整車TVOC的主要貢獻物質。

表1 部分車內空氣中整車TVOC關鍵貢獻化學物質

1.2 整車TVOC在內飾材料及零部件中的溯源研究

這類揮發物質屬于長鏈烷烴，通常我們認為該類物質的揮發主要由車內內飾零件中所應用的各類材料散發所貢獻。因此，研究初期我們主要針對車內內飾關鍵材料及零件，開展TVOC的提升優化研究。

1）聚丙烯材料——主要應用于內飾儀表板/門板/立柱

聚丙烯由丙烯單體進行聚合，聚合完成后，會或多或少殘留丙烯單體以及催化劑。同時，聚丙烯材料中使用的助劑一般由低分子物質組成，在體系中提供耐候、耐刮擦等功能。這些低分子化合物中有一些小分子物質，會影響零件的VOC揮發。

此外，汽車內飾儀表板/門板/立柱零件的生產制造中，聚丙烯材料經過注塑受高強剪切的作用，會產生大量的剪切熱，同時在氧氣的存在下，聚丙烯自身的氫原子容易被氧化，導致聚合物鏈段發生斷裂，生成各種長鏈烷烴的副產物，從而影響最終制品的TVOC散發。如圖2所示。

圖2 聚丙烯原材料分子鏈降解示意圖

在TVOC提升項目中，我們通過對聚丙烯材料生產過程工藝進行優化，一方面提高擠出生產線真空泵系統的真空度，提高生產過程中對小分子物質的去除效率；另一方面增加聚丙烯原材料的后烘烤工藝，通過粒子的循環烘料來加速副產物的揮發，從而解決最終制品的散發問題，總體可以降低聚丙烯原材料50%的TVOC散發量。

2）內飾膠粘劑材料——主要應用于頂襯/地毯

汽車內飾會使用多種溶劑型膠粘劑，如頂襯復合膠粘劑、地毯膠粘劑、塑料膠粘劑等。膠粘劑在使用過程中會釋放甲醛、苯、甲苯、二甲苯及其他揮發性有機物。為了解決該問題，我們推薦供應商優先使用水性膠粘劑或采用不含溶劑熱熔型膠粘劑。

本項目中，通過頂襯零件膠水的切換研究發現：使用環保型膠水后，頂襯總成TVOC散發均有大幅下降，平均可以下降50%。如表2所示。

表2 頂稱零件膠水切換前后TVOC測試數據

3）聚氨酯材料——主要應用于座椅發泡/地毯發泡

聚氨酯發泡配方中揮發類物質，主要來源于聚醚多元醇和聚合物多元醇，主要是因為合成多元醇過程中的反應物質自氧化和降解產生。其降解機理如圖3所示。因此，控制原料純度是控制最終發泡制品散發性能的關鍵。我們推動主要發泡供應商建立了完整的原材料小分子副產物的質量監控要求，從而提升了最終零件的散發表現。

圖3 聚氨酯原材料分子鏈降解示意圖

通過內飾零件及材料的總碳散發優化和管控，我們對整車TVOC進行了檢測。檢測結果如圖4所示，整車TVOC散發下降并不明顯，約20%，未達到預期的控制目標。因此，需要針對整車TVOC進行進一步的溯源研究，尋找其他關鍵污染源。

圖4 關鍵內飾零件改進前后對整車TVOC的影響

為了進一步鎖定某類整車TVOC中主要貢獻物質的來源，我們針對整車進行了整車內飾的分步拆解與回裝。每拆解或回裝一種內飾零件，就對整車進行一次車內空氣采樣分析[7～8]，并對“Heptane,

1.3 整車TVOC在整車中的進一步溯源研究

2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”兩種揮發物質進行定量。

我們發現在內飾零件逐步拆解的過程中，車內兩種物質的濃度并未下降。當所有內飾零部件都拆掉情況下，車內兩種VOC濃度依然在20mg/m3以上，如圖5。

圖5 某車型拆解過程中兩種主要VOC的濃度變化

而在零件的回裝過程中，車內兩種物質的濃度卻隨著回裝零件的增加逐步降低。當所有內飾零部件回裝完成后，兩種物質的濃度降為最低，如圖6。此外，無論在拆解還是回裝過程中，兩種化學物質的濃度變化趨勢基本一致。因此，我們判斷該類整車TVOC貢獻的主要污染源并非傳統的車內內飾零件，而是車身的某個零件或材料，且這兩種物質均為同一污染源貢獻。

圖6 某車型回裝過程中兩種主要VOC的濃度變化

為了最終鎖定整車TVOC污染源，我們參考車內空氣質量測試的采樣分析方法，開發了適用于零部件及材料級別的散發性能測試方法Tedlar Bag 2000L袋子法。采用與整車一致的氣相色譜質譜聯用方法對零部件或材料的揮發性有機物進行全譜定性分析及半定量。采用該方法，我們對的乘客艙內零件及車身上的膠類材料進行了測試分析。通過全譜分析，比對整車與測試零部件和膠類材料的色譜譜圖，查找貢獻“Heptane,2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”兩種關鍵化學物質的污染源。最終發現除了內飾零件外，車身拼接焊縫的PVC油漆密封膠同樣含有長鏈烷烴物質，且其含量遠大于車內內飾零件及材料，如圖7所示。因此，我們判斷PVC油漆密封膠也是車內TVOC的主要貢獻源。

圖7 整車及對應車型油漆密封膠氣相色譜色譜圖

2 關鍵材料及零部件TVOC提升優化

通過上述整車TVOC溯源分析，項目鎖定某車型的整車TVOC主要貢獻源為應用于車身拼接焊縫的PVC油漆密封膠。針對油漆密封膠，我們從原材料配方到生產工藝中的各個環節進行重點攻關。將從整車到材料的溯源方法同樣應用到油漆密封膠的配方研究中，將油漆密封膠中各組分如表3所示打散，單獨分析其化學組分是否與整車及油漆密封膠成品中的TVOC貢獻物質匹配，最終鎖定配方中的溶劑化學組分與整車中TVOC的主要貢獻組分一致。我們通過在配方中去除溶劑，并將增塑劑等其他配方組分優化，以達到大幅降低油漆密封膠產品TVOC散發的效果，同時保證產品性能及在整車上的應用工藝不受影響。

表3 油漆密封膠配方分析

為了進一步提升產品TVOC散發性能，保持產品車內空氣質量在國內的領先地位，最終，項目結合油漆密封膠及關鍵內飾零件及材料的TVOC的改進形成完整的整車TVOC提升技術方案。具體實施方案如表4所示。

表4 整車TVOC優化提升方案匯總

3 整車TVOC優化驗證

作為整車TVOC提升攻關活動的成果之一，上汽確定了乘用車產品整車TVOC限值的集團標準，率先完成下屬所有乘用車品牌各車型的TVOC提升工作，并將技術經驗在集團內部進行分享。

按照集團標準，我們對部分車型進行了整車TVOC的常溫及高溫驗證。我們發現，通過關鍵內飾材料及零件TVOC提升并結合油漆密封膠的TVOC改進，整車TVOC得到大幅優化，TVOC常溫及高溫測試值如圖8所示，下降約85%，同時滿足表5所示的上汽集團對于整車TVOC的控制要求。

圖8 整車TVOC常溫及高溫工況下驗證結果

表5 上汽集團整車TVOC限值要求

4 整車TVOC攻關提升成果固化

1）完成“SAIC 002-2019《整車車內揮發性有機物及醛酮類物質測試方法》”；“SAIC 003-2019《整車總揮發性有機化合物測試及控制目標》”兩份上汽集團企業技術標準，并于2020年1月1日正式發布實施。所有在產乘用車產品和新開發車型均需嚴格按照集團標準執行。

2）完成上汽集團所屬乘用車品牌各車型整車TVOC改進目標。

3）編制、優化整車車內空氣質量監控工作流程，加大整車TVOC日常質量監控的頻次和工作力度，確保在產整車TVOC質量。

4）各整車企業將TVOC質量目標和提升要求向供應鏈各關鍵供應商進行傳遞，重新簽署關鍵零部件TVOC質量指標，大幅收緊TVOC限值，嚴格各項質量管控措施，帶動材料供應商、內外飾供應商、粘結劑供應商等，共同改進提升TVOC散發質量水平，確保整車TVOC指標達標。

5 結論

1) 通過氣相色譜質譜聯用儀對整車空氣采樣樣品進行全譜定性分析，可以有效識別各揮發組分的具體化學物質，找到整車TVOC主要污染物質。

2) 通過整車內飾零件的拆解回裝分析，可以找到整車TVOC的關鍵貢獻材料及零件。

3) 將TVOC的溯源分析技術應用于關鍵材料及零部件的提升優化中，有效優化了相關材料及零件的TVOC性能。

4) 整車實驗表明，通過關鍵內飾材料及零件TVOC提升并結合油漆密封膠的TVOC改進，整車TVOC得到大幅優化，TVOC常溫及高溫測試值可以下降約85%。

5) 固化各項攻關成果和管理措施，確保上汽整車TVOC質量高水平保持穩定。