整車VOC揮發特性研究

2021-11-18 07:04:14張志洪許加升官小芬步玉磊黃文捷

環境技術 2021年5期

張志洪，許加升，官小芬，步玉磊，黃文捷

（廣汽本田汽車有限公司，廣州 510700）

引言

近年來，我國汽車保有量逐年增加，駕駛者和乘客每天乘坐在車內的時間達到數十億小時，該數字預計還將以每年約7 %的速率快速增長[1]。在這樣的大背景下，以揮發性有機化合物（VOC）為主要成分的車內空氣污染成為了影響人們身體健康的重要問題，并受到了越來越多的關注[2-4]。2013年在北京召開的第九屆環境與發展論壇首屆車內空氣質量與發展國際峰會上，指出車內空氣污染問題成為繼中國裝飾裝修和家具污染、室內環境中的PM2.5污染之后第三大危害人們身體健康的室內環境污染問題之一。世界衛生組織WHO也將VOC列為影響現代人體健康的十大威脅之一，當車內VOC達到一定濃度，就會使人們感到頭痛、惡心、嘔吐、乏力等，嚴重時會出現抽搐、昏迷，并會傷害到人的肝臟、腎臟、大腦和神經系統，造成記憶力減退、引發嬰兒畸形、白血病等嚴重后果[5-7]。

隨著車內空氣質量投訴事件的增多以及媒體的頻頻曝光，我國政府逐漸加大對車內VOC的管控力度。我國于2007年和2011年分別發布了HJ/T 400-2007《車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》[8]和GB/T 27630-2011《乘用車內空氣質量評價指南》，規定了車內揮發的甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等8種VOC物質的限值要求[9]。在HJ/T 400-2007標準中規定了車輛準備階段時間不少于6小時，并沒有具體明確準備階段時間，而且該標準規定了車輛在常溫的環境中，處于靜止的狀態下進行測量，但往往消費者抱怨的是夏季高溫狀態車內VOC引發的異味問題。在車輛的實際使用過程中，車內VOC含量受到的影響因素較多[10-15]。

基于上述問題，本文開展了整車VOC的揮發特性研究，探討了常溫狀態下車輛準備階段時間、封閉階段時間以及高溫和空調狀態對車內VOC含量的影響規律，為進一步推動相關標準體系的完善提供有力的數據支持，為車企順利開展車內VOC項目提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 試驗車輛

M1類中檔新車（車內飾保持原出廠時的狀態，座椅內飾為真皮，下線時間均為7天，行駛里程均小于10 km）。

1.2 實驗設備與試劑

實驗設備主要有：整車VOC采樣艙（東莞市升微機電設備科技有限公司，型號VA-120）；高效液相色譜儀（美國Agilent公司，型號1260 Infinity II）；熱脫附氣質聯用儀（美國PerkinElmer公司，型號Turbo Matrix ATD 400；美國Agilent公司，型號6890N-5975i）；氣體采樣泵（日本GL Sciences公司，型號SP208-1000DualⅡ）；DNPH采樣管（日本GL Sciences公司，型號380-00863-02）；Tenax采樣管（美國PerkinElmer公司，型號N930-7012）。

實驗試劑主要有：乙腈（上海安譜科學儀器有限公司，型號4.003306.4000，HPLC級純）；醛酮-DNPH混標（美國Supelco公司，型號CRM47285，濃度15μg/mL）；VOC混標（環境保護部標準樣品研究所，10 ug/mL，100 ug/mL，1 000 ug/mL）；高純水。

1.3 實驗方法

1.3.1 常溫狀態測試方法

把整車VOC采樣艙的溫度設置為25 ℃，相對濕度設置為50 %，艙內各處風速不超過0.3 m/s，啟動整車VOC采樣艙。在采樣艙外把車內飾件表面的覆蓋物去除，將試驗車輛推進采樣艙中，打開車門、車窗及后尾箱門，靜止放置一定時間，此階段為準備階段。采樣點布置在前排座椅頭枕連線的中點，高度與駕乘人員呼吸帶高度相一致，將聚四氟乙烯采樣導管從車門下邊縫伸出，然后關閉全部的車門、車窗及后尾箱門，進入封閉階段。封閉一定時間后，對車內空氣進行采樣，Tenax采樣管的采樣流速設為100 mL/min，DNPH采樣管的采樣流速設為400 mL/min，采樣時間設為30 min，并且記錄采樣時車內外的溫度、濕度及環境氣壓。

1.3.2 高溫狀態測試方法

常溫階段（準備通風6 h，封閉16 h）采樣結束后，進入高溫試驗階段。啟動采樣艙內頂部的紅外照射加熱系統，模擬陽光垂直照射試驗車輛，車頂的輻照強度為（400±50）W/m2，對車輛持續照射3.5 h后，對車內空氣進行采樣，Tenax采樣管和DNPH采樣管的采樣流速和采樣時間與常溫階段相同。

1.3.3 空調狀態測試方法

在高溫狀態試驗結束后，進入空調狀態試驗前，首先將采樣艙的排風管連接到試驗車輛的尾氣管上，啟動采樣艙的尾氣抽排系統，把尾氣抽排到采樣艙外，避免采樣艙內環境受到污染影響測試結果，同時保持紅外照射加熱系統處于開啟狀態。試驗人員在1 min內快速完成打開車門進入車內、啟動發動機、開啟空調系統（內循環，23 ℃，風量最大）、下車關閉車門等一系列動作，然后對車內空氣進行采樣，采樣方法與常溫階段相同。

2 試驗結果與討論

2.1 準備階段時間對車內VOC的影響

試驗車輛在常溫狀態的整車采樣艙里，分別放置6 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h的準備時間后，進入封閉階段，封閉16 h后對車內空氣VOC進行采樣，使用液相色譜儀分析所采集樣品的醛醛類物質，使用熱脫附氣質聯用儀分析所采集樣品的苯系物，所得的測試結果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著準備階段時間的增加，醛類物質和苯系物的含量均呈下降的趨勢，當準備階段時間達到24 h或28 h，醛類物質和苯系物的含量均達到最低值并趨于平衡；準備階段時間從6 h增加到24 h，甲醛下降17 %、乙醛下降35 %、苯下降44 %、甲苯下降67 %、乙苯下降61 %、二甲苯下降54 %、苯乙烯下降57 %，苯系物的衰減率達到44 %以上，而醛類物質的衰減率相對較低，主要是由于苯系物和醛類物質釋放特性不同造成的，苯系物主要通過自由釋放散發，而醛類物質一部分通過自由釋放散發，而另一部分通過阻隔性釋放和化學性釋放散發的，阻隔性釋放和化學性釋放的散發速率相對自由釋放較慢[16]，從而導致醛類物質的衰減率相對苯系物較快。

圖1 準備階段時間對醛類物質和苯系物含量的影響

2.2 封閉階段時間對車內VOC的影響

試驗車輛在常溫狀態的整車采樣艙里，準備階段放置6 h后，進入封閉階段，分別封閉12 h、16 h、20 h、24 h、32 h后對車內空氣VOC進行采樣，所得的測試結果如圖2所示。

從圖2可以看出，當封閉階段時間增加時，各VOC物質的含量隨著增加，隨著封閉時間的進一步延長，各物質的增加速率變緩慢。封閉時間從6 h增加到32 h時，甲醛增加25 %、乙醛增加28 %、苯增加56 %、甲苯增加45 %、乙苯增加50 %、二甲苯增加33 %、苯乙烯增加39 %。封閉時間從24 h增加到32 h時，各物質的增長率在2~5 %之間。根據PoLanyi的多層吸附理論[17]，車內VOC發生脫附時，各VOC物質從內飾件外層到內層依次脫附，脫附難度隨著吸附層的增加而逐漸增加，從而導致內層的吸附層相對難以脫附，因此車內的VOC濃度隨著封閉時間的進一步延長，各物質的增加速率變緩慢。

圖2 封閉階段時間對醛類物質和苯系物含量的影響

2.3 高溫和空調狀態對車內VOC的影響

對5輛試驗車輛分別進行了常溫狀態25 ℃、高溫狀態（輻照強度400±50 W/m2）及空調狀態的車內VOC采樣，測試結果如圖3~9所示，圖中數據分別以高溫狀態和空調狀態的含量與常溫狀態的含量比值來繪圖。

從圖3~9可見，車內醛類物質在高溫和常溫狀態下的含量比值范圍為2.2~10.0，在空調和常溫狀態下的含量比值范圍為0.7~1.8；苯系物在高溫和常溫狀態下的含量比值范圍為2.0~6.8，在空調和常溫狀態下的含量比值范圍為0.7~1.6。車輛經過照射3.5 h后，車內高分子材料會隨著車內溫度的升高出現降解或小分子的滲出現象，并且內飾件中各類有機物的散發速率也會隨著車內溫度的升高而加快，使得車內VOC釋放量增大。空調開啟30 min后，空調的過濾作用使車內VOC含量能快速降低至常溫狀態的相當水平。