汽車頂棚總成VOC性能的改善研究

曹中華 李海彥 羅吉

摘要：為解決車內易揮發有機物（VOC）污染問題，以汽車頂棚總成為例，通過對其產品及原材料VOC檢測、生產工藝和儲存環境影響與分析，提出相應的改進措施和方法，從而開展基于材料、零部件及成形工藝的汽車頂棚總成低VOC綠色設計與開發，為主機廠和配套商提供汽車頂棚總成VOC溯源分析和低VOC材料工藝解決方案。

關鍵詞：VOC 汽車頂棚總成 原材料 生產工藝

中圖分類號：U463.8? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220384

Abstract： This paper proposed improvement measures and methods to eliminate Volatile Organic Compounds （VOC） pollution inside vehicle through testing VOC in the product and raw material， impact analysis of manufacturing technologies and storage environment. The purpose of this study was to help enterprises carry out low VOC green design and development of automobile roof based on materials， parts and forming process， and provide traceability analysis of automobile roof for automotive OEMs and parts suppliers and solutions to low VOC material process.

Key words： VOC， Automobile roof assembly， Raw material， Manufacturing process

作者簡介：曹中華（1985—），男，工程師，學士學位，研究方向為汽車內飾NVH和VOC的改善研究。

參考文獻引用格式：

曹中華， 李海彥， 羅吉. 汽車頂棚總成VOC性能的改善研究[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 43-49.

CAO Z H， LI H Y， LUO J. Research on VOC Performance Improvement of Automobile Roof[J]. Automobile Technology & Material， 2023（5）： 43-49.

1 前言

隨著我國汽車工業的迅速發展，汽車保有量持續增長，汽車已成為現代生活中不可或缺的一部分。汽車作為現代社會中不可缺少的生活空間，提高汽車產品的健康環保性能，滿足消費者對高質量產品的需求，正成為我國汽車行業新的發展趨勢。2021年在國家市場監督管理總局缺陷產品召回中心采信的第三方平臺上的3 100多宗車主投訴數據市場調研結果顯示，截止2021年12月底，我國車內異味累計投訴量高達29 213宗，投訴車主普遍認為車內氣味對駕乘人員健康、心情以及駕駛感受的影響較大，分別占比65.3%、45.4%和44.2%，超半數投訴車主聲稱出現了“頭暈、頭痛”、“咳嗽、咽喉不適”以及“惡心、嘔吐”癥狀[1]。

汽車頂棚總成作為整車內飾的重要組成部分，也是整車內飾面積最大的零部件之一，因此汽車頂棚總成對整車VOC的影響不容忽視。解決汽車頂棚總成VOC性能問題必須在生產制造源頭對車內空氣污染物進行控制。本文通過對汽車頂棚總成及其原材料VOC含量的檢測、生產工藝和儲存環境的影響分析，提出相應的改進措施和方法。

2 汽車頂棚總成VOC含量檢測與結果

以某車型汽車頂棚總成為例，按照某企業TS-INT-001-2021《車用材料及零部件散發性能測試標準及要求》和TS-BD-003《車內零部件揮發性有機化合物的測試方法——袋子法》對正常交付狀態條件且在生產出來后15 d內送達的頂棚總成置于（22±3） ℃、相對濕度50%±5%的環境下進行預處理，然后把待測試頂棚總成放入到空白試驗合格的2 000 L的氣體采樣袋內并作封口處理，使用高純氮氣對氣體采樣袋進行氣體置換后，再向采樣袋中加入袋體積50%的高純氮氣。將采樣袋放入采樣艙中，65 ℃加熱2 h±10 min，確保受熱均勻，VOC充分散發。用TENAX-TA捕集管和DNPH捕集管分別捕集苯系類物和醛酮類物15 min，最后利用專用設備對TENAX-TA捕集管總的苯系物和DNPH捕集管中的醛酮類物資進行定量分析，最終計算出頂棚總成的VOC結果，如表1所示。

從表1可知，該頂棚總成VOC檢測結果與其標準限值要求相比，除甲醛、丙烯醛和二甲苯以外，另外5種有機物揮發物質均滿足技術要求。因此，將甲醛、丙烯醛和二甲苯含量超標問題作為重點分析和改善對象。

3 原材料影響因素及改進措施

3.1 原材料影響因素

3.1.1 頂棚總成材料組成

該車型頂棚總成的原材料主要由滌綸經編布面料、骨架膠、玻璃纖維氈、PU板材和底布（無紡布）組成，具體結構組成如圖1所示。

3.1.2 檢測方法

為分析得出汽車頂棚總成各原材料中的VOC含量，根據ISO 12219-2： 2012 Interior air of road vehicles — Part 2： Screening method for the determination of the emissions of volatile organic compounds from vehicle interior parts and materials — Bag method，對頂棚總成各原材料各裁取10 cm×10 cm的試樣分別放入10 L采樣袋中，充入5 L高純氮氣，在65 ℃恒溫恒濕艙中加熱2 h，分別采集甲醛、乙醛、丙烯醛等醛酮類物質及苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等苯系物，分別通過高效液相色譜儀和配置熱脫附儀的氣相色譜-質譜聯用儀進行定量分析，最終得出頂棚總成VOC含量[2]。

3.1.3 檢測結果

該車型汽車頂棚總成各原材料的VOC測試結果如表2所示。由表中可知，造成頂棚總成乙醛、丙烯醛和二甲苯含量超標的原材料分別是面料、骨架膠和PU板。但在本次測試中發現骨架膠中乙醛含量也存在超標的情況，且影響到頂棚總成乙醛含量上限。因此，將面料、骨架膠和PU板確定為頂棚總成原材料VOC主要研究改善方向。

3.2 原材料VOC改進措施

3.2.1 面料對VOC影響及改進措施

在面料生產過程中會添加含有甲醛的化學用品使面料平整、抗皺性強和色牢度強。磷酸三（二甲苯）酯用作織物阻燃處理劑在受熱會分解出二甲苯。此外，在面料生產、印染和后整理過程中，使用的助劑中也常含有二甲苯。這就造成了面料中甲醛和二甲苯含量的超標。

面料VOC含量超標相應優化措施：

a. 每天更換新水，保證水洗設備的清潔和清洗水的純度，同時降低水洗速度或增加水洗循環次數，使面料在紡絲過程中添加的油劑和織造過程中產生的油污充分洗除。

b. 在染色過程中添加甲醛去除劑可有效快速分解甲醛及其它醛類有機揮發物有害物質。

c. 增加烘烤工序（烘烤溫度為80 ℃，烘烤時間為8 h）使甲醛和二甲苯揮發。

為驗證上述改進措施的有效性，對改善后的面料用相同的方法進行VOC檢測，檢測結果如表3所示，可以看出，通過上述改善措施可大量減少甲醛和二甲苯的揮發，從而改善面料的VOC性能。

3.2.2 PU板對VOC的影響及改進措施

PU板是聚醚多元醇（簡稱A料）和異氰酸酯（簡稱B料）混合物為主要原料，同時添加一些助劑聚合反應而成。通過PU板VOC測試結果，對頂棚總成VOC的影響主要是醛類。醛類主要是來自A料，其含有一定量的游離醛類物質。此外，醚鍵對氧的作用非常敏感，在高溫作用下極易被氧化從而產生醛類物質。

基于此，提出以下相應的改進措施：

a. 對A料進行提純處理，將游離醛類物質萃取出去。

b. 在A料中加入添加一定量的抗氧化劑減少其氧化。

c. 在A、B料混料時加入除醛劑，除醛劑與水按1∶3進行質量配比。

為驗證改進措施的有效性，用相同的方法對改善后的PU板進行VOC測試，測試結果分別如表4～表6所示。

從表4可以看出，通過A料提純可以大量減少醛類物質的生成，進而減少醛類物質的揮發，從而改善PU板的VOC性能。

從表5可以看出，加入抗氧劑也可以大量減少醛類物質的生成，進而減少醛類物質的揮發，改善VOC性能。但隨著抗氧劑添加量的不斷增加，醛類物質的揮發量下降率有一定緩解。

從表6可以看出，A、B料混料過程中加入除醛劑也可以減少醛類物質的揮發，改善VOC性能。

綜合以上3種改進措施方案及其測試結果，從成本上考慮，選定在A料中加入添加（質量分數）1%的抗氧化劑這一改善方案，可有效緩解醛類揮發，改善PU板VOC性能。

3.2.3 骨架膠對VOC的影響及改進措施

骨架膠主要原料為異氰酸酯和聚醚混合物，與PU板不同，其合成聚醚的主要原料是環氧乙烷和環氧丙烷，在在高溫作用下易被氧化產生醛類物質。故此，通過2個方案進行改進：

a. 原材料優化：針對異氰酸酯和聚醚進行配比調整，降低聚醚使用量從而降低醛類物質的產生，同時加入改性MDI將醛類物質轉化為羥基化合物[3]。

b. 物理提純：在原材料聚合及擴連反應過程中增加真空吸附提純工藝，以降低原液及反應產生的醛類物質和相關雜質。

為驗證改進措施的有效性，用相同的方法對改善后的骨架膠進行VOC測試，測試結果如表7所示，可以看出，通過原材料優化和物理提純均可有效改善骨架膠VOC性能，從成本和改善效果上考慮，選定方案a進行改進。

4 生產工藝影響因素及改進措施

4.1 頂棚總成生產工藝

該車型的頂棚總成生產工藝為：PU板上料、噴骨架膠、噴軟化水、材料組合、熱壓成型、冷卻定型、水刀切割、一步法基材上料、噴骨架膠、面料復合熱壓成型、水刀切割、取料、冷卻定形，如圖2所示。

4.2 頂棚總成生產工藝對VOC的影響

4.2.1 檢測方法

按照某企業TS-INT-001-2021《車用材料及零部件散發性能測試標準及要求》和TS-BD-003《車內零部件揮發性有機化合物的測試方法——袋子法》對正常交付狀態條件且在生產出來后7 d內送達的樣品進行采樣測試。

4.2.2 噴膠量對VOC的影響

為研究不同噴膠量對醛類物質散發量的影響，在該頂棚總成其它生產工藝條件不變的條件下，噴膠量（工藝參數要求為（50±5） g/㎡）分別設定為40 g/㎡、50 g/㎡、60 g/㎡、70 g/㎡和80 g/㎡制作樣件進行測試，測試結果如圖3所示。從圖3可以看出，噴膠量低于50 g/㎡的頂棚總成甲醛和丙烯醛散發量可滿足極限要求，但噴膠量越少越不利于產品材料間的復合成形，故噴膠量應控制在45～50 g/㎡。

4.2.3 成形壓力對VOC的影響

為研究成形壓力對該頂棚總成的VOC性能的影響，在該頂棚總成其它生產工藝條件不變的條件下，成形壓力（工藝參數要求為（9±1） MPa）分別設定為8 MPa、10 MPa和12 MPa，各制作樣件進行VOC測試，測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，成形壓力對頂棚總成甲醛、丙烯醛和二甲苯散發量無明顯影響。

4.2.4 成形溫度和時間對VOC的影響

為研究成形溫度和成形時間對該頂棚總成的VOC性能的影響，在其它生產工藝條件不變的條件下，設計了多組試驗參數，具體如表8所示。

按照表8工藝參數分別制作樣件進行VOC測試，測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著成型溫度的升高，頂棚總成乙醛、丙烯醛和二甲苯散發量也隨之減少，但減少幅度并不大，說明成形溫度對頂棚總成VOC改善并不明顯。

4.3 頂棚總成儲存環境對VOC散發的影響

4.3.1 VOC散發機理

傳質理論認為VOC的散發主要是3個過程，即材料層內部的擴散，材料表面到空氣邊界層界面的擴散和空氣層對流的擴散。擴散過程如圖6所示，其中Cm、Cas和Ca分別是材料層、界面層和空氣層中VOC濃度。

a. VOC在材料層的擴散：在材料層內部的擴散速率除了與各類有機揮發物的物理化學性質和材料結構有關外，還受濃度梯度、溫度梯度、密度梯度和壓力梯度影響。

VOC在材料層內部的擴散過程遵循菲克第二定律，如公式1所示，受溫度、濃度和壓力梯度等因素的影響。

式中，Ct為空氣中VOC濃度；CA為材料中VOC濃度；D為質擴散系數；▽為在x，y，z坐標軸上的拉普拉斯算子。

各種化合物的質擴散系數不同，與其相對分子質量、分子體積和環境溫度等有關。

b. VOC在材料層到空氣邊界層的擴散：在材料表面到空氣邊界層的擴散中，擴散速率與界面層兩側的濃度差、環境溫度和空氣流速有關。VOC從材料表面擴散到周圍空氣的過程如公式2所示。

式中，kA為質傳遞系數；CA為周圍空氣中物質A的濃度；Cs為材料表面的物質A的濃度；EA為物質A的表面散發率。

當材料表面和周圍空氣中的VOC存在濃度梯度，就會誘導高濃度向低濃度散發。

c. 頂棚總成VOC在空氣層的擴散：在空氣層對流的擴散中，擴散速率主要與空氣流速有關。楊韜等[4]研究分析當在溫度T保持不變時，空氣流速Q對VOC濃度C之間的關系可用下式表述：

由式中可以看出，ln C/T0.75和lnQ呈線性關系，空氣流速Q越大，VOC濃度C擴散速率就越快。

基于VOC散發機理，下文分別從儲存時間、儲存溫度、濃度梯度和空氣流速方面研究儲存環境對頂棚總成VOC散發的影響。

4.3.2 儲存時間對VOC散發的影響

為了研究通風放置時間對VOC散發量的影響，將頂棚總成在常溫條件下（設定為25 ℃）通風放置不同天數，研究其VOC變化趨勢，測試結果如圖7所示。從圖7可以看出，放置時間越長，越有助于改善頂棚總成VOC性能，但隨著時間的加長，改善趨勢減慢。

4.3.3 儲存溫度對VOC散發的影響

為研究儲存環境溫度為VOC散發的影響，在不同溫度下（設定為25 ℃、40 ℃、55 ℃、65 ℃和80 ℃）將頂棚總成通風放置1 d研究其VOC變化趨勢，測試結果如圖8所示。從圖8中可以看出，放置溫度越高，越有助于改善頂棚總成的VOC性能，但隨著時間的加長，改善趨勢放緩。

4.3.4 濃度梯度對VOC散發的影響

汽車頂棚總成面料和PU板都是疏松多孔結構，極易吸附外界揮發性有機物并殘留在表面。為分析濃度梯度對VOC的影響，分別取兩件剛下線的產品，將1#樣品置于堆放VOC含量極高的雜物間內，2#樣品置于無任何雜物的空間內。2件樣品均放置7 d后進行VOC測試，測試結果如圖9所示。從圖9中可以看出，1#樣品各類物質含量比原始值均有所增加，而2#樣品相反，說明存放環境對頂棚總成VOC有明顯影響。

4.3.5 空氣流速對VOC散發的影響

為了研究儲存環境中空氣流速對VOC散發的影響，在不同空氣流速下（設定為0.1 m/s、0.3 m/s）將頂棚總成通風放置15 d，研究VOC含量的變化趨勢，測試結果如圖10所示。從圖中可以看出，0～7 d內空氣流速對VOC散發的影響較大，大約在7 d后影響程度減緩。空氣流速越大，VOC散發的越快。

結合以上試驗結果得出，成形壓力、溫度和時間對頂棚總成VOC改善并不明顯。從庫存周轉率考慮，頂棚總成下線后應置于（60±5） ℃的烘房內抽排風烘烤1 d，然后儲存到一個低VOC環境中進行通風處理3 d后再發運到客戶端。

5 頂棚總成VOC性能改進措施驗證

綜合以上分析結果，通過生產工藝優化面料、PU板在A料中加入添加（質量分數）1%的抗氧化劑、骨架膠原材料優化，同時頂棚總成生產工藝上噴膠量控制在45～50 g/㎡，將制成頂棚總成在溫度為（60±5） ℃的條件下烘烤1 d后，放置到低VOC環境中，進行再通風處理3 d。按照TS-BD-003《車內零部件揮發性有機化合物的測試方法——袋子法》對改進后的該頂棚總成VOC性能進行測試，測試結果并與限值要求進行比較如圖11所示。從圖11可以看出，改進后的頂棚總成VOC明顯下降。

6 結束語

本文通過對汽車頂棚總成及其原材料VOC檢測、生產工藝和儲存環境對VOC散發的影響分析，主要結論如下：

a. 面料可通過優化水洗工藝、染色過程中添加除醛劑和增加烘烤工序來減少甲醛和二甲苯的揮發，從而改善VOC性能。

b. 從成本和改善效果上考慮，PU板原料聚醚多元醇（簡稱A料）中加入添加（質量分數）1%的抗氧化劑可有效緩解醛類的揮發，降低VOC濃度。

c. 從成本和改善效果上考慮，在骨架膠生產過程中降低聚醚的使用量從而降低醛類物質的產生，同時加入改性MDI將醛類物質轉化為羥基化合物，從而減少醛類物質生成，降低VOC濃度。

d. 噴膠量低于50 g/㎡的頂棚總成乙醛和丙烯醛散發量可滿足極限要求。

e. 汽車頂棚總成成形溫度、成形壓力和時間對VOC的散發影響較小。

f. 烘烤工藝能夠明顯加快醛酮類和苯系物的揮發，降低VOC濃度。

g. 汽車頂棚總成不應存放在空氣中有懸浮、游離氣味性物質的儲存環境中，同時通風處理后的儲存環境可加速產品VOC揮發。

參考文獻：

[1] 中汽數據有限公司. 中國車內氣味研究報告（2021年階段性成果）[R/OL]. （2021-7-30）[2022-11-18]. https：//www.cpqs.org.cn/archives/2121.html.

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[4] 楊韜， 熊建銀， 譚建偉， 等. 不同溫度下車內VOC散發特性的預測研究[C]// 中國環境科學學會室內環境與健康分會學術年會暨兩岸三地室內環境與健康研討會. 中國環境科學學會室內環境與健康分會， 2015.