余雙平，林棠華，李芳萍

（中國質量認證中心華南實驗室，廣東 廣州 510700）

前言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車的使用率也越來越高，人們對汽車的要求除了硬件性能等各方面的要求外，對汽車車內空氣的質量也越來越關注。我國環(huán)境保護部和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局也于 2011頒布了 GB/T 27630-2011《乘用車內空氣質量評價指南》并于2012 年3 月開始實施，明確提出了對于乘用車內空氣質量的要求。而影響車內空氣質量的主要為汽車內飾零部件的VOC揮發(fā)量，為此各大汽車廠也紛紛制定了一系列的企業(yè)標準對汽車零部件及材料進行VOC管控。

頂棚內飾是汽車整車內飾的重要組成部分，它的主要作用是提高車內的裝飾性，同時頂棚內飾還可提高與車外的隔熱、絕熱效果；降低車內噪聲，提高吸音效果；提高乘員乘坐的舒適性和安全性。汽車內飾零部件中頂棚占車內大面積，對車內空氣質量的影響較大，且材料組成較為復雜，在實際的VOC管控過程中易超出限值要求，受各大主機廠的關注較多。

1 頂棚總成VOC 含量的測試

圖1 某車型頂棚改進前VOC含量測試結果與限值要求

此次試驗采用袋式法，將抽檢的頂棚總成放置在 2000L采樣袋中，充入1000L的高純氮氣，在80℃的采樣艙中加熱2 h ，分別采集甲醛（Form）、乙醛（Acet）、丙烯醛(Acryl)等醛酮類物質及苯（Benz）、甲苯(Tolu)、二甲苯(Xyl)、乙苯(Ethylbenz)、苯乙烯(Styr)等苯系物，分別通過高效液相色譜儀（HPLC）和配置熱脫附儀的氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（TDS-GC/MS）進行定量分析，最終換算得出頂棚總成VOC含量。如圖1所示，測試分析所得的8種VOC物質中甲醛的測試值為305.60μg，超出頂棚總成甲醛限值要求的130.00 μg，苯乙烯的測試值為 133.60μg，超出限值要求的 48.00 μg。

表1 某車型頂棚改進前VOC含量測試結果與限值要求

2 原因分析及改進方案

2.1 原因分析

2.1.1 頂棚個材料組成分析

頂棚總成的組成分為以下材料：無紡布（M1）、熱熔膠（M2）、玻璃纖維（M3）、PU泡片（M4）(見圖2)以及背面的卷邊接著劑（M5）和支架（M6）(見圖3)。

圖2 頂棚總成材料組成

頂棚無紡布面料主要起裝飾作用，其顏色及質地要與車身內飾顏色和質地相協(xié)調。熱熔膠和卷邊接著劑起連接作用，玻璃纖維網具有吸音，隔聲，隔熱，環(huán)保，阻燃等作用。

中間的泡沫層為PU泡片聚氨酯（PU）是一種新興的有機高分子材料，被譽為“第五大塑料”。它是一種質輕、含有多孔的材料，具有減震、隔熱、保溫、吸能、廉價等眾多優(yōu)良性能。亦因其卓越的性能而被廣泛應用于在家具業(yè)、建筑業(yè)、體育行業(yè)、交通行業(yè)等眾多領域應，比如床墊、合成木材、人造革、車內飾件座椅，扶手，頭枕，門內板，儀表盤，方向盤等[1～2]。

圖3 頂棚總成背面的卷邊接著劑和支架

背面支架（M6）主要成分為ABS塑料，即丙烯晴--丁二烯--苯乙烯共聚物，其特性是由三組份的配比及每一種組分的化學結構，物理形態(tài)控制。丙烯腈表現(xiàn)的特性是耐熱性、耐化學性、剛性、抗拉強度；丁二烯表現(xiàn)的特性是抗沖擊強度；苯乙烯表現(xiàn)的特性是加工流動性，光澤性。這三組分的結合，優(yōu)勢互補，使ABS樹脂具有多項良好性能，比如耐熱、剛性好，沖擊強度高、機械強度和電器性能優(yōu)良、易于加工且加工尺寸穩(wěn)定性，表面光澤好，容易涂裝及著色，還可以進行噴涂金屬、電鍍、焊接和粘接等。

2.1.2 各材料組分中的VOC含量測試

為分析得出上述各材料中的VOC含量，同樣采取袋式法測試，各材料均截取25*20cm樣品片，放入10L采樣袋中，充入5L高純氮氣，在80℃恒溫艙中加熱2h后，上機分析各組成材料中的甲醛及苯乙烯，結果如圖4所示：

圖4 頂棚總成中各組成材料中的甲醛及苯乙烯

如圖4所示，可以得出結論，幾種材料中PU泡片（M4）的甲醛含量最高，支架中的苯乙烯含量最高。改進方向從優(yōu)化PU泡片（M4）中的甲醛含量以及背面支架（M6）中的苯乙烯含量進行。

2.2 改進方案

2.2.1 PU泡片的VOC改進方案

PU泡片是以異氰酸酯和聚醚多元醇混合物為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，通過專用設備混合，經高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡而成的高分子聚合物。聚醚由環(huán)氧丙烷為聚合單體配合含有活性氫的起始劑反應而成，側基含有2個以上羥基或主鏈含有醚鍵、端基低聚物，醚鍵對氧的作用非常敏感，特別在高溫時，易被氧化產生酸、醛、酮等物質。為防止聚醚在生產、運輸和儲存過程中被氧化產生醛類物質，需在聚醚生產反應中添加一定的抗氧化劑。因此在不影響PU泡片其他功能的前提下，在其發(fā)泡生產過程中添加一定量的抗氧化劑，可減少PU泡片中醛類物質的產生[3]。

2.2.2 支架的VOC改進方案

背面支架是由ABS樹脂利用一定模具注塑加工而得。其中ABS樹脂的工業(yè)生產方法很多，主要有乳液聚合法和連續(xù)本體法等。乳液聚合法是使苯乙烯單體和丙烯腈接枝在聚丁二烯膠乳上得到的ABS樹脂，在乳液中的細小微粒進行聚合。在聚合過程中，必須使用皂類添加劑，使反應可以在乳液中進行，而這些添加劑部分會殘留在最終產品中，成為雜質，也會導致顏色變黃。連續(xù)本體法是使用苯乙烯作為溶劑，將聚丁二烯橡膠直接溶解于苯乙烯單體和丙烯腈中進行本體聚合，從而制得ABS樹脂。連續(xù)本體聚合工藝通常使用3-4個連續(xù)反應釜以線性排列連續(xù)生產，苯乙烯在生產過程中會被完全回收并且循環(huán)利用，很少殘留在最終產品中。產物質量非常的一致和穩(wěn)定，其單體轉化率很高，可以省去分離工序和聚合物后處理工序，同時產品純度高[4～5]。改用連續(xù)本體聚合能夠高效反應掉聚合單體，殘留單體及雜質較少，能有效的降低產品中的VOC含量。

2.2.3 改進方案的實驗驗證

圖6 頂棚總成中背面支架的VOC改進結果

按照以上PU泡片的改進方案，在發(fā)泡過程中添加一定比例的抗氧化劑制得新型PU泡片，利用新型的PU泡片再次進行VOC含量分析測試。同樣截取25*20cm新型PU泡片放入10L采樣袋中充入5L高純氮氣，在80℃恒溫艙中加熱2h后。實驗結果見圖5所示，實驗結果顯示PU泡片甲醛含量由原來改進的 6.78μg降低至 2.90μg,較原來的降低了56.05%，改善效果較明顯。

同樣用改進后ABS樹脂制得新型的ABS支架，再次進行VOC試驗。實驗結果如圖6所示，由試驗結果分析得出，改進后的支架 VOC整體揮發(fā)均有降低，其中苯乙烯由原來的0.86μg降低至0.24μg，較原來的降低了72.09%，改善效果明顯。

圖7 頂棚總成改進后VOC含量及限值要求

結合以上實驗結果，利用改善后的PU泡片以及背面支架組裝成新的頂棚總成，同樣放置在 2000L采樣袋中，充入1000L高純氮氣，在80℃的采樣艙中加熱2 h，采集氣體分析得到實驗結果如圖7所示，由圖7可見改善后的頂棚總成達到了限值要求。

3 結論

通過對頂棚各組成材料進行逐一分析，找出造成頂棚總成甲醛和苯乙烯不符合限值的材料分別為 PU泡片和背面支架。在PU泡片生產過程中加入抗氧化劑，減少支架生產中降低ABS樹脂聚合反應單體及雜質的殘留，有效降低了PU泡片中的甲醛含量和支架中苯乙烯的含量，從而降低了頂棚總成中甲醛和苯乙烯的含量，達到了VOC限值要求。

參考文獻

[1] 宋友樺.硬質聚氨酯泡沫復合材料在汽車內飾設計中的應用[J].輕型汽車技術,1998,06.

[2] 孫德文.聚氨酯納米復合泡沫材料的制備及表征研究[D].蘭州大學,2011.

[3] 薛振榮.座椅總成 VOC 揮發(fā)性能的改進[J].化學推進劑與高分子材料,2017,15(2).

[4] 夏燕敏,周文樂.連續(xù)本體法聚合 ABS樹脂的研究進展[J].中國石化上海石油化工研究院廣州化工 2009,37(3).

[5] 叢日新,梁滔,鄭紅兵等.連續(xù)本體法合成ABS樹脂[J].中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院蘭州化工研究中心.工程塑料應用2010,38(1).