任重磊，童麗萍，王 雷，劉 偉，劉雪峰

(中汽數(shù)據(jù)有限公司 天津300300)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代人類生活的必需品。目前，我國汽車保有量已達(dá) 2.7億輛，汽車駕駛?cè)藬?shù)達(dá)到 4億，預(yù)計(jì)還將以每年約7%的速率快速增長。汽車駕乘人員每日在乘用車內(nèi)的滯留時間達(dá)數(shù)小時，汽車已成為人們除室內(nèi)、工作場所之外的第三活動空間，車內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響乘客的身心健康，以苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛、乙醛等揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)為主要成分的車內(nèi)空氣污染成為影響人們身體健康的重要問題[1-2]。2013年北京召開的車內(nèi)空氣質(zhì)量與發(fā)展國際峰會上，將車內(nèi)空氣污染問題定義為危害人們身體健康的第三大室內(nèi)環(huán)境污染問題；世界衛(wèi)生組織WHO也將VOCs列為影響現(xiàn)代人體健康的十大威脅之一[3]。如何控制和改善汽車車內(nèi)空氣品質(zhì)，為人類營造健康、舒適的綠色車內(nèi)環(huán)境，已成為關(guān)系國計(jì)民生的大事。

車內(nèi)材料散發(fā)的揮發(fā)性有機(jī)化合物是造成空氣質(zhì)量低劣的罪魁禍?zhǔn)譡4]，車內(nèi)環(huán)境中的 VOCs源自各個零部件揮發(fā)，主要包括儀表板、門板、側(cè)圍、地毯、頂棚、座椅和各種車內(nèi)塑料裝飾件等[5]。車輛在生產(chǎn)時，內(nèi)飾零部件要使用大量的塑料制品和黏合劑，這些都是車內(nèi)VOCs的重要散發(fā)源。研究材料中VOCs的散發(fā)特性對于揭示 VOCs的散發(fā)規(guī)律進(jìn)而有效控制和改善車內(nèi)空氣品質(zhì)具有重要意義。

研究表明，車內(nèi)材料污染物的散發(fā)特性由3個關(guān)鍵參數(shù)表征：初始可散發(fā)濃度C0，擴(kuò)散系數(shù)Dm和分配系數(shù)K[6-7]。材料 VOCs的散發(fā)速率和濃度是關(guān)鍵參數(shù)的函數(shù)，測定散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)是研究材料VOCs散發(fā)規(guī)律的基礎(chǔ)。在以往的工作中，關(guān)于材料污染物散發(fā)特性的研究大致可分為兩類：建立描述VOCs散發(fā)過程的數(shù)學(xué)模型并求解；對VOCs散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定。如何快速精確地測定影響 VOCs散發(fā)的3個關(guān)鍵參數(shù)，借助散發(fā)模型預(yù)測車內(nèi)零部件 VOCs的散發(fā)情況，以便對車內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行控制和改善，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

本文采用直流艙濃度軌跡法同時測定汽車側(cè)圍材料VOCs散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)C0、Dm和K。通過對VOCs散發(fā)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，并將關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)應(yīng)用到汽車內(nèi)飾零部件總成上，對內(nèi)飾零部件的散發(fā)特性實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測。

1 方法與實(shí)驗(yàn)

1.1 關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)測定原理

本研究采用直流艙濃度軌跡法測定車內(nèi)材料散發(fā)過程的關(guān)鍵參數(shù)——初始濃度C0、分配系數(shù)K和擴(kuò)散系數(shù)Dm，其測定過程及原理為：①將待測車內(nèi)材料(本報(bào)告為側(cè)圍材料)置于密閉的環(huán)境艙里面散發(fā)甲醛/VOCs 直到平衡；②將流量恒定的純凈氮?dú)庖氕h(huán)境艙內(nèi)，每隔一段時間采樣 VOCs的濃度。測試過程示意圖如圖1所示，環(huán)境艙內(nèi)污染物濃度變化如圖2所示。

圖1 直流艙濃度軌跡法測定示意圖Fig.1 Schematic diagram of concentration trajectory method in ventilated chamber

圖2 環(huán)境艙內(nèi)污染物濃度變化Fig.2 Change of pollutant concentration in environmental chamber

基于物理分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到以下公式：

式中：R(V/Vm)為環(huán)境艙體積與材料體積之比；α＝QL2/VDm；β＝AL/V；Bim＝hmL/Dm；Q為通風(fēng)量，m3/s；L為材料的厚度，m；V為環(huán)境艙體積，m3；A為材料有效散發(fā)表面積，m2；hm為材料表面對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；t*(t-t0)，表示直流艙中的散發(fā)時間；Bim為傳質(zhì)畢渥數(shù)；q1、G1分別為式(3)和(4)的第 1項(xiàng)，是與Dm和K有關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得不同時刻的直流艙內(nèi) VOCs濃度數(shù)據(jù)，利用(3)式對無量綱濃度對數(shù)和時間進(jìn)行線性擬合，即可獲得斜率SL和截距INT，利用斜率SL和截距INT可以求得擴(kuò)散系數(shù)Dm和分配系數(shù)K。然后將計(jì)算出的K值代入(1)式即可求得初始可散發(fā)濃度C0值。

1.2 側(cè)圍材料關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)

1.2.1 測試條件

實(shí)驗(yàn)溫度：25℃。

側(cè)圍厚度：2.4～2.62mm，取均值2.51mm。材料散發(fā)面積：4005.5cm2。

1.2.2 測試步驟

①將待測側(cè)圍材料進(jìn)行切割并密封存放。

②將切割好的側(cè)圍材料放入環(huán)境艙中，在 25℃下密閉放置36h，保證材料中各VOCs濃度達(dá)到散發(fā)平衡并采樣，此時刻即為起始時刻(0h)，見圖3。

圖3 側(cè)圍材料的切割、密封存放和平衡處理Fig.3 Cutting，sealing storage and balancing of side panel materials

③以500mL/min的體積流量向環(huán)境艙中通入潔凈氮?dú)?，采集不同時刻下苯系物和醛系物的散發(fā)質(zhì)量濃度，采樣時間為起始后 1、2、3、5、7、9、24、25h，見表 1和圖 4、5。

表1 側(cè)圍材料中不同采樣時時VOC濃度Tab.1 VOC concentration of side panel materials at different sampling time

表2 側(cè)圍材料中各VOCs的關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)Tab.2 Key emission parameters of VOCs in side panel materials

圖4 側(cè)圍動態(tài)散發(fā)法環(huán)境艙中苯系物質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Change of concentration of benzene series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

圖5 側(cè)圍動態(tài)散發(fā)法環(huán)境艙中醛系物質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Change of concentration of aldehyde series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

1.2.3 擬合Ca-t數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)

根據(jù)關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)測定原理，將不同時刻下的各VOCs的Ca轉(zhuǎn)化為ln(Ca/Cequ)，擬合ln(Ca/Cequ)與時間t，得到各 VOCs濃度隨時間散發(fā)的斜率SL和截距INT，如表 2所示。由于斜率SL和截距INT分別是Dm和K的函數(shù)，可以由此計(jì)算出Dm和K。C0是平衡濃度Cequ和K的函數(shù)，在已知平衡濃度Cequ和K的情況下，可以求出C0，整個運(yùn)算均在專門編寫的計(jì)算程序中進(jìn)行。

圖6為側(cè)圍材料中甲醛隨散發(fā)時間的變化曲線，可以看出模擬值與實(shí)測值擬合效果較好，說明該曲線能夠較好地展示VOCs在側(cè)圍材料中的散發(fā)趨勢，據(jù)此計(jì)算出的關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)可用于預(yù)測袋式法測試實(shí)驗(yàn)中側(cè)圍材料的VOCs散發(fā)濃度(25℃)。

圖6 動態(tài)散發(fā)實(shí)驗(yàn)側(cè)圍材料中甲醛濃度隨散發(fā)時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of formaldehyde concentration with time in side panel materials in dynamic emission experiment

2 散發(fā)預(yù)測

將通過動態(tài)散發(fā)法測得的側(cè)圍材料中各 VOCs關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)Dm、K和C0(表 2)代入密閉環(huán)境VOCs散發(fā)預(yù)測模型中，可以預(yù)測出袋式法側(cè)圍總成各 VOCs濃度隨時間的變化。密閉環(huán)境 VOCs散發(fā)預(yù)測模型已編成計(jì)算程序，實(shí)際使用時，只需將各關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)代入程序即可。

根據(jù)吉利提供的側(cè)圍總成數(shù)據(jù)，得出半車份側(cè)圍總成的總散發(fā)面積為 1.3848m2，側(cè)圍材料的厚度為0.0024～0.00262m，計(jì)算過程中取厚度均值為0.00251m。經(jīng)計(jì)算得出，袋式法實(shí)驗(yàn)中側(cè)圍總成各VOCs濃度隨時間的變化如圖7所示。表3為袋式法實(shí)驗(yàn)中側(cè)圍總成各VOCs濃度在2、24h下散發(fā)的預(yù)測值。

表3 袋式法實(shí)驗(yàn)側(cè)圍總成在2、24 h下的各VOCs散發(fā)濃度預(yù)測值(μg/m3)Tab.3 Predicted values of VOCs emission concentration in side panel assembly in bag method experiment under 2 h and 24 h(μg/m3)

圖7 袋式法實(shí)驗(yàn)中側(cè)圍總成各VOCs濃度隨時間的變化預(yù)測曲線Fig.7 Prediction curve of variation of VOCs concentration with time in side panel assembly in bag method experiment

3 結(jié) 論

本研究建立了直流艙濃度軌跡法測定側(cè)圍材料中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛散發(fā)過程的關(guān)鍵參數(shù)C0、K、Dm。通過對比側(cè)圍材料中甲醛散發(fā)的擬值與實(shí)測值，表明擬合效果較好，測定得到的關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)能夠較好地展示側(cè)圍材料中VOCs的散發(fā)趨勢。同時，利用本研究方法得到的側(cè)圍材料各VOCs關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)，可以預(yù)測袋式法側(cè)圍總成所含各 VOCs濃度隨時間的變化。通過預(yù)測可以幫助汽車企業(yè)在新車研發(fā)階段實(shí)現(xiàn)整車 VOCs散發(fā)特性的正向設(shè)計(jì)，提高檢測效率，節(jié)省檢測成本。