任曉康 彭宏 滕永泉 李東強 楊平 肖宇

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

1 前言

隨著消費者對于健康座艙要求不斷提高，以及國家法規(guī)對于乘用車內空氣質量的要求越來越嚴格，對于車企而言，汽車空氣質量的改善也必將成為汽車行業(yè)新的競爭領域。由于汽車內飾件是車內空氣污染的重要來源，控制內飾件VOC 對于汽車內飾件開發(fā)將是急迫的挑戰(zhàn)[1-2]。汽車內飾造型分件多，制造工藝和材料選型多樣，不同工藝及材料的VOC 散發(fā)規(guī)律均有差異[3]，總成零件的VOC受到多種因素的影響。以某車型的門飾板總成為例，從內飾零部件總成、子級件、材料選擇3 個維度對零件VOC 控制和改善進行分析和闡述，更加精準地探究不同材料、工藝、子級件與總成零件VOC之間的關系，達到從源頭上進行VOC 設計和控制的目的。

2 試驗部分

2.1 試樣原料

某車型門飾板總成（左前門），門飾板各子級件包括門板本體、PVC（聚氯乙烯表皮）上裝、嵌飾板、扶手飾板、地圖袋、INS 飾條等，以及內飾件常用的PVC、PU（聚氨酯表皮）、TPO（熱塑性聚烯烴彈性體表皮）、針織面料等4 種表皮材料為試驗原料，所有零件及表皮均為下線7 天內產品，全程PE薄膜+鋁箔紙包裝完好。

2.2 主要儀器設備

熱脫附：Markes TD-100，英國Markes 公司；

氣相色譜質譜（GCMS）：Agilent 7890B/5977A，安捷倫科技有限公司；

高效液相色譜儀：1260，安捷倫科技有限公司。

2.3 測試與表征

VOC 測試按照廣汽的企業(yè)標準QJ/GAC 1550.002-2016《車內非金屬材料及零件揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》進行測試。

3 結果與討論

3.1 門飾板總成的VOC表現(xiàn)

門飾板系統(tǒng)作為內飾零件的典型代表，同時具備多種工藝類型和材料應用，對其進行VOC 研究具有比較重要的意義。圖1 通過對多個門飾板總成的VOC 分析（醛類和苯類），發(fā)現(xiàn)甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛分別是其門飾板系統(tǒng)主要的苯系物和醛系物，在實際的產品開發(fā)中需要重點關注。

圖1 門飾板總成8種VOC物質對比

3.2 門飾板總成與其子級件的VOC關系

門飾板總成基本囊括了大部分主要的內飾工藝，包括硬塑成型、真空吸附、膜片裝飾條、表皮包覆、PU 發(fā)泡、電鍍、噴涂等，圖2 是一典型的門飾板總成的圖示。通常主機廠主要考察總成零件和整車的VOC，而沒有對子級件VOC 及其與總成VOC的關系進行探究。子級件的VOC 表現(xiàn)影響總成VOC 的最終狀態(tài)，門飾板子級件根據材料類型可分為PP（聚丙烯）類、ABS（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯的三元共聚物）+表皮包覆類、PC（聚碳酸酯）+ABS類、POM（聚甲醛）類，所以分析門板子級件材料與總成之間的VOC 散發(fā)關系具有重要意義。

圖2 門飾板總成的典型圖示

以某車型門飾板為例，分別利用袋子法（1 000 L）測試總成零件和各子級件的VOC。通過表1 和圖3可發(fā)現(xiàn)，在甲苯、二甲苯、甲醛和乙醛等4 種最主要VOC 散發(fā)物方面，根據貢獻大小排序為PP 類、ABS+表皮包覆類、PP+表皮包覆類、ABS+噴涂/膜片/電鍍。

表1 門總成VOC物質的主要來源

PP 類材料占整個門板總成的60%～70%，其對總成VOC 的影響最大，所以PP 類材料是門飾板總成VOC 管控的關鍵；其次是包覆類材料，PVC 等表皮材料（特別是表面處理層）含有較多的揮發(fā)性小分子導致VOC 含量上升；POM 材料對于甲醛揮發(fā)的影響不容忽視，POM 在不穩(wěn)定的狀態(tài)下，容易分解或者析出甲醛分子釋放到空氣中。

3.3 PP類材料VOC控制

根據上文分析可知，門飾板VOC 最主要貢獻源是PP 類材料，有效控制PP 類材料的VOC 散發(fā)，可以最大程度地改善內飾產品的VOC。對于PP類材料的VOC 管控，可從PP 原材料、生產工藝和生產環(huán)境3 方面進行改進，具體措施詳見表2。

3.4 ABS+包覆材料VOC控制

包覆產品一般由多層材料組成，包括基材、表皮層、發(fā)泡層以及膠粘劑等，包覆零件的層級構成見圖4，每層材料均具有不同的材料選型，導致包覆材料VOC 的源頭相對比較復雜。包覆材料作為僅次于PP 類材料的VOC 貢獻源，有必要對每種材質的VOC 特性進行解析，以便更好的管控。

圖3 門板總成與各子級件的VOC情況對比

3.4.1 ABS 類材料VOC 控制

ABS 類材料具有優(yōu)異的綜合性能，因此廣泛應用于汽車內飾。目前主要的ABS 生產工藝包括乳液法和本體法[6]。乳液法具有工藝成熟、易于大規(guī)模生產、產品質量好、產品范圍寬等特點，可生產各類專用料產品，可根據用戶需求調整和設計產品的性能指標；本體法工藝投資低、產率高、能耗低、連續(xù)操作、環(huán)境污染少，但其生產品種比較窄、操作彈性小。

表2 PP類材料的VOC控制策略

圖4 包覆材料的構成和分類

2 種工藝的主要性能差異見表3。由此可見，在一些作為骨架材料或者免噴涂的零件上，可以傾向于選擇本體法ABS，更有利于VOC 的管控。

表3 2種ABS工藝的主要性能差異

3.4.2 表皮材料VOC 控制

表皮工藝在內飾領域應用非常豐富，有效提升內飾質感。內飾常見的表皮包括PVC、PU、TPO等，不同表皮的VOC 散發(fā)性存在差異，在前期設計和表皮定義時可以針對性的加以考慮。通常而言，表皮VOC 管控一般從原材料、表面處理劑及生產工藝等3 個方面進行入手。

a.原材料方面，常見的表皮原材料包括PVC、PU、TPO、針織面料等，從圖5 分析發(fā)現(xiàn)，相比于PVC 和PU，TPO 和針織面料的TVOC 含量明顯較低，屬于相對環(huán)保的原材料，目前TPO 表皮在內飾中的應用也越來越多。另外，從原材料本身而言，其中的溶劑等小分子助劑等是表皮材料VOC 散發(fā)的主要來源之一，目前一般禁止使用苯類溶劑，以其它相對環(huán)保的溶劑（酮類、酯類）代替。

圖5 不同表皮（不含發(fā)泡層）的TVOC散發(fā)情況

表皮材料一般還需要覆合發(fā)泡層，常見的發(fā)泡層包括PU 發(fā)泡和PP 發(fā)泡。以TPO 表皮總成為例，從圖6 和圖7 可以發(fā)現(xiàn)，PP 發(fā)泡對于總成VOC的貢獻較小，TPO 表皮是其VOC 的主要散發(fā)源。另外，PP 發(fā)泡的VOC 相比于PU 發(fā)泡更小，一方面是由于材料本身特性決定，PP 的VOC 散發(fā)小于PU；另一方面是由于品質管控，PP 發(fā)泡技術壁壘較高，基本被幾家外資企業(yè)壟斷，質量控制較規(guī)范；而PU 發(fā)泡技術已經相當成熟，生產廠家多，標準不盡統(tǒng)一，不利于VOC 管控。

圖6 各表皮層對TPO表皮總成的VOC貢獻量

b.一般為了調節(jié)表皮光澤度、耐磨性等，表皮表面需要涂布處理劑。表面處理劑一般含有多種溶劑，導致VOC 極易超標。從圖8 和圖9 可以發(fā)現(xiàn)，通過對2 種不同的處理劑的VOC 進行橫向對比發(fā)現(xiàn)，以水性處理劑代替油性處理劑，表皮的甲苯、乙苯、二甲苯等苯系物含量可相對降低；另外，水性處理劑代替油性處理劑可明顯降低TVOC（所有可檢出的有機物，沸點在50～250 ℃）含量，TVOC 含量與零件氣味等級有著較強的關系，所以應用水性處理劑對于氣味性也有明顯改善。

圖7 PP發(fā)泡和PU發(fā)泡的VOC對比

圖8 表面處理劑對PVC表皮VOC的影響

圖9 處理劑類型對TVOC含量影響

c.常規(guī)的表皮生產工藝包括涂布法和壓延法，圖10 是2 種工藝生產的PVC 表皮的VOC 對比，涂布法的VOC 散發(fā)值相對較小，推測可能是因為涂布法一般經過多層涂布，多次烘烤工序，最大限度的使VOC 提前揮發(fā)。另外，保持較高的加工溫度可以有效降低VOC 含量，例如當PVC 和PU 的加工溫度超過150 ℃時，能夠最大限度的使VOC 提前揮發(fā)（五苯三醛的最高沸點146 ℃），減少材料在使用階段的VOC 含量。

3.4.3 膠粘劑VOC 控制

據統(tǒng)計，目前1臺整車的膠粘劑用量大約20 kg，包括內飾用膠粘劑、密封膠、結構膠等。膠粘劑的VOC散發(fā)是影響汽車乘員艙空氣質量的主要原因之一，主要針對內飾用覆合膠粘劑進行分析，適用于汽車內飾零件的膠粘劑主要有溶劑膠、水性膠和熱熔膠3大類，主要對比情況見表4。

圖10 生產工藝對VOC的影響

表4 不同膠粘劑的對比

水性膠相比溶劑膠，VOC 含量更低，環(huán)保型更好。但相比溶劑膠，水性膠的使用存在一些工藝限制，如工藝溫度有特殊要求，在15～30 ℃才能達到激活溫度；PP 基材一般需要火焰處理，提高極性；初始粘接力較弱；處理完的樣件通常需要養(yǎng)生24～48 h 才能達到最佳粘接效果。

熱熔膠是1 種更加環(huán)保的膠粘劑，不含溶劑或者其他介質，現(xiàn)階段受限于成本和設備要求，還未得到廣泛應用，只有奔馳寶馬等高端車型有少量應用，相信熱熔膠在未來汽車內飾的應用會越來越廣泛。

4 結論

以門飾板系統(tǒng)為例，對門飾板總成的VOC 含量進行對比研究，發(fā)現(xiàn)門飾板系統(tǒng)的主要污染物為甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛。通過對門飾板總成及其子級件的VOC 含量進行分析對比發(fā)現(xiàn)，PP 類材料、表皮材料、ABS 類材料以及膠粘劑等各種材料在VOC 的表現(xiàn)方面均存在較大的差異，PP 作為用量最大的材料，直接關系到整個總成的VOC 表現(xiàn)；TPO 表皮、針織面料是目前相對環(huán)保的表皮類型；在一些非外觀的骨架材料方面，本體法ABS 相比于乳液法ABS 具有一定的優(yōu)勢；相比溶劑膠和熱熔膠，水性膠是成本和性能綜合優(yōu)勢明顯的膠粘劑類型。

在內飾前期設計階段，通過選擇相對環(huán)保的材料能夠達到更加精準控制整體內飾VOC 的目的，而不是完全依賴于后期的整改，這樣有利于內飾VOC 由始至終的全流程管控，提升乘員艙的空氣質量水平，提高整個內飾的感知水平。