高分子材料對(duì)車內(nèi)VOC含量的影響及控制
一、高分子材料對(duì)VOC產(chǎn)生和釋放過(guò)程中的影響
1、VOC的產(chǎn)生機(jī)理
汽車內(nèi)飾中高分子材料的存在是導(dǎo)致車內(nèi)VOC含量超標(biāo)的重要因素，其原因主要有以下幾點(diǎn)：
首先，從高分子材料本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來(lái)看，高分子在高溫高壓條件下以及加工過(guò)程中的剪切力作用下會(huì)誘導(dǎo)高分子出現(xiàn)斷鏈、降解等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生小分子，揮發(fā)后產(chǎn)生VOC或氣味。其次，就目前使用的材料而言，大部分以共混物的形式存在，單一的聚合物已經(jīng)難以滿足人類的日常使用需求。為了獲得綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在共混物的生產(chǎn)過(guò)程中通常需要添加各種助劑或改性劑如增韌劑、增塑劑、抗靜電劑、光穩(wěn)定劑以及阻燃劑等。由此，高分子復(fù)合材料在使用過(guò)程中各類小分子添加劑容易產(chǎn)生滲出現(xiàn)象，進(jìn)而誘導(dǎo)VOC或氣味的產(chǎn)生。最后，高分子材料在合成過(guò)程中也可能會(huì)存在殘留的單體、溶劑以及催化劑等，這些物質(zhì)在原材料后續(xù)的加工或使用過(guò)程中容易出現(xiàn)滲出現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致VOC含量的提高。
2、VOC的散發(fā)機(jī)理
了解VOC的產(chǎn)生和散發(fā)機(jī)理對(duì)于控制車內(nèi)VOC含量具有重要的意義。研究表明，VOC的散發(fā)主要由“材料內(nèi)部的擴(kuò)散”和“從材料表面到周圍空氣的散發(fā)”兩個(gè)過(guò)程組成。VOC在材料內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程是指在溫度、濃度和壓力梯度等的共同作用條件下，VOC從材料芯部逐漸擴(kuò)散至材料表面層的過(guò)程。其擴(kuò)散過(guò)程可用菲克第二定律(FICK’S SECOND LAW)來(lái)進(jìn)行描述，如公式(1)所示
其中，Ct和CA分別是VOC在空氣和材料中的濃度；D為質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，每種化合物的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)不同，與其相對(duì)分子質(zhì)量、分子體積、環(huán)境溫度有關(guān)；∂是在x、y、z坐標(biāo)軸上的拉普拉斯算子。
VOC從材料表面擴(kuò)散的過(guò)程則會(huì)受多種因素影響，如對(duì)流、蒸發(fā)等。只要在材料表面和周圍空氣中的VOC濃度存在差異，就會(huì)誘導(dǎo)表面散發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。存在濃度梯度，就會(huì)發(fā)生表面散發(fā)現(xiàn)象。其擴(kuò)散過(guò)程可由方程(2)進(jìn)行描述：
其中，kA是質(zhì)傳遞系數(shù)；CA和SA分別是周圍空氣中和材料表面的物質(zhì)A的濃度；EA是物質(zhì)A的表面散發(fā)率。
3、影響車內(nèi)VOC含量的因素
由1.2中VOC在車內(nèi)的產(chǎn)生和散發(fā)機(jī)理可知，VOC的含量與環(huán)境溫度、濕度、氧化劑的存在以及材料的表面特性等有關(guān)。其具體的影響情況如下。
（1）環(huán)境溫度
環(huán)境溫度對(duì)車內(nèi)VOC含量的影響主要在于高分子材料會(huì)隨著溫度的升高出現(xiàn)降解或小分子的滲出現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)溫度高于各種揮發(fā)性有機(jī)化合物的沸點(diǎn)時(shí)(各種揮發(fā)性有機(jī)化合物的沸點(diǎn)如表1所示)，車內(nèi)VOC的含量會(huì)進(jìn)一步增加，但是每種有機(jī)物的變化是不同的，從表1可以發(fā)現(xiàn)甲醛的沸點(diǎn)較低，在室溫條件下甲醛的含量會(huì)高于其他幾種化合物，苯乙烯等沸點(diǎn)較高的化合物在室溫條件下則比較低或近乎沒(méi)有。
（2）環(huán)境濕度
環(huán)境濕度對(duì)VOC含量的影響與各類揮發(fā)性有機(jī)物的溶解性有關(guān)。隨著濕度的增加，親水性物質(zhì)會(huì)溶解一部分在水中，從而導(dǎo)致溶解性較好的物質(zhì)的含量逐漸減小。各類VOC氣體的溶解性與沸點(diǎn)如表1所示，由表1 中可以發(fā)現(xiàn)甲醛在水中的溶解性相對(duì)最好，因此隨著濕度的增加，甲醛的含量不會(huì)與其他幾種有機(jī)化合物類似出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，而是有一部分甲醛溶于水，從而導(dǎo)致甲醛含量的變化不明顯或出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。
（3）氧化劑
在氧化劑的作用下，會(huì)促進(jìn)材料的氧化分解，在高空氣流速的條件下會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)VOC的產(chǎn)生。如汽車中常用的地毯，在氧化劑的作用下，地毯會(huì)與其吸附的 VOC發(fā)生非均勻反應(yīng)，若地毯上吸附的VOC越多，發(fā)生反應(yīng)的幾率越大，進(jìn)而導(dǎo)致車內(nèi)VOC含量提高。
二、控制VOC含量的方法
VOC是汽車行業(yè)的重要樞紐，它不僅關(guān)系著每位消費(fèi)者，還將與汽車相關(guān)的上下游廠商緊密聯(lián)系在一起。VOC含量的高低與人類身體健康息息相關(guān)，將車內(nèi)VOC含量控制在較低水平已經(jīng)成為廣大消費(fèi)者的迫切要求。目前，改善汽車內(nèi)飾材料對(duì)車內(nèi)環(huán)境的影響主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：
1、從源頭上控制高分子原材料的VOC含量。即選擇更純凈的原材料，控制原材料中小分子的含量，如小分子助劑與改性劑的用量等，進(jìn)而研發(fā)具有低VOC含量的高分子材料。汽車內(nèi)飾材料的主要成分為PP和部分加工助劑以及改性劑，較多的研究者對(duì)PP進(jìn)行改性來(lái)改善材料的VOC含量。如黃等人通過(guò)將總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)的一種高效吸附劑添加到PP中，制備得到車用低TVOC含量的材料。通過(guò)添加高效吸附劑來(lái)除去材料的VOC方法中，由于吸附與解吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，因而難以實(shí)現(xiàn)高效的改善材料中的VOC含量。通過(guò)氫調(diào)法在PP中添加除味母粒制備TVOC含量較低并且具有較高力學(xué)性能的材料。
2、完善高分子材料的后處理工藝。如方等人通過(guò)在材料后處理過(guò)程中增加一定的溫度和壓力以促進(jìn)原材料中VOC的排出，并在材料的加工過(guò)程中增設(shè)擠出機(jī)的真空脫揮裝置，盡可能除去揮發(fā)出的小分子物質(zhì)，降低使用過(guò)程中VOC的釋放。任等人通過(guò)在不同溫度條件下增設(shè)抽排風(fēng)烘烤工藝以改善車內(nèi)的VOC性能和氣味性，研究表明在65 OC條件下烘烤之后對(duì)VOC性能的改善效果較好。
3、車內(nèi)VOC含量超標(biāo)的另一個(gè)重要原因在于車內(nèi)的空氣流通率低使得車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物無(wú)法排出，由此，在汽車的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)相應(yīng)的增加車內(nèi)的空氣流通率，例如調(diào)控車內(nèi)的空氣循環(huán)系統(tǒng)、優(yōu)化汽車天窗的設(shè)計(jì)等。
4、從消費(fèi)者端進(jìn)行車內(nèi)VOC含量的控制。如空氣凈化技術(shù)，該方法中最常用的有物理法(活性炭吸附技術(shù))和化學(xué)法（光催化凈化技術(shù)）。光催化技術(shù)以操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)備受大眾廣泛的關(guān)注，并在環(huán)境凈化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如矯等人通過(guò)制備不同孔徑尺寸的分子篩對(duì)車內(nèi)甲醛進(jìn)行吸附，結(jié)果表明分子篩對(duì)甲醛的吸附效果存在一個(gè)最優(yōu)的分子篩孔徑尺寸，在該孔徑尺寸下，分子篩對(duì)甲醛的吸附效果最好。研究了VOC含量隨時(shí)間的變化過(guò)程，結(jié)果顯示VOC的含量會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減少，而各種物質(zhì)的變化量則不同，如由于吸附劑對(duì)不同VOC的吸附性差異會(huì)導(dǎo)致苯系物的衰減速率低于醛類物質(zhì)。由此，消費(fèi)者購(gòu)車后可將汽車放置一段時(shí)間再使用或汽車在出廠之后可放置一段時(shí)間以進(jìn)一步降低車內(nèi)的VOC含量。
三、結(jié)論
隨著汽車在世界各地的廣泛使用，車內(nèi)VOC含量已經(jīng)逐步成為人們購(gòu)車的主要考量因素之一，由此，車內(nèi)空氣質(zhì)量成為汽車生產(chǎn)廠商關(guān)注的焦點(diǎn)，也是未來(lái)工作的重點(diǎn)。并且，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化將成為未來(lái)汽車發(fā)展的主流趨勢(shì)，高分子材料將逐漸大于金屬材料在汽車上的應(yīng)用[14]。研究車用高分子材料與車內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)系具有重要的研究意義。
目前高分子對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量的影響主要在以下幾個(gè)方面：首先是高分子材料在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)斷鏈、降解等現(xiàn)象從而導(dǎo)致車內(nèi)氣味的產(chǎn)生；其次是復(fù)合材料中各種加工助劑、改性劑以及高分子合成過(guò)程中殘留的小分子單體催化劑等在材料后續(xù)的使用過(guò)程中容易出現(xiàn)滲出等現(xiàn)象，從而提高車內(nèi)的VOC含量。針對(duì)車內(nèi)VOC含量的提高現(xiàn)象，解決方法主要有以下幾種：首先，從源頭上控制零部件原材料中VOC的含量，即選擇小分子含量低的原材料；其次，完善高分子材料的后處理工藝，使材料的VOC在加工過(guò)程中盡可能多的揮發(fā)出去，以改善材料在使用過(guò)程中小分子的滲出現(xiàn)象；同時(shí)，優(yōu)化車內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增大車內(nèi)空氣流通速率；最后，從消費(fèi)者端控制VOC的含量，如利用空氣凈化技術(shù)、吸附劑等對(duì)車內(nèi)VOC進(jìn)行吸附。
