烘烤、噴漆對(duì)頂蓋VOC的影響研究

馬國蓮,曹玉春

(北京汽車研究總院有限公司,北京 101300)

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)是影響車內(nèi)空氣質(zhì)量的重要原因。VOC主要包括烷烴、烯烴、芳烴、醛類或酮類[1-2]等物質(zhì)，具有特殊的刺激性氣味，而且部分已被列為致癌物，如氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴等，部分VOC對(duì)臭氧層也有破壞作用，如氯氟烴和氫氯氟烴。

VOC濃度過高時(shí)，很容易引起急性中毒，輕者會(huì)出現(xiàn)頭痛、頭暈、咳嗽、惡心、嘔吐；嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)抽搐，并會(huì)傷害到人的肝臟、腎臟、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)人體健康產(chǎn)生重大危害[3]。

2017年，車內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)已強(qiáng)制執(zhí)行[4-5]，各大主機(jī)廠紛紛加強(qiáng)對(duì)零部件VOC的管控，尤其是對(duì)車內(nèi)空氣VOC貢獻(xiàn)率較大的樣件。比如自主品牌越野車某車型專用的前頂蓋安裝總成和后頂蓋安裝總成，因其樣件表面積大、生產(chǎn)工藝使用多層噴漆、原材料不具環(huán)保性等特點(diǎn)而成為對(duì)該車型車內(nèi)空氣質(zhì)量造成重大影響的罪魁禍?zhǔn)?。各個(gè)生產(chǎn)廠家的頂蓋VOC優(yōu)劣如何、頂蓋內(nèi)表面噴漆對(duì)VOC有何影響以及烘烤能否有效降低VOC成為目前研究的重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)方法

國內(nèi)外零部件VOC的試驗(yàn)方法有袋式法、1 m3環(huán)境艙法、桶式法、微艙法。袋式法是國內(nèi)同行業(yè)普遍認(rèn)可的試驗(yàn)方法，其成本低、操作簡便。1 m3環(huán)境艙法成本較高，桶式法只有少數(shù)主機(jī)廠在使用，微艙法使用也較少。

文中采用袋式法，將5個(gè)廠家的SMC(Sheet Molding Compound)材料統(tǒng)一模壓為25 cm×25 cm的樣片10片，每家2片，其中一個(gè)樣片在80 ℃下烘烤2 h；再選擇其中一個(gè)廠家(A廠家)制作2個(gè)模壓件，然后噴漆，其中的一個(gè)噴漆件在80 ℃下烘烤2 h。將12個(gè)樣件采用50 L袋子在試驗(yàn)箱內(nèi)分別開展65 ℃/2 h下的VOC測(cè)試。

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 高溫試驗(yàn)箱

高溫試驗(yàn)箱(見圖1)型號(hào)為SH401-200，滿足以下條件：

環(huán)境氣流速度：≤0.3 m/s；

環(huán)境污染物背景質(zhì)量濃度值：α甲苯≤0.02 mg/m3，α甲醛≤0.02 mg/m3。

圖1 高溫試驗(yàn)箱

2.2 熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用儀

熱脫附為英國Markes的TD-100，配置100位自動(dòng)進(jìn)樣器；氣質(zhì)聯(lián)用儀為ThermoFisher的Trace1300 ISQ LT，配置60 m毛細(xì)管柱和真空鎖裝置。熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用儀如圖2所示。

圖2 熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用儀

2.3 高效液相色譜儀

高效液相色譜儀型號(hào)為原戴安公司的Ultimate 3000，配置低壓四元梯度泵(LPG-3400SDN)、自動(dòng)進(jìn)樣器(WPS-3000SL)、柱溫箱(TCC-3000RS)、二極管陣列檢測(cè)器，如圖3所示。

圖3 高效液相色譜儀

2.4 抽氣泵

抽氣泵(見圖4)用于采樣袋的抽真空，確保采樣袋內(nèi)背景氣體不對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

圖4 抽氣泵

2.5 VOC充氣裝置

VOC充氣裝置(見圖5)型號(hào)為VL-050，用于采樣袋的充氣，該裝置可以設(shè)定充氣體積，當(dāng)達(dá)到設(shè)定體積時(shí)自動(dòng)停止充氣，方便了試驗(yàn)人員的現(xiàn)場(chǎng)操作。

圖5 VOC充氣裝置

2.6 采樣泵

采樣泵(見圖6)型號(hào)為GilAir-Plus，具有自動(dòng)補(bǔ)償功能并能自動(dòng)記錄采樣體積，有利于試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 采樣泵

2.7 皂膜流量計(jì)

皂膜流量計(jì)(見圖7)型號(hào)為Gilibrator，流量為20～6 000 mL/min。

圖7 皂膜流量計(jì)

2.8 采樣管

采樣管為Tenax管和DNPH管，分別如圖8、圖9所示。

圖8 Tenax管 圖9 DNPH管

3 試驗(yàn)步驟

3.1 樣品采集

(1)采樣袋翻面，置于環(huán)境艙中，90 ℃老化至少16 h。

(2)將樣件封裝于采樣袋中，用高純氮?dú)鈱?duì)采樣袋進(jìn)行清洗，充抽氣3次(見圖10)。

圖10 頂蓋樣片VOC采樣袋清洗

(3)檢漏后充入50%采樣袋體積的高純氮?dú)狻?/p>

(4)將采樣袋置于65 ℃高溫試驗(yàn)箱中，進(jìn)行2 h的加熱，樣件清單見表1。

表1 樣件清單

(5)加熱結(jié)束后，連接導(dǎo)氣管、恒流采樣泵，打開閥門進(jìn)行采樣(見圖11)。

圖11 頂蓋樣片VOC樣品采集

(6)樣品采集后用鋁箔紙密封，低溫保存(﹤4 ℃)。

3.2 上機(jī)檢測(cè)

3.2.1 苯系物檢測(cè)

(1)用標(biāo)準(zhǔn)濃度的物質(zhì)制作標(biāo)準(zhǔn)系列管。

(2)將樣品和標(biāo)準(zhǔn)系列管安裝在熱脫附儀上，對(duì)氣路進(jìn)行嚴(yán)格檢漏。

(3)設(shè)置程序升溫參數(shù)，初溫50 ℃保持10 min，以5 ℃/min的速率升溫至250 ℃，保持至所有目標(biāo)組分流出。

(4)質(zhì)譜選擇全掃描模式，掃描范圍35～350 μm，電子轟擊能量70 eV，選擇化合物特征質(zhì)量離子峰面積(或)峰高定量。

(5)對(duì)得出的譜圖進(jìn)行定性、定量分析。

3.2.2 醛酮物檢測(cè)

(1)標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液用乙腈逐級(jí)稀釋，配置至少6個(gè)濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品。

(2)將采集的樣品洗脫、定容至5 mL，用濾膜過濾，并超聲清洗5 min。

(3)配置流動(dòng)相，2 mMol/L的乙酸銨溶液、過濾后的純乙腈、10%的乙腈溶液。

(4)調(diào)試設(shè)備，清洗管路，設(shè)置檢測(cè)器波長360 nm、采集頻率5 Hz、進(jìn)樣體積5 μL、柱流速0.6 mL/min、柱溫30 ℃，開啟紅外燈和紫外燈。

(5)設(shè)置梯度洗脫程序?qū)悠愤M(jìn)行梯度洗脫。

(6)對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 試驗(yàn)分析

4.1 烘烤對(duì)VOC的影響

將A、B、C、D、E 5個(gè)廠家的樣件烘烤前后的VOC揮發(fā)量進(jìn)行對(duì)比，見圖12—16。

圖12 A廠家樣件烘烤前后VOC揮發(fā)量對(duì)比圖

圖13 B廠家樣件烘烤前后VOC揮發(fā)量對(duì)比圖

圖14 C廠家樣件烘烤前后VOC揮發(fā)量對(duì)比圖

圖16 E廠家樣件烘烤前后VOC揮發(fā)量對(duì)比圖

通過比對(duì)可以看出：烘烤后A、B、D廠家所產(chǎn)的SMC樣片VOC升高，C、E廠家所產(chǎn)的樣片VOC下降；且每個(gè)廠家、每種物質(zhì)升高或下降的幅度各有不同。

4.2 噴漆對(duì)VOC的影響

圖17—19為模壓件噴漆前后的苯系物、醛酮類物質(zhì)和TVOC變化圖。

通過對(duì)比可以看出：噴漆后大部分VOC升高，尤其是二甲苯、乙苯劇增，TVOC升高約77倍。

圖17 噴漆前后的苯系物變化

圖18 噴漆前后的醛酮類物質(zhì)變化

圖19 噴漆前后的TVOC變化

4.3 烘烤對(duì)噴漆件VOC的影響

圖20—22為噴漆件烘烤前后苯系物、醛酮類物質(zhì)和TVOC的變化圖。

圖20 噴漆件烘烤前后苯系物的變化

圖22 噴漆件烘烤前后TVOC變化

從比對(duì)可以看出：噴漆后又進(jìn)行烘烤，烘烤后VOC均下降。

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1)不噴漆條件下，5個(gè)廠家SMC頂蓋樣片VOC優(yōu)劣順序?yàn)椋篈、B、C、E、D；D廠家最差，不噴漆情況下VOC都高于A廠家噴漆情況。

(2)烘烤對(duì)VOC的影響具有不確定性，可能造成VOC升高也可能造成VOC下降。

(3)噴漆會(huì)造成樣件VOC的急劇上升。

(4)噴漆件經(jīng)烘烤后VOC下降，但依然比不噴漆的VOC高。

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[5]中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法:HJ/T 400-2007[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.