汽車儀表板VOC 設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管控

劉瓊宇，李東強(qiáng)，滕永泉，馬祥磊，肖 宇

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

隨著人們消費(fèi)理念的升級(jí)，綠色、健康、環(huán)保的的汽車座艙己成為當(dāng)前的主流趨勢(shì)。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心也于2015 年發(fā)布了《中國(guó)生態(tài)汽車評(píng)價(jià)規(guī)程》（簡(jiǎn)稱C-ECAP），該評(píng)價(jià)規(guī)程基于生態(tài)設(shè)計(jì)的理念，在汽車產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，對(duì)汽車產(chǎn)品健康、節(jié)能、環(huán)保等績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行生態(tài)汽車等級(jí)劃分。作為車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要影響因素，車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）成為C-ECAP 評(píng)價(jià)體系中的子項(xiàng)目，要求選取距離下線后28～33 天期間的新車進(jìn)行測(cè)試，以GB/T 27630 限值要求為零分基準(zhǔn)，以限值乘0.1為滿分基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算（具體得分體系原則見表1）。因此，車內(nèi)VOC 的管控越來(lái)越受到各大主機(jī)廠的重視。

表1 VOC 評(píng)價(jià)得分體系原則Table 1 Principles of VOC evaluation score system

儀表板系統(tǒng)主要由儀表板上本體、主副駕裝飾板、手套箱、出風(fēng)口及駕駛側(cè)下護(hù)板等多種零部件構(gòu)成，研究表明，其作為汽車座艙系統(tǒng)的重要零部件，對(duì)VOC 的貢獻(xiàn)量十分突出［1］。此外，隨著消費(fèi)者對(duì)座艙感官質(zhì)量要求的日益提升，智能化、精致化座艙系統(tǒng)及表面界面應(yīng)運(yùn)而生，這也對(duì)儀表板構(gòu)成零件的工藝、表面處理及原材料提出了更高、更復(fù)雜化的要求，多種零部件、多種工藝的疊加對(duì)儀表板系統(tǒng)的VOC 管控提出了更大挑戰(zhàn)。因此，必須將影響儀表板系統(tǒng)VOC 的主要因素識(shí)別出來(lái)，制定針對(duì)性的管控措施，以期降低儀表板系統(tǒng)VOC 超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

1 儀表板系統(tǒng)VOC 影響因素現(xiàn)狀

儀表板系統(tǒng)作為座艙系統(tǒng)中最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，通常覆蓋了PP 材料注塑工藝、ABS 材料注塑工藝、搪塑表皮發(fā)泡工藝、植絨工藝、噴涂工藝及各種表面裝飾工藝等。為針對(duì)性地制定VOC 管控對(duì)策，采用氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）和高效液相色譜（HPLC）,用2000L 袋子對(duì)某品牌多款車型的儀表板系統(tǒng)及相關(guān)零部件進(jìn)行了VOC 測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 儀表板系統(tǒng)VOC 檢測(cè)結(jié)果中超標(biāo)物質(zhì)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of VOC detection results of the instrument panel system

圖 2 超標(biāo)物質(zhì)的來(lái)源統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of sources of substan ces exceeding the standard

圖1 表明，儀表板系統(tǒng)最容易超標(biāo)的物質(zhì)為甲醛、二甲苯和甲苯，最不容易超標(biāo)的物質(zhì)為丙烯醛和苯。通過對(duì)超標(biāo)物的溯源分析（圖2），引起甲醛超標(biāo)的主要來(lái)源是原材料端，如儀表板系統(tǒng)零部件使用的噴涂油漆成分、包覆件使用的膠水等。引起二甲苯和甲苯超標(biāo)的主要來(lái)源也是原材料端，多為PP 原材料引起。另外，生產(chǎn)工藝，如油漆噴涂及塑料注塑溫度等，對(duì)二甲苯和甲醛超標(biāo)的貢獻(xiàn)量也不容小覷。值得注意的是，在后處理端，如生產(chǎn)環(huán)境的交叉污染和存放環(huán)境的污染幾乎對(duì)檢測(cè)物質(zhì)的超標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

以下將針對(duì)上述溯源統(tǒng)計(jì)的影響儀表板VOC 性能的主要因素的管控對(duì)策進(jìn)行詳述。

2 原材料管控對(duì)VOC 性能的影響

2.1 PP 原材料

PP 材料因其質(zhì)輕、價(jià)廉及優(yōu)異的耐候性等特性，在儀表板系統(tǒng)注塑產(chǎn)品中的應(yīng)用量穩(wěn)居前列。PP 材料在合成過程中因溶劑和小分子催化劑的原因，會(huì)引入甲苯、二甲苯等雜質(zhì)［2］，并且在高溫加工過程中會(huì)熱降解產(chǎn)生甲醛、乙醛等小分子物質(zhì)，因此PP 類注塑產(chǎn)品通常在VOC 測(cè)試過程中存在甲苯、二甲苯及醛類超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于PP 原材料，可在材料改性過程中添加多孔吸附材料，如活性炭、多孔氧化鋁等物質(zhì)，此類添加劑對(duì)低分子有機(jī)化合物具有較好的吸附能力。此外，在原材料粒子擠出后，將其引入到帶烘干功能的儲(chǔ)料罐中，通過合理的程序控制，在大于100℃環(huán)境下烘干4～6 h，也可有效降低原材料中的超標(biāo)物質(zhì)。另外，有研究表明，優(yōu)化PP 改性過程中生產(chǎn)用的螺桿組合或采用專業(yè)的脫揮設(shè)備與工藝在聚丙烯改性過程中進(jìn)行脫揮［3-4］，也對(duì)PP原材料的VOC 控制有效。圖3 和圖4 對(duì)比了某品牌的某車型PP 原材料整改前后對(duì)儀表板系統(tǒng)VOC 的影響，結(jié)果表明，PP 原材料甲苯的超標(biāo)與產(chǎn)品甲苯超標(biāo)強(qiáng)相關(guān)，原材料整改后，產(chǎn)品的甲苯散發(fā)量得到了有效改善。

圖3 整改前原材料與產(chǎn)品的VOC 測(cè)試值Fig.3 VOC test values of materials and products before rectification

圖4 整改后原材料與產(chǎn)品的VOC 測(cè)試值Fig.4 VOC test values of materials and products after rectification

2.2 PC/ABS 及ABS 原材料

ABS 或PC/ABS 原材料通常是作為噴涂件、包覆件及裝飾件本體的原材料，這類材料因其合成單體中含有苯乙烯，故由其制備的產(chǎn)品在VOC 測(cè)試過程中存在苯乙烯含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。ABS 的合成方法通常分為乳液聚合法和本體聚合法，本體聚合法不含乳化劑，在合成過程中，單體轉(zhuǎn)化率也要高于乳液聚合。由圖5 可知，本體法聚合ABS 的VOC 表現(xiàn)要優(yōu)于乳液聚合ABS，特別是醛類的表現(xiàn)，這也就是通常所說的低VOC 類材料。但本體法ABS 目前工藝難度高，技術(shù)只有少數(shù)供應(yīng)商掌握，且本體法生產(chǎn)的ABS 不適合噴涂和電鍍工藝。

圖5 不同聚合方法ABS 的VOC 測(cè)試Fig.5 VOC test of ABS with different polymerization methods

2.3 油漆膠水類原材料

油漆膠水類原材料對(duì)VOC 的影響主要是因?yàn)榇祟愒牧显诤铣蛇^程中多使用苯類溶劑，后續(xù)使用的稀釋劑也多為苯類物質(zhì)，這就導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品存在苯類（甲苯、二甲苯）超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此項(xiàng)，為保證產(chǎn)品VOC 性能，通常推薦使用水性漆（水性膠）或熱熔膠。另外，免噴涂材料及工藝的發(fā)展，也可規(guī)避油漆等有害物質(zhì)的使用，保證產(chǎn)品的VOC 性能。目前用于免噴涂工藝的基材有ABS、PC/ABS、PP、ASA、PA、PMMA 等。

2.4 PU 類原材料

聚氨酯（PU）發(fā)泡層是目前應(yīng)用最為廣泛的發(fā)泡層，通常用于軟質(zhì)儀表板，其使用的原料聚醚多元醇在反應(yīng)過程中產(chǎn)生醛酮類物質(zhì)，從而影響產(chǎn)品VOC 性能，因此建議選擇反應(yīng)型催化劑和低VOC 類單體合成發(fā)泡層。此外，PP 發(fā)泡制品作為一種半硬質(zhì)產(chǎn)品，因其具有適度的硬度、柔軟性、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和可回收性，近年來(lái)也逐步應(yīng)用于儀表板系統(tǒng)中，但因相較于PU 發(fā)泡生產(chǎn)工藝復(fù)雜，故成本也相對(duì)較高。因此在軟質(zhì)儀表板開發(fā)中，可推薦使用TPO 表皮層和PP 發(fā)泡料復(fù)合件。

3 生產(chǎn)工藝管控對(duì)VOC 性能的影響

3.1 注塑溫度

同PP 粒子改性過程類似，PP 產(chǎn)品在注塑過程中，在螺桿的高溫剪切作用下，會(huì)分解出醛類物質(zhì)，溫度越高，醛類物質(zhì)的散發(fā)量越高。因此，在PP 件注塑過程中，建議將注塑溫度控制在230℃以下。ABS 類粒子同樣會(huì)存在前述PP 類原材料的類似問題，通常PC/ABS 及ABS類材料的加工溫度推薦240℃到260℃。此外，塑料粒子在注塑前增加烘料工藝也可有效降低產(chǎn)品的VOC 含量，PP 類材料推薦在80℃到100℃溫度下烘烤2～4 h，ABS 類材料推薦100℃到110℃溫度下烘烤3～5 h。另外，注塑過程中使用的脫模劑多采用苯類溶劑進(jìn)行稀釋，因此也會(huì)對(duì)產(chǎn)品VOC 帶來(lái)影響，因此應(yīng)盡量減少脫模劑的使用，或使用水性脫模劑、無(wú)機(jī)脫模劑、硅系脫模劑來(lái)替代現(xiàn)有的溶劑型脫模劑［5］，避免污染產(chǎn)品。

3.2 噴涂工藝

噴涂工藝的改善，是當(dāng)前噴漆類產(chǎn)品VOC 管控最常用的手段，管控策略通常是對(duì)產(chǎn)品漆膜厚度、烘烤溫度、烘烤時(shí)間等工藝進(jìn)行嚴(yán)格管控，盡量去除漆層中殘余的有害揮發(fā)性物質(zhì)。圖6 為某品牌某款車型噴涂工藝改善前后的甲苯和二甲苯測(cè)試含量對(duì)比圖，改善措施為將噴漆產(chǎn)品的烘烤溫度由75℃提高到80℃，時(shí)間從40min延長(zhǎng)到2h，由圖6 可知，噴涂工藝的改善可大幅降低產(chǎn)品VOC 超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 噴涂工藝改善前后產(chǎn)品VOC 測(cè)試值對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of VOC test values of products before and after spraying process improvement

3.3 表面裝飾工藝

除噴涂類零件外，INS、TOM、IMD、電鍍、水轉(zhuǎn)印等表面裝飾工藝也廣泛應(yīng)用于儀表板系統(tǒng)，其中電鍍工藝的阻鍍液中，因含有苯類物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品VOC 測(cè)試中的苯系物超標(biāo)。

對(duì)于INS、水轉(zhuǎn)印等覆膜產(chǎn)品，產(chǎn)品 VOC 的主要的影響因素來(lái)源于使用膜片的種類和工藝。不同膜片的構(gòu)成（見表2）對(duì)產(chǎn)品的VOC 貢獻(xiàn)值不同，圖7 為目前市場(chǎng)上常用的5 款膜片包覆的同一基材的INS 飾條VOC測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，膜片的構(gòu)成成分直接影響了VOC測(cè)試結(jié)果，其中膜片3 和膜片4 產(chǎn)品因其膜片使用油墨層作為外露的主要成分，故甲醛的含量顯著高于其他成分膜片產(chǎn)品。

表2 膜片構(gòu)成成分Table 2 The composition of diaphragm

圖7 不同種類膜片對(duì)產(chǎn)品VOC 散發(fā)性能影響Fig. 7 Influence of different types of diaphragm on VOC emission performance of products

圖8 所示為不同表面裝飾工藝對(duì)產(chǎn)品的VOC 散發(fā)性能的影響?？傮w而言，除苯乙烯外，相較于純注塑件，表面裝飾工藝不會(huì)顯著提升其他物質(zhì)的散發(fā)，但其明顯加劇了產(chǎn)品中苯乙烯的散發(fā)量，這可能和裝飾膜片構(gòu)成層中含有ABS 基體有一定關(guān)系，另外TOM 工藝因使用含油墨層膜片，可能會(huì)加劇產(chǎn)品甲醛物質(zhì)的散發(fā)。

圖8 不同表面裝飾工藝對(duì)產(chǎn)品VOC 的影響Fig. 8 Effects of different surface decoration processes on VOC of products

綜上所述，對(duì)于表面裝飾產(chǎn)品，在產(chǎn)品膜片種類和基材的選擇上要多加留心。

4 存儲(chǔ)環(huán)境對(duì)VOC 性能的影響

存儲(chǔ)環(huán)境包括產(chǎn)品的存放環(huán)境和運(yùn)輸存儲(chǔ)環(huán)境，作為產(chǎn)品VOC 管控的最后一環(huán)，重要性不容小覷。有研究表明，產(chǎn)品存放在通風(fēng)環(huán)境中，各項(xiàng)物質(zhì)的揮發(fā)量都會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低［1］。因此，產(chǎn)品的存放環(huán)境需保持通風(fēng)、清潔，且不應(yīng)與其他生產(chǎn)廢料和產(chǎn)品共同存放，以避免交叉污染。另外，產(chǎn)品在運(yùn)輸包裝過程中，需盡量避免用泡沫包裝［6］, 防止外界帶來(lái)的污染。

5 結(jié)論

基于某品牌多款車型儀表板系統(tǒng)VOC 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)儀表板系統(tǒng)VOC 超標(biāo)物質(zhì)主要集中為甲醛、二甲苯和甲苯，PP 類、油漆膠水類、PU 發(fā)泡類原材料端及注塑溫度、噴涂工藝等生產(chǎn)工藝端是導(dǎo)致產(chǎn)品上述物質(zhì)超標(biāo)的主要原因。

通過對(duì)原材料端采取烘料時(shí)間延長(zhǎng)、配方優(yōu)化或改性過程中VOC 同步管控的手段可有效改善產(chǎn)品VOC 性能，也推薦采用環(huán)保材料替代現(xiàn)有原材料；產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的管控仍是目前VOC 管控的重要環(huán)節(jié)，注塑溫度、噴涂時(shí)間、烘烤時(shí)間等的優(yōu)化直接影響VOC 散發(fā)性能，同時(shí)，除苯乙烯外，表面裝飾工藝不會(huì)對(duì)產(chǎn)品其他VOC 產(chǎn)生較大影響，這也為產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了更多選擇，但需要關(guān)注膜片本身的選擇；保持通風(fēng)清潔的存儲(chǔ)和運(yùn)輸環(huán)境在產(chǎn)品開發(fā)過程中也至關(guān)重要。以上手段的實(shí)施可有效管控儀表板在開發(fā)過程中的VOC 排放，對(duì)整車VOC 管控具有重要貢獻(xiàn)。