汽車儀表板VOC設計及生產(chǎn)管控

劉瓊宇，李東強，滕永泉，馬祥磊，肖 宇

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

隨著人們消費理念的升級，綠色、健康、環(huán)保的的汽車座艙己成為當前的主流趨勢。中國汽車技術研究中心也于2015年發(fā)布了《中國生態(tài)汽車評價規(guī)程》（簡稱C-ECAP），該評價規(guī)程基于生態(tài)設計的理念，在汽車產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，對汽車產(chǎn)品健康、節(jié)能、環(huán)保等績效指標進行綜合性評價，并根據(jù)評價結(jié)果進行生態(tài)汽車等級劃分。作為車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要影響因素，車內(nèi)揮發(fā)性有機化合物（VOC）成為C-ECAP評價體系中的子項目，要求選取距離下線后28～33天期間的新車進行測試，以GB/T 27630限值要求為零分基準，以限值乘0.1為滿分基準進行計算（具體得分體系原則見表1）。因此，車內(nèi)VOC的管控越來越受到各大主機廠的重視。

表1 VOC評價得分體系原則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、出風口及駕駛側(cè)下護板等多種零部件構成，研究表明，其作為汽車座艙系統(tǒng)的重要零部件，對VOC的貢獻量十分突出［1］。此外，隨著消費者對座艙感官質(zhì)量要求的日益提升，智能化、精致化座艙系統(tǒng)及表面界面應運而生，這也對儀表板構成零件的工藝、表面處理及原材料提出了更高、更復雜化的要求，多種零部件、多種工藝的疊加對儀表板系統(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的主要因素識別出來，制定針對性的管控措施，以期降低儀表板系統(tǒng)VOC超標風險。

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。為針對性地制定VOC管控對策，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袋子對某品牌多款車型的儀表板系統(tǒng)及相關零部件進行了VOC測試，統(tǒng)計結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 儀表板系統(tǒng)VOC檢測結(jié)果中超標物質(zhì)次數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Statistics of VOC detectionresults of the instrument panel system

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

圖1表明，儀表板系統(tǒng)最容易超標的物質(zhì)為甲醛、二甲苯和甲苯，最不容易超標的物質(zhì)為丙烯醛和苯。通過對超標物的溯源分析（圖2），引起甲醛超標的主要來源是原材料端，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的主要來源也是原材料端，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，對二甲苯和甲醛超標的貢獻量也不容小覷。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)境的污染幾乎對檢測物質(zhì)的超標都會產(chǎn)生貢獻。

以下將針對上述溯源統(tǒng)計的影響儀表板VOC性能的主要因素的管控對策進行詳述。

2 原材料管控對VOC性能的影響

2.1 PP原材料

PP材料因其質(zhì)輕、價廉及優(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，會引入甲苯、二甲苯等雜質(zhì)［2］，并且在高溫加工過程中會熱降解產(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測試過程中存在甲苯、二甲苯及醛類超標的風險。

對于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)，此類添加劑對低分子有機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)的脫揮設備與工藝在聚丙烯改性過程中進行脫揮［3-4］，也對PP原材料的VOC控制有效。圖3和圖4對比了某品牌的某車型PP原材料整改前后對儀表板系統(tǒng)VOC的影響，結(jié)果表明，PP原材料甲苯的超標與產(chǎn)品甲苯超標強相關，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測試過程中存在苯乙烯含量超標風險。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，技術只有少數(shù)供應商掌握，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VOC的影響主要是因為此類原材料在合成過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)，這就導致后續(xù)產(chǎn)品存在苯類（甲苯、二甲苯）超標風險。針對此項，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，近年來也逐步應用于儀表板系統(tǒng)中，但因相較于PU發(fā)泡生產(chǎn)工藝復雜，故成本也相對較高。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)泡料復合件。

3 生產(chǎn)工藝管控對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行稀釋，因此也會對產(chǎn)品VOC帶來影響，因此應盡量減少脫模劑的使用，或使用水性脫模劑、無機脫模劑、硅系脫模劑來替代現(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，是當前噴漆類產(chǎn)品VOC管控最常用的手段，管控策略通常是對產(chǎn)品漆膜厚度、烘烤溫度、烘烤時間等工藝進行嚴格管控，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試含量對比圖，改善措施為將噴漆產(chǎn)品的烘烤溫度由75℃提高到80℃，時間從40min延長到2h，由圖6可知，噴涂工藝的改善可大幅降低產(chǎn)品VOC超標的風險。

圖6 噴涂工藝改善前后產(chǎn)品VOC測試值對比圖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)會導致產(chǎn)品VOC測試中的苯系物超標。

對于INS、水轉(zhuǎn)印等覆膜產(chǎn)品，產(chǎn)品 VOC的主要的影響因素來源于使用膜片的種類和工藝。不同膜片的構成（見表2）對產(chǎn)品的VOC貢獻值不同，圖7為目前市場上常用的5款膜片包覆的同一基材的INS飾條VOC測試結(jié)果。結(jié)果表明，膜片的構成成分直接影響了VOC測試結(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 膜片構成成分Table 2 The composition of diaphragm

圖7 不同種類膜片對產(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產(chǎn)品的VOC散發(fā)性能的影響。總體而言，除苯乙烯外，相較于純注塑件，表面裝飾工藝不會顯著提升其他物質(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成層中含有ABS基體有一定關系，另外TOM工藝因使用含油墨層膜片，可能會加劇產(chǎn)品甲醛物質(zhì)的散發(fā)。

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

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

4 存儲環(huán)境對VOC性能的影響

存儲環(huán)境包括產(chǎn)品的存放環(huán)境和運輸存儲環(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)品存放在通風環(huán)境中，各項物質(zhì)的揮發(fā)量都會隨著時間的延長而降低［1］。因此，產(chǎn)品的存放環(huán)境需保持通風、清潔，且不應與其他生產(chǎn)廢料和產(chǎn)品共同存放，以避免交叉污染。另外，產(chǎn)品在運輸包裝過程中，需盡量避免用泡沫包裝［6］,防止外界帶來的污染。

5 結(jié)論

基于某品牌多款車型儀表板系統(tǒng)VOC測試結(jié)果統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)儀表板系統(tǒng)VOC超標物質(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)工藝端是導致產(chǎn)品上述物質(zhì)超標的主要原因。

通過對原材料端采取烘料時間延長、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、噴涂時間、烘烤時間等的優(yōu)化直接影響VOC散發(fā)性能，同時，除苯乙烯外，表面裝飾工藝不會對產(chǎn)品其他VOC產(chǎn)生較大影響，這也為產(chǎn)品的開發(fā)設計提供了更多選擇，但需要關注膜片本身的選擇；保持通風清潔的存儲和運輸環(huán)境在產(chǎn)品開發(fā)過程中也至關重要。以上手段的實施可有效管控儀表板在開發(fā)過程中的VOC排放，對整車VOC管控具有重要貢獻。