车内VOCs的来源及改善方法

近几年，随着人民生活水平的提高， 我国乘用汽车保有量一度呈指数型增长，汽车成了当代社会最常用也最普遍的交通工具之一，但汽车在给人们的出行带来各种便利的同时，汽车安全和汽车健康问题也不容忽视。其中，车内空气污染问题一直备受人们的关注。

01  VOCs的概念及危害

汽车内部是一个狭小的、相对密闭的空间，很多时候，人们会感到车内空气存在异味，甚至刺鼻的气味，而这些引起人们不适的气味组成复杂， 成分众多，并且大多数组分或多或少都会对驾乘人员产生健康危害。它们就是VOCs。VOCs，即挥发性有机物，是Volatile Organic Compounds的缩写。根据世界卫生组织（WHO）的定义，VOCs是在常温下，沸点在50℃-260℃之间的各种有机化合物。在我国，VOCs是指常温下饱和蒸汽压大于70 Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10 Pa且具有挥发性的全部有机化合物。

VOCs包括非甲烷碳氢化合物（简称NMHCs）、含氧有机化合物、卤代烃、含氮有机化合物、含硫有机化合物等几大类。大多数VOCs具有令人不适的特殊气味，并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用，特别是苯、甲苯及甲醛等对人体健康会造成很大的伤害。

02  车内VOCs的来源

车内空气污染的主要来源包括汽车内饰件材料的挥发、汽车燃油散发等，但对于新车，汽车内饰件是车内空气污染的主要来源。汽车内饰件组成材料复杂，种类繁多，包括塑料、橡胶、合成纤维、纺织品、皮革， 还有用于粘合的胶黏剂，用于喷涂的油漆等材料。这些材料在使用中会挥发出一定量的甲醛、乙醛、甲苯、二甲苯等有害气体，这些气体的含量一旦超标，会严重危害驾乘人员的人身健康安全。

03  车内VOCs浓度要求

对于车内空气污染，我国先后出台了多项政策，用来规范汽车生产后的车内空气质量，以保证消费者的驾乘安全。2012年3月，我国正式实施GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》，该标准规定了乘用车内部分苯系物和醛类物质的浓度要求，具体浓度要求见表1。随后，2016 年 12 月 23 日，生态环境部正式发布了国家污染物排放标准 GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，将车内挥发性有机化合物（VOCs）的散发量纳入了标准管控范围，明确指出，所有 M1 类车辆均应符合《乘用车内空气质量评价指南》（GB/T 27630-2011）及其后续修订版本的要求，乘用车内空气质量指标将于 2020 年 7 月 1 日落地实施。

表 1 车内空气中有机物浓度要求

虽然车内空气质量问题已经引起了广泛的重视，但车内空气污染问题并没有得到解决。2012年9月10日，300名车主集体投诉奔驰汽车车内甲醛超标4倍，但由于此前实施的《乘用车内空气质量评价指南》只是行业建议，并无法律保护作用，车主虽然饱受侵害，但是难以维权。随后不久，同年的9月14日，全球首家基于SNS的实名制专业汽车问答网站——车问网发布了一份《“健康汽车”检查报告》，该报告显示，当时比较主流的11款车型内饰中均含有致癌物——多环芳烃，且含量超标。这份报告再次将车内空气质量问题推到了风口浪尖。2014年，中国消费者协会及深圳市消费者委员会联合发布了《2014年乘用车车内空气挥发性有机物（VOCs）专项调查报告》，报告显示，依据GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》，51辆测试样品车中，将近40%的乘用车车内空气不合格，且新车的VOCs含量高于旧车，这说明，车内VOCs的浓度与汽车内饰的选择息息相关。

04  汽车内饰VOCs性能的提升方法

那么我们该如何选择汽车内饰，从而降低车内VOCs的风险呢？对于不同的汽车内饰来说，材料是决定其VOCs性能的关键，所以选择低VOCs汽车内饰是改善车内空气污染的关键。下面我们分别介绍五种主要的汽车内饰及其材料，从根源上提出降低车内VOCs浓度的方法。

01  仪表板

根据材质，汽车仪表板主要可分为两类：一类是硬质仪表板，一类是软质复合型仪表板。其中，硬质仪表板主要是由聚丙烯（PP）或聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（PC/ABS）材料经注塑成型制成的，而软质复合型仪表板主要是先由PP或PC/ABS等材料注塑形成仪表板骨架，再通过给骨架外包覆一层表皮来提高其触感及增强吸能效果。研究表明，硬质仪表板的各项VOCs浓度均明显高于软质复合型仪表板。测量结果如图1所示。


图 1 材质类型对主仪表板 VOCs 浓度的影响

另外，对于软质复合型仪表板来说，不同的表皮材料和成型工艺对于其VOCs水平也会产生影响。其中，聚氯乙烯（PVC）的搪塑成型工艺是通过高温熔化PVC粉体，让具有流动性的PVC材料在模具内壁上成型，再进行冷却固化最终形成PVC表皮。这种成型工艺会导致PVC再高温下发生分子链断裂，释放出小分子物质，从而导致其具有较高的VOCs水平。而另一种热塑性聚烯烃类弹性体（TPO）的阴模真空成型工艺，是通过在片材和模具之间形成真空状态，从而使片材吸附并贴合在模具表面，最终形成表皮。由于这种成型工艺加热温度低，所以大大减少了高分子链的受热分解，同时，TPO在合成过程中应用的茂金属催化剂或 Ziegler-Natta催化剂也是一种 VOCs 催化剂，可以有效减少 TPO合成反应中的残留物和小分子物质的含量，降低VOCs 的含量，抑制 VOCs 物质在热分解中氮氧化物的排放。


图 2 TPO材料在汽车仪表板的运用，插图为TPO颗粒

所以，对于汽车仪表板来说，除了根据其材质选择软质复合型仪表板外，还可以通过成型工艺判断其是否具有更低的VOCs水平。

02  顶棚

汽车顶棚的主体分为面料和板材两部分，面料常用材料为无纺布、针织布等，板材常用材料为半硬质聚氨酯泡沫、玻璃纤维增强聚丙烯等。其中，板材的主要作用是吸音降噪和减震隔热，而面料则主要是通过一些编制手法实现顶棚的设计效果。研究表明，添加无纺布的顶棚具有更高的VOCs浓度。


图 3 材质类型对顶棚 VOCs 浓度的影响

但为了更好的实现顶棚的功能以及更加美观，大多数汽车都会在顶棚板材表面加一层面料。除了添加面料会影响顶棚的VOCs水平外，顶棚的生产工艺也会对其VOCs水平产生影响。

顶棚的生产工艺主要包括干法工艺和湿法工艺两种。其中，干法工艺只加热板材，无需加热模具。对由聚氨酯泡沫板、玻璃纤维毡和胶片组成的多层复合板进行加热，与面料一同经过模具的压制成型，后期加以水切割或机械裁边，最终成型。而湿法工艺只加热模具，无需加热板材。玻璃纤维毡贴合在聚氨酯泡沫板两侧后，在其表面滚胶、喷水和喷催化剂，与面料一同送入高温模具中，在压制成型的同时使双组分胶黏剂发生交联反应而固化，经过切边等后处理最终成型。从这两种工艺过程来看，湿法工艺中双组分胶黏剂需要在高温环境下发生反应从而使其产生粘合作用，这会导致更多小分子物质的形成，使得湿法顶棚的VOCs水平高于干法顶棚。


图 4 干法工艺制造的汽车顶棚

所以，对于汽车顶棚来说，干法工艺生产的顶棚具有更低的VOCs浓度。

03  地毯

地毯的主体面积较大，一般由骨架层和填充层（或面层）组成。其中骨架层一般由聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）等材料通过压延成型的热塑性片材进行制造，使地毯不易变形，而填充层材料一般选择聚氨酯泡沫或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维毡，起到隔音和减震的功能。研究表明，在上述材料中，PE材料的各组分VOCs浓度相对较高，但可以通过制备复合材料的方式显著降低其VOCs的浓度。


图 5 材质类型对地毯 VOCs 浓度的影响

由于加工地毯的材料和工艺的复杂性，影响地毯VOCs性能的因素有很多，例如，在地毯加工过程中，为保证地毯面层与骨架层复合成一体，需要对面层底部浸胶，此时，胶黏剂的选择会对VOCs的浓度产生较大影响，一般来说，选择水溶型胶黏剂，如丙烯酸酯胶黏剂可以优化地毯的VOCs性能。还有，在地毯加工成型后，通常会对面层的高分子纤维进行阻燃和抗静电处理，而阻燃剂和抗静电剂均会由于氧化、挥发和迁移作用，不断散发出VOCs物质，此时，可以通过添加还原性物质来阻止一些由于氧化反应产生的VOCs，从而改善地毯的VOCs性能。

对汽车地毯而言，尽量选择其他复合材料而不是含有大量PE材料加工的地毯可以有效减少其VOCs的浓度，另外，在地毯使用前，对地毯进行抽真空处理，通过地毯所处空间与地毯之间的压力差及VOCs的浓度差，使残留在地毯内部的小分子物质加速迁移到地毯表面进而加速VOCs的挥发，从而使地毯在使用过程中的VOCs浓度降低。同时，真空法也适用于其他面积较大的汽车内饰。

04  座椅

聚氨酯（PU）材料在汽车内饰中应用广泛，其中最主要的就是用来制造汽车座椅，其中，软质聚氨酯泡沫用于座椅坐垫和靠背，半硬质聚氨酯泡沫用于座椅扶手和头枕。聚氨酯高分子材料是由聚醚或聚酯多元醇作为软段，二异氰酸酯作为硬段，经过缩合聚合反应生成，反应添加剂有催化剂、稳定剂和阻燃剂等。由于多元醇通过氧化反应会生成为醛、酮类物质，所以聚氨酯泡沫经常出现甲醛等醛类物质含量偏高的情况。

减少聚氨酯泡沫散发醛类物质，需要严格控制合成过程中残留的聚醚或聚酯多元醇单体，但这点往往很难控制。目前研究人员提出的一种新方法，可以有效地减少聚氨酯泡沫醛类物质的散发，即在反应体系中添加醛类捕捉剂，这种捕捉剂可以与聚氨酯泡沫散发出的醛类发生化学反应，并形成稳定的化合物。

据报道，2017年，巴斯夫推出全新聚醚多元醇产品，可以降低挥发性有机化合物(VOC)排放量，尤其是醛类物质的排放量，有效改善车内空气质量。这种材料由于其卓越的VOCs性能和出色的舒适度及回弹性能，受到了人们的广泛好评。

另外，一些座椅表面通常会加一些覆盖物，如皮革、针织物及二者的混合物，研究表明，针织物覆盖的座椅各组分VOCs浓度相对皮革及混合类座椅的更高。


图 6 材质类型对座椅 VOCs 浓度的影响

05  胶黏剂

胶黏剂在各种汽车内饰的加工中都有大量的使用，也是车内VOCs的主要来源之一。其中，胶黏剂常用的固化剂甲苯二异氰酸酯（TDI）会在促成成膜物质固化后，游离于胶膜之外，持续的向外散发VOCs。用于降低胶黏剂黏度，提高其润湿性和流动性的有机溶剂主要包括甲苯、丙酮、丁酮、二甲苯、二甲基甲酰胺、醋酸乙酯等，是胶黏剂散发VOCs另一原因。

由于胶黏剂在汽车内饰生产中的必要性，所以推广应用环保型的胶黏剂是减少车内VOCs污染的重要途经。环保型胶黏剂包括无溶剂型胶黏剂、以水为分散介质的水溶型胶黏剂和具有热塑性的热熔型胶黏剂等。目前广泛使用的环保型胶黏剂是水溶型聚氨酯胶黏剂，它保留了传统的溶剂型聚氨酯胶黏剂的强度高、耐候性和耐磨性好的特点，又消除了有机溶剂的挥发。但水性聚氨酯胶黏剂也存在着一些问题，如黏结效果差，固化时间长等。所以，研发满足实际需求的环保型胶黏剂仍是一个亟待解决的问题。

05  总结

总之，优化整车的VOCs性能最根本的途径是优化原材料，选择低VOCs的原材料，合理使用添加剂，减少溶剂的使用，开发水溶性产品；调整适当的生产工艺过程，减少 VOC 带入成品件，增加适当的烘烤工序；建立良好的通风仓储环境，避免交叉污染的同时加快成品件的VOCs散发等。

对消费者来说，要想避免车内VOCs的侵害，首先要谨慎选购，尽量选择检测合格的品牌购买，其次，开车时要注意开窗通风或打开空调，下车后注意洗手。另外，每次开车前建议先开窗通风，用空气净化喷洒雾水进行车内空气的治理，再开启空调，避免在之后的行车过程中吸入有害气体。

随着国家相关法规的出台，全汽车产业链对车内空气质量改善的重视，车用原材料、汽车零部件、整车制造业整体水平的提升，我相信，未来的汽车将会越来越环保，越来越健康，在带给我们便利的同时，也能保证我们的健康。