面向消费者感知的整车TVOC持续优化提升

陈德美 刘树文 / 文

前言

随着汽车越来越多进入家庭，车内空气污染问题日益受到关注。其主要原因，一是社会公众的环境意识和自我保护意识不断提高，对直接关系身体健康的车内空气质量关注度增强；二是消费者对汽车舒适性和感观的要求越来越高，为适应消费者的要求，汽车企业不断提高车内设施的装饰水平及车厢密闭性，使车内空气污染物更容易聚积而产生污染。

因此，开展对车内空气中挥发性有机物尤其是TVOC（总挥发性有机物）的研究，将为解决车内空气污染问题、提高汽车制造技术水平、保护消费者的健康发挥重要作用。上汽集团秉持用户满意的企业宗旨，坚定履行负责任企业的社会义务，组织所属乘用车企业开展跨企业整车TVOC联合改进提升攻关活动，并将成果固化与实施，全面提升上汽乘用车产品TVOC质量水平。集团由主管副总裁挂帅，全面领导车内空气质量提升工作；任命泛亚技术中心TVOC专家作为技术负责人，全权负责车内空气质量提升的技术方案与实施；打破不同企业间的界限，融合上汽大众、上汽通用、上汽乘用车、上汽通用五菱、上汽大通等骨干企业在TVOC专业上的人才、技术、资源各方面的优势；汇聚上汽所属整车和关键零部件企业中技术、质量、测试、制造、采购、供应商管理方面的精兵强将、专家队伍，团结在“上汽”旗帜下，共创共赢，历时一年取得良好成效。此项目涵盖了环境保护、化学分析测试以及汽车零部件、材料生产等领域[1～3]。本文的重点是对整车TVOC进行溯源分析研究，并对关键材料及零部件进行专项提升，最终完成整车TVOC的优化。

1 整车TVOC溯源分析

1.1 整车TVOC贡献关键物质识别

TVOC是总挥发性有机化合物的简称。任何液体或固体在常温常压下自然挥发出来的有机物即为总挥发性有机化合物。本项目用Tenax TA采样、非极性色谱柱（极性指数小于10）进行分析，将保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物定义为整车TVOC[4]。

由于车内空间使用材料种类众多，如胶类、发泡、皮革、塑料等，其TVOC中包含的挥发性有机物包括烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类及其它，种类数量多达几百种，但多数挥发浓度较低。降低整车TVOC的首要问题是针对车内空气主要成分进行分析，找到整车TVOC需控制的关键化学物质种类及范围。

本项目利用气相色谱质谱联用仪对整车空气采样样品进行全谱定性分析，识别各挥发组分的具体化学物质，用甲苯半定量法对识别出的化学物质进行定量。气相色谱质谱联用是指利用气体作流动相的色层分离分析方法。工作原理图如图1所示。

图1 气相色谱质谱联用仪原理示意图

应用这一方法对整车空气采样样品进行全谱定性分析，通过大量的整车色谱数据积累，我们定义单个挥发性有机化学物质浓度高于0.3mg/m3为整车TVOC的主要贡献物质。通过这一方法，可以从上百种物质中有效识别出整车TVOC贡献占比85%以上的化学物质。如表1我们以部分车型为例，发现这些车型整车TVOC挥发性有机物中，“Heptane, 2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”两种挥发物质为整车TVOC的主要贡献物质。

表1 部分车内空气中整车TVOC关键贡献化学物质

1.2 整车TVOC在内饰材料及零部件中的溯源研究

这类挥发物质属于长链烷烃，通常我们认为该类物质的挥发主要由车内内饰零件中所应用的各类材料散发所贡献。因此，研究初期我们主要针对车内内饰关键材料及零件，开展TVOC的提升优化研究。

1）聚丙烯材料——主要应用于内饰仪表板/门板/立柱

聚丙烯由丙烯单体进行聚合，聚合完成后，会或多或少残留丙烯单体以及催化剂。同时，聚丙烯材料中使用的助剂一般由低分子物质组成，在体系中提供耐候、耐刮擦等功能。这些低分子化合物中有一些小分子物质，会影响零件的VOC挥发。

此外，汽车内饰仪表板/门板/立柱零件的生产制造中，聚丙烯材料经过注塑受高强剪切的作用，会产生大量的剪切热，同时在氧气的存在下，聚丙烯自身的氢原子容易被氧化，导致聚合物链段发生断裂，生成各种长链烷烃的副产物，从而影响最终制品的TVOC散发。如图2所示。

图2 聚丙烯原材料分子链降解示意图

在TVOC提升项目中，我们通过对聚丙烯材料生产过程工艺进行优化，一方面提高挤出生产线真空泵系统的真空度，提高生产过程中对小分子物质的去除效率；另一方面增加聚丙烯原材料的后烘烤工艺，通过粒子的循环烘料来加速副产物的挥发，从而解决最终制品的散发问题，总体可以降低聚丙烯原材料50%的TVOC散发量。

2）内饰胶粘剂材料——主要应用于顶衬/地毯

汽车内饰会使用多种溶剂型胶粘剂，如顶衬复合胶粘剂、地毯胶粘剂、塑料胶粘剂等。胶粘剂在使用过程中会释放甲醛、苯、甲苯、二甲苯及其他挥发性有机物。为了解决该问题，我们推荐供应商优先使用水性胶粘剂或采用不含溶剂热熔型胶粘剂。

本项目中，通过顶衬零件胶水的切换研究发现：使用环保型胶水后，顶衬总成TVOC散发均有大幅下降，平均可以下降50%。如表2所示。

表2 顶称零件胶水切换前后TVOC测试数据

3）聚氨酯材料——主要应用于座椅发泡/地毯发泡

聚氨酯发泡配方中挥发类物质，主要来源于聚醚多元醇和聚合物多元醇，主要是因为合成多元醇过程中的反应物质自氧化和降解产生。其降解机理如图3所示。因此，控制原料纯度是控制最终发泡制品散发性能的关键。我们推动主要发泡供应商建立了完整的原材料小分子副产物的质量监控要求，从而提升了最终零件的散发表现。

图3 聚氨酯原材料分子链降解示意图

通过内饰零件及材料的总碳散发优化和管控，我们对整车TVOC进行了检测。检测结果如图4所示，整车TVOC散发下降并不明显，约20%，未达到预期的控制目标。因此，需要针对整车TVOC进行进一步的溯源研究，寻找其他关键污染源。

图4 关键内饰零件改进前后对整车TVOC的影响

为了进一步锁定某类整车TVOC中主要贡献物质的来源，我们针对整车进行了整车内饰的分步拆解与回装。每拆解或回装一种内饰零件，就对整车进行一次车内空气采样分析[7～8]，并对“Heptane,

1.3 整车TVOC在整车中的进一步溯源研究

2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”两种挥发物质进行定量。

我们发现在内饰零件逐步拆解的过程中，车内两种物质的浓度并未下降。当所有内饰零部件都拆掉情况下，车内两种VOC浓度依然在20mg/m3以上，如图5。

图5 某车型拆解过程中两种主要VOC的浓度变化

而在零件的回装过程中，车内两种物质的浓度却随着回装零件的增加逐步降低。当所有内饰零部件回装完成后，两种物质的浓度降为最低，如图6。此外，无论在拆解还是回装过程中，两种化学物质的浓度变化趋势基本一致。因此，我们判断该类整车TVOC贡献的主要污染源并非传统的车内内饰零件，而是车身的某个零件或材料，且这两种物质均为同一污染源贡献。

图6 某车型回装过程中两种主要VOC的浓度变化

为了最终锁定整车TVOC污染源，我们参考车内空气质量测试的采样分析方法，开发了适用于零部件及材料级别的散发性能测试方法Tedlar Bag 2000L袋子法。采用与整车一致的气相色谱质谱联用方法对零部件或材料的挥发性有机物进行全谱定性分析及半定量。采用该方法，我们对的乘客舱内零件及车身上的胶类材料进行了测试分析。通过全谱分析，比对整车与测试零部件和胶类材料的色谱谱图，查找贡献“Heptane,2,2,4,6,6-pentamethyl-”和“Nonane, 2,2,4,4,6,8,8-heptamethyl-”两种关键化学物质的污染源。最终发现除了内饰零件外，车身拼接焊缝的PVC油漆密封胶同样含有长链烷烃物质，且其含量远大于车内内饰零件及材料，如图7所示。因此，我们判断PVC油漆密封胶也是车内TVOC的主要贡献源。

图7 整车及对应车型油漆密封胶气相色谱色谱图

2 关键材料及零部件TVOC提升优化

通过上述整车TVOC溯源分析，项目锁定某车型的整车TVOC主要贡献源为应用于车身拼接焊缝的PVC油漆密封胶。针对油漆密封胶，我们从原材料配方到生产工艺中的各个环节进行重点攻关。将从整车到材料的溯源方法同样应用到油漆密封胶的配方研究中，将油漆密封胶中各组分如表3所示打散，单独分析其化学组分是否与整车及油漆密封胶成品中的TVOC贡献物质匹配，最终锁定配方中的溶剂化学组分与整车中TVOC的主要贡献组分一致。我们通过在配方中去除溶剂，并将增塑剂等其他配方组分优化，以达到大幅降低油漆密封胶产品TVOC散发的效果，同时保证产品性能及在整车上的应用工艺不受影响。

表3 油漆密封胶配方分析

为了进一步提升产品TVOC散发性能，保持产品车内空气质量在国内的领先地位，最终，项目结合油漆密封胶及关键内饰零件及材料的TVOC的改进形成完整的整车TVOC提升技术方案。具体实施方案如表4所示。

表4 整车TVOC优化提升方案汇总

3 整车TVOC优化验证

作为整车TVOC提升攻关活动的成果之一，上汽确定了乘用车产品整车TVOC限值的集团标准，率先完成下属所有乘用车品牌各车型的TVOC提升工作，并将技术经验在集团内部进行分享。

按照集团标准，我们对部分车型进行了整车TVOC的常温及高温验证。我们发现，通过关键内饰材料及零件TVOC提升并结合油漆密封胶的TVOC改进，整车TVOC得到大幅优化，TVOC常温及高温测试值如图8所示，下降约85%，同时满足表5所示的上汽集团对于整车TVOC的控制要求。

图8 整车TVOC常温及高温工况下验证结果

表5 上汽集团整车TVOC限值要求

4 整车TVOC攻关提升成果固化

1）完成“SAIC 002-2019《整车车内挥发性有机物及醛酮类物质测试方法》”；“SAIC 003-2019《整车总挥发性有机化合物测试及控制目标》”两份上汽集团企业技术标准，并于2020年1月1日正式发布实施。所有在产乘用车产品和新开发车型均需严格按照集团标准执行。

2）完成上汽集团所属乘用车品牌各车型整车TVOC改进目标。

3）编制、优化整车车内空气质量监控工作流程，加大整车TVOC日常质量监控的频次和工作力度，确保在产整车TVOC质量。

4）各整车企业将TVOC质量目标和提升要求向供应链各关键供应商进行传递，重新签署关键零部件TVOC质量指标，大幅收紧TVOC限值，严格各项质量管控措施，带动材料供应商、内外饰供应商、粘结剂供应商等，共同改进提升TVOC散发质量水平，确保整车TVOC指标达标。

5 结论

1) 通过气相色谱质谱联用仪对整车空气采样样品进行全谱定性分析，可以有效识别各挥发组分的具体化学物质，找到整车TVOC主要污染物质。

2) 通过整车内饰零件的拆解回装分析，可以找到整车TVOC的关键贡献材料及零件。

3) 将TVOC的溯源分析技术应用于关键材料及零部件的提升优化中，有效优化了相关材料及零件的TVOC性能。

4) 整车实验表明，通过关键内饰材料及零件TVOC提升并结合油漆密封胶的TVOC改进，整车TVOC得到大幅优化，TVOC常温及高温测试值可以下降约85%。

5) 固化各项攻关成果和管理措施，确保上汽整车TVOC质量高水平保持稳定。