抽排风烘烤后处理工艺对汽车软内饰零件VOC性能及气味的影响

抽排风烘烤后处理工艺对汽车软内饰零件VOC性能及气味的
影响
任重磊;周树武;文哲;张磊金;周磊;危学兵
【摘要】为解决汽车软内饰零件VOC含量高、气味性大的问题,以地毯总成和顶
衬总成为例,采用10 L袋子法、2000 L袋子法分别在试验室及实际生产过程中对
抽排风烘烤工艺降低汽车软内饰零件挥发性有机化合物(VOC)含量、改善气味性的可行性进行了研究.介绍了测试对象、测试设备、抽排风后处理的工艺流程和原理、样品的VOC测试分析过程,并对样品是否经过抽排风烘烤处理的VOC检测结果进行了对比.结果表明,抽排风烘烤工艺能够明显降低汽车地毯和顶衬的VOC含量、
改善气味性,有效解决了汽车软内饰零件VOC含量高、气味性差的问题.
【期刊名称】《汽车工艺与材料》
【年(卷),期】2017(000)009
【总页数】7页(P10-16)
【关键词】抽排风烘烤工艺;软内饰零件;VOC;地毯;顶衬
【作者】任重磊;周树武;文哲;张磊金;周磊;危学兵
【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州 545005;上汽通用五菱汽车股
份有限公司,柳州 545005;上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州 545005;上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州 545005;上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州545005;上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州 545005
【正文语种】中文
【中图分类】U463.8
随着我国汽车工业的飞速发展，国内汽车保有量急剧增加，车内空气质量问题也越来越受到关注[1]。

自2012年3月1日国家环保部及国家质检总局联合发布实施GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》以来，车内空气质量已成为汽车行业的热点话题，也引起了国家政府相关部门的高度重视。

乘用车内饰件在使用过程中会释放挥发性有机物，去除这些挥发性有机物的传统方法是尽量选用低毒、无毒的原材料，或者通过化学试剂中和挥发性有机物，或者采用喷涂工艺对内饰件表面进行封堵，但后两种方法容易造成二次污染，并会增加生产成本。

因此，如何以较低成本获得较明显的车内空气质量改善效果已成为各主机厂的重点攻关课题之一。

影响车内空气质量的主要因素有内饰件的材料、加工工艺及其仓储环境。

更换材料牌号或材料种类对内饰件的生产成本影响较大，而改进内饰件的加工工艺和仓储环境对内饰件的生产成本影响较小，且改善车内空气质量的效果较为明显[2]。

本文重点研究抽排风烘烤后处理工艺对软内饰零件的VOC性能及气味的影响，即在零件下线后对其进行抽排风烘烤处理，对比同一批次经过处理的零件与未经过处理的零件的VOC含量及气味性的变化。

2.1 测试对象和测试设备
2.1.1 测试对象
分别随机抽取量产的同材料、同工艺、同批次的地毯总成、顶衬总成为研究对象（表1）。

同批次取样是为了尽量降低产品生产的不稳定性可能对VOC检测结果带来的影响；每组的2件零件都是分别按照流水线生产顺序取样，中间没有间隔零件，以避免环境的温度和湿度等因素可能对VOC检测存在的影响。

2.1.2 测试设备
a.试验室抽排风烘烤设备：定制烘箱；
b.工厂抽排风烘烤设备：自建烘房，烘房主要由加热室、抽风管路、送风管路和温度监控系统等组成；
c.自制物料架：2 500mm×1 500mm×1 750mm，共7层；
d.DHG-9240A步入式高低温湿热试验箱：上海飞越实验仪器有限公司；
e.苯系物质检测设备：Agilent气相色谱-质谱联用仪7890B/5977A，安捷伦科技（中国）有限公司；
f.醛酮类物质检测设备：Agilent高效液相色谱仪1260，安捷伦科技（中国）有限公司。

2.2 抽排风烘烤后处理工艺的原理及参数选择
2.2.1 原理
2.2.1.1 抽排风烘烤促进VOC气体的挥发
a.高温促使挥发性气体从软内饰零件材料的内部扩散到表面，进而扩散到周围的环境中。

b.高温促进软内饰零件材料中小分子功能性添加剂（如使材料具有稳定性的抗氧化剂等）从内部迁移到外部，从而降低了小分子功能性添加剂在材料中的浓度。

2.2.1.2 抽排风烘烤可降低环境气体浓度，促进软内饰件材料中VOC气体的散发循环抽排风将软内饰零件材料加热过程中散发的可挥发性气体抽走，降低周围环境气体浓度，避免周围环境中可挥发性气体饱和，提高软内饰零件材料中可挥发性气体的扩散速率。

本试验抽排风频率为每隔10min抽风3min、送风3min。

2.2.2 参数选择
2.2.2.1 烘烤温度
高温会使材料软化变形或加速材料老化。

软内饰零件多数包含聚氨酯（PU）泡沫材料，PU是一种热固性材料，发泡温度为40～80℃。

当周围温度高于发泡温度时，聚氨酯泡沫的热老化程度增大。

80℃介于大多数软内饰材料的玻璃转化温度
和软化点之间，当烘烤温度＞80℃时，软内饰材料分子链上的侧基具备一定的运动能力，不利于软内饰制品保持形状，所以循环抽排风烘烤的加热温度不宜超过80℃。

本试验选取的烘烤温度为65℃和80℃。

2.2.2.2 烘烤时间
烘烤时间过长会增加生产成本、降低生产效率，本文分别验证了烘烤时间为
15min、30min和60min的烘烤效果。

3.1 VOC样品的采集
样品采集方法参照HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》和公司标准BT/SGMWJ0835《车内零部件挥发性有机物和醛酮类物质采样及测试方法》的要求，关键试验参数如下。

3.1.1 2 000 L袋子法
a.采样袋：2 000 L聚氟乙烯（PVF）薄膜，厚度为0.05mm；
b.氮气体积：1 000 L；
c.气体采样温度及采样时间：65℃，2 h；
d.气体捕集条件：见表2；
e.测试样品：地毯总成和顶衬总成。

3.1.2 10 L袋子法
a.采样袋：10 L聚氟乙烯（PVF）薄膜，厚度为0.05mm；
b.氮气体积：5 L；
c.气体采样温度及采样时间：65℃，2 h；
d.气体捕集条件：见表3；
e.测试样品：在总成零件厚度均匀且离零件边缘至少有50mm的位置裁取样品，样品尺寸为100mm×100mm×厚度。

3.2 VOC样品的测试分析
3.2.1 试验标准
苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯和总碳散发量（也称总挥发性有机化合物，TVOC）的分析使用气相色谱-质谱联用仪（TD-GC-MS），甲醛、乙醛、丙烯醛
和丙酮的分析使用高效液相色谱仪（HPLC）。

分析方法及数据处理应该满足GMW15654《车内空气中挥发性有机物及总碳散发量测定》、BT/SGMWJ0835《车内零部件挥发性有机物和醛酮类物质采样及测试方法》和HJ/T 400-2007的
有关规定；气味评估方法应符合GMW3205《车内装饰材料气味测试方法》的规定。

3.2.2 试验室10 L袋子法的试验结果
3.2.2.1 试验室烘烤箱
试验室烘烤箱（图1）参数如下。

a.循环风机、循环风管和过滤组合装置的安装均采用箱顶外挂式安装。

b.试验室烘烤箱墙体中间层采用100mm厚的PU发泡保温材料，墙体外侧材质为彩钢板，墙体内侧为430号镜面不透钢板；地板平铺2.0mm厚不锈钢钢板，可
承载200 kg/m2以上。

c.试验室烘烤箱的内尺寸（长×宽×高）为4 000mm×3 000mm×2 000mm，外
尺寸（长×宽×高）为：4 200m×3 200mm×2 263mm。

d.双开门的单侧尺寸（宽×高）：900mm×1 800mm。

e.照明灯：4组。

f.试验室烘烤箱通过循环风道与外界空气连通，外界新鲜空气在循环风机的作用下与烤箱内部的气体进行置换。

g.现场主电源线：试验室烘烤箱的电控系统需要接入AC380V 30 KW的交流电源。

h.试验室烘箱双开门右侧的墙面上需预留两个直径为100mm的进气孔和排气孔。

i.安装试验室烘烤箱所占地面位置处的地板胶或者地板漆务必铲除干净，否则会影
响VOC测试结果。

为了研究烘烤温度和烘烤时间对软内饰零件的VOC性能及气味性的影响，以确定相对合适的烘烤温度及烘烤时间，设计了多组试验参数，具体如表4所示。

3.2.2.2 地毯总成VOC及气味性测试结果
地毯10 L袋子法的VOC及气味性测试结果如图2和图3所示。

从图2可以看出，烘烤使单组分乙醛和丙烯醛下降的效果不明显，但使醛酮总量、苯系物和TVOC下降的效果较为明显，尤其是在65℃烘烤30min的条件下，单
项苯系物、TVOC达到相对较低的值，醛酮总量也接近最低值；同时，在此烘烤工艺条件下，气味改善效果明显，气味测试结果与醛酮、苯系物的测试结果相一致。

3.2.2.3 顶衬总成VOC及气味性测试结果
顶衬10 L袋子法的VOC及气味性测试结果如图4和图5所示。

可以看出，烘烤
虽然使苯系物下降的效果不明显，但对醛酮类物质以及TVOC有较好的下降效果；同时，烘烤工艺对气味改善效果明显（除80℃、1 h外），综合考虑生产效率和
成本等因素，顶衬总成最佳烘烤条件为80℃、30min。

3.2.3 试验室2 000 L袋子法的试验结果
3.2.3.1 试验方案
为了进一步验证“循环抽排风烘烤工艺可有效改善内饰零部件VOC散发性能及气味性”的结论，根据10 L袋子的试验结果，采用2 000 L袋子法对烘烤前、后的
内饰总成件进行VOC性能测试。

将10 L袋子试验得到的最佳烘烤温度和烘烤时
间用到2 000 L袋子法测试中，试验参数如下。

a.循环抽排风烘烤对地毯总成VOC散发性能的影响，烘烤温度65℃、烘烤时间
30min。

b.循环抽排风烘烤对顶衬总成VOC散发性能的影响，烘烤温度80℃、烘烤时间
30min。

3.2.3.2 地毯总成VOC性能及气味性测试结果
地毯总成2 000 L袋子法的VOC性能及气味性测试结果如表5所示。

1号试验样品为未经过循环抽排风烘烤处理的地毯总成，2号试验样品为在65℃的试验室烘
箱中经循环抽排风烘烤30min的地毯总成。

从表5可以看出，经循环抽排风烘烤之后，地毯总成的甲苯、乙苯、二甲苯、苯
乙烯、甲醛、乙醛及TVOC含量明显下降，苯、丙烯醛由于地毯本身含量就较低，所以经循环抽排风烘烤前、后含量变化不大；气味等级由5.8级上升到6.0级，气味性得到一定改善。

3.2.3.3 顶衬总成VOC性能及气味性测试结果
顶衬总成2 000 L袋子VOC性能及气味性测试结果如表6所示。

3号试验样品为未经过循环抽排风烘烤处理的顶衬总成，4号试验样品为在80℃的试验室烘箱中
循环抽排风烘烤30min的顶衬总成。

从表6可以看出，经循环抽排风烘烤后，顶衬总成的甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、乙醛、丙酮、丙烯醛及TVOC均较低，含量明显下降；顶衬总成的苯、甲醛
含量略微有所上升，但远低于限值，处于仪器测量波动范围之内；气味等级由5.5级上升到6.0级，气味性有所改善。

3.2.4 结果分析
地毯总成经循环抽排风烘烤后处理以后，VOC性能及气味性均得到改善的原因是：地毯主要由针刺纤维层和PU发泡组成，而8项物质主要来自PU发泡中未反应完全的原料（如聚醚）和一些小分子添加剂；另外，地毯脱模过程中使用了一定量的脱模剂，部分脱模剂会附着在产品表面，也会产生一部分VOC。

在抽排风烘烤过
程中，VOC气体从材料内部或表面扩散至空气中，降低了8项物质在产品中的含量，气味性得到改善。

顶衬总成经循环抽排风烘烤后处理以后，VOC性能及气味性均得到改善的原因是：顶衬在生产过程中使用了大量的溶剂型胶水，胶水固化后，溶剂未能全部挥发，产
生很多VOC气体；另外，顶衬基材PU板中未充分反应的原料及一些小分子添加剂的使用也会带来一部分VOC气体；脱模过程中使用了一定量的脱模剂，部分脱模剂附着在产品表面，同样会产生一部分VOC。

抽排风烘烤可以使VOC气体从材料内部、表面扩散到空气中，降低产品VOC气体含量，改善产品气味性。

3.3 生产验证
3.3.1 试验方案
在零部件生产过程中，由于受生产环境、生产成本和生产节拍等实际因素的影响，无法达到试验室烘箱的温度控制精度、空气循环加热的控制精度以及烘箱的密闭性要求。

结合现有软内饰零件合作公司的生产条件，制造满足生产节拍的烘房，根据试验室试验结果设定满足量产条件的抽排风烘烤工艺参数，对“循环抽排风烘烤后处理工艺可有效改善内饰材料、零部件VOC散发性能及气味”的结论进行验证。

3.3.2 抽排风烘烤烘房
3.3.2.1 烘房尺寸参数
以试验烘箱为参考设计工厂用烘房（图6），烘房尺寸参数如下。

a.设计烘房外尺寸（长×宽×高）为6 200mm×4 200mm×3 000mm；
b.设计温度110℃，正常使用温度70℃。

c.电加热总功率70 kW。

3.3.2.2 设计原则
a.烘房运行可靠，操作简单，维修方便。

b.烘房所有的配套件、材料及电器元件均选择技术先进、质量优良的产品，以保证烘房的整体性能和质量。

3.3.3 烘房组成
a.烘房由房体系统、加热系统、电控系统、送风及循环风系统组成。

b.烘房功能：加热分组控制、自动恒温、时间控制、热风循环。

c.烘房结构：烘房采用框架结构，墙板采用拼装式聚苯乙烯（EPS）插口彩钢板，
侧墙板厚50mm，外层为彩涂板，中间填充岩棉防火材料，内、外板与保温材料
压制成一体；烘房采用对开门，门体尺寸为（宽×高）3 000mm×2 200mm；房
体侧面设置2台4 kW离心风机，1台用于热风循环，1台用于定时排出烘房内的废气。

d.加热系统：室外空气经加热系统加热后被送入烘房，该加热系统具有使待烘烤产品受热均匀、无污染等特点。

e.电控系统：电控系统为定制产品，由德力西电器组装，能够自动恒温并自动控制加热时间，温度波动范围为±3℃，时间控制器的控制精度为1 s。

3.3.4 抽排风烘烤的主要工序及参数
以试验室研究结果为依据，制定以下工序及参数。

3.3.
4.1 成型品摆放
将内饰件放置于烘烤架上，每层放置1件产品，以避免因产品排放过近而影响空
气流通，不利于气体散发；烘烤架排满后，推入烘房整齐排放。

3.3.
4.2 烘烤
烘烤架之间保持200mm以上的距离，有助于热空气流动。

整个烘房装满烘烤架
后关紧隔热的对开门，设置温度并开始烘烤。

烘烤温度：地毯为（80±5）℃，顶
衬为（65±5）℃；烘烤时间为40～45min，每隔10min抽风3min、送风3min。

3.3.
4.3 检验
当烘烤完成后，不能立即将烘烤架推出室外，以避免冷、热突然交变造成产品收缩变形。

应打开烘房门，让室外温度与烘房温度慢慢交换至平衡。

3.3.5 结果与讨论
用2 000 L袋子法分别对表1中的1号和3号直接进行VOC测试分析，2号和4号放入抽排风烘烤房中处理后，再分别进行VOC的测试分析，并将测试数据进行对比，结果如表7和表8所示。

从表7测试结果看出，未经烘烤后处理的地毯总成的甲苯、甲醛、丙烯醛超标；经循环抽排风烘烤后处理以后，苯的含量基本无变化，未达到仪器的检测限，甲苯下降79.6%，乙苯下降28.5%，二甲苯下降25.2%，苯乙烯下降28.5%，甲醛下降33.6%，乙醛下降25.7%，丙烯醛下降52.6%，TVOC下降31.0%，样品的8项物质及TVOC下降明显，满足限值要求；气味等级由5.5级上升到6.0级，气味性得到改善，表明烘烤有利于降低地毯总成件的VOC散发性。

从表8测试结果看出，未经烘烤后处理的顶衬总成乙醛限值超标；经循环抽排风烘烤后处理，苯、乙苯、苯乙烯、丙烯醛的含量基本没有变化，未达到仪器的检测限；甲苯、二甲苯、丙酮的含量下降接近100%，达到检测限以下；甲醛下降18.7%，乙醛下降53.6%，TVOC下降50.9%，样品的8项物质及TVOC下降明显，满足限值要求；气味等级由6.0级上升到6.5级，气味性得到改善，表明烘烤有利于降低顶衬总成的VOC散发性。

以汽车主要软内饰零件地毯总成和顶衬总成为例，分别采用试验室和现场抽排风烘烤后处理工艺，利用10 L、2 000 L袋子法验证VOC改善效果，根据GMW 3205要求验证气味改善效果。

结果表明，抽排风烘烤后处理工艺能够有效降低汽车地毯总成和顶衬总成的VOC浓度，并改善气味性。

【相关文献】
[1]胡冠九，穆肃，张祥志，周春宏.空气中挥发性有机物污染状况及健康风险评价[J].环境监控与预警，2010，2（1）：5-7.
[2]顾在春，任俊，余林华.一种低散发的改性聚丙烯复合材料及其制备方法[P].中国
CN101817953B.2012-05-23.。