活性炭填充乘用車(chē)座椅泡沫對(duì)氣味VOC影響的研究

1、 11 / 11作者：一氣貫長(zhǎng)空活性炭填充乘用車(chē)座椅泡沫對(duì)氣味VOC影響的研究 摘 要：乘用車(chē)座椅是車(chē)內(nèi)表面積最大的零部件，是車(chē)內(nèi)空氣異味與VOC 的主要來(lái)源之一。將改性后的活性炭加入到聚氨酯泡沫反應(yīng)體系中，得到1 種能持續(xù)吸收聚氨酯泡沫中殘留的小分子異味物質(zhì)的材料。研究了不同粒徑的改性活性炭在異氰酸酯溶液中的分散性，找到了活性炭填充的最佳粒徑范圍。在保證聚氨酯泡沫力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，填充的活性炭起到良好地吸收車(chē)內(nèi)異味及VOC 的作用。關(guān)鍵詞：活性炭 氣味 VOC 聚氨酯泡沫1 前言隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平日益提高，汽車(chē)作為家庭日常代步工具越來(lái)越普遍。汽車(chē)已成為家和工作場(chǎng)所外的第

2、三空間。因此，車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量越發(fā)受到人們的關(guān)注。近年來(lái)因車(chē)內(nèi)異味及VOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）超標(biāo)導(dǎo)致車(chē)主患病造成的維權(quán)事件層出不窮，已經(jīng)引起社會(huì)和國(guó)家立法層面的重點(diǎn)關(guān)注。2016 年GB 18352.62016輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)1正式發(fā)布后，明確要求車(chē)輛都必須滿(mǎn)足GB/T 276302011乘用車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南2的限值要求。早在2011 年GB/T 276302011乘用車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南2正式發(fā)布實(shí)施，對(duì)乘用車(chē)內(nèi)部散發(fā)的8 種物質(zhì)提出了限制要求之時(shí)，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)企業(yè)已意識(shí)到乘用車(chē)的車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量已進(jìn)入法規(guī)時(shí)代。眾多國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠(chǎng)家都加大了對(duì)該領(lǐng)域的研發(fā)投入力度，探索

3、提升車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量的新技術(shù)。汽車(chē)是由一萬(wàn)多個(gè)零部件組裝而成的綜合功能體。乘員艙內(nèi)的零部件大多由塑料、橡膠、面料、發(fā)泡材料等制作而成，這些材料使車(chē)內(nèi)環(huán)境變得更舒適，車(chē)輛的重量更輕，但塑料、橡膠、面料、發(fā)泡材料同時(shí)也容易散發(fā)各種揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)和難聞氣味，對(duì)乘員的身體造成不良影響。乘用車(chē)座椅是車(chē)內(nèi)表面積最大的零部件，座椅的軟質(zhì)泡沫是車(chē)內(nèi)異味的主要源頭之一。軟質(zhì)泡沫是由異氰酸酯和多元醇2 種主要化學(xué)物質(zhì)按一定比例混合，在適當(dāng)條件下經(jīng)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和后續(xù)發(fā)泡形成多孔結(jié)構(gòu)的固態(tài)聚氨酯泡沫3。這些空隙的存在就導(dǎo)致許多未參與反應(yīng)的小分子物質(zhì)會(huì)通過(guò)空隙逸散到乘員艙內(nèi)。通過(guò)氣味和VOC 檢測(cè)表明，車(chē)內(nèi)難聞氣味主要是聚

4、氨酯泡沫散發(fā)出的胺味，氣味非常刺鼻，VOC 超標(biāo)物質(zhì)是聚氨酯泡沫反應(yīng)的副產(chǎn)物甲醛和乙醛4。乘用車(chē)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用或經(jīng)陽(yáng)光持續(xù)暴曬后，車(chē)內(nèi)的空氣中就會(huì)充滿(mǎn)這些有害物質(zhì)。研究主要是通過(guò)在聚氨酯泡沫合成的過(guò)程中加入微小粒徑的改性活性炭顆粒作為氣體捕捉劑。通過(guò)表面改性讓活性炭顆粒能均勻地分散在異氰酸酯溶液中，進(jìn)而合成聚氨酯泡沫后，活性炭顆粒也能均勻分布于泡沫中，起到長(zhǎng)效吸收泡沫中有害揮發(fā)性物質(zhì)的作用。研究了不同粒徑的活性炭顆粒5對(duì)車(chē)內(nèi)異味的吸收能力，對(duì)泡沫的物理性能做了測(cè)試。確保在不影響聚氨酯泡沫原本性能的前提下，降低其異味，從而改善整個(gè)乘員艙的空氣質(zhì)量。2 材料制備2.1 設(shè)備與原料研究所述的在聚氨酯泡

5、沫合成過(guò)程中加入微小粒徑的改性活性炭形成的復(fù)合材料所用到的設(shè)備與原料如表1、表2 所示。表1 主要設(shè)備2.2 材料的制備方法因?yàn)樵撗芯苛⒆阌诠I(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用，涉及原料、輔料較多，材料制備方法采用工業(yè)生產(chǎn)中常用份數(shù)來(lái)表示各種原料之間的投入比例關(guān)系，這個(gè)比例為質(zhì)量比。表2 主要原料a.將10 份經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的活性炭加入到110 份異氰酸酯中，室溫下，使用磁力攪拌器持續(xù)攪拌30 min，攪拌速率1 000 r/min，使活性炭均勻地分散于異氰酸酯中，得到反應(yīng)A 組份；b.將100 份聚醚多元醇、3 份發(fā)泡劑、0.15 份開(kāi)孔劑、0.75 份催化劑、13 份交聯(lián)劑在攪拌式反應(yīng)釜中充分?jǐn)嚢杌旌?0 m

6、in，反應(yīng)釜溫度設(shè)置為50 ，攪拌速率2 500 r/min，通冷卻水冷卻到室溫，得到反應(yīng)B 組份；c.將A 組份勻速注入反應(yīng)釜中與B 組份充分?jǐn)嚢?，攪拌速? 500 r/min，反應(yīng)釜溫度為25 ，同時(shí)，從反應(yīng)釜中向模具中注入混合溶液，使其在模具中交聯(lián)、發(fā)泡，模溫設(shè)定為35 ，交聯(lián)及發(fā)泡時(shí)間為20 min；d.反應(yīng)結(jié)束后，從模具中取出泡沫在避光通風(fēng)條件下進(jìn)行熟化，熟化時(shí)間為2 d。3 性能表征3.1 建立性能對(duì)照組如表3 所示，共設(shè)置7 組，采用不同粒徑的活性炭添加入聚氨酯泡沫發(fā)泡體系中，研究不同粒徑的活性炭對(duì)異味和VOC 的吸收能力。表3 實(shí)驗(yàn)對(duì)照組3.2 氣味性及VOC測(cè)試3.2.1

7、氣味性測(cè)試研究采用的氣味性評(píng)價(jià)方法按照VDA 270:2018 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles6。氣味評(píng)價(jià)由5 位評(píng)價(jià)員根據(jù)聞到的泡沫氣味，按照表4 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分。最終取5 位評(píng)價(jià)師的結(jié)果的平均值作為氣味等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果。表4 氣味評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)3.2.2 VOC 測(cè)試本研究采用GB/T 276302011乘用車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南2的采樣方法及試驗(yàn)條件測(cè)試。3.3 形貌觀(guān)察掃描電鏡SEM 測(cè)試采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi S-4800 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀(guān)察微小粒徑的活性

8、炭顆粒在異氰酸酯溶液中的分散情況。3.4 力學(xué)性能測(cè)試以下力學(xué)性能測(cè)試按照表5 中的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。表5 測(cè)試內(nèi)容及采用標(biāo)準(zhǔn)4 結(jié)果與討論4.1 氣味及VOC測(cè)試分析表6為7組試驗(yàn)樣品的氣味和VOC測(cè)試值。如圖1所示，由7組氣味性試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，組1組4泡沫樣品的氣味測(cè)試數(shù)值都在2.5級(jí)以下。其中填加微米級(jí)活性炭顆粒粒徑范圍在100150 m的聚氨酯泡沫樣品的氣味性最佳，為2.0級(jí)。而觀(guān)察組5組7 數(shù)據(jù)則可發(fā)現(xiàn)，填加納米級(jí)活性炭顆粒的樣品與空白對(duì)照（組7）組的氣味數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別。表6 氣味及VOC試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖1 氣味性折線(xiàn)圖如圖2 所示，組1組4 泡沫樣品的TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）均2 000 g/

9、m3，組3 的TVOC 最低為103 g/m3，證明微米級(jí)顆粒粒徑范圍在100150 m 的聚氨酯泡沫樣品中，活性炭吸收的可揮發(fā)性物質(zhì)最多。同樣的，觀(guān)察組5組7 的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，添加納米級(jí)活性炭顆粒的樣品與空白對(duì)照組（組7）的TVOC 數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性區(qū)別。圖2 TVOC折線(xiàn)圖推測(cè)原因可能是，微米級(jí)顆粒在現(xiàn)有工業(yè)條件下經(jīng)過(guò)改性就能均勻地分散在聚氨酯泡沫反應(yīng)體系內(nèi)，從而起到了吸收泡沫內(nèi)可揮發(fā)性小分子物質(zhì)的能力。而納米級(jí)顆粒因其尺寸為10-9 m，具有巨大的表面能，在一般工業(yè)條件下無(wú)法通過(guò)改性使其均勻地分散在反應(yīng)體系內(nèi)，從而發(fā)生了團(tuán)聚，造成大量活性炭顆粒被包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部，其吸收界面無(wú)法與泡沫體系接觸

10、。4.2 形貌觀(guān)察因聚氨酯泡沫材料的內(nèi)部有大量的因發(fā)泡劑發(fā)泡而產(chǎn)生的泡孔，所以直接采用聚氨酯泡沫作為觀(guān)察樣品無(wú)法清晰的看到活性炭在整個(gè)體系中的分散性。因此，采用的方法是觀(guān)察活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中的分散情況。如圖3 所示，分別為粒徑范圍為150300 nm和100150 m 的2 組改性活性炭顆粒分散在在異氰酸酯溶液中的SEM（場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡）照片。由圖3 可以看出2 組改性活性炭顆粒分布情況。如圖3a 所示粒徑在納米級(jí)別的活性炭經(jīng)改性后，在異氰酸酯溶液中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重地團(tuán)聚現(xiàn)象，活性炭顆粒無(wú)法均勻地分散于異氰酸酯溶液中。而如圖3b 所示，微米級(jí)別的活性炭經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑的改性后，能較均勻地分散

11、于異氰酸酯溶液中。圖3 不同粒徑的改性活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中分散性的SEM圖結(jié)合4.1 節(jié)中氣味及VOC 測(cè)試分析的結(jié)果，能得出微米級(jí)改性活性炭顆粒在異氰酸酯溶液中具有良好的分散性，因此，在異氰酸酯與多元醇發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)及后續(xù)發(fā)泡后，聚氨酯泡沫材料中所含有的微米級(jí)活性炭能夠良好地分散于聚氨酯泡沫體系中，起到吸收小分子氣味物質(zhì)的作用。而納米級(jí)別的活性炭因無(wú)法均勻地分散在反應(yīng)體系中，大量活性炭顆粒被包裹于團(tuán)聚體內(nèi)部，并未起到吸收小分子氣味物質(zhì)的作用。4.3 力學(xué)性能分析結(jié)合表7 所測(cè)7 組聚氨酯泡沫力學(xué)性能數(shù)據(jù)。如圖4 所示，組3 材料的斷裂伸長(zhǎng)率相較于組7 空白對(duì)照樣品的數(shù)據(jù)最為接近，說(shuō)明添加

12、粒徑范圍在100150 m 的改性活性炭顆粒，基本不會(huì)影響聚氨酯泡沫的斷裂伸長(zhǎng)率。組1、組2、組4 的斷裂伸長(zhǎng)率均因?yàn)樘砑恿宋⒚准?jí)活性炭而略有下降。而添加了納米級(jí)活性炭的組5、組6 的斷裂伸長(zhǎng)率下降較多。說(shuō)明團(tuán)聚后的納米及活性炭會(huì)造成聚氨酯泡沫的斷裂伸長(zhǎng)率下降。表7 力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)圖4 斷裂伸長(zhǎng)率折線(xiàn)圖如圖5 所示為聚氨酯泡沫材料的撕裂強(qiáng)度，組3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)相較于組7 空白對(duì)照樣品，基本持平，說(shuō)明添加粒徑范圍在100150 m 的改性活性炭顆粒后，聚氨酯泡沫材料的抗撕裂性能沒(méi)有明顯的下降。組1、組2、組4 的撕裂強(qiáng)度卻因?yàn)樘砑恿宋⒚准?jí)活性炭而有所降低。而添加了納米級(jí)活性炭的組5、組6 的撕裂強(qiáng)度下降較多。進(jìn)一步說(shuō)明了團(tuán)聚后的納米及活性炭的團(tuán)聚會(huì)造成聚氨酯泡沫的抗撕裂性能下降。圖5 撕裂強(qiáng)度折線(xiàn)圖5 結(jié)束語(yǔ)立足于工業(yè)化規(guī)?；瘲l件下制造汽車(chē)座椅用聚氨酯泡沫材料，發(fā)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)量差的最大貢獻(xiàn)者為座椅聚氨酯泡沫，為了盡量減少汽車(chē)企業(yè)改善車(chē)內(nèi)異味的成本支出，在泡沫交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生之前，將微小粒徑的活性炭加入反應(yīng)體系中，待反應(yīng)完成后，均勻分布于聚氨酯泡沫體系中的活性炭顆粒就能長(zhǎng)效持久地