摘 要：乘用车座椅是车内表面积最大的零部件，是车内空气异味与VOC 的主要来源之一。将改性后的活性炭加入到聚氨酯泡沫反应体系中，得到1 种能持续吸收聚氨酯泡沫中残留的小分子异味物质的材料。研究了不同粒径的改性活性炭在异氰酸酯溶液中的分散性，找到了活性炭填充的最佳粒径范围。在保证聚氨酯泡沫力学强度的基础上，填充的活性炭起到良好地吸收车内异味及VOC 的作用。
关键词：活性炭 气味 VOC 聚氨酯泡沫
1 前言
随着我国社会经济的持续发展，人民生活水平日益提高，汽车作为家庭日常代步工具越来越普遍。汽车已成为家和工作场所外的第三空间。因此，车内空气质量越发受到人们的关注。近年来因车内异味及VOC（总挥发性有机物）超标导致车主患病造成的维权事件层出不穷，已经引起社会和国家立法层面的重点关注。2016 年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)》[1]正式发布后，明确要求车辆都必须满足GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》[2]的限值要求。
早在2011 年GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》[2]正式发布实施，对乘用车内部散发的8 种物质提出了限制要求之时，国内外汽车企业已意识到乘用车的车内空气质量已进入法规时代。众多国内外汽车厂家都加大了对该领域的研发投入力度，探索提升车内空气质量的新技术。
汽车是由一万多个零部件组装而成的综合功能体。乘员舱内的零部件大多由塑料、橡胶、面料、发泡材料等制作而成，这些材料使车内环境变得更舒适，车辆的重量更轻，但塑料、橡胶、面料、发泡材料同时也容易散发各种挥发性化学物质和难闻气味，对乘员的身体造成不良影响。乘用车座椅是车内表面积最大的零部件，座椅的软质泡沫是车内异味的主要源头之一。软质泡沫是由异氰酸酯和多元醇2 种主要化学物质按一定比例混合，在适当条件下经化学交联反应和后续发泡形成多孔结构的固态聚氨酯泡沫[3]。这些空隙的存在就导致许多未参与反应的小分子物质会通过空隙逸散到乘员舱内。通过气味和VOC 检测表明，车内难闻气味主要是聚氨酯泡沫散发出的胺味，气味非常刺鼻，VOC 超标物质是聚氨酯泡沫反应的副产物甲醛和乙醛[4]。乘用车经长时间使用或经阳光持续暴晒后，车内的空气中就会充满这些有害物质。
研究主要是通过在聚氨酯泡沫合成的过程中加入微小粒径的改性活性炭颗粒作为气体捕捉剂。通过表面改性让活性炭颗粒能均匀地分散在异氰酸酯溶液中，进而合成聚氨酯泡沫后，活性炭颗粒也能均匀分布于泡沫中，起到长效吸收泡沫中有害挥发性物质的作用。研究了不同粒径的活性炭颗粒[5]对车内异味的吸收能力，对泡沫的物理性能做了测试。确保在不影响聚氨酯泡沫原本性能的前提下，降低其异味，从而改善整个乘员舱的空气质量。
2 材料制备
2.1 设备与原料
研究所述的在聚氨酯泡沫合成过程中加入微小粒径的改性活性炭形成的复合材料所用到的设备与原料如表1、表2 所示。
表1 主要设备
2.2 材料的制备方法
因为该研究立足于工业生产上应用，涉及原料、辅料较多，材料制备方法采用工业生产中常用份数来表示各种原料之间的投入比例关系，这个比例为质量比。
表2 主要原料
a.将10 份经硅烷偶联剂改性的活性炭加入到110 份异氰酸酯中，室温下，使用磁力搅拌器持续搅拌30 min，搅拌速率1 000 r/min，使活性炭均匀地分散于异氰酸酯中，得到反应A 组份；
b.将100 份聚醚多元醇、3 份发泡剂、0.15 份开孔剂、0.75 份催化剂、13 份交联剂在搅拌式反应釜中充分搅拌混合30 min，反应釜温度设置为＜50 ℃，搅拌速率2 500 r/min，通冷却水冷却到室温，得到反应B 组份；
c.将A 组份匀速注入反应釜中与B 组份充分搅拌，搅拌速率2 500 r/min，反应釜温度为25 ℃，同时，从反应釜中向模具中注入混合溶液，使其在模具中交联、发泡，模温设定为35 ℃，交联及发泡时间为20 min；
d.反应结束后，从模具中取出泡沫在避光通风条件下进行熟化，熟化时间为2 d。
3 性能表征
3.1 建立性能对照组
如表3 所示，共设置7 组，采用不同粒径的活性炭添加入聚氨酯泡沫发泡体系中，研究不同粒径的活性炭对异味和VOC 的吸收能力。
表3 实验对照组
3.2 气味性及VOC测试
3.2.1 气味性测试
研究采用的气味性评价方法按照VDA 270:2018 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles[6]。气味评价由5 位评价员根据闻到的泡沫气味，按照表4 标准进行评分。最终取5 位评价师的结果的平均值作为气味等级的评价结果。
表4 气味评价标准
3.2.2 VOC 测试
本研究采用GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》[2]的采样方法及试验条件测试。
3.3 形貌观察
扫描电镜SEM 测试采用日本日立公司生产的Hitachi S-4800 型场发射扫描电镜观察微小粒径的活性炭颗粒在异氰酸酯溶液中的分散情况。
3.4 力学性能测试
以下力学性能测试按照表5 中的标准执行。
表5 测试内容及采用标准
4 结果与讨论
4.1 气味及VOC测试分析
表6为7组试验样品的气味和VOC测试值。如图1所示，由7组气味性试验数据得知，组1～组4泡沫样品的气味测试数值都在2.5级以下。其中填加微米级活性炭颗粒粒径范围在100～150 μm的聚氨酯泡沫样品的气味性最佳，为2.0级。而观察组5～组7 数据则可发现，填加纳米级活性炭颗粒的样品与空白对照（组7）组的气味数据没有实质区别。
表6 气味及VOC试验数据
图1 气味性折线图
如图2 所示，组1～组4 泡沫样品的TVOC（总挥发性有机物）均＜2 000 μg/m3，组3 的TVOC 最低为103 μg/m3，证明微米级颗粒粒径范围在100～150 μm 的聚氨酯泡沫样品中，活性炭吸收的可挥发性物质最多。同样的，观察组5～组7 的数据可发现，添加纳米级活性炭颗粒的样品与空白对照组（组7）的TVOC 数据没有实质性区别。
图2 TVOC折线图
推测原因可能是，微米级颗粒在现有工业条件下经过改性就能均匀地分散在聚氨酯泡沫反应体系内，从而起到了吸收泡沫内可挥发性小分子物质的能力。而纳米级颗粒因其尺寸为10-9 m，具有巨大的表面能，在一般工业条件下无法通过改性使其均匀地分散在反应体系内，从而发生了团聚，造成大量活性炭颗粒被包裹在团聚体内部，其吸收界面无法与泡沫体系接触。
4.2 形貌观察
因聚氨酯泡沫材料的内部有大量的因发泡剂发泡而产生的泡孔，所以直接采用聚氨酯泡沫作为观察样品无法清晰的看到活性炭在整个体系中的分散性。因此，采用的方法是观察活性炭颗粒在异氰酸酯溶液中的分散情况。
如图3 所示，分别为粒径范围为150～300 nm和100～150 μm 的2 组改性活性炭颗粒分散在在异氰酸酯溶液中的SEM（场发射扫描电镜）照片。由图3 可以看出2 组改性活性炭颗粒分布情况。如图3a 所示粒径在纳米级别的活性炭经改性后，在异氰酸酯溶液中出现了比较严重地团聚现象，活性炭颗粒无法均匀地分散于异氰酸酯溶液中。而如图3b 所示，微米级别的活性炭经硅烷偶联剂的改性后，能较均匀地分散于异氰酸酯溶液中。
图3 不同粒径的改性活性炭颗粒在异氰酸酯溶液中分散性的SEM图
结合4.1 节中气味及VOC 测试分析的结果，能得出微米级改性活性炭颗粒在异氰酸酯溶液中具有良好的分散性，因此，在异氰酸酯与多元醇发生交联反应及后续发泡后，聚氨酯泡沫材料中所含有的微米级活性炭能够良好地分散于聚氨酯泡沫体系中，起到吸收小分子气味物质的作用。而纳米级别的活性炭因无法均匀地分散在反应体系中，大量活性炭颗粒被包裹于团聚体内部，并未起到吸收小分子气味物质的作用。
4.3 力学性能分析
结合表7 所测7 组聚氨酯泡沫力学性能数据。如图4 所示，组3 材料的断裂伸长率相较于组7 空白对照样品的数据最为接近，说明添加粒径范围在100～150 μm 的改性活性炭颗粒，基本不会影响聚氨酯泡沫的断裂伸长率。组1、组2、组4 的断裂伸长率均因为添加了微米级活性炭而略有下降。而添加了纳米级活性炭的组5、组6 的断裂伸长率下降较多。说明团聚后的纳米及活性炭会造成聚氨酯泡沫的断裂伸长率下降。
表7 力学性能测试数据
图4 断裂伸长率折线图
如图5 所示为聚氨酯泡沫材料的撕裂强度，组3 试验数据相较于组7 空白对照样品，基本持平，说明添加粒径范围在100～150 μm 的改性活性炭颗粒后，聚氨酯泡沫材料的抗撕裂性能没有明显的下降。组1、组2、组4 的撕裂强度却因为添加了微米级活性炭而有所降低。而添加了纳米级活性炭的组5、组6 的撕裂强度下降较多。进一步说明了团聚后的纳米及活性炭的团聚会造成聚氨酯泡沫的抗撕裂性能下降。
图5 撕裂强度折线图
5 结束语
立足于工业化规模化条件下制造汽车座椅用聚氨酯泡沫材料，发现汽车内部环境的空气质量差的最大贡献者为座椅聚氨酯泡沫，为了尽量减少汽车企业改善车内异味的成本支出，在泡沫交联反应发生之前，将微小粒径的活性炭加入反应体系中，待反应完成后，均匀分布于聚氨酯泡沫体系中的活性炭颗粒就能长效持久地吸收泡沫内的小分子异味物质，起到改善车内空气质量的作用。
研究表明活性炭颗粒的粒径选择是本研究的最重要组成部分。纳米材料虽然具有巨大的尺寸优势，但是在现有工业条件下应用还不太实际，且纳米材料如果应用在民用产品上，成本将是一个巨大的障碍。而微米级活性炭，特别是粒径范围在100～150 μm 的活性炭颗粒既具有很好的分散性，能保持材料的力学强度不下降，又能起到良好地吸收车内异味物质的作用。
来源：期刊-《汽车材料与工艺》，作者：程亚非 李宇彤 刘杨胜 漆建华 唐智（重庆金康赛力斯新能源汽车设计院有限公司）
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