邱志文

（517000 廣東省 河源市 河源職業(yè)技術學院）

0 引言

在汽車領域，塑料替代傳統(tǒng)的金屬材料已成為當下的發(fā)展趨勢，強度高的工程塑料可減少零部件生產(chǎn)加工及后期維修更換的費用，還使汽車變得更輕便、更環(huán)保、更節(jié)能。

塑料汽車零部件的廣泛使用，給人類帶來便利的同時，也帶來相應的困擾。塑料汽車零部件的成型過程中，不可避免地引入部分金屬催化劑或揮發(fā)性助劑，但在使用過程中，這些物質(zhì)的揮發(fā)使汽車的乘坐空間有刺鼻的氣味，當深度變高時，會使駕乘人員有不適感[1]。

1 汽車零部件用的主要塑料

研究表明，汽車輕量化的材料中，塑料及其復合材料是最關鍵、最重要的。與金屬材質(zhì)的零部件相比，它們可減輕質(zhì)量和生產(chǎn)成本約40%。塑料及其復合材料在汽車制造中的使用數(shù)量快速增加，扮演著汽車輕量化進程中不可或缺的“主角”。

目前，汽車塑料零部件的生產(chǎn)中，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和ABS 樹脂是用量最多的通用塑料。它們在汽車領域中的應用如表1 所示。

表1 部分汽車中工程塑料零部件的應用情況Tab.1 Application of engineering plastic parts in some automobiles

（續(xù)表）

塑料零部件在汽車工程領域的廣泛應用，可以大幅度降低汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，促進了汽車輕量化的發(fā)展。此外，部分特殊的高分子材料，比如具有記憶、自我修復的塑料，可讓汽車零部件具有相應的特殊功能，提高了駕乘人員的舒適體驗，提升了汽車的科技感，讓汽車更富吸引力與競爭力。但塑料在汽車零部件制造中的廣泛應用，優(yōu)勢明顯的同時，也逐漸暴露出它的不足，其中最大的不足就是汽車塑料零部件在使用的過程中會釋放出VOC，揮發(fā)性有機化合物的濃度低則車內(nèi)汽味刺鼻，濃度高則對駕乘人員的身體健康造成巨大的甚至是無法治愈的損害。

2 汽車塑料零部件VOC 的來源及危害

2.1 VOC 概述

VOC（Volatile Organic Compounds）指內(nèi)飾部件的揮發(fā)性有機化合物，是影響車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要原因之一[2]。

普通意義上的VOC 就是指揮發(fā)性有機物，但是環(huán)保意義上的定義是指活潑的一類揮發(fā)性有機物，即會產(chǎn)生危害的那一類揮發(fā)性有機物。美國ASTM D3960-98 標準將VOC 定義為任何能參加大氣光化學反應的有機化合物。美國聯(lián)邦環(huán)保署（EPA）的定義：揮發(fā)性有機化合物是除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學反應的碳化合物。世界衛(wèi)生組織（WHO，1989）對總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）的定義為，熔點低于室溫而沸點在50～260 ℃之間的揮發(fā)性有機化合物的總稱[3]。

巴斯夫公司則根據(jù)沸點來判斷，這是最簡單也是最常用的方法，如這些化學物質(zhì)的沸點等于或低于250 ℃，就判定為VOC。

2.2 VOC 的來源

塑料制品在生產(chǎn)過程中，根據(jù)產(chǎn)品的相關需求加入具體揮發(fā)性的助劑、金屬催化劑，在使用的過程中，這些助劑和催化劑會慢慢地揮發(fā)出來。在汽車塑料零部件的制造過程中，產(chǎn)生的三大類廢棄物分別是氣體、液體和固體。其中，由有機揮發(fā)性氣體（VOC）和無機揮發(fā)氣體構成的氣體廢棄物，來源渠道廣、處理難度大，危害也較大。VOC 的來源主要有以下幾個方面：

（1）汽車塑料零部件的注塑過程。在汽車塑料零部件的制造過程中，樹脂原材料及改性所需的各種添加劑，均有產(chǎn)生VOC 的可能。比如：在PVC 制品的生產(chǎn)過程中，會有部分的水份和低分子有機物質(zhì)無法排出，當溫度高于其沸點后，會從制品中揮發(fā)出味道較重的氣體，PVC 分解所得的HCl 也會有酸味，如夾雜著部分助劑揮發(fā)物，味道會變得更特殊、更難聞；POM 雖然在一般條件下是耐高溫的、不會分解的，但當溫度達到230 ℃左右就會開始分解成主要成分為甲醛的有機物氣體。

（2）汽車塑料零部件的印刷油墨。含有機溶劑較低的水性油墨在干燥過程中產(chǎn)生的VOC較少，但對塑料基材零部件而言，溶劑性油墨的印刷效果最佳。在印刷工藝、烘干過程中，會產(chǎn)生較多主要成分為乙酸乙酯、酮類、苯類的VOC污染。

（3）粘合劑。聚氨酯類和丙烯酸系粘合劑較為常用，聚氨酯類粘合劑和丙烯酸系膠粘劑與表面光滑的汽車塑料零部件有著優(yōu)良的化學粘接力，但以乙酸乙酯有機溶劑為主導致產(chǎn)生VOC較多。

（4）汽車塑料零部件的表面涂層。零部件的顏色可依靠涂層進行改變，同時涂層可改善零部件的表面缺陷，滿足零部件耐磨、抗靜電等的性能需求，但常用的聚氨酯類和丙烯酸酯涂料，均會有較多的VOC 產(chǎn)生。

（5）汽車塑料零部件的脫模劑。脫模劑的用量比較大，但常用脫模劑中含有CH3CHCl，CH2Cl2等有機溶劑，致使零部件在使用的過程中釋放出VOC。

2.3 VOC 的危害

VOC 的揮發(fā)非常緩慢，但對人類的健康有巨大的影響，當汽車內(nèi)部空間達到一定的濃度時，會在短時間內(nèi)使駕乘人員有頭痛、惡心、乏力、抽搐、昏迷等程度不一的癥狀，并會嚴重損害駕乘人員的肝臟、腎臟、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。VOC 的存在還會造成2.5 μm 顆粒物（PM2.5）含量上升，局部地區(qū)產(chǎn)生霧霾，嚴重時引起地表臭氧，形成城市光化學煙霧[4]。

據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2020 年6 月，全國機動車保有量達3.6 億輛，其中汽車2.7 億輛；機動車駕駛人4.4 億人，其中汽車駕駛人數(shù)量為4億人，占駕駛人總數(shù)的90.9%。由此可見，VOC危害消費群體數(shù)量相當大，全社會必須高度重視VOC 的問題。我國乃至世界各國對駕乘人員的健康越來越重視，相關的政策必將越來越嚴，數(shù)量龐大的消費者的要求，促使汽車塑料零部件制造企業(yè)越來越重視降低并著力改進VOC 的問題。

3 降低汽車塑料零部件VOC 的方法

3.1 在注塑過程中降低VOC

（1）選用更為純凈的樹脂。殘留在樹脂中的單體會產(chǎn)生VOC，而選用的樹脂如果單體殘留量很少，則可以大大降低VOC 的排放。比如醫(yī)用PVC 樹脂較為純凈，它的VOC 可以低到1 ppm，遠低于正常值。

（2）選擇分子量較大的助劑。汽車塑料零部件成型的溫度較高，選擇分子量大的助劑，可以大大減少向外遷移及揮發(fā)。比如，零部件生產(chǎn)過程中，潤滑劑、阻燃劑、分散劑分別選用分子量較大的PETS、溴化環(huán)氧樹脂、PE-WAX 等。

（3）利用VOC 吸附劑進行吸附。加入吸附劑后，可以吸附或捕獲殘留在樹脂基本中的有機小分子，從而實現(xiàn)VOC 含量的控制。吸附法分為物理吸附和化學反應吸附兩種機理，物理吸附法是利用活性炭、硅藻泥、沸石、分子篩等多孔材料進行物理吸附，化學反應吸附則是利用能與VOC 反應的添加劑，把VOC 變?yōu)楦菀讚]發(fā)的氣體或相對分子量較大、沸點較高的物質(zhì)，以達到消除原材料中的VOC。

（4）控制注塑工藝條件。在制品的成型過程中，能保證塑化效果的前提下，低的加工溫度可降低小分子物質(zhì)的生成。通過增加抽真空的次數(shù)，盡可能地把生成的小分子物質(zhì)排出。

（5）謹慎使用有機溶劑型材料。為了減少有機溶劑型材料的使用，一般選擇水性涂料、光固化涂料、水性粘合劑和水性脫模劑，雖仍需使用部分有機溶劑，但能有效降低VOC 的排放；因為固體粉末涂料不含有機溶劑，因此可實現(xiàn)VOC 的零排放。

（6）高溫干蒸。就高溫干蒸而言，一般塑料生產(chǎn)企業(yè)的做法是：塑料原料造料后，輸送到VOC 處理系統(tǒng)，經(jīng)過高溫加熱，把吸附在塑料粒子上的苯、甲苯、乙苯等烴類VOC 盡量干蒸干凈，時間的長短視溫度而定，溫度一般為80～120 ℃，時間一般為3 h。

3.2 采用低VOC 含量的塑料

隨著時代的不斷發(fā)展，人們對身體健康日益重視，汽車制造企業(yè)對塑料零部件VOC 的排放標準越來越高。經(jīng)世界各國研究人員的努力，通過材料制備和材料加工成型這兩方面進行改進，可選用的低VOC含量的車用塑料也越來越多了。

（1）優(yōu)化聚合手段

最常用于汽車工程領域的通用塑料是聚烯烴塑料，主要包括PE，PP，PVC，ABS 等，其中PP 在所有車用塑料的占比超過60%，是應用最為廣泛的通用塑料。

材料的制備過程很大程度上決定著材料的結構、組成及性能，即可從單體的精制、催化劑、溶劑、聚合方法的選擇等各個方面對材料制備源頭進行控制，以控制汽車塑料零部件的VOC 含量和氣味等級。聚烯烴的制備中，所選用的單體的純度和硫化物含量、催化劑類型、所用的共聚單體類型、溶液聚合時選用的溶劑均會影響聚合物的等規(guī)度、分子量、低聚物含量、催化劑和溶劑殘留量等，后續(xù)難以通過加工或純化等方法把這些物質(zhì)除去，因此只能在制備階段來優(yōu)化[5]。

由表2 可見，采用常規(guī)降解法，需引入過氧化物，VOC 的含量較高，可高達67 μg/g。而利用加氫法對聚丙烯材料的分子量進行了調(diào)控，不僅無需引入過氧化物，還大大降低了VOC 的含量，可低至22 μg/g。由于未引入過氧化物，使制備的PP 及改性PP 在使用時不會出現(xiàn)明顯的降解反應和釋放出VOC 污染物，大大降低了材料VOC 含量的同時，相應材料的力學性能和流動性較好，完全滿足汽車工業(yè)領域?qū)Ω叻肿硬牧系氖褂脴藴省?/p>

表2 常規(guī)降解法與加氫法制備聚丙烯的VOC 含量比較Tab.2 Comparison of VOC content of polypropylene prepared by conventional degradation method and hydrogenation method

（2）選用合適的母料和助劑

選用合適的母料和助劑亦是降低VOC 含量的有效手段。制備塑料時，通常在母料中添加不同的助劑，以改善材料的強度、韌性、抗老化性等性能，這些助劑的選用將對VOC 的含量產(chǎn)生重大的影響[6]。劉凱[7]等將聚丙烯基料、滑石粉、增韌劑、偶聯(lián)劑等按72:20:8:0.2 的重量比例進行混合，先后確定最優(yōu)PP 基料、滑石粉、增韌劑、偶聯(lián)劑的牌號。根據(jù)綜合性能比較，當PP 基料為韓國聚美萊公司的EA5074S、滑石粉為上海三成的WF-D6.5、增韌劑為美國陶氏集團的POE 8200、偶聯(lián)劑為武漢高創(chuàng)有機硅新材料的KH550時，所得的改性PP 的VOC 含量較低，最低為98 μg/g，且強度高、氣味低。

（3）氣味吸附劑和萃取劑

塑料改性時，可以加入以多孔材料為主的氣味吸附劑和由低沸點物質(zhì)構成的氣味萃取劑，通過將VOC 物質(zhì)吸附在材料內(nèi)部而不釋放和利用共沸特性萃取材料內(nèi)部的VOC，達到降低材料的氣味等級和VOC 的含量，得到更環(huán)保、健康的汽車內(nèi)飾件用的聚丙烯材料。

4 結語

消費者對汽車內(nèi)飾件除了要求美觀、耐用外，環(huán)保、健康、低VOC 含量將成為更新的、更高層級的要求，從而促使汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)企業(yè)把降低VOC 的含量作為研究的重點。

我國汽車保有量大，駕駛人員及乘坐人員多，VOC 的存在嚴重影響駕乘人員的身體健康。目前，可通過樹脂、助劑的合理選用，吸附劑、萃取劑的添加，注塑工藝條件、材料制備和材料加工的控制，有機溶劑型材料的減少使用，進而有效降低VOC 的含量，有效調(diào)控材料VOC 的含量和氣味，為駕乘人員的身體健康保駕護航。