1、 11 / 11作者：一氣貫長空活性炭填充乘用車座椅泡沫對氣味VOC影響的研究 摘 要：乘用車座椅是車內表面積最大的零部件，是車內空氣異味與VOC 的主要來源之一。將改性后的活性炭加入到聚氨酯泡沫反應體系中，得到1 種能持續吸收聚氨酯泡沫中殘留的小分子異味物質的材料。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強度的基礎上，填充的活性炭起到良好地吸收車內異味及VOC 的作用。關鍵詞：活性炭 氣味 VOC 聚氨酯泡沫1 前言隨著我國社會經濟的持續發展，人民生活水平日益提高，汽車作為家庭日常代步工具越來越普遍。汽車已成為家和工作場所外的第

2、三空間。因此，車內空氣質量越發受到人們的關注。近年來因車內異味及VOC（總揮發性有機物）超標導致車主患病造成的維權事件層出不窮，已經引起社會和國家立法層面的重點關注。2016 年GB 18352.62016輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)1正式發布后，明確要求車輛都必須滿足GB/T 276302011乘用車內空氣質量評價指南2的限值要求。早在2011 年GB/T 276302011乘用車內空氣質量評價指南2正式發布實施，對乘用車內部散發的8 種物質提出了限制要求之時，國內外汽車企業已意識到乘用車的車內空氣質量已進入法規時代。眾多國內外汽車廠家都加大了對該領域的研發投入力度，探索

3、提升車內空氣質量的新技術。汽車是由一萬多個零部件組裝而成的綜合功能體。乘員艙內的零部件大多由塑料、橡膠、面料、發泡材料等制作而成，這些材料使車內環境變得更舒適，車輛的重量更輕，但塑料、橡膠、面料、發泡材料同時也容易散發各種揮發性化學物質和難聞氣味，對乘員的身體造成不良影響。乘用車座椅是車內表面積最大的零部件，座椅的軟質泡沫是車內異味的主要源頭之一。軟質泡沫是由異氰酸酯和多元醇2 種主要化學物質按一定比例混合，在適當條件下經化學交聯反應和后續發泡形成多孔結構的固態聚氨酯泡沫3。這些空隙的存在就導致許多未參與反應的小分子物質會通過空隙逸散到乘員艙內。通過氣味和VOC 檢測表明，車內難聞氣味主要是聚

4、氨酯泡沫散發出的胺味，氣味非常刺鼻，VOC 超標物質是聚氨酯泡沫反應的副產物甲醛和乙醛4。乘用車經長時間使用或經陽光持續暴曬后，車內的空氣中就會充滿這些有害物質。研究主要是通過在聚氨酯泡沫合成的過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，起到長效吸收泡沫中有害揮發性物質的作用。研究了不同粒徑的活性炭顆粒5對車內異味的吸收能力，對泡沫的物理性能做了測試。確保在不影響聚氨酯泡沫原本性能的前提下，降低其異味，從而改善整個乘員艙的空氣質量。2 材料制備2.1 設備與原料研究所述的在聚氨酯泡

5、沫合成過程中加入微小粒徑的改性活性炭形成的復合材料所用到的設備與原料如表1、表2 所示。表1 主要設備2.2 材料的制備方法因為該研究立足于工業生產上應用，涉及原料、輔料較多，材料制備方法采用工業生產中常用份數來表示各種原料之間的投入比例關系，這個比例為質量比。表2 主要原料a.將10 份經硅烷偶聯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A 組份；b.將100 份聚醚多元醇、3 份發泡劑、0.15 份開孔劑、0.75 份催化劑、13 份交聯劑在攪拌式反應釜中充分攪拌混合30 m

6、in，反應釜溫度設置為50 ，攪拌速率2 500 r/min，通冷卻水冷卻到室溫，得到反應B 組份；c.將A 組份勻速注入反應釜中與B 組份充分攪拌，攪拌速率2 500 r/min，反應釜溫度為25 ，同時，從反應釜中向模具中注入混合溶液，使其在模具中交聯、發泡，模溫設定為35 ，交聯及發泡時間為20 min；d.反應結束后，從模具中取出泡沫在避光通風條件下進行熟化，熟化時間為2 d。3 性能表征3.1 建立性能對照組如表3 所示，共設置7 組，采用不同粒徑的活性炭添加入聚氨酯泡沫發泡體系中，研究不同粒徑的活性炭對異味和VOC 的吸收能力。表3 實驗對照組3.2 氣味性及VOC測試3.2.1

7、氣味性測試研究采用的氣味性評價方法按照VDA 270:2018 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles6。氣味評價由5 位評價員根據聞到的泡沫氣味，按照表4 標準進行評分。最終取5 位評價師的結果的平均值作為氣味等級的評價結果。表4 氣味評價標準3.2.2 VOC 測試本研究采用GB/T 276302011乘用車內空氣質量評價指南2的采樣方法及試驗條件測試。3.3 形貌觀察掃描電鏡SEM 測試采用日本日立公司生產的Hitachi S-4800 型場發射掃描電鏡觀察微小粒徑的活性

8、炭顆粒在異氰酸酯溶液中的分散情況。3.4 力學性能測試以下力學性能測試按照表5 中的標準執行。表5 測試內容及采用標準4 結果與討論4.1 氣味及VOC測試分析表6為7組試驗樣品的氣味和VOC測試值。如圖1所示，由7組氣味性試驗數據得知，組1組4泡沫樣品的氣味測試數值都在2.5級以下。其中填加微米級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。而觀察組5組7 數據則可發現，填加納米級活性炭顆粒的樣品與空白對照（組7）組的氣味數據沒有實質區別。表6 氣味及VOC試驗數據圖1 氣味性折線圖如圖2 所示，組1組4 泡沫樣品的TVOC（總揮發性有機物）均2 000 g/

9、m3，組3 的TVOC 最低為103 g/m3，證明微米級顆粒粒徑范圍在100150 m 的聚氨酯泡沫樣品中，活性炭吸收的可揮發性物質最多。同樣的，觀察組5組7 的數據可發現，添加納米級活性炭顆粒的樣品與空白對照組（組7）的TVOC 數據沒有實質性區別。圖2 TVOC折線圖推測原因可能是，微米級顆粒在現有工業條件下經過改性就能均勻地分散在聚氨酯泡沫反應體系內，從而起到了吸收泡沫內可揮發性小分子物質的能力。而納米級顆粒因其尺寸為10-9 m，具有巨大的表面能，在一般工業條件下無法通過改性使其均勻地分散在反應體系內，從而發生了團聚，造成大量活性炭顆粒被包裹在團聚體內部，其吸收界面無法與泡沫體系接觸

10、。4.2 形貌觀察因聚氨酯泡沫材料的內部有大量的因發泡劑發泡而產生的泡孔，所以直接采用聚氨酯泡沫作為觀察樣品無法清晰的看到活性炭在整個體系中的分散性。因此，采用的方法是觀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（場發射掃描電鏡）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 所示粒徑在納米級別的活性炭經改性后，在異氰酸酯溶液中出現了比較嚴重地團聚現象，活性炭顆粒無法均勻地分散于異氰酸酯溶液中。而如圖3b 所示，微米級別的活性炭經硅烷偶聯劑的改性后，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圖結合4.1 節中氣味及VOC 測試分析的結果，能得出微米級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生交聯反應及后續發泡后，聚氨酯泡沫材料中所含有的微米級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的作用。而納米級別的活性炭因無法均勻地分散在反應體系中，大量活性炭顆粒被包裹于團聚體內部，并未起到吸收小分子氣味物質的作用。4.3 力學性能分析結合表7 所測7 組聚氨酯泡沫力學性能數據。如圖4 所示，組3 材料的斷裂伸長率相較于組7 空白對照樣品的數據最為接近，說明添加

12、粒徑范圍在100150 m 的改性活性炭顆粒，基本不會影響聚氨酯泡沫的斷裂伸長率。組1、組2、組4 的斷裂伸長率均因為添加了微米級活性炭而略有下降。而添加了納米級活性炭的組5、組6 的斷裂伸長率下降較多。說明團聚后的納米及活性炭會造成聚氨酯泡沫的斷裂伸長率下降。表7 力學性能測試數據圖4 斷裂伸長率折線圖如圖5 所示為聚氨酯泡沫材料的撕裂強度，組3 試驗數據相較于組7 空白對照樣品，基本持平，說明添加粒徑范圍在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有明顯的下降。組1、組2、組4 的撕裂強度卻因為添加了微米級活性炭而有所降低。而添加了納米級活性炭的組5、組6 的撕裂強度下降較多。進一步說明了團聚后的納米及活性炭的團聚會造成聚氨酯泡沫的抗撕裂性能下降。圖5 撕裂強度折線圖5 結束語立足于工業化規模化條件下制造汽車座椅用聚氨酯泡沫材料，發現汽車內部環境的空氣質量差的最大貢獻者為座椅聚氨酯泡沫，為了盡量減少汽車企業改善車內異味的成本支出，在泡沫交聯反應發生之前，將微小粒徑的活性炭加入反應體系中，待反應完成后，均勻分布于聚氨酯泡沫體系中的活性炭顆粒就能長效持久地