轨道车辆司机室操作台复合材料VOC和气味改善研究

钟源 李人哲 关玲玲

摘要：VOC改善是提高材料环保指标的重要方法，更改材料配方，烘烤后处理，通风后处理是改善VOC的三个主要措施，文章选用司机室操作台FRP，PUR，PHONEY三种材料，采用烘烤结合通风的后处理工艺和更换材料的方法，验证分析了其对VOC和气味的改善效果，改善后TVOC散发浓度符合中车企标要求。

关键词：司机室操作台;烘烤;更换材料;VOC和气味;改善

中图分类号：X322 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.136

Abstract：VOC improvement is an important method to enhance the environmental protection index of materials. Changing the material formulation， post-baking treatment， and post-ventilation treatment are the three main measures to improve VOC. In this paper， three materials of driver's cab console， FRP， PUR and PHONEY， are selected. The post-treatment process of baking combined with ventilation and the method of replacing materials were used to verify the improvement effect of VOC and odor. The improved TVOC emission concentration met the requirements of CRRC's standard.

Keywords： driver's cab console;baking;replace materials;VOC and odor;improvement

1 前言

操作臺是轨道车辆司机室内最主要的组成部分，其上布置了各种操作设备和显示仪表，是操纵列车运行的人机界面。随着轨道交通材料轻量化技术的发展，越来越多的新型材料在操纵台和其他结构的部件生产中得到广泛应用，如：玻璃钢、碳纤维复合材料、铝蜂窝等。显而易见，非金属材料在生产过程中会使用大量的聚合物单体，溶剂，增塑剂，粘合剂、阻燃剂等有机成分，因此不可避免地带来挥发性有机物的释放。同时，由于司机室密闭且空间狭小，工作人员长期频繁暴露其中，空气质量污染问题尤为值得重视。

本文对部件VOC改善的方法进行了综述分析，同时选用司机室操作台使用的三种代表性材料，探讨了通风烘烤后处理工艺及更换材料两种方法对VOC和气味的改善效果。

2 VOC改善方法研究综述

2.1 更改材料配方或工艺

VOC含量在一定程度上与生产工艺和生产原材料等方面密切相关， 源头管控实际影响的是材料初始可散发浓度，是VOC改善最有效的方法之一。伴随环保需求的不断提高，越来越多的新型低VOC材料被开发和应用。张伟[1]等通过筛选PP 树脂基体，同时添加纳米氧化锌和纳米二氧化钛气味吸收剂的方法制备了低气味、低VOC 的玻璃纤维增强PP 材料，该材料生产的空调系统电机风扇叶轮气符合指定的气味要求。熊武[2]等通过对产品配方的调整成功制备了固体分高达90%以上的机车车辆用硅氧烷改性聚酯涂料，施工VOC含量低，具有绿色环保的施工性能。

2.2 高温烘烤后处理

材料生产下线后，其初始可散发浓度可以认为是一定的，VOC的改善重点在于如何影响材料内部扩散系数和气固界面的分离系数。考虑到VOC的散发速率正比于扩散系数，因此，可以通过加热的方式提高扩散系数以达到加速VOC释放的目的[3]。但是非金属材料不仅仅是VOC的释放源，同时也是VOC的吸收源。当外界VOC浓度高于材料中VOC的浓度时，材料由VOC的释放源变成吸收源，当外界VOC浓度低于材料中VOC浓度时，吸收的VOC会再次从材料中释放出来，成为二次释放源。高温烘烤会使环境中的VOC浓度升高，因此通常会结合排风处理工艺一起进行以减少材料本身VOC的残留。郑晓红[4]对比了换气率为10次/h的情况下，不同温度时室内VOC浓度的变化情况，随着温度的升高，室内VOC浓度水平达到标准值的时间逐渐缩短。

2.3 通风后处理

相比于烘烤后处理工艺，单纯的通风处理对VOC的改善效果需要较长的时间。因为通风降低的是环境中的VOC， 直接影响材料气固界面的分离系数，通过材料内部和表面形成的浓度差来增加材料内部的扩散效果。胡懿[5]等对比了地板布及其粘结样件通风放置后VOC的改善效果，通常放置7天，大部分材料的TVOC含量能减少30%～50%左右。

3 操作台复合材料VOC改善研究

本研究采用高温烘烤结合通风处理的方法对操作台复合材料：玻璃钢（GFRP）、聚氨酯发泡（PUR）和芳纶蜂窝（PHONEY）进行后处理，为了进一步提高VOC改善效果将烘烤参数调整为80℃/6h，通过对比后处理前后TVOC的变化及其中车标的符合性确认改善成果。

3.1 仪器和耗材

热脱附气相色谱质谱联用仪（TDS-GCMS，Gerstel德国， 7890B-5977B美国安捷伦）;高效液相色谱仪（HPLC，Agilent1260，美国安捷伦）;恒流空气采样泵（GilAir-5RP，美国GilAir）;真空泵（GM-0.33Ⅱ，天津津腾）;充气装置（AP Sampler VL050，宁波环测）;PVF采样袋（1000L，大连德霖）;高温烘箱。

3.2 材料和试剂

选取三种用于制造轨道车辆司机室操作台的材料，材质分别为GFRP、PUR和PHONEY，各两块，每块样品表面积为1m2;高纯氮气（99.99%，东莞空气化工）;乙腈（HPLC级别，默克）。

3.3 测试流程

试验分为两组进行，一组为未经高温烘烤的样品，另一组为经高温烘烤的样品。具体测试流程如下：（1）将材料放入加热至80度的高温烘箱内，烘烤6h，取出冷却至室温。（2）将样品置于25℃、50%湿度条件下平衡24h，放入1 000L的PVF袋中密封，用高纯氮气清洗三次袋子后，充入500L高纯氮气。（3）将装有样品的袋子放置于25℃条件下，16h后用Tenax-TA管采集苯系物和總挥发性有机物（TVOC），用DNPH管采集醛酮类物质。Tenax-TA管的采集流速为200mL/min，采集气体3L;DNPH管的采集流速为800mL/min，采集气体12L。采集完成后对袋中剩余气体参考VDA 270进行气味等级评价。（4）采集好的Tenax-TA管采用TDS-GCMS分析苯系物和TVOC，并依据NIST-2017谱库对VOC成分进行全谱分析;采集好的DNPH管用乙腈进行洗脱后，溶液用HPLC分析醛酮类物质。

3.4 结果分析与讨论

3.4.1 TVOC改善效果

本文对产品符合性的评价参照中国中车发布的企业标准《轨道交通车辆客室、司机室挥发性有机化合物管控技术要求（试行）》版进行，根据管控类别操作台GFRP和PHONEY材料应符合8.5mg/m3的限值要求，PUR材料没有对应的产品类别，考虑到其同属于操作台材料，参照8.5mg/m3的限值要求进行管控。如表1所示，三种材料在80℃通风烘烤6h后TVOC浓度水平均有大幅下降，其衰减率分别为83.3%， 64.6%， 54.2%。其中GFRP和PUR两种材料的散发结果已明显低于管控指标要求。PHONEY的散发浓度依然很高，需要经过更长时间的处理或者更换材料的方式来提高产品环保性能。由于车辆实际生产过程对时间要求苛严，部件后处理的时间延长，有可能影响交付时间，因此选择更改材料的方式从根本上解决VOC的污染问题。操作台材料PHONEY为一种夹芯结构的复合材料，由以纤维增强材料+树脂复合材料为面板、以芳纶蜂窝为夹芯层的结构组成。根据VOC多层扩散的机理，部件机体内材料中的VOC需要通过内部扩散到表层后再释放到环境中，实验研究结果表明材料内部扩散平衡的时间在14h-48h[6]，而袋式法测试的平衡时间为16h，因此检测到的VOC以表面材料释放为主，所以首先考虑更换树脂面板。将酚醛树脂面板更换为环氧树脂面板后，未经烘烤处理袋式法TVOC散发结果为5.369mg/m3，符合中车企标限值管控要求。

3.4.2 气味改善效果

TVOC散发浓度测试的同时，对材料气味变化情况也进行了研究，由5位气味评价员参考VDA 270对采样后PVF袋中剩余气体进行嗅辩。其气味强度等级变化如表2所示，针对GFRP和PUR两款材料经过烘烤处理后气味等级有一定降低，PHONEY材料在烘烤处理和更换面板材料后气味等级有一定提高。可见TVOC含量的降低并不一定会使气味等级降低，主要原因如之前研究[7]所述，VOC含量和气味贡献程度有一定关联，但是在同一个测试中单个VOC 含量的高低与其对气味的贡献程度并没有必然的关系。气味的改善首先要确认对气味贡献明显的物质后再有针对性地找到对应的治理办法。依据基于嗅阈值的气味评价方法[8]，气味活度值（OAV）越高，化合物对气味的贡献程度越大。以PHONEY材料为例，相比与材料的初始状态，烘烤处理后气味活度值TOP10物质中新增了几种醛类，比如：辛醛、壬醛、己醛、乙醛等;更换面板材料后气味活度值TOP10物质中新增了辛醛、乙醛、壬醛等;推断这几种醛类物质是引起气味强度升高的关键所在。局限的是气味活度值只能评价单一成分的气体情况，混合组分的气体目前还没有验证有效的方法。因混合气体间存在协同、累加、拮抗[9]等相互作用，不能通过简单的加和计算来操作来评估，这也是单个气体气味活度值高，但是混合气味强度等级评估值低的可能原因。

4 结论

本文结合材料中VOC释放的机理对材料VOC的改善进行了综述分析，更改材料配方或工艺是VOC源头管控的有效措施，烘烤和通风后处理对材料VOC改善均有效果，但处理条件对改善效果有显著影响;同时选用烘烤结合通风处理和更改材料的方法对司机室操作台FRP，PUR，PHONEY三种材料VOC和气味改善效果进行了验证分析，改善后三种材料TVOC的散发浓度均符合中车标的管控要求。

参考文献

[1]张伟，孙圳，吴玉成.低气味低VOC 玻纤增强聚丙烯材料的研制[J].工程塑料应用，2017，45（1）：35-38.

[2]熊武，龚文晶，李胜群.一种机车车辆用聚硅氧烷改性聚酯涂料研究[J].现代涂料与涂装，2019，20（10）：9-14.

[3]熊建银.建材VOC散发特征性研究：测定，微观诠释及模拟[D].北京：清华大学，2010.

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[5]胡懿，刘丰芹.城轨车辆内装饰材料对空气质量的影响[J].电力机车与城轨车辆，2019，42（5）：31-35.

[6]姚远，家具化学污染物释放标识若干关键问题研究[D].北京：清华大学，2011.

[7]李人哲，钟源，关玲玲，等.某轨道车辆司机室整车及其内饰材料气味溯源研究[J].电力机车与城轨车辆，2019，42（6）：44-47.

[8]李人哲，钟源，关玲玲，等.嗅阈值在轨道车辆内饰材料气味溯源中的应用[J].中国科技纵横，2019，（11）：81-83.

[9]王鑫，傅强，忽波.基于GC-O和OAV方法前壁板隔音垫气味物质研究[J].汽车零部件，2018，（11）：70-74.

收稿日期：2020-07-18

作者简介：钟源（1979-），男，汉族，硕士研究生，高级工程师，研究方向为轨道车辆产品环保研究。