火焰复合海绵苦杏仁味来源分析及改善方案

付鑫,陈浩然，李海青，任明辉，郭秋彦

吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江宁波 315000

0 引言

随着汽车行业的迅速发展与人们不断发展提高的审美观念，汽车内饰的制作与设计不断趋于色彩丰富，造型华美，并兼具奢华、舒适与高级感，而车用面料在内饰设计变化上占有举足轻重的作用。车用面料主要应用于座椅面料、顶棚面料、门板装饰板，立柱等部位。而其中座椅面料与顶棚面料使用面积最大，且因追求柔软的触感，面料多配合海绵使用，当前车企多使用火焰复合获得柔软、富有弹性、透气的面料，并且火焰复合工艺成熟、成本低。但是火焰复合使得聚氨酯燃烧、降解产生很多有毒有害物质，从环保角度讲是十分不利的。为此，文中针对座椅火焰复合面料常出现的苦杏仁，分析聚醚海绵燃烧和降解产物，探索苦杏仁味来源以及优化复合面料气味的方式，对于提升车内环境品质有一定的指导意义。

1 海绵火焰复合原理

火焰复合主要是把聚氨酯海绵材料通过烧蚀海绵，使海绵呈熔融状态和织物一层或者多层叠加在一起，从而得到平挺的复合材料。聚醚型软质泡沫的着火点为415 ℃，火焰复合燃烧过程中温度可达800～1 000 ℃，在该高温下，使聚氨酯发生剧烈燃烧与分解。

2 汽车座椅面套气味问题与溯源

2.1 主观气味评价分析

由于座椅面套要求表面平整，不出现褶皱，一般前排座椅面套进行悬挂存放运输，后排座椅有序堆叠平放，且考虑存放与运输成本，每个挂架或堆叠格都放置比较多的面套，面套之间无空气流通，导致面料本身的气味得不到有效挥发，而是富集在面套中。以聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)火焰复合聚醚海绵为探索对象，用火焰复合后做成的成品面套常常可以明显识别出刺激性苦杏仁味，且气味浓度较大，个别复合产品会有焦煳味，单独PVC面料或单独聚醚海绵没有苦杏仁与焦煳味气味类型。故初步判定苦杏仁味与焦糊味为聚醚海绵烧蚀后产生。

2.2 火焰复合面料苦杏仁气味溯源分析

采用10 L袋子法对复合前的聚醚海绵和复合后的海绵按照尺寸为10 cm×10 cm，厚度保持不变，进行取样全谱分析，来确认苦杏仁味物质。

(1)试验条件

Tedlar采样袋，室温(25±2)℃，袋子中准确充入袋子体积50%的氮气(纯度不小于99.99%)，放置于已达到60 ℃的零部件挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)环境舱中培养2 h，使用Tenax管采集袋中1 L气体，通过气质联用仪进行分析。

(2)试验结果分析

火焰复合后含量TOP3物质分析结果见表1。

表1 火焰复合后含量TOP3物质分析结果

通过对比火焰复合后的面料和单海绵的全谱物质发现，含量TOP1的物质相同，挥发量也几乎一致，但是火焰复合后的面料TOP3物质比单海绵多出了两种物质，分别为苯甲腈与N-乙基-2-吡咯烷酮，其中苯甲腈表现苦杏仁气味，N-乙基-2-吡咯烷酮表现为焦香味，这两种物质的气味类型符合成品面套所呈现出的气味类型。

苯甲腈的物理特征：无色油状液体，有杏仁的气味;微溶于冷水，溶于热水，易溶于乙醇、乙醚;有一定的毒性。

3 苯甲腈来源探究

通过实物嗅辨与全谱分析可以得出结论为：单海绵中不含有苯甲腈，火焰复合后，海绵经过燃烧、降解产生了具有苦杏仁气味的苯甲腈。

通过查找有关文献获悉：聚氨酯一般在150～300 ℃时开始热解，其产物一般是一氧化碳和氢氰酸。在缺氧的情况下，800 ℃下裂解还会产生二氨基甲苯、乙腈、丙烯腈、吡啶和苯甲腈等有毒气体。其中对人体有害的物质主要为一氧化碳和氢氰酸，氢氰酸中毒分为刺激期、呼吸障碍期、痉挛期和麻痹期。在刺激期会感到苦杏仁味及眼鼻喉和呼吸道刺激症状。而火焰复合的温度符合聚氨酯热解与裂解条件，全谱分析对比产物也证明了吡啶和苯甲腈这两种有害物质的存在，从该文献中亦可获得另一种苦杏仁气味物质——氢氰酸，该物质为剧毒无机强酸，且不能被Tenax管所吸附，故无法通过气质联用仪来分析出，所以并不能排除火焰复合后的海绵中不含有氢氰酸。

由于聚酯海绵生成反应与燃烧反应均为复杂快速反应过程，海绵本身为复杂混合物，故其燃烧分解机制尚难全部被破译，通过当下获得的燃烧分解产物苯甲腈、N-乙基-2-吡咯烷酮、氢氰酸，结合文献[3]所提出的聚醚型聚氨酯热解途径如图1所示。

图1 聚醚型泡沫在200～1 000 ℃下生成的分解产物

其中，在低温环境下，聚氨酯会分解为其单体，即二异氰酸酯和多元醇。二异氰酸酯为苯甲腈及其相似产物的唯一来源。常用聚氨酯的二异氰酸酯单体有如下两种，分别为是甲苯二异氰酸酯(TDI，分为2,4位和2,6位两种异构体)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，如图2所示。

图2 常见的聚氨酯海绵单体

异氰酸酯在高温下和氧化、灼烧产生的水蒸气反应，可以生成胺类物质，并释放二氧化碳。胺类物质被进一步氧化，形成腈基。反应的基本化学方程如图3所示。可以推断出，经历一系列氧化反应后，无论是TDI还是MDI型的聚氨酯海绵，都会生成苯甲腈或其相似结构的芳香族腈化物。

图3 异氰酸酯氧化反应下生成腈基的化学过程

4 优化汽车座椅面套气味方式

(1)对于针织面料火焰复合产品的后处理方式

由于苯甲腈溶于热水，氢氰酸易溶于水，故对火焰复合的针织面料如顶棚针织复合面料可采用温热流动水浸湿面料，后进入热烘箱后热风吹扫烘烤，进一步促进可挥发性有机物散发，从而提升面料的气味与VOC性能。

(2)对于PVC面料火焰复合产品的后处理方式

由于PVC浸水+烘烤会加速材料的老化降解，故对于PVC复合面料，推荐热水蒸气少量浸润复合面料后再进入烘箱进行烘烤，该方法处理的产品气味提升至少为0.5个等级。

(3)使用水性胶或热熔胶取代火焰复合，水性胶与热熔胶相对火焰燃烧聚氨酯海绵更加环保，但也有一定的局限性，对于设备要求、胶水要求均较高，成本亦是需要考虑的因素。

水性胶复合面料产品手感好、设备投入小，但是设备占地较大、能耗较高，其成品在润湿性、渗透性、黏接强度上还是存在一定的不足的。

热熔胶目前可用于汽车面料的可选品牌和种类较少，故成本受到一定的制约，同时热熔胶产品对于需要二次热加工的产品会产生一定的变形风险。

5 结束语

文中通过对使用火焰复合的座椅面套产生苦杏仁味的原因进行全谱分析发现燃烧后的海绵有苯甲腈，该物质气味为苦杏仁味。结合火焰复合海绵燃烧温度800～1 000 ℃的高温，聚氨酯分解为氢氰酸，因无法被Tenax管吸附故无法被检出，不能排除苦杏仁物质中包含有氢氰酸。未来整车趋于绿色环保方向发展，更推荐水性胶或热熔胶复合方式替代火焰燃烧海绵复合面料的方式。