高分子材料对车内VOC含量的影响及控制
一、高分子材料对VOC产生和释放过程中的影响
1、VOC的产生机理
汽车内饰中高分子材料的存在是导致车内VOC含量超标的重要因素，其原因主要有以下几点：
首先，从高分子材料本身的结构稳定性来看，高分子在高温高压条件下以及加工过程中的剪切力作用下会诱导高分子出现断链、降解等现象，从而产生小分子，挥发后产生VOC或气味。其次，就目前使用的材料而言，大部分以共混物的形式存在，单一的聚合物已经难以满足人类的日常使用需求。为了获得综合性能优异的复合材料，在共混物的生产过程中通常需要添加各种助剂或改性剂如增韧剂、增塑剂、抗静电剂、光稳定剂以及阻燃剂等。由此，高分子复合材料在使用过程中各类小分子添加剂容易产生渗出现象，进而诱导VOC或气味的产生。最后，高分子材料在合成过程中也可能会存在残留的单体、溶剂以及催化剂等，这些物质在原材料后续的加工或使用过程中容易出现渗出现象，进而导致VOC含量的提高。
2、VOC的散发机理
了解VOC的产生和散发机理对于控制车内VOC含量具有重要的意义。研究表明，VOC的散发主要由“材料内部的扩散”和“从材料表面到周围空气的散发”两个过程组成。VOC在材料内部的扩散过程是指在温度、浓度和压力梯度等的共同作用条件下，VOC从材料芯部逐渐扩散至材料表面层的过程。其扩散过程可用菲克第二定律(FICK’S SECOND LAW)来进行描述，如公式(1)所示
其中，Ct和CA分别是VOC在空气和材料中的浓度；D为质扩散系数，每种化合物的质扩散系数不同，与其相对分子质量、分子体积、环境温度有关；∂是在x、y、z坐标轴上的拉普拉斯算子。
VOC从材料表面扩散的过程则会受多种因素影响，如对流、蒸发等。只要在材料表面和周围空气中的VOC浓度存在差异，就会诱导表面散发现象的出现。存在浓度梯度，就会发生表面散发现象。其扩散过程可由方程(2)进行描述：
其中，kA是质传递系数；CA和SA分别是周围空气中和材料表面的物质A的浓度；EA是物质A的表面散发率。
3、影响车内VOC含量的因素
由1.2中VOC在车内的产生和散发机理可知，VOC的含量与环境温度、湿度、氧化剂的存在以及材料的表面特性等有关。其具体的影响情况如下。
（1）环境温度
环境温度对车内VOC含量的影响主要在于高分子材料会随着温度的升高出现降解或小分子的渗出现象。同时，当温度高于各种挥发性有机化合物的沸点时(各种挥发性有机化合物的沸点如表1所示)，车内VOC的含量会进一步增加，但是每种有机物的变化是不同的，从表1可以发现甲醛的沸点较低，在室温条件下甲醛的含量会高于其他几种化合物，苯乙烯等沸点较高的化合物在室温条件下则比较低或近乎没有。
（2）环境湿度
环境湿度对VOC含量的影响与各类挥发性有机物的溶解性有关。随着湿度的增加，亲水性物质会溶解一部分在水中，从而导致溶解性较好的物质的含量逐渐减小。各类VOC气体的溶解性与沸点如表1所示，由表1 中可以发现甲醛在水中的溶解性相对最好，因此随着湿度的增加，甲醛的含量不会与其他几种有机化合物类似出现明显的上升趋势，而是有一部分甲醛溶于水，从而导致甲醛含量的变化不明显或出现降低的现象。
（3）氧化剂
在氧化剂的作用下，会促进材料的氧化分解，在高空气流速的条件下会进一步促进VOC的产生。如汽车中常用的地毯，在氧化剂的作用下，地毯会与其吸附的 VOC发生非均匀反应，若地毯上吸附的VOC越多，发生反应的几率越大，进而导致车内VOC含量提高。
二、控制VOC含量的方法
VOC是汽车行业的重要枢纽，它不仅关系着每位消费者，还将与汽车相关的上下游厂商紧密联系在一起。VOC含量的高低与人类身体健康息息相关，将车内VOC含量控制在较低水平已经成为广大消费者的迫切要求。目前，改善汽车内饰材料对车内环境的影响主要从以下几个方面进行控制：
1、从源头上控制高分子原材料的VOC含量。即选择更纯净的原材料，控制原材料中小分子的含量，如小分子助剂与改性剂的用量等，进而研发具有低VOC含量的高分子材料。汽车内饰材料的主要成分为PP和部分加工助剂以及改性剂，较多的研究者对PP进行改性来改善材料的VOC含量。如黄等人通过将总挥发性有机物(TVOC)的一种高效吸附剂添加到PP中，制备得到车用低TVOC含量的材料。通过添加高效吸附剂来除去材料的VOC方法中，由于吸附与解吸附是一个动态平衡过程，因而难以实现高效的改善材料中的VOC含量。通过氢调法在PP中添加除味母粒制备TVOC含量较低并且具有较高力学性能的材料。
2、完善高分子材料的后处理工艺。如方等人通过在材料后处理过程中增加一定的温度和压力以促进原材料中VOC的排出，并在材料的加工过程中增设挤出机的真空脱挥装置，尽可能除去挥发出的小分子物质，降低使用过程中VOC的释放。任等人通过在不同温度条件下增设抽排风烘烤工艺以改善车内的VOC性能和气味性，研究表明在65 OC条件下烘烤之后对VOC性能的改善效果较好。
3、车内VOC含量超标的另一个重要原因在于车内的空气流通率低使得车内挥发性有机化合物无法排出，由此，在汽车的设计过程中应相应的增加车内的空气流通率，例如调控车内的空气循环系统、优化汽车天窗的设计等。
4、从消费者端进行车内VOC含量的控制。如空气净化技术，该方法中最常用的有物理法(活性炭吸附技术)和化学法（光催化净化技术）。光催化技术以操作简便、反应条件温和等优点备受大众广泛的关注，并在环境净化领域得到了广泛的应用。如矫等人通过制备不同孔径尺寸的分子筛对车内甲醛进行吸附，结果表明分子筛对甲醛的吸附效果存在一个最优的分子筛孔径尺寸，在该孔径尺寸下，分子筛对甲醛的吸附效果最好。研究了VOC含量随时间的变化过程，结果显示VOC的含量会随着时间的延长而不断减少，而各种物质的变化量则不同，如由于吸附剂对不同VOC的吸附性差异会导致苯系物的衰减速率低于醛类物质。由此，消费者购车后可将汽车放置一段时间再使用或汽车在出厂之后可放置一段时间以进一步降低车内的VOC含量。
三、结论
随着汽车在世界各地的广泛使用，车内VOC含量已经逐步成为人们购车的主要考量因素之一，由此，车内空气质量成为汽车生产厂商关注的焦点，也是未来工作的重点。并且，随着汽车工业的不断发展，轻量化将成为未来汽车发展的主流趋势，高分子材料将逐渐大于金属材料在汽车上的应用[14]。研究车用高分子材料与车内空气质量的关系具有重要的研究意义。
目前高分子对车内空气质量的影响主要在以下几个方面：首先是高分子材料在加工过程中容易出现断链、降解等现象从而导致车内气味的产生；其次是复合材料中各种加工助剂、改性剂以及高分子合成过程中残留的小分子单体催化剂等在材料后续的使用过程中容易出现渗出等现象，从而提高车内的VOC含量。针对车内VOC含量的提高现象，解决方法主要有以下几种：首先，从源头上控制零部件原材料中VOC的含量，即选择小分子含量低的原材料；其次，完善高分子材料的后处理工艺，使材料的VOC在加工过程中尽可能多的挥发出去，以改善材料在使用过程中小分子的渗出现象；同时，优化车内空气循环系统的设计，增大车内空气流通速率；最后，从消费者端控制VOC的含量，如利用空气净化技术、吸附剂等对车内VOC进行吸附。
