车内挥发性有机物来源解析研究

朱振宇，王雷，刘雪峰

车内挥发性有机物来源解析研究

朱振宇，王雷，刘雪峰

（中国汽车技术研究中心有限公司 数据资源中心，天津 300300）

为研究车内挥发性有机物（VOCs）的来源，本研究利用环境领域中成熟的化学质量平衡受体模型（CMB）对某量产车型的车内VOCs进行了来源解析研究。研究表明，该车型车内VOCs主要为烷烃、烯烃类和芳香烃类物质，醇酚类、醛酮类、酯类物质含量较少；各零部件中VOCs分布较分散，大部分VOCs的质量分数都处于5%以下；车内VOCs的主要来源为仪表板总成、线束总成、立柱总成、门板总成、副仪表板总成、前排座椅总成、后排座椅总成和顶棚总成等零部件。

挥发性有机物；化学质量平衡受体模型；来源解析

前言

随着我国汽车保有量的提高和消费者健康意识的增强，车内空气质量问题引起了社会各界的广泛关注[1]。车内挥发性有机物（VOCs）具有散发周期长、毒性大、易受环境影响等特点，处理不当会严重威胁驾乘人员身体健康[2]。目前，我国已出台了HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[3]和GB/T 27630《乘用车内空气质量评价指南》[4]两个车内VOCs相关标准，前者规定了车内VOCs的检测方法，后者规定了车内苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等八种VOCs浓度要求，其中GB/T 27630《乘用车内空气质量评价指南》正修订为强制性国家标准。

为有效管控车内VOCs，需要对车内VOCs的来源进行研究。目前，行业内主要凭经验确定车内VOCs的主要来源，尚未形成成熟的模型方法。在环境大气VOCs来源解析领域，化学质量平衡受体模型（CMB）受到广泛的应用[5]。在环境领域，将大气环境定义为受体，将污染来源定义为源。化学质量平衡受体模型（CMB）是由一组线性方程构成的，表示每种化学组分的受体浓度等于各种排放源类的成分谱中这种化学组分的含量值和各种排放源类对受体的贡献浓度值乘积的线性和。由于该模型物理意义明确，算法日趋成熟而成为目前最重要最实用的受体模型。本研究将车内空气定义为受体，将散发VOCs的各零部件定义为源，利用环境领域中成熟的CMB模型对车内VOCs来源进行解析研究，得到各零部件对车内VOCs的贡献率。

1 CMB模型原理

假设存在着对受体中的VOCs有贡献的若干源类（j），并且（1）各源类所排放的VOCs的化学组成有明显的差别；（2）各源类所排放的VOCs的化学组成相对稳定；（3）各源类所排放的VOCs之间没有相互作用。那么在受体上测量的总物质浓度就是每一源类贡献浓度值的线性加和。

式中：为受体中VOCs的总质量浓度，μg/m3；S为每种源类贡献的质量浓度，μg/m3；为源类的数目，=1,2……J。

如果受体中的化学组分的浓度为C，那么公式（1）可以写成：

式中：C为受体中化学组分的浓度测量值，μg/m3；F为第类源散发的化学组分的含量测量值，g/g；S为第类源贡献的浓度计算值，μg/m3；为源类的数目，=1,2……J；为化学组分的数目，=1,2……I。

只有当≥时，方程组（2）有解。源类的贡献率为：

2 试验部分

2.1 整车样品采集及处理

试验所用车辆为某量产车型，为使研究结果与车辆实际使用状态接近，将该车型的试验条件定为65℃加热2 h。具体测试程序如下：

（1）车辆在试验前均除去内部构件表面覆盖物（如出厂时为保护座椅、地毯等而使用的塑料膜），依据HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[3]，将试验车辆推入环境舱中，打开试验车的门窗通风6h。

（2）将聚四氟乙烯采样管通过车门的最上边缝隙伸入车内，固定在采样点位置，封好车窗。参考ISO 12219-1《Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determina -tion of volatile organic compounds in cabin interiors》[6]方法对整车进行加热，待采样点温度达到65℃时保持2h，然后进行采样。

（3）采样方法依据HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》[3]进行。

（4）将得到的总离子流色谱图与NIST 05标准谱图进行匹配检索（检索相似度大于85%），结合色谱保留时间对VOCs进行定性分析。采用外标法对VOCs进行定量分析，以目标化合物的含量为横坐标，以扣除空白响应后的峰面积的平均值为纵坐标绘制标准曲线，对正己烷到十六烷之间物质浓度超过5μg/m3的尽可能多的峰面积进行积分，以甲苯的响应系数计算。

2.2 零部件样品采集及处理

试验所用的零部件全部为与试验车辆对应的量产零部件，包括仪表板总成、副仪表板总成、地毯总成、隔音垫总成、立柱总成、门板总成、顶棚总成、遮阳板总成、前排座椅总成、后排座椅总成、遮物帘总成、线束总成、空调总成、方向盘总成、安全带总成共15种。按照行业常用的袋子法对零部件进行检测分析，为与整车试验条件一致，将试验条件定为65℃加热2h。具体测试程序如下：

（1）将零部件放入符合要求的采样袋中，在25℃环境下准确充入50±5%采样袋体积的氮气。

（2）将准备好的装有零部件的采样袋放入恒温箱中，在65℃条件下进行散发试验2h。散发试验结束后，保持恒温箱温度65℃。

（3）轻拍采样袋使其中气体混匀，连接恒流气体采样泵，采样管，进行气体样品的采集。

（4）对采集到的采样管，将得到的总离子流色谱图与NIST 05标准谱图进行匹配检索（检索相似度大于85%），结合色谱保留时间对VOCs进行定性分析。采用外标法对VOCs进行定量分析，以目标化合物的含量为横坐标，以扣除空白响应后的峰面积的平均值为纵坐标绘制标准曲线，对正己烷到正十六烷之间物质浓度超过5μg/m3的尽可能多的峰面积进行积分，以甲苯的响应系数计算。

3 结果与讨论

3.1 整车VOCs成分特征分析

整车VOCs检出物质共计101种，该试验车辆车内VOCs首要为烷烃和烯烃类物质，占比达69.1%；其次为芳香烃类物质，占比达14.5%；醇酚类、醛酮类、酯类物质占比较小，分别为8.7%、4.3%、2.1%；此外，还包含少量苯并噻唑、乙酸、N，N-二甲基甲酰胺等物质。烷烃类和烯烃类物质主要来源于车内各种塑料件、橡胶件等材料的挥发。芳香烃类物质主要来源于内饰材料中含有的有机溶剂、助剂和添加剂等挥发性成分在使用中的释放。此外在该试验车辆中检出了N，N-二甲基甲酰胺，该物质主要用作聚氨酯、聚丙烯腈、聚氯乙烯等的有机溶剂。

表1 零部件VOCs质量百分比

3.2 零部件VOCs成分特征分析

对试验得到的零部件VOCs成分进行分析，将各零部件VOCs组分的浓度百分含量(Fij)按1%≤Fij＜5%，5%≤Fij＜10%，10%≤Fij＜20%，Fij≥20%划分四档，忽略Fij＜1%的物质，那么“落入”各档中的化学组分如表1所示。

由表1可知，各零部件中VOCs分布较分散，大部分物质的质量分数都处于5%以下。

3.3 CMB来源解析结果

本研究使用南开大学开发的NKCMB3.0软件进行源解析计算，将各源类的成分谱和受体成分谱纳入NKCMB3.0模型，用NKCMB3.0软件进行计算，得到各源类对车内空气中TVOC的贡献率，结果见图1。

图1 车内VOCs来源解析结果

由图1可知，仪表板总成对整车VOCs贡献率最高，达14%；其次为线束总成、立柱总成和门板总成，贡献率均为13%；副仪表板总成的贡献率为9%，前排座椅总成和后排座椅总成的贡献率均为6%，顶棚总成的贡献率为5%。由上图可知，对整车VOCs贡献较大的零部件为仪表板总成、线束总成、立柱总成、门板总成、副仪表板总成、前排座椅总成、后排座椅总成和顶棚总成等。

4 结论

（1）车内VOCs主要为烷烃、烯烃类和芳香烃类物质，醇酚类、醛酮类、酯类物质含量较少。

（2）各零部件中VOCs分布较分散，大部分VOCs的质量分数都处于5%以下。

（3）车内VOCs的主要来源为仪表板总成、线束总成、立柱总成、门板总成、副仪表板总成、前排座椅总成、后排座椅总成和顶棚总成等零部件。

[1] 朱振宇,刘雪峰,刘伟.关于车内气味问题治理途径探讨[J].环境与可持续发展,2017,42(06):88-90.

[2] 陈小开,程赫明,冯莉莉.轿车内苯系物的健康风险评价[J].环境科学研究,2014,27(11):1331-1337.

[3] HJ/T 400-2007.车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法[S].

[4] GB/T 27630-2011乘用车内空气质量评价指南[S].

[5] John G. Watson, Judith C. Chow, et al., Review of volatile organic compound source apportionment by chemical mass balance [J]. Atmospheric Environment, 2001, 35: 1567~1584.

[6] ISO 12219-1.Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determination of volatile organic compounds in cabin interi -ors[S].

Study on Source Analysis of Volatile Organic Compounds in Vehicles

Zhu Zhenyu, Wang Lei, Liu Xuefeng

（Automotive Data Center, China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300）

In order to study the source of volatile organic compounds (VOCs) in vehicles, this study analyzed the source of VOCs in a vehicle by using the mature chemical mass balance receptor model (CMB) in the field of environment. Studies show that VOCs in this vehicle mainly consist of alkanes, alkenes and aromatic hydrocarbons, while the contents of alcohol phenols, aldehydes, ketones and esters are relatively low. Among the components, VOCs are scattered, and the quality fraction of most VOCs is below 5%.The main sources of VOCs in this vehicle are instrument panel assembly, wiring harness assembly, column assembly, door panel assembly, sub-instrument panel assembly, front seat assembly, back seat assembly and ceiling assembly.

Volatile organic compounds; Chemical mass balance receptor model; Source analysis

A

1671-7988(2019)21-208-03

O741

A

1671-7988(2019)21-208-03

朱振宇，就职于中国汽车技术研究中心有限公司数据资源中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.074

CLC NO.: O741