車門密封條 VOC 性能的改進

2021-01-17 汽車新技術資訊


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摘要：為解決汽車車門密封條揮發性有機化合物（VOC）中甲苯和二甲苯的散發量超標問題 , 從車門密封條的合成材料分析了汙染物的來源，採用HPLC與GC-MS對材料散發進行檢測與分析。結果表明，車門密封條配方中的石蠟油和塗層對車門密封 條甲苯和二甲苯的貢獻最大。通過提高石蠟油的閃點和變更塗層中的分散系使車門密封條滿足VOC性能要求，且車門密封條的成型工藝不受影響。


關鍵詞：車門密封條 ；VOC ；石蠟油 ；塗層


      車內空氣品質直接影響人體健康，研究表明來自內飾零件的揮發性有機化合物 (VOC) 是影響車內空氣品質的主要原因之一。大多數內飾零件中都含有一定量的揮發性有機化合物，它們主要是烷烴、烯烴、芳烴、乙醛或酮類的物質，這些物質的沸點通常在50~260 ℃的範圍之內。當氣溫達到一定高度時，這些揮發性物質就會釋放出來，一方面會形成霧凝結在前擋風玻璃上，從而影響駕駛員的視線；另一方面，這些揮發性物質輕則使人頭疼、噁心，重則傷害人體的 肝臟、腎臟、大腦和神經系統。


       目前，車門密封條材料絕大部分都是採用三元乙丙橡膠（EPDM）作為主要原料。三元乙丙橡膠由乙烯、丙烯單體加入少量非共軛二烯烴聚合而成。其結構的特點是在聚合物分子主鏈上無不飽和雙鍵，而在支鏈上引入了不飽和雙鍵，因而具有優良的耐天候性、耐熱性、耐臭氧、耐紫外線性以及良好的加工性能和低壓縮永久變形，是生產密封條的首選材料。隨著材料技術的進步，車門密封條材料種類變得更為多元化，同時對整車 VOC 的貢獻度也將加大。針對因石蠟油、 塗層引起的車門密封條 VOC 超標問題，對材料設計中存在的 VOC 性能缺陷進行分析，並提出優化解決方案。



1.1 檢測方法


     採用袋子法，在60℃、2 h的試驗條件下用 500 L袋子採集全車4根車門密封條揮發性有機化合物，通過HPLC（高效液相色譜儀）及GC-MS（氣相色譜 - 質譜聯用儀）對其中的苯、甲苯、甲醛和乙醛等8項物質進行分析，最終計算出4根車門密封條VOC含量。


1.2 檢測結果


     車門密封條 VOC 測試結果如圖 1 所示。從中可以看出，車門密封條按照原配方方案測試出的結果與該產品性能要求相比較，除甲苯和二甲苯散發含量超標以外，其他6項物質均滿足性能要求。




2.1 車門密封條 VOC 來源分析


     車門密封條混煉配方由三元乙丙生膠、炭黑、碳酸鈣、石蠟油、氧化鋅、硬脂酸、聚乙二醇、硫磺、促進劑、發泡劑等構成。


     車門密封條生產工藝流程如下。


     三元乙丙生膠→配料→一段混煉（加入三元乙 丙生膠、炭黑、碳酸鈣、石蠟油、氧化鋅、硬脂酸、 聚乙二醇）→下片冷卻→二段混煉（加發泡劑、硫 化劑與促進劑）→冷卻→擠出→ 硫化→牽引輸送→表面噴塗處理。


2.1.1 三元乙丙生膠


     以某車型密封條生膠用量為例對0.55 kg的生膠進行VOC性能測試，採樣袋大小為 500L，結果如表1所示。從中看出，車門密封條甲苯、二甲苯散發量上限為80μg、100μg，而三元乙丙生膠甲苯、二甲苯散發量為9.6μg、5.3μg。散發數值遠低於標準要求。



2.1.2 一段混煉膠


      將三元乙丙生膠、炭黑、碳酸鈣、石蠟油、氧化鋅、硬脂酸、聚乙二醇等原材料按比例投入密煉機內進行一段混煉，當溫度、時間等參數達到設定要求後 自動排料，經隔離槽中的隔離液浸潤後掛放在膠片冷卻機上，經水冷卻後對一段混煉膠進行VOC性能測試，採樣袋大小為 500 L，測試結果如表2所示。對比表2與表1可以看出，生膠經一段混煉後甲苯由9.6μg變為102.3μg，說明一段混煉過程中的添加劑對車門密封條的甲苯揮發影響較大。



2.1.3 二段混煉膠


     將一段混煉膠和配比好的硫磺、促進劑、發泡劑等二段小料投入到密煉機內進行二段混煉，當溫度、時間等參數達到設定要求後自動排料；排下的膠料經開煉機出片 , 經隔離槽中的隔離液浸潤後掛放在膠片 冷卻機上，經水和風冷卻後進行VOC性能測試，採樣袋大小為500 L，測試結果如表3所示。對比表3與表2可以看出，一段混煉膠經二段混煉後對甲苯、二甲苯的散發量影響較小。



2.1.4 擠出硫化膠


     二段混煉好的橡膠在停放8 h後，用擠出機擠出成型，經微波硫化箱、熱空氣硫化箱硫化成型。對擠 出硫化後的橡膠進行VOC性能測試，採樣袋大小為500 L，測試結果如表4所示。對比表4與表3可以看出，二段混煉膠經擠出硫化後對甲苯、二甲苯的散發量影響較小。



2.1.5 表面處理


     對擠出硫化後的橡膠表面噴塗塗料來提高耐磨度並降低表面光澤度，對噴塗塗層後的橡膠進行VOC性能測試，採樣袋大小為500 L，測試結果如表5所示。對比表5與表4可以看出，擠出硫化密封條經 噴塗後二甲苯由6.9μg 變為121.3μg，說明塗層對車門密封條的二甲苯揮發影響較大。



2.1.6 試驗結論


     對一段混煉膠配方中原材料三元乙丙生膠、炭黑、碳酸鈣、石蠟油、氧化鋅、硬脂酸、聚乙二醇進行分析，發現除石蠟油外，其他物質結構中均不含苯環，石蠟油屬於石油餾化的產品，含有大量苯環和芳香烴類物質。


     綜上所述，造成車門密封條甲苯和二甲苯散發量超標的材料分別是石蠟油和塗層。


2.2 密封條甲苯、二甲苯散發性能的分析及改進


2.2.1 石蠟油甲苯散發性能的分析及改進


    橡膠在製備過程中要採用大量石蠟油來使膠料混合均勻，可以使得橡膠分子間的作用力降低，從而降低橡膠的玻璃化溫度，使橡膠便於壓延、壓出等成型操作，石蠟油中含有的硫、芳香烴和多環芳烴，屬於非烴類極性化合物。


     改進方案為選用閃點高的石蠟油，這是因為閃點 高的石蠟油，其低分子易揮發物質含量越低。芳香烴含量也越低，則相應苯類物質的揮發量越小。以全車密封條石蠟油用量1 600 g為例，分別取改善前閃點為241 ℃與改進後閃點位為284℃的石蠟油與輕質碳 酸鈣進行混合製成膏狀塗抹於取10 cm×10 cm 的鋁箔 上，放入50 L袋子進行測試，改進前、後的VOC對比數據如表6所示。從中可見，石蠟油提高閃點後石蠟油甲苯散發量降低，對提升車門密封條VOC性能有明顯效果。




2.2.2 塗層的二甲苯散發性能的分析及改進


     密封條塗料噴塗在密封條表面後，通過高溫將溶劑蒸發後，在密封條表面轉變成緻密、緊固且完整的固體樹脂薄膜。目前的密封條表面主要噴塗聚氨酯塗層塗料來提高耐磨性，塗層以二甲苯、丙酮等有機物作為分散系，會造成噴塗後密封條表面有殘留，造成 密封條產品的VOC揮發值超標。


    改進方案為將溶劑型為水基型塗料即水性聚氨酯，以水為溶劑取代溶劑，VOC含量相對較低。分別取5 g改進前、後的塗層噴塗在10 cm×10 cm的鋁箔上固化後然後放入50 L袋子中進行測試，對比數據結果如表7所示。從中可見，將分散系由溶劑型變為水基型後塗層二甲苯散發量降低，對提升車門密封條VOC性能有明顯效果。




    用500 L 袋子測試改進後的車門密封條 VOC 性能，並與技術要求對比，結果如圖2所示。從圖中可以看出，提高石蠟油閃電後和變更塗層的分散系後， 車門密封條VOC性能有了很大改善，8項物質散發性能均符合性能要求。



來源：汽車材料網

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