低挥发改性聚丙烯材料在汽车内饰的应用，可有效提升车内空气质量
前言
为了提高汽车内部空气质量以保护消费者的身体健康，针对总挥发性有机物（TVOC）已提出了限制要求。
TVOC是通过Tenax GC或Tenax TA进行采样，采用非极性色谱柱（极性指数小于10）进行分析，保留时间位于正已烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物总和。
改性聚丙烯材料被认为是整车TVOC的主要来源之一，该材料中的TVOC含量已成为衡量汽车安全和环保水平的关键指标。
研究低TVOC改性聚丙烯材料的主要方法是通过添加吸附剂或萃取剂来降低材料中的TVOC含量。
但这种方法存在一定的局限性。考虑到综合材料性能，这两种助剂的添加量受限于不超过2%，因此对降低材料中TVOC含量的效果受到限制，无法满足主机厂对材料TVOC的检测要求。
而且还必须综合考虑吸附剂的比表面积、孔结构、吸附曲线和解吸附温度等因素，以评估其对改性材料TVOC的影响。
因此采用双抽真空脱挥和后处理烘料工艺，以高效且稳定的方式生产出车用低TVOC改性聚丙烯材料。
聚丙烯材料试样制备
基于不同的汽车内饰部件，选择了三种主要的内饰材料进行研究，分别标记为PP1至PP3。将预先配制好的材料按比例投入高效混合机中，在高速搅拌下均匀混合。
混合完成后，利用双螺杆挤出机进行挤出成型，挤出过程中的温度设定为230摄氏度，而螺杆转速为500转/分钟。挤出后的产品通过水槽冷却后进行切割成颗粒，紧接着进行在线烘干工艺。最终将得到的塑料颗粒采用食品级铝膜包装，以备进行后续的测试。
TVOC 测试
在TVOC测试中，采用袋子法进行测试。首先将一个容积为 2,000 升的袋子充满氮气，然后通过真空泵将其中的氮气抽空，这一步骤将重复进行3次，以确保袋子内的气体得到充分净化。然后将经过处理的袋子将放入一个温度为 100 摄氏度的烘箱中老化24小时。
在老化完成后，将袋子从烘箱中取出，将样品放入袋子中。之后再次将氮气充入袋子，充入 1,000 升氮气后再将其抽空，这一过程也将重复3次。随后将装有样品的袋子放入一个恒温烘箱，温度设定为 65 摄氏度，保持2小时。
然后使用含有多孔物质的TENAX管收集袋子中的气体，收集量为3升。收集完成后，直接将TENAX管放入气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）中进行测试，以获取TVOC的测试结果。
通过这一系列步骤，能够准确地测量出袋子中气体的挥发性有机化合物含量。
TVOC 物质测试及其定性分析
表格列出了聚丙烯树脂PPO1和PPO2以及改性聚丙烯材料PP1、PP2和PP3的TVOC含量测定结果。
可以观察到，共聚聚丙烯PPO1的TVOC含量是均聚聚丙烯PPO2的两倍，这现象与材料制备过程密切相关。而改性聚丙烯材料PP1、PP2和PP3的TVOC含量分别比PPO1高出45%、20%和25%。这或许与PP树脂在热加工过程中发生的热降解反应有关。
基于TVOC测定结果，可以从谱图中提取了前五种成分。从表中可看出，这些前五种成分主要是C11~C17烷烃的同系物或同分异构体，占TVOC总含量的大约50%。
这些成分主要源自PP树脂中残留的未经充分去除的溶剂和低聚物。
这些烷烃成分的保留时间较长，出峰时间较缓，但随着温度升高，其挥发速率将增加。发现改性PP材料的前五种IVOC成分与原始PP材料相似，表明改性PP材料的TVOC主要起源于PP树脂。
鉴于这些成分的挥发性特点，结合PP树脂的加工工艺，有可能通过有效去除这些挥发性有机物来有效降低材料的TVOC含量。
真空脱挥工艺对改性聚丙烯材料 TVOC 的影响
在工业领域，采用螺杆挤出机进行熔体脱挥以去除挥发性有机物是一种常见方法。图示展示了不同真空脱挥工艺对改性聚丙烯材料TVOC含量的影响。
在图中，自然脱挥工艺的真空度为0 MPa，而单真空脱挥和双真空脱挥工艺的真空度均为-0.2 MPa。
可以从图中看出，经过真空脱挥工艺后，材料的TVOC含量有所减少。
双真空脱挥工艺的效果要优于单真空脱挥工艺，经过双真空工艺处理，材料的TVOC含量在25,000~30,000 ug/m³范围内下降了约20%。
这一降低是因为在共混挤出过程中，螺杆的高速剪切导致材料熔体界面持续更新，同时双螺杆机筒内的气压在抽真空时突然降低，导致熔体中的气泡破裂，促使挥发性有机物从熔体表面迅速释放，从而有效去除熔体中的挥发性有机物。
真空度的大小直接影响真空脱挥的效率，下图展示了在双真空脱挥工艺中，不同真空度对改性聚丙烯材料TVOC含量的影响。从图中可以明显看出，真空度对材料TVOC含量有明显影响。
随着真空度的增加，材料的TVOC含量逐渐降低并趋于稳定。当真空度达到-0.06 MPa时，不同改性PP材料的TVOC含量均减少了约50%，在14,000~18,000 ug/m³范围内。
根据Langmuir单分子吸附理论，随着双螺杆机的真空度提高，机筒内气体压力降低并保持稳定，材料熔体对挥发性有机物的吸附达到稳态。
当吸附-解吸平衡再次达到后，挥发性有机物将不再从熔体中解吸，此时材料的TVOC含量不再下降。
因此尽管通过真空脱挥工艺可以显著减少材料的TVOC含量，但仍需要进一步的烘干处理工艺以满足汽车零部件及整车TVOC含量的严格要求。
后处理烘料工艺对改性聚丙烯材料 TVOC 的影响
基于挥发性有机物的沸点和挥发特性，通过对改性聚丙烯材料进行烘料处理，可以加速材料粒料表面挥发性有机物的释放，从而降低材料的TVOC含量。
下图展示了在采用螺杆双真空脱挥工艺的情况下，不同烘料时间对改性PP材料TVOC含量的影响（真空度为-0.06 MPa）。
从图中可以看出，在烘料温度为110°C时，随着烘料时间的延长，TVOC含量逐渐下降，尽管下降幅度逐渐减小。这主要与改性PP材料中挥发性有机物的扩散传质过程有关。
在这个扩散传质过程中，随着烘料时间的增加，挥发性有机物的释放累积，但材料内部的挥发性有机物浓度逐渐降低。
当达到某个临界值时，挥发性有机物的浓度不足以克服摩擦阻力进行进一步的扩散，这时挥发性有机物将不再从材料中释放出来。
考虑到生产效率，烘料时间不应过长。比如说当烘料时间为4小时时，不同改性PP材料的TVOC含量在10,000~12,000 ug/m³范围内。
在不同的烘料温度下，改性聚丙烯材料中不同沸点的挥发性有机物释放速率有所不同，烘料温度越高，释放速率越快，释放量也越大。
下图展示了在采用螺杆双真空脱挥工艺的情况下，不同烘料温度对改性聚丙烯材料TVOC含量的影响（真空度为-0.06 MPa）。从图中可以看出，当烘料时间为4小时时，随着烘料温度的增加，材料的TVOC含量显著下降，这与挥发性有机物的扩散传质有直接关系。
随着温度升高，材料分子链的动能增加，材料膨胀，扩大了自由体积，促进了大分子的重新定向运动和迁移，减小了分子链间流动的摩擦阻力，从而增强了挥发性有机物的扩散稀释。
而且温度升高还降低了熔体的黏度，增加了挥发性有机物的气压，使其更容易从材料中释放。当烘料温度达到130°C时，材料的TVOC含量降低至低于8,000 ug/m³，基本满足汽车用改性聚丙烯材料的TVOC要求。
因此采用真空脱挥和后处理烘料工艺有助于降低改性聚丙烯材料的TVOC含量。
结论
经过对汽车内饰用改性聚丙烯材料的TVOC进行研究分析，该材料的前五种物质属于烷烯烃类物质，很可能来自于聚丙烯树脂。
鉴于这些物质的挥发特性，参考聚丙烯颗粒挥发处理工艺，可以通过有效地消除这部分挥发性有机物来高效地降低材料的TVOC含量。
当采用双真空脱挥工艺（真空度为-0.06 MPa）结合烘料工艺（烘料温度为130°C，烘料时间为4小时），材料的TVOC含量下降了约80%。这一工艺在零部件上得到验证，满足了标准限定值。
这说明该生产工艺具有明显而稳定的效果，且适用范围广泛，能够有效降低材料的TVOC含量。
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