CN112285235A - 一种基于气袋的乘用车内饰释放特性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车内环境检验技术领域，特别涉及高效、高精度地同时测定乘用车内饰中挥发性有机物释放关键参数的气袋法。该方法包括：建立乘用车内饰VOC释放过程的物理模型；改进密闭舱C‑history法测定乘用车内饰VOC三大释放关键参数，并简化其实验设备与实验流程；使用气袋作为环境舱，将待测材料置于恒定温湿度的气袋中，测量气袋内VOC逐时浓度与平衡浓度；结合粒子群耦合蚁群算法对全部采样的逐时浓度和平衡浓度数据进行非线性拟合，计算得到乘用车内饰中不同VOC释放过程的初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K。本发明的气袋法实验设备及操作简单、成本低、求解过程简单且精度更高，可用于实验室检测和工程应用。

Description

一种基于气袋的乘用车内饰释放特性测试方法
技术领域
本发明属于车内环境检验技术领域，特别涉及能够高效、高精度地同时测定乘用车内饰中挥发性有机物释放关键参数的气袋法。
背景技术
作为出行、旅游重要交通媒介的汽车，人们每天在其相对小密闭空间内的停留时间约为6.5％，而驾驶人员甚至超过50％，这使得汽车内部由挥发性有机物(VOC)导致的空气质量问题成为了全球广泛关注的热点问题之一。有研究表明，车内环境中VOC浓度高于室内环境，夏季高温时则更为明显。车内常见的VOC有乙醛、甲醛、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等，这些污染物会引起病态汽车综合症，例如急性呼吸道感染、肺部疾病、皮肤过敏反应等，其中乙醛已被IARC确定为II类可能致癌物质。乘用车内饰材料(顶棚、地毯、座椅、仪表盘等)是车内VOC的主要来源，汽车内部材料中VOC的释放过程可由初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K这三个释放关键参数表征，准确测定C0、Dm和K是控制和改善车内空气质量的基础。但测定乘用车内饰中VOC释放关键参数的研究鲜有提及，相比较而言，测定室内材料(建材、家具)中VOC释放关键参数的方法很多，其中较为成熟且被认可的一种方法是实验测试结合数学理论推导，如密闭舱C-history法。密闭舱C-history法在密闭环境舱内进行测试，将待测材料置于密闭舱中自由释放直至达到平衡，测定实验过程中密闭舱内VOC的逐时浓度，通过对实验中期浓度数据进行线性拟合求得三大释放关键参数。线性拟合对实验数据的精度要求高，另外由于只选择中间段的逐时浓度数据进行线性拟合，因此需要对较多的实验点进行采集，但采样过多会使环境舱内VOC产生质量损失，这就又将引起一定的误差。为发展一种低实验成本、易操作、实验设备简单且高精度地测定乘用车内饰VOC释放关键参数的方法，本发明针对传统的密闭舱C-history法进行改进，选用1～2m3的气袋替代小尺寸环境舱，以消除或减小采样过程中气体质量损失引起的误差；使用非线性拟合处理所有逐时浓度和平衡浓度数据，以减少采样点数量，同时关注到所有时段的释放情况，提高精度；结合粒子群耦合蚁群算法进行非线性拟合，提高了求解精度。改进的密闭舱C-history法可以直接、快速、准确的获得乘用车内饰VOC的初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K。
发明内容
本发明的目的：面对测定乘用车内饰中VOC释放关键参数方法缺乏的现状，针对现有实验***和方法上存在的局限性，提出一种更快速、准确地测定车内材料中挥发性有机物(VOC)三个释放关键参数的气袋法，本发明的参数测定方法实验***和操作简单、成本低、测试周期短、求解精度更高更快，便于实验室检测和工程应用。
为实现上述目的，本发明基于密闭条件下乘用车内饰中VOC的释放过程及特性，提出了快速、准确且同时测定初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K三个释放关键参数的气袋法，包括如下步骤：
1)建立气袋中乘用车内饰VOC释放过程的物理模型，气袋密封，换气次数等于零；当内饰材料释放一定时间后，气袋内VOC浓度可描述为：
Figure BDA0002737623890000021
Figure BDA0002737623890000022
该模型中：Ca为气袋内气相VOC浓度，μg/m3；Cequ为气袋内VOC平衡浓度，μg/m3；t为释放时间，s；C0为车内材料中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm为车内材料中VOC的扩散系数，m2/s；K为车内材料中VOC的分配系数；β(＝AL/V)表示车内材料体积与气袋体积之比；
Figure BDA0002737623890000023
qn为关于Dm和K的函数；V为气袋体积，m3；A为车内材料释放表面积，m2；Bim(＝hmL/Dm)为传质毕渥数；L为车内材料的厚度，m；hm为对流传质系数，m2/s；
2)将待测乘用车内饰密封处理，并存放好；
3)将气袋内气体温度、湿度设为所需值，温度控制精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
4)将处理好的待测内饰材料放在体积为1～2m3的气袋内使其自由释放，并进行测试；
5)在乘用车内饰VOC的释放过程中，用二硝基苯腙吸附管(DNPH，针对醛酮类物质)或特纳斯吸附管(Tenax-TA，针对非醛酮类物质)与高精度采样泵连接在气袋袋口处，采集VOC气体；然后用高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，获得气袋内各VOC的逐时浓度Ca(t)及平衡浓度Cequ；
6)将测试的每种VOC的逐时浓度Ca(t)和平衡浓度Cequ数据结合方程(1)，并利用粒子群耦合蚁群算法进行非线性拟合，拟合求得VOC的扩散系数Dm和分配系数K，然后将K值代入方程(2)中，求出初始浓度C0。
本发明的特点及效果：
本发明的测定方法，将传统密闭舱C-history法改进，使其应用于测定乘用车内饰的释放关键参数，对实验设备、操作过程以及求解方法进行了简化和改进。选用成本低的气袋作为环境舱，同时通过研究密闭气袋内乘用车内饰中VOC的释放特性，运用非线性拟合结合粒子群耦合蚁群算法处理VOC逐时浓度和平衡浓度数据，直接快速、准确地确定乘用车内饰中VOC释放过程的三大释放关键参数——初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K。该方法实验设备及操作简单、成本低、求解过程简单且精度更高，可用于实验室检测和工程应用。
附图说明
图1为密闭气袋中乘用车内饰VOC释放过程的测试***图
图2为苯乙烯浓度的非线性拟合结果
具体实施方式
本发明提出的可更快速、准确地同时测定乘用车内饰中挥发性有机物VOC三大释放关键参数的气袋法，结合附图及实例详细说明如下：
本发明的密闭气袋内乘用车内饰VOC释放过程的测试***如图1所示，该测试***由四部分组成：气袋环境***、温湿度控制***、采样***与充气***。温湿度控制***11调节并控制气袋10所处恒温室8的温湿度，并进行监测。将气瓶7中的惰性气体经阀门6通入气袋中，充满后将预处理好的待测车内材料9放入气袋中并密封处理。气袋出口处由快速接头阴头4与快速接头阳头5封口连接，采样时气袋中气体在采样泵1的作用下经气体输运管线3进入二硝基苯腙吸附管(DNPH，针对醛酮类物质)或特纳斯吸附管(Tenax-TA，针对非醛酮类物质)2中，然后由高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，确定各VOC的逐时浓度和平衡浓度。
本实例的释放关键参数测定方法包括以下步骤：
1)建立气袋中乘用车内饰VOC释放过程的物理模型，气袋密封，换气次数等于零；当车内材料释放一定时间后，气袋内VOC浓度可描述为：
Figure BDA0002737623890000031
Figure BDA0002737623890000032
该模型中：Ca为气袋内气相VOC浓度，μg/m3；Cequ为气袋内VOC平衡浓度，μg/m3；t为释放时间，s；C0为车内材料中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm为车内材料中VOC的扩散系数，m2/s；K为车内材料中VOC的分配系数；β(＝AL/V)表示车内材料体积与气袋体积之比；
Figure BDA0002737623890000033
qn为关于Dm和K的函数；V为气袋体积，m3；A为车内材料释放表面积，m2；Bim(＝hmL/Dm)为传质毕渥数；L为车内材料的厚度，m；hm为对流传质系数，m2/s；
2)将待测乘用车内饰地毯材料包裹好存放，避免材料在实验前释放VOC；
3)将气袋环境温度设为25℃，湿度设为50％，温度控制精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
4)将处理好的待测内饰材料放在体积为1.5m3的气袋内后将气袋密封，使其在密闭气袋内自由释放，待测材料选取车内常见内饰地毯，材料释放总表面积为1.5m2，厚度为0.005m；
5)乘用车内饰地毯VOC在密闭气袋内的释放过程中，用特纳斯吸附管(Tenax-TA)与高精度采样泵连接在气袋袋口处采集VOC气体，采样时间分别为：1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、10h、12h、16h、20h、24h；然后用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，获得气袋内各采样时刻苯乙烯的浓度分别为8.18μg/m3、10.92μg/m3、10.79μg/m3、11.31μg/m3、11.50μg/m3、11.87μg/m3、11.38μg/m3、12.19μg/m3、12.75μg/m3、12.48μg/m3、12.57μg/m3、12.60μg/m3、12.59μg/m3；
6)将测试的苯乙烯的逐时浓度和平衡浓度数据结合方程(1)，并利用粒子群耦合蚁群算法进行非线性拟合，拟合求得VOC扩散系数Dm和分配系数K的值分别为4.26×10-11m2/s、1060；将获得的K值代入方程(2)，求出初始浓度为1.59×104μg/m3，非线性拟合结果如图2所示。
本发明的原理：乘用车内饰在密闭气袋中自由释放时，通过采样获得不同时间气袋内各种VOC的逐时浓度和平衡浓度数据，将实验测定的全部浓度数据结合物理模型，并利用粒子群耦合蚁群算法进行非线性拟合，即可快速、准确地同时获得乘用车内饰VOC的初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K。

Claims (1)

1.一种基于气袋的乘用车内饰释放特性测试方法，包括如下步骤：
1)建立气袋中乘用车内饰VOC释放过程的物理模型，气袋密封，换气次数等于零；当内饰材料释放一定时间后，气袋内VOC浓度可描述为：
Figure FDA0002737623880000011
Figure FDA0002737623880000012
该模型中：Ca为气袋内气相VOC浓度，μg/m3；Cequ为气袋内VOC平衡浓度，μg/m3；t为释放时间，s；C0为车内材料中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm为车内材料中VOC的扩散系数，m2/s；K为车内材料中VOC的分配系数；β(＝AL/V)表示车内材料体积与气袋体积之比；
Figure FDA0002737623880000013
qn为关于Dm和K的函数；V为气袋体积，m3；A为车内材料释放表面积，m2；Bim(＝hmL/Dm)为传质毕渥数；L为车内材料的厚度，m；hm为对流传质系数，m2/s；
2)将待测乘用车内饰密封处理，并存放好；
3)将气袋内气体温度、湿度设为所需值，温度控制精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
4)将处理好的待测内饰材料放在体积为1～2m3的气袋内使其自由释放，并进行测试；
5)在乘用车内饰VOC的释放过程中，用二硝基苯腙吸附管(DNPH，针对醛酮类物质)或特纳斯吸附管(Tenax-TA，针对非醛酮类物质)与高精度采样泵连接在气袋袋口处，采集VOC气体；然后用高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，获得气袋内各VOC的逐时浓度Ca(t)及平衡浓度Cequ；
6)将测试的每种VOC的逐时浓度Ca(t)和平衡浓度Cequ数据结合方程(1)，并利用粒子群耦合蚁群算法进行非线性拟合，拟合求得VOC的扩散系数Dm和分配系数K，然后将K值代入方程(2)中，求出初始浓度C0。
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