张子鹏 张新峰 刘振国

摘 要：轮胎是整车上唯一与地面直接接触的部件，起到承受车辆载荷、车辆行驶和转向等作用。车辆行驶过程中，轮胎与地面磨损产生微小颗粒物并排放到空气、土壤和河流中。本文从轮胎磨损机理、测试方法和颗粒物对环境的影响角度出发究，结合UN WP29 GRPE PMP工作组进展，对该领域的研究现状进行总结分析。简要阐述了轮胎磨损颗粒物的产生和物理特征，并介绍了颗粒物排放测试手段和颗粒物传输及对环境的影响。

关键词：轮胎磨损;颗粒排放;测试方法;传输路径;环境影响;PMP工作组

1 导言

新世纪以来，我国机动车保有量快速增加，尤其是新能源汽车得到快速发展，而机动车相关排放则直接影响群众健康。汽车排放分为尾气排放和非尾气排放：尾气排放，有着长期的深入研究基础和立法管理，已被大众多熟知;非尾气排放，主要包括轮胎和制动衬片的磨损颗粒排放，在一定意义上属于新研究领域，国内外研究相对较少[1，3]。据研究表面，轮胎磨损、衬片磨损、道路扬尘等非尾气的排放在一定条件下能够占到空气中PM的50%[2]。轮胎磨损颗粒物（TWPs），是车辆行驶时轮胎与地面摩擦后产生的微小颗粒，是非尾气排放的重要组成部分，也是大气中颗粒物的重要来源。对新能源汽车来说，车辆自身尾气排放明显减少，甚至为0（纯电动汽车），非尾气排放显的尤为重要[4]。本为以轮胎磨损颗粒为对象，结合UN WP29 GRPE PMP（联合国世界车辆法规协调论坛污染和能源工作组 颗粒测量程序非正式工作组，以下简称“PMP工作组”）中轮胎磨损颗粒排放工作开展情况，简要介绍国内外轮胎磨损颗粒排放特性研究现状。

2 轮胎磨损及颗粒物

轮胎是复杂的橡胶弹性橡胶制品，是车辆中唯一与地面接触的部件。轮胎结构主要包括胎面、胎肩、胎侧、趾口、带束层、帘布层、气密层等，如图1所示。轮胎磨损过程比较复杂，但影响因素主要有三种，轮胎自身因素（结构、材料、耐磨性等）、车辆因素（悬架参数、负荷、车速、驱动力等）和环境因素（道路条件、温度、驾驶习惯等）。研究轮胎磨损颗粒物的产生必须要研究橡胶磨损原理，摩擦学领域内的橡胶磨损机理研究已经较为成熟，包括疲劳磨损、摩粒磨损、黏着磨损和化学侵蚀磨损等[5]。车辆在行驶过程中，轮胎与地面直接接触，在车辆转向、制动和驱动时承受垂向、侧向载荷、切向载荷、回正力矩、翻倾力矩、滚动阻力矩。轮胎和地面接触过程中，存在直接摩擦和滑移作用，从而引起轮胎接地面与路面微观切割和撕裂。在这个过程中，轮胎与地面接触区域在不停的做功，当接触区域某一局部体积累积的摩擦能量达到接触区域轮胎表面的破坏能量（临界值）时，此局部体积将以磨屑的形式脱离表面[7]，即磨损产生。但轮胎磨损通常不会以单一形式存在，而是轮胎与道路路面混合磨损，各占大约50%比重[9]。

轮胎磨损后，以颗粒物形式释放到空气、道路路面、土壤或河流中。图3、图4为颗粒物物理特征图。据PMP工作组研究[9]：轮胎和道路磨损颗粒物（TRWP）直径主要分布在4-350μm，平均直径为100μm，大于PM2.5（≤2.5μm）和PM10（≤10μm）中颗粒物的体积（如图2所示）;颗粒物的密度大约为1.8g/cm3，大于水的密度1.0g/cm3。

张静[4]通過实验室台架模拟技术对轮胎磨损颗粒物开展研究：对数量粒径分布，轮胎磨损颗粒的数量主要为超细颗粒物，浓度峰值多出现在100nm以下;对质量粒径分布，轮胎磨损颗粒的质量主要是细颗粒物和粗颗粒物，浓度峰值多出现在0.5μm和1.3-2.5μm。同样，Mathissen[12]、DallOsto[13]、Kwak[14，15]等都用不同试验方法对轮胎磨损颗粒物粒径开展研究，得出不同或类似的试验结论。

3 磨损颗粒排放测试方法

轮胎磨损颗粒物排放研究的测试手段主要有实验室台架测试（测试设备如图5所示）和道路测试两种方式。目前，针对该领域的测试方法只有ISO系列标准，详见表1。

据PMP工作组资料，日本JASIC（日本汽车标准国际化中心）基于开发了乘用车轮胎粉尘排放测量方法。该方法是在六分力测量车辆基础上，增加粉尘采样、过滤、计数等装置，研究车辆侧向加速度与轮胎粉尘排放的关系，并基于热裂解和GC分析，实现了定量测量粉尘排放量，进而计算排放因子[16]，试验装置结构如图6所示。最终研究得出，轮胎粉尘排放对空气中PM2.5的贡献比例大约为3%，其他大部分粉尘落在了路面上。

J.Kwak 首次使用车辆道路测试方法和试验室内模拟测试方法去调查车辆非尾气排放超细颗粒物的物理和化学特征。该研究在车辆恒大速度、制动和转弯条件下对车辆右前轮处的颗粒排放进行采集和分析，并设置了距离地面40mm和距离地面90mm的两个采集点。图7、图8分别为试验方法和试验原理图。

研究表面，制动和转弯条件下的超细颗粒物排放浓度远远高于与恒速状态下的排放浓度。在制定条件下，距离地面90mm处的排放浓度高于距离地面40mm处的排放浓度。

国内在该领域的研究相对较少，但随着国家对空气污染的监管力度加大和各领域的关注，部分研究机构（中国汽车技术研究中心有限公司[4]、北京市环境环保科学研究院[3]等）和高校（如宁波大学[17]、南开大学[4]等）也开展了相关研究。基于室内道路模拟测试设备，张静等首次在国内基于台架模拟设备（如图9）对轮胎磨损颗粒物排放开展研究，涉及轮胎速度、载荷、侧偏角、外倾角的单一和复合影响因素，对排放颗粒物数量浓度、质量浓度和组成成分开展分析和研究。

测试设备为外转鼓测试装置，鼓面为沥青路模仿真鼓面。经研究，轮胎磨损颗粒排放物主要为超细颗粒物，直径在6nm-10μm颗粒占比约94.80%。不同工况下至少有两个浓度峰值，分别在10-13nm和23-41nm。正交实验结果的极差分析结果显示，侧偏角对轮胎磨损颗粒排放影响最大，其次是速度，再次是负载，倾角的影响最小;其中侧偏角与标准化的PM10浓度具有很好的以e为底的指数关系（R2>0.999）。

4 磨损颗粒传输与环境影响

ETRMA在2017年3月授权美国Cardno ChemRisk公司和荷兰Deltares研究院开展关于轮胎和道路磨损颗粒物在环境中的传播路径的研究[9]。主要有以下三点结论：（1）TRWP的平均直径大于细粉尘，平均密度大于水，而直径和密度是影响TRWP路径传输的最重要的两个参数;（2）TRWP产生后，会降沉到土壤和淡水沉淀物中，经与塞纳河沉积物中测量到的TRWP平均浓度进行比较，证实淡水沉积物中TRWP的收集效率在90%左右;（3）TRWP在海洋水域的实际存在从未得到证实，Cardno ChemRisk公司和Deltares研究院的模型计算出TRWP对河口微塑料的贡献在2%-5%范围内（最现实的估计）。

Julie M. Panko[10]曾开展一个全球采样研究项目，对美国、法国、日本的城市和乡村地区的81个空气样品开展TRWP浓度测量研究。使用基于热解技术的橡胶聚合物化学标记方法对空气样品进行研究分析，结果表明PM10中TRWP的浓度处于0.05-0.70g/m3范围，代表着TRWP对对PM10的平均贡献率为0.84%。同时，该研究提供了一个强大的数据集合，以去理解潜在的人体对空气中TRWP的暴露。

Cardno ChemRisk公司的Ken M. Unice[18]基于GC/MS分析方法对法国、日本和美国内相关集水区的沉淀物的TRWP含量开展定量测量工作。采样工作是在人口和土地用途多样化的集水区进行的，结果97%的样品中检测到TRWP。沉淀物中TRWP的平均浓度在0.77-4.5mg/g范围内。经研究分析，淡水生物（分析了7种）对沉淀物中TRWP的暴露浓度高达10mg/g，但没有显示出不良影响（急性和慢性）。图11为美国华盛顿地区TRWP浓度分布图。

5 研究趋势

在UN WP29 GRPE PMP工作组进展基础上，本文对轮胎磨损排放颗粒物的研究现状进行了综合阐述。目前国际上对该领域的研究处于尝试和分析阶段，并没有系统的、成熟的、科学的研究成果体系。为此，提出以下展望方向，为后续深入研究提供参考。

（1）未知领域理论研究：包括路面、土壤、水流区域等的数据情况，TRWP的化学降解，不同路面影响，路面排水系统影响，废弃垃圾及污水中微塑料处理。

（2）研究可量化TRWP的測试方法和混合颗粒样品中区分TRWP的方法，如建立模拟环境空间，开展模拟空间和实际空间的对比研究。

（3）基于国内外现有研究成果（Cardno ChemRisk公司和Deltares研究院研究成果等），继续深入研究，拓宽理论模型应用范围。

（4）为得到足够基础数据验证和分析，需要对典型地区长期开展TRWP相关数据的监控和分析工作。

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