熱壓工藝和環(huán)境參數(shù)對刨花板TVOC和甲醛釋放量的影響1)

王敬賢 沈 雋

(生物質材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

人的一生有80%以上的時間是在室內度過的，因此，室內空氣質量倍受關注。現(xiàn)代建筑中，裝飾材料、家具和針織物會釋放出大量的甲醛和揮發(fā)性有機化合物(TVOC)，它們被公認是產生室內空氣污染的主要因素。同時，由于空調的使用和節(jié)能減排的要求，室內的通風量減少，室內空氣污染加重。室內空氣品質低劣可能會引發(fā)多種癥狀，如：頭痛;眼睛，鼻子或喉嚨疼痛;干咳;頭暈惡心;注意力分散和疲倦［1-4］。刨花板是室內裝飾及家具的主要材料，研究刨花板揮發(fā)性有機化合物釋放量及影響TVOC釋放的因素，對控制室內空氣質量有積極作用。影響人造板揮發(fā)性有機化合物散發(fā)量的因素包括：內因——材料制作工藝、材料結構、材料氣體初始濃度、擴散系數(shù)、分隔系數(shù)等;外因——室內環(huán)境溫度、濕度、風速、氣體流動狀況等［5］。不同工藝生產的板材具有不同的氣體初始濃度和擴散系數(shù)，它們決定著氣體的釋放量，而環(huán)境參數(shù)通常是通過改變內因而影響氣體的散發(fā)量。Peder Wolkef［6］研究了表面風速、溫度和濕度對地毯、PVC地板以及水性墻體漆VOC單體釋放量的影響。張寅平等［7］采用多平衡態(tài)回歸法測量了不同溫度下密度板中可散發(fā)甲醛的含量，認為溫度升高，甲醛可散發(fā)的含量增加。本文則以市售刨花板為研究對象，結合板材制作工藝，研究板材TVOC和甲醛在不同環(huán)境下的自然揮發(fā)量，研究熱壓工藝和環(huán)境參數(shù)對板材有機揮發(fā)氣體散發(fā)的影響，為板材生產和使用提供參考。

1 材料與方法

試驗選用3種不同生產工藝壓制的E1級刨花板，厚度均為16 mm，密度0.7 g/cm3，熱壓工藝參數(shù)見表1。在生產當天把刨花板按照尺寸為23 cm×24 cm切割成小塊試件，立即用鋁膠帶封邊，使雙面暴露面積為(21 cm×22 cm×2)0.09 m2，然后用鋁箔紙緊緊地包裹試件，放入冰柜中-30℃保存待用。

表1 3種刨花板的熱壓工藝參數(shù)

儀器：人造板有機揮發(fā)氣體采集裝置，由東北林業(yè)大學設計制造，容積為0.09 m3，集空氣凈化裝置、空氣置換裝置、溫濕度控制裝置于一身，可模擬室內環(huán)境。氣體采集裝置的溫度偏差±1℃，相對濕度偏差±5%。PGM—7240型手持式VOC檢測儀，由美國RAE公司生產，可快速檢測出環(huán)境中TVOC的質量濃度。4160—19.99 m型甲醛分析儀，由美國INTERSCAN公司生產，精度為0.01 mg/m3。

方法：試驗前調整采樣艙內的環(huán)境溫度和相對濕度至穩(wěn)定，具體設定值見表2。產品負載率為1 m2/m3，氣體交換率為1 次/h，空氣流量為 1.5 L/min，板材表面風速為(0.1～0.3)m/s，裝置在此條件下控制運行1 h，要求艙體內背景TVOC的質量濃度＜10 μg/m3。

試件在不同試驗檢測條件下平衡后進行氣體質量濃度檢測。試驗時將板材平放于采樣艙的中心位置。檢測時分別將手持式TVOC檢測儀和甲醛分析儀的進氣管接入采樣裝置的出氣口，氣體被吸入到傳感器內進行測定。前1 h每隔15 min測1次，測5 min，取5 min內數(shù)值的平均值作為該點的甲醛和TVOC質量濃度值。第2～4 h每隔30 min測1次，之后隨TVOC質量濃度變化幅度的減小，測量間隔時間延長。測試時間持續(xù)46 h。

表2 特定試驗中采樣艙內的各參數(shù)設定值

2 結果與分析

2.1 熱壓工藝對TVOC和甲醛釋放的影響

在試驗1的環(huán)境條件下(采樣艙的溫度為23℃，相對濕度為45%)，應用PGM—7240手持VOC檢測儀對3種刨花板所釋放的TVOC和甲醛質量濃度進行連續(xù)測定，得到標準條件下試件的TVOC質量濃度隨時間的變化曲線。由圖1可見，TVOC的質量濃度/時間曲線在前1 h上升到最大值，然后快速地下降直到達到穩(wěn)定值，這一時期TVOC釋放速率變化顯著，為活躍期。在25 h以后，曲線比較平穩(wěn)，釋放量穩(wěn)定，為穩(wěn)定期。釋放前期，TVOC的最大釋放量是由刨花板P1得到，P2次之，P3最小。刨花板P1所釋放的TVOC最大質量濃度為91μg/m3，它比P2和P3的最大值分別高出25μg/m3和42μg/m3。穩(wěn)定期P1～P3的TVOC質量濃度分別為33、29、25μg/m3。由此可以得到，熱壓參數(shù)對刨花板中的TVOC釋放量有明顯的影響，并且隨著熱壓時間的延長，TVOC的釋放量隨之增加。應用4160—19.99 m型甲醛分析儀連續(xù)測定試件所釋放的甲醛質量濃度，得到標準條件下甲醛釋放量隨時間變化的曲線。由圖2可知，甲醛質量濃度/時間曲線的變化趨勢與圖1趨勢相一致，但甲醛的變化速率較TVOC的緩慢。甲醛的質量濃度在4～8 h時達到最大值，在35 h后趨于穩(wěn)定。釋放前期，甲醛的最大釋放量也是由刨花板P1得到(0.08 mg/m3)，P2次之(0.06 mg/m3)，P3 最小(0.04 mg/m3)。由此可以得到，熱壓參數(shù)對刨花板中的甲醛釋放量也有明顯的影響，影響趨勢與對TVOC釋放量的影響趨勢一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當熱壓時間延長、壓力升高，更多的水蒸氣移動到板坯的表面，而水蒸氣的傳遞帶動更多的TVOC和甲醛傳遞到板坯表面。因此，板材中的揮發(fā)性氣體在短期釋放過程中，板材表面集聚的氣體濃度越高，與環(huán)境的濃度差越大，氣體越易于從板材表面釋放到空氣中。

2.2 環(huán)境參數(shù)對TVOC和甲醛釋放量的影響

在試驗2單因素條件下，對刨花板P2分別連續(xù)46 h測定TVOC釋放量，得到溫度變化對TVOC釋放量影響的質量濃度/時間曲線。由圖3可知，在15℃時，TVOC的質量濃度最低，當溫度上升到25℃時，TVOC的質量濃度略有增加，在35℃下，前20 h的質量濃度/時間曲線明顯升高。15、25、35℃下，TVOC釋放峰值比例為1∶1.29∶1.73，穩(wěn)定值的比例關系為1∶1.07∶1.11。由此可見，環(huán)境溫度對板材TVOC的釋放量有顯著影響，隨著溫度的升高，TVOC釋放量隨之增加，板材中TVOC的釋放達到穩(wěn)定狀態(tài)的測試時間也隨之延長，且在活躍期，溫度對板材中TVOC釋放量的影響較穩(wěn)定期更顯著。

圖1 熱壓工藝對刨花板TVOC釋放量的影響

圖2 熱壓工藝對刨花板甲醛釋放量的影響

圖3 溫度對刨花板TVOC釋放量的影響

由圖4可知，溫度的變化同樣影響甲醛的釋放量。在35℃下，甲醛的最大質量濃度值為0.08 mg/m3，當溫度降低到25℃和15℃時，甲醛質量濃度峰值分別下降了25%和50%。在30 h后，25℃和15℃下所得曲線相接近。由此說明，溫度的升高也可以加快板材中甲醛的釋放。

隨著溫度的升高，TVOC和甲醛的釋放量非線性增加。原因是溫度的增高可以提高VOC的蒸汽壓，改變VOC的散發(fā)特性。Antoine公式可以表示溫度和VOC蒸汽壓的關系，即：

式中：P是化合物蒸汽壓(kPa);T是絕對溫度(K);a、b和c都是大于零的參數(shù)，b=ΔHvap/R，ΔHvap是蒸發(fā)熱，R是氣體常數(shù)。由此可見，當其它參數(shù)一定時，溫度升高，則VOC蒸汽壓增大，從而促進板材中揮發(fā)性氣體向空氣中擴散。在VOC由材料內部向空氣中擴散的過程中，VOC在材料內部的擴散起主導作用，因此VOC在材料內的擴散系數(shù)直接影響到板材揮發(fā)性氣體的釋放。氣體擴散系數(shù)與環(huán)境溫度的關系可被認為遵循Arrhenius經(jīng)驗公式，即：

式中：Dm指溫度T下的擴散系數(shù)(m2/h);Dm，0指特定溫度下的擴散系數(shù)(m2/h);Ed指活化能;R指氣體常數(shù);T是指絕對溫度［8］。由公式(2)可知，溫度的變化可以改變材料內TVOC和甲醛的擴散系數(shù)(Dm，0)，且溫度增高，氣體擴散系數(shù)(Dm)也增大。按照傳質理論模型，氣體的擴散系數(shù)(Dm)直接貢獻于氣體的擴散，擴散系數(shù)越大，越有利于氣體的散發(fā)。

圖4 溫度對刨花板甲醛釋放量的影響

試驗3對比了相對濕度變化對TVOC和甲醛釋放量的影響，其結果如圖5和圖6所示。相對濕度為30%的條件下，TVOC的質量濃度低于相對濕度為45%和75%下的質量濃度值。當測試時間延長到30 h以后，TVOC釋放穩(wěn)定。相對濕度為30%條件下，所得TVOC質量濃度峰值為61μg/m3，穩(wěn)定值為28μg/m3。當相對濕度升高到45%和75%時，TVOC的質量濃度峰值比相對濕度30%下的峰值分別增加了8.2%和28%，穩(wěn)定期TVOC的質量濃度值比相對濕度30%下的數(shù)值分別增加了3.3%和10%。由此可見，相對濕度的增大可以加速板材內TVOC的釋放，且在活躍期，相對濕度對TVOC釋放量的影響作用較穩(wěn)定期顯著。當相對濕度改變時，環(huán)境氣體壓力和VOC蒸汽壓也隨之改變，從而影響到氣體的釋放。從VOC傳質機理上講，相對濕度的改變可以影響氣體的擴散系數(shù)。相對濕度的增大，絕大多數(shù)氣體(不與水蒸氣發(fā)生化學反映的氣體)的擴散系數(shù)也隨之增大，梅寧［9］等以氧氣的擴散系數(shù)隨相對濕度的變化值驗證了這一結論。

圖5 相對濕度對刨花板TVOC釋放量的影響

圖6 相對濕度對刨花板甲醛釋放量的影響

圖6為P2在不同相對濕度下的甲醛釋放量的變化。由圖6可見，在相對濕度改變的條件下，甲醛質量濃度隨時間的變化趨勢與圖5一致，即采樣艙內的相對濕度越大，測得甲醛的質量濃度值越高，且在活躍期，不同濕度下質量濃度值差異較大。而在相對濕度為30%和45%下，穩(wěn)定期的甲醛質量濃度值一致。由此可見，相對濕度的提高促進了甲醛的釋放，而這種促進作用對甲醛釋放的影響比TVOC更為顯著。筆者認為，相對濕度對甲醛釋放量的影響較對TVOC釋放量的影響更為顯著的原因，可能是甲醛易溶于水，而絕大多數(shù)VOC不溶于水。

3 結論

刨花板熱壓工藝對板材TVOC和甲醛的釋放量有明顯的影響，隨著熱壓時間的延長和熱壓壓力的增大，板材所釋放TVOC和甲醛的量明顯增大。因此，TVOC和甲醛的釋放量可以通過適當調整熱壓工藝參數(shù)來控制。

環(huán)境參數(shù)影響板材TVOC和甲醛的釋放量。隨著環(huán)境溫度和相對濕度的升高，其前期釋放量明顯增加。溫度對釋放量的影響比相對濕度的影響更為明顯，與此同時，相對濕度對甲醛釋放量的影響比對TVOC釋放量的影響也更為顯著。因此，在冬季，尤其是采用地熱供暖的房屋，室內有害氣體的蓄積量最高，應注意室內的通風，以減小對人體的危害性。

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