一種家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器的設(shè)計

逄智宏 張 涵 陳光明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 201114）

隨著審美需求和制造工藝的提高，人們常會對家具表面進行漆膜涂飾處理來增加其美觀性和耐用性，但這些漆膜涂層中會添加含有重金屬化合物的助劑。在人們在使用家具時，鉛、鎘、鉻、汞等重金屬元素可從漆膜涂層遷移出來，通過呼吸道、消化道及皮膚接觸進入人體內(nèi)，對器官造成損傷，危害人體健康[1]。

為此國家在GB 18584—2001《室內(nèi)裝飾裝修材料木家具中有害物質(zhì)限量》和GB 28007—2011《兒童家具通用技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)中強制規(guī)定了不同家具產(chǎn)品中的重金屬限量要求。雖然國內(nèi)外家具漆膜重金屬分析方法較多，如分光光度法、原子吸收光譜法（AAS）和原子熒光光度法（AFS）等[1-2]，但家具漆膜重金屬的取樣過程一直是一個難題。目前，漆膜取樣環(huán)節(jié)僅限于人工在家具產(chǎn)品涂層表面用刮刀刮取適量涂層[3]，而家具漆膜涂層厚度一般在微米級，檢驗人員為了獲取較純凈的樣本，避免因漆膜穿透、混入雜質(zhì)等原因而造成的誤差，在取樣過程中往往格外仔細(xì)，使得取樣過程用時長、強度大、效率低，同時手工操作會使得檢驗人員與刀片和漆膜粉末直接接觸，危害人體健康安全[4]。為了解決家具漆膜涂層重金屬檢測取樣環(huán)節(jié)存在的上述問題，提出研制一種家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器，保護檢驗人員身體健康，提高取樣效率。

1 取樣儀器的工作原理

確保取樣無雜質(zhì)是設(shè)計取樣儀器的核心。我們將儀器取樣過程分為2 個階段進給。1）第一階段進給：通過微調(diào)螺母控制調(diào)節(jié)板帶動軸承座進行移動，帶動刀軸實現(xiàn)進給。2）第二階段進給：電機帶動刀具旋轉(zhuǎn)，操作儀器在漆膜表面移動，使進給方向與刀具旋轉(zhuǎn)切線方向相反，刀片刮取漆膜涂層，進行采樣[5]。最后通過迷你吸塵器將漆膜樣品收集到儲樣盒內(nèi)。

該設(shè)備采用罩殼狀的機架，避免了檢驗人員與刀片和漆膜粉末直接接觸，保護檢驗人員安全健康，微調(diào)螺母控制刀片進給，避免了人工取樣誤差，提高了取樣效率，并且通過軸承座與皮帶輪配合，保證了刀片旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。整個裝置具有便攜、快速、智能和環(huán)保的特點。

2 取樣儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們應(yīng)用機械設(shè)計和測控技術(shù)將取樣儀器的設(shè)計分為5 個部分，每部分設(shè)計內(nèi)容與包含器件如下。1）機械部分：主要包括機架和殼體。2） 動力部分：核心動力由一臺步旋轉(zhuǎn)電機提供，皮帶和皮帶輪進行動力傳輸。3） 進給部分：主要由微調(diào)螺母、調(diào)節(jié)板和細(xì)牙螺桿組成，選用毫米級導(dǎo)程（精度不低于0.01 mm）的微調(diào)螺母，通過微調(diào)螺母轉(zhuǎn)動帶動調(diào)節(jié)板實現(xiàn)微米級進給量。4） 控制部分：通過微調(diào)螺母的指針和刻度，實現(xiàn)0 ～0.5 mm 范圍調(diào)節(jié)。5）收集裝置：漆膜粉末收集裝置與機架的合理匹配。

設(shè)備取樣儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器結(jié)構(gòu)示意圖

機架呈罩殼狀；步進電機與迷你吸塵器分別安裝在機架上端兩側(cè)；機架內(nèi)部的左右兩側(cè)對稱設(shè)有2 個軸承座，軸承座的外側(cè)與機架的內(nèi)壁通過滑塊和滑槽的配合活動連接，兩個軸承座之間設(shè)有刀軸，刀軸沿左右方向橫貫軸承座設(shè)置；刀片設(shè)置在刀軸外側(cè)；旋轉(zhuǎn)電機同側(cè)的軸承座和機架的內(nèi)壁之間設(shè)有第一皮帶輪，第一皮帶輪與刀軸的左右兩端固定連接；步進電機的外側(cè)設(shè)有第二皮帶輪，旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動第二皮帶輪旋轉(zhuǎn)，第二皮帶輪位于第一皮帶輪的正上方，第一皮帶輪和第二皮帶輪通過皮帶傳動；機架上端的中央設(shè)有微調(diào)螺母，微調(diào)螺母的下部貫穿機架的上端設(shè)置；調(diào)節(jié)板位于機架的中部，調(diào)節(jié)板沿左右方向水平布置，所述調(diào)節(jié)板的左右兩端與軸承座的上端固定連接；細(xì)牙螺桿下端與調(diào)節(jié)板固定連接，微調(diào)螺母與細(xì)牙螺桿配合，細(xì)牙螺桿貫穿于微調(diào)螺母；機架的左右兩側(cè)對稱設(shè)有一對三角板，其前端延伸超出機架上的前側(cè)。

3 取樣儀器的工作過程

該漆膜涂層取樣儀器的實物如圖2 所示，其工作過程主要分為以下5個步驟。

圖2 家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器實物圖

3.1 準(zhǔn)備工作

用漆膜測厚儀測得漆膜涂層的厚度值D，將家具漆膜涂層重金屬檢測取樣裝置固定于取樣區(qū)域。

3.2 第一階段進給

根據(jù)漆膜涂層的厚度值D 旋轉(zhuǎn)刻度盤，微調(diào)螺母2 轉(zhuǎn)動并帶動調(diào)節(jié)板9 使軸承座12 移動，刀軸10 固定在軸承座12 上進而完成向下進給位移D-d。

3.3 第二階段進給

按下“啟動鍵”啟動，旋轉(zhuǎn)電機3 轉(zhuǎn)動經(jīng)皮帶輪7、8和皮帶帶動刀軸轉(zhuǎn)動；操作設(shè)備向前進給，使進給方向和刀軸轉(zhuǎn)動切線方向相反。在此過程中，刀片11 刮取漆膜涂層，實現(xiàn)對漆膜涂層的安全取樣。

3.4 刀片歸位

再次按下“啟動鍵”使旋轉(zhuǎn)電機3 停止轉(zhuǎn)動，將微調(diào)螺母2 上的刻度盤調(diào)回“0 位”，微調(diào)螺母2 反向轉(zhuǎn)動并通過調(diào)節(jié)板9 和軸承座12 使刀片11 向上移動回歸初始位置。

3.5 漆膜樣品采集

漆膜樣品通過迷你吸塵器4 收集到涂層收集袋5 中，完成取樣。

4 取樣儀器的試驗測試

我們根據(jù)GB 28007—2011《兒童家具通用技術(shù)條件》要求，用取樣儀器對木家具進行漆膜取樣，并觀察漆膜質(zhì)量。圖3 為取樣前后木家具表面外觀，儀器采樣樣品如圖4所示。從圖3 中可以看出儀器刀片剛好將漆膜涂層刮透且未穿過木材表層，保證了試驗部位的漆膜利用率，提高了漆膜取樣效率，從圖4 可以看出色漆漆膜粉末均勻，采樣量大，木屑等雜志較少，說明采樣質(zhì)量較高。

圖3 木家具漆膜取樣前后外觀

圖4 色漆漆膜樣品

表1 2 種漆膜取樣方式取樣數(shù)據(jù)對比

我們又將漆膜儀器設(shè)備取樣與人工取樣進行對比試驗，選取10 件木家具，清漆涂飾木家具和色漆涂飾木家具各5 件，分別在木家具表面250 mm2范圍內(nèi)進行漆膜取樣，按照GB 28007—2011《兒童家具通用技術(shù)條件》要求，獲取的漆膜試樣盡量不少于100 mg，統(tǒng)計10 件木家具儀器取樣和人工取樣所用時間長短和取樣量大小，見表1。從表1中可以看出，在相同的取樣面積上，不管是清漆還是色漆，儀器取樣質(zhì)量要大于人工取樣質(zhì)量；在10 件樣品取樣完成所花總時間上，儀器取樣要比人工取樣用時短。

通過上述實驗可得，家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器取樣精確，取樣量大，取樣質(zhì)量高，用時短，從而節(jié)省了人力，提高了取樣效率。

5 結(jié)語

根據(jù)家具漆膜涂層重金屬檢測人工漆膜取樣的種種弊端，發(fā)明了一種便攜、快速、智能、環(huán)保的家具漆膜涂層重金屬檢測取樣儀器。經(jīng)實驗驗證，該儀器減小了人工取樣誤差，提高了取樣效率，同時也避免了檢驗人員與刀片和漆膜粉末直接接觸，保護檢驗人員健康安全。