刨花/活性炭復(fù)合板的制備及其對(duì)甲醛氣體吸附性能1)

李景鵬 吳 薇 王 喆 韓申杰 金春德

(浙江農(nóng)林大學(xué)，臨安，311300)

對(duì)于室內(nèi)甲醛污染的治理，人們開發(fā)了不同的方法，主要有吸附法、生物吸收法和化學(xué)法3 種;其中，吸附法，由于方便有效、吸附效率高、不造成二次污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［1－5］。常用的吸附材料有活性炭、竹炭、沸石等?；钚蕴渴且环N炭質(zhì)吸附材料，具有性能穩(wěn)定、抗腐蝕性較好、使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［6－7］。本文把活性炭添加到刨花中，壓制成刨花/活性炭復(fù)合人造板;初步研究了刨花/活性炭復(fù)合板材吸附、解吸和重吸附甲醛能力，探討了不同活性炭比例復(fù)合板對(duì)甲醛吸附、解吸和重吸附性能的影響，為室內(nèi)如何降低甲醛危害和刨花板的高值化開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

刨花，由吉林延邊林業(yè)集團(tuán)白河刨花板有限公司提供，含水率約為12%;脲醛樹脂膠，由浙江康溢人造板公司提供，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%;活性炭，由德清家意炭業(yè)公司提供，目數(shù)為200 目;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的甲醛溶液，國產(chǎn)分析純。

板材長×寬×厚為200 mm×200 mm×8 mm。斷面為三層結(jié)構(gòu)，表層為細(xì)刨花，兩面表層細(xì)刨花占板材刨花總質(zhì)量的35%，施膠量為12%;芯層為粗刨花，占板材刨花總質(zhì)量的65%，施膠量為10%?；钚蕴恐挥糜谂倩ò灞韺樱钚蕴刻砑颖?活性炭與表層刨花的絕干質(zhì)量比)分別為0.1%、0.3%、0.5%。

將混合物(細(xì)刨花+活性炭)、粗刨花，分別與脲醛樹脂膠在拌膠機(jī)中充分?jǐn)嚢杌靹?，? 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪裝、成型、熱壓、鋸邊、砂光，得到刨花板成品，測試其物理力學(xué)性能。

刨花/活性炭復(fù)合板材對(duì)甲醛吸附、解吸和重吸附測定:實(shí)驗(yàn)采用的密封箱是一個(gè)1 m3的玻璃箱，甲醛發(fā)生量相當(dāng)于空氣標(biāo)準(zhǔn)10 倍左右，每次實(shí)驗(yàn)前測量艙內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度的本底值。取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的甲醛溶液0.2 mL，滴入小塊濾紙上并放入密封箱中，開啟風(fēng)扇，并用甲醛直讀儀觀察箱內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度。當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到0.5 ng/m3時(shí)，取出濾紙并關(guān)閉風(fēng)扇。當(dāng)直讀儀上的讀數(shù)穩(wěn)定，則該讀數(shù)被作為甲醛初始質(zhì)量濃度。從ER－10AGP 高低交變濕熱試驗(yàn)機(jī)中，取出含水率調(diào)至12%的試件放入艙內(nèi)，測定艙內(nèi)甲醛8 h 質(zhì)量濃度變化值。

測試及表征:利用美國FEI 公司的Quanta200型掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)，觀察樣品的微觀結(jié)合形態(tài);用MWD－50 微機(jī)控制電子式木材萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，檢測刨花板的力學(xué)性能;用4160－2 甲醛直讀儀，檢測甲醛質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 刨花/活性炭復(fù)合板的物理力學(xué)性能

由表1可見:活性炭添加質(zhì)量比在0.1%～0.5%范圍內(nèi)，靜曲強(qiáng)度、彈性模量、2 h 吸水厚度膨脹率等指標(biāo)，均明顯比未加活性炭的刨花板高;內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度值，當(dāng)活性炭的添加比為0.5%時(shí)略低于未加活性炭的刨花板，當(dāng)活性炭的添加比為0.3%時(shí)其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度值最大，達(dá)到1.417 MPa;24 h 吸水厚度膨脹率值，當(dāng)活性炭的添加比為0.3%時(shí)略低于未加活性炭的刨花板;當(dāng)活性炭的添加比為0.1%和0.5%時(shí)，相應(yīng)板材的24 h 吸水厚度膨脹率值略大于未加活性炭的刨花板。綜合看，活性炭添加比為0.3%時(shí)，各種物理力學(xué)性能最好。

表1 活性炭添加比對(duì)刨花/活性炭復(fù)合板物理力學(xué)性能的影響

2.2 刨花/活性炭復(fù)合板對(duì)甲醛的吸附性能

本實(shí)驗(yàn)所用密封箱經(jīng)檢測證明:密封箱密封性能完好，完全符合實(shí)驗(yàn)對(duì)密封箱的要求。密封箱中放入復(fù)合板材后，甲醛的衰減曲線與甲醛自然衰減曲線的面積之差，即為板材對(duì)甲醛的凈化效果。衰減曲線的面積，可利用積分公式求得［8］。積分公式:S=［0.5×(C0+Cn)+(C1+C2+…+Cn－1)］Δt。式中:S 為曲線與橫坐標(biāo)間的面積;C0為艙內(nèi)t=0 時(shí)的甲醛質(zhì)量濃度;Cn為艙內(nèi)t=n 時(shí)的甲醛質(zhì)量濃度。根據(jù)上述公式和板材吸附面積，可以得出板材的單位時(shí)間單位面積凈化效果。

圖1給出了刨花/活性炭復(fù)合板，單位面積單位時(shí)間對(duì)甲醛的吸附及其凈化效果。從圖1可看出:隨著活性炭添加比例的增大，刨花/活性炭的復(fù)合板對(duì)甲醛吸附的能力增強(qiáng);在最后1 h，添加0.3%活性炭板材與添加0.5%活性炭板材，對(duì)甲醛吸附的影響相似。根據(jù)積分公式，得出板材單位面積單位時(shí)間的凈化效果:刨花與0.1%的活性炭復(fù)合的板材，凈化能力為1.056 mg·m－2·h－1;刨花與0.3%的活性炭復(fù)合的板材，凈化能力為1.18 mg·m－2·h－1;刨花與0.5%的活性炭復(fù)合的板材，凈化能力為1.18 mg·m－2·h－1。其中:刨花與0.5%的活性炭復(fù)合的板材，對(duì)甲醛吸附能力最強(qiáng);說明，隨著活性炭添加量的增加，板材對(duì)甲醛的吸附能力增強(qiáng)。

圖1 刨花/活性炭復(fù)合板對(duì)甲醛的8 h 衰減曲線

2.3 刨花/活性炭復(fù)合板對(duì)甲醛的解吸及重吸附性能

為了了解刨花/活性炭復(fù)合板對(duì)甲醛的緩釋放特性，本研究以活性炭添加比例為0.5%的刨花/活性炭復(fù)合板，進(jìn)行吸附甲醛8 h 后，在艙內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度為0 的條件下，連續(xù)2 次重復(fù)進(jìn)行對(duì)甲醛解吸8 h 試驗(yàn)(見圖2)。從圖2可看出，板材的第一次甲醛釋放量為0.10 mg·m－2·h－1，第二次甲醛釋放量為0.055 mg·m－2·h－1;說明，隨著時(shí)間的推移，板材對(duì)甲醛的釋放量在減少。

為了驗(yàn)證刨花/活性炭復(fù)合板對(duì)甲醛吸附的長效性，在每次艙內(nèi)初始甲醛質(zhì)量濃度1.0 mg·cm－3左右條件下，以活性炭添加比例為0.5%的刨花/活性炭復(fù)合板，進(jìn)行3 次循環(huán)8 h 甲醛吸附試驗(yàn)(見圖3)。從圖3可看出:板材對(duì)甲醛的吸附具有較強(qiáng)的持續(xù)性，且3 次衰減曲線比較接近。板材第二次重新吸附甲醛的效果，明顯好于第一次，超過了第一次對(duì)甲醛的凈化能力。板材第一次對(duì)甲醛的凈化能力為1.12 mg·m－2·h－1，板材第二次對(duì)甲醛的凈化能力為1.21 mg·m－2·h－1。

圖2 刨花/活性炭復(fù)合板吸附甲醛8 h 后解吸甲醛曲線

2.4 刨花/活性炭復(fù)合板材形態(tài)特征

從圖4a 中可看出，刨花中加入活性炭，基本保持了原刨花板的顏色，活性炭均勻分散在刨花板里面。從圖4b 可以清晰觀察到，活性炭與刨花在壓制成板時(shí)復(fù)合在一起。為了進(jìn)一步證明，采用能譜儀進(jìn)行了分析。第一幅能譜圖，炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.10%;原因是活性炭在炭化后，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。第二幅能譜圖，炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)占68.36%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)占31.64%，相對(duì)正常;這是因?yàn)榕倩ㄖ醒踬|(zhì)量分?jǐn)?shù)比活性炭中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，可以說明，活性炭與刨花在壓制成板時(shí)復(fù)合在一起。

圖3 刨花/活性炭復(fù)合板不同循環(huán)次數(shù)吸附甲醛的衰減曲線

圖4 刨花/活性炭復(fù)合板材的外觀、微觀結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

活性炭與刨花復(fù)合后壓制的板材，能增強(qiáng)板材的物理力學(xué)性能。在熱壓溫度為180 ℃、熱壓壓力3.0 MPa 的熱壓條件下，板材密度設(shè)定為0.88 g·cm－3，設(shè)定厚度為8 mm 時(shí)，刨花與0.3%活性炭復(fù)合，刨花板物理力學(xué)性能最高:內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度值為1.417 MPa、靜曲強(qiáng)度值為21.781 MPa、彈性模量值為3 399 MPa、2 h 吸水厚度膨脹率為3.13%、24 h 吸水厚度膨脹率為12.35%?；钚蕴颗c刨花復(fù)合后壓制的板材，對(duì)空氣中的甲醛有較好的吸附效果。隨活性炭施加比例的增加，復(fù)合板對(duì)甲醛氣體的凈化能力越強(qiáng)，當(dāng)活性炭質(zhì)量占表層刨花質(zhì)量的0.5%時(shí)，其凈化值為1.159 mg·m－2·h－1。

通過對(duì)刨花與活性炭復(fù)合而制造的刨花板進(jìn)行解吸和重吸附試驗(yàn)，證明板材重新釋放的甲醛量較小，當(dāng)空氣中甲醛質(zhì)量濃度較大時(shí)，板材對(duì)空氣中甲醛的重復(fù)凈化性能依然良好。實(shí)驗(yàn)證明，刨花/活性炭復(fù)合板材對(duì)甲醛有較好的吸附效果，能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，且提高了板材的物理力學(xué)性能。

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