基于氣候箱的中密度纖維板甲醛散發(fā)特征研究

興 豐，宋 偉，鹿振友，張雙保

（1.北京林業(yè)大學(xué)，木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.柯諾（北京）木業(yè)有限公司，北京 100068）

中密度纖維板（medium density fiberboard，MDF）是以植物纖維、膠黏劑為原料，經(jīng)熱壓制造的木基復(fù)合材料.憑借優(yōu)良的物理力學(xué)、裝飾加工等性能，MDF已廣泛用于家具制造、室內(nèi)裝修、建筑材料等領(lǐng)域.由于多采用脲醛樹(shù)脂作為膠黏劑，MDF制品在使用中容易釋放甲醛，污染室內(nèi)空氣并引發(fā)多種健康問(wèn)題［1－8］.但現(xiàn)有研究就MDF厚度、甲醛散發(fā)通道及環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和空氣交換率等對(duì)MDF甲醛散發(fā)量影響的探討較少，也缺少對(duì)MDF甲醛散發(fā)機(jī)理的分析.

本文借助氣候箱模擬室內(nèi)環(huán)境，測(cè)試了MDF甲醛散發(fā)量，探討了MDF 厚度和封閉方式（即甲醛散發(fā)通道）及氣候箱溫度、相對(duì)濕度和空氣交換率對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響，并詮釋了MDF甲醛散發(fā)機(jī)理，從而為控制MDF甲醛污染提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 材料及預(yù)處理

所用MDF 取自柯諾（北京）木業(yè)有限公司，已存放約2周.測(cè)試前每邊截去100mm，然后切割成試件.將試件密封并以（23.0±0.5）℃、相對(duì)濕度（45±5）%調(diào)質(zhì)，避免甲醛損失，降低試驗(yàn)誤差.測(cè)試用MDF信息見(jiàn)表1.

表1 測(cè)試用MDF信息Table 1 Information of MDF for experiment

1.2 測(cè)試及分析方法

以強(qiáng)堿洗滌劑清潔氣候箱內(nèi)壁，并依次用自來(lái)水和軟化水沖洗，除去可能殘留的污染物，隨后借助熱吹風(fēng)干燥.按圖1所示連接各試驗(yàn)部件.開(kāi)啟恒溫水浴設(shè)備使氣候箱內(nèi)溫度保持在（23.0±0.5）℃，啟動(dòng)攪拌風(fēng)扇并通入相對(duì)濕度（45±5）%的潔凈空氣吹掃2h，檢查氣候箱密閉性并調(diào)節(jié)空氣流速.按表2設(shè)定氣候箱的溫度、相對(duì)濕度和空氣交換率，空載運(yùn)行2h后放入已按表2設(shè)置條件處理的試件.每隔一定時(shí)間抽取10 L氣候箱內(nèi)空氣并使之通過(guò)吸收瓶，令甲醛全部溶于蒸餾水.依據(jù)GB／T 15516—1995《空氣質(zhì)量 甲醛的測(cè)定 乙酰丙酮分光光度法》測(cè)量吸收液中的甲醛濃度，分析氣候箱內(nèi)MDF甲醛散發(fā)量.

圖1 MDF甲醛散發(fā)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for formaldehyde emission of MDF

表2 測(cè)試方案Table 2 Experimental schemes

2 結(jié)果與討論

2.1 MDF厚度對(duì)甲醛散發(fā)量的影響

MDF厚度對(duì)甲醛散發(fā)量的影響見(jiàn)圖2.由圖2可見(jiàn)：（1）試驗(yàn)初期，MDF釋放甲醛較快，氣候箱內(nèi)甲醛散發(fā)量快速上升，原因在于氣候箱內(nèi)氣流速率較小，導(dǎo)致MDF 表面氣膜阻力和氣候箱內(nèi)甲醛濃度差均可忽略，令甲醛擴(kuò)散阻力較?。?－10］.（2）MDF厚度較小時(shí)，甲醛釋放速率較快，散發(fā)量較大，原因在于板材越薄，甲醛釋放路徑越短，降低了板內(nèi)甲醛擴(kuò)散到板面的耗時(shí).

圖2 MDF厚度對(duì)甲醛散發(fā)量的影響Fig.2 Effect of thickness of MDF on formaldehyde emission

2.2 MDF封閉方式對(duì)甲醛散發(fā)量的影響

MDF封閉方式對(duì)甲醛散發(fā)量的影響見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)，四周端面封閉和上、下表面封閉的MDF（4＃，5＃組板材），其甲醛散發(fā)量峰值明顯低于未封閉的MDF（1＃組板材），說(shuō)明MDF 四周端面和上、下表面是其甲醛散發(fā)的重要通道.4＃組板材甲醛散發(fā)量最低，說(shuō)明MDF 四周端面是甲醛散發(fā)的最主要通道.MDF四周端面甲醛初始散發(fā)量是其上、下表面甲醛初始散發(fā)量的1倍以上.

圖3 MDF封閉方式對(duì)甲醛散發(fā)量的影響Fig.3 Effect of sealed method of MDF on formaldehyde emission

2.3 溫度對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響

溫度對(duì)MDF 甲醛散發(fā)量的影響如圖4 所示.由圖4可見(jiàn)，MDF甲醛散發(fā)量隨溫度升高而顯著增加.這是因?yàn)?，一方面，高溫下甲醛分子熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，更容易脫附并釋放出來(lái)［11］；另一方面，固化的脲醛樹(shù)脂在高溫下發(fā)生分解，生成甲醛.

2.4 相對(duì)濕度對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響

圖4 溫度對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.4 Effect of temperature on formaldehyde emission of MDF

相對(duì)濕度對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，MDF 甲醛散發(fā)量隨相對(duì)濕度增大而顯著上升.這是因?yàn)?，高濕?huì)促使脲醛樹(shù)脂水解，加重甲醛釋放［12］；甲醛散發(fā)的傳質(zhì)阻力主要在板材內(nèi)部，而MDF孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)因吸濕而膨脹，從而有利于甲醛散發(fā)的進(jìn)行.

圖5 相對(duì)濕度對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.5 Effect of relative humidity on formaldehyde emission of MDF

2.5 空氣交換率對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響

空氣交換率對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響見(jiàn)圖6.由圖6可知，（1）隨時(shí)間延長(zhǎng)，11＃組板材的甲醛散發(fā)量不斷上升至穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谠摋l件下氣候箱沒(méi)有進(jìn)行換氣，隨時(shí)間延長(zhǎng)，甲醛散發(fā)量不斷增加，同時(shí)，空氣自身對(duì)甲醛有降解作用，最終甲醛散發(fā)與降解達(dá)到平衡.（2）當(dāng)空氣交換率由0增大至1次／h或2次／h時(shí)，MDF甲醛散發(fā)量下降，原因在于新鮮空氣稀釋了氣候箱內(nèi)甲醛的濃度.

圖6 空氣交換率對(duì)MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.6 Effect of air exchange rate on formaldehyde emission of MDF

3 MDF甲醛散發(fā)機(jī)理

氣候箱內(nèi)MDF 的甲醛散發(fā)過(guò)程包括：板內(nèi)的甲醛分子擴(kuò)散、板邊界層甲醛的吸附／脫附、氣流邊界層甲醛的對(duì)流、氣候箱內(nèi)主流空氣中甲醛的傳輸.參照本研究試驗(yàn)結(jié)果，可將甲醛散發(fā)過(guò)程分為3個(gè)階段：（1）短期快速散發(fā)階段.在此階段，MDF表面和淺層殘留的未反應(yīng)甲醛快速釋放，板表面滯止氣膜阻力以及氣膜與氣相主體間甲醛濃度差引起的擴(kuò)散阻力因氣候箱內(nèi)的風(fēng)扇作用均可忽略；（2）中期緩慢散發(fā)階段.MDF 表層的甲醛基本釋放后，其內(nèi)部甲醛分子在內(nèi)部和表層濃度差推動(dòng)下逐漸釋放出來(lái)，釋放速率主要取決于MDF 孔隙結(jié)構(gòu)；（3）長(zhǎng)期穩(wěn)定散發(fā)階段.此階段MDF 內(nèi)甲醛濃度梯度逐漸形成，但由于甲醛擴(kuò)散阻力隨路徑增加而不斷增大，MDF甲醛散發(fā)過(guò)程將持續(xù)低速進(jìn)行.

4 結(jié)論

（1）在氣候箱中，MDF 甲醛散發(fā)量會(huì)在短時(shí)間上升到峰值，然后逐漸衰退，最終趨于穩(wěn)定.

（2）MDF 四周端面是甲醛散發(fā)的主要通道.MDF四周端面甲醛初始散發(fā)量是其上、下表面甲醛初始散發(fā)量的1倍以上.此外，甲醛散發(fā)量隨MDF厚度增大而減小、隨氣候箱溫度和相對(duì)濕度升高而增大、隨氣候箱空氣交換率升高而降低.

（3）MDF 甲醛散發(fā)過(guò)程分為短期快速散發(fā)階段、中期緩慢散發(fā)階段和長(zhǎng)期穩(wěn)定散發(fā)階段.

［1］LEVENDIS D，PIZZI A，F(xiàn)ERG E.The correlation of strength and formaldehyde emission with the crystalline／amorphous structure of UF resins［J］.Holzforschung，1992，46（3）：263－269.

［2］PIZZI A.A molecular mechanics approach to the adhesion of urea－formaldehyde resins to cellulose（Part 2）：Amorphous vs.crystalline cellulose［J］.J Adhes Sci Technol，1990，4（1）：589－595.

［3］XIONG Y，KROGMANN U，MAINELIS G，et al.Indoor air quality in green buildings：A case－study in a residential highrise building in the northeastern United States［J］.J Environ Sci Heal A，2015，50（3）：225－242.

［4］TAO H，F(xiàn)AN Y，LI X，et al.Investigation of formaldehyde and VOC in underground malls in Xi'an，China：Concentrations，sources，and affecting factors［J］.Build Environ，2015，85：85－93.

［5］CHENG Y H，LIN C C，HSU S C.Comparison of conventional and green building materials in respect of VOC emissions and ozone impact on secondary carbonyl emissions［J］.Build Environ，2015，87：274－282.

［6］BARI M A，KINDZIERSKI W B，WHEELER A J，et al.Source apportionment of indoor and outdoor volatile organic compounds at homes in Edmonton，Canada［J］.Build Environ，2015，90：114－124.

［7］COMETTO－MU?IZ J E，ABRAHAM M H.Compilation and analysis of types and concentrations of airborne chemicals measured in various indoor and outdoor human environments［J］.Chemosphere，2015，127：70－86.

［8］KANCHONGKITTIPHON W，MENDELL M J，GAFFIN J M，et al.Indoor environmental exposures and exacerbation of asthma：An update to the 2000review by the institute of medicine［J］.Environ Health Persp，2015，123（1）：6－20.

［9］MESTL H E S，AUNAN K，SEIP H M.Health benefits from reducing indoor air pollution from household solid fuel use in China—Three abatement scenarios［J］.Environ Int，2007，33（6）：831－840.

［10］SU H J，CHAO C J，CHANG H Y，et al.The effects of evaporating essential oils on indoor air quality［J］.Atmos Environ，2007，41（6）：1230－1236.

［11］COZZANI V，GUBINELLI G，SALZANO E.Escalation thresholds in the assessment of domino accidental events［J］.J Hazard Mater，2006，129（1）：1－21.

［12］WIGLUSZ R，SITKO E，NIKEL G，et al.The effect of temperature on the emission of formaldehyde and volatile organic compounds（VOCs）from laminate flooring—Case study［J］.Build Environ，2002，37（1）：41－44.