微波激勵真空抽取法脫除板材中甲醛的研究

劉 軍, 喬鈺婷, 簡明星, 李至陽, 趙佳月, 韓瑾兮

(沈陽大學(xué) 師范學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

?

劉 軍, 喬鈺婷, 簡明星, 李至陽, 趙佳月, 韓瑾兮

(沈陽大學(xué) 師范學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

通過理論分析和計算,確定了微波在真空抽取法脫除板材中甲醛的有效激勵作用;借助自制的微波激勵-真空抽取實驗儀,并結(jié)合穿孔萃取法檢測的板材中剩余甲醛含量數(shù)據(jù),研究了微波作用時間、真空抽取時間和真空倉極限壓力三個因素對脫除板材中甲醛效果的影響,給出了優(yōu)化的微波激勵-真空抽取法脫除家裝板材中甲醛的工藝條件.

家裝板材; 甲醛; 微波激勵; 真空抽取; 優(yōu)化工藝

由于人們對室內(nèi)裝飾的實用和美觀需求,板材在裝修、家具制造中被大量使用.利用零碎木質(zhì)原料制造的人造復(fù)合板材(簡稱板材),不僅能減少樹木砍伐、保護生態(tài)環(huán)境,而且在防變形、防開裂、防水、防腐、裝飾性好及價格低等方面,明顯優(yōu)于實木材料.這些板材多是由木屑、木質(zhì)顆粒、木纖維或薄板與化學(xué)粘合劑復(fù)合而成.現(xiàn)在市場上使用的木質(zhì)材料粘合劑的種類,主要有脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺-甲醛樹脂粘合劑,其中脲醛樹脂粘合劑使用更普遍.通常,甲醛是制備粘合劑的反應(yīng)物,同時也是反應(yīng)溶劑[1],所以,無論哪一種粘合劑使用后都有多余的游離甲醛殘留在板材中.游離甲醛在板材使用過程中逐漸揮發(fā),威脅人們健康.因此,脫除板材中剩余甲醛,成為使用板材的焦點問題[2].

在板材使用前,將其中的甲醛等有害揮發(fā)物質(zhì)脫除掉,是減少板材在使用中有害物質(zhì)釋放的有效方法.板材脫除板材中甲醛的工藝研究是從多年前就已開始,產(chǎn)生了多種化學(xué)和物理方法[3-6],到目前為止,還沒有公認的有效工藝.真空抽取工藝是在低壓條件下,使物料中的一些成分揮發(fā)并被抽走,達到干燥、脫毒、去味等目的.將真空抽取工藝應(yīng)用于板材脫除甲醛的研究和實際生產(chǎn)中應(yīng)用,已有公開報道[7-8],但效果有限,應(yīng)用并未得到推廣.

1 微波激勵工藝

1.1 激勵工藝的選擇

欲將板材中殘留的甲醛脫除,須使甲醛分子從板材中遷移至板材的邊界,然后脫離板材表面揮發(fā)掉.真空抽取應(yīng)該是促使甲醛分子遷移的有效動力,但其效果不盡如人意.分析其中原因,應(yīng)該是甲醛分子在板材中與木質(zhì)纖維、與粘合劑的其他成分存在化學(xué)吸附(包括氫鍵).吸附狀態(tài)的甲醛分子需要有足夠的能量脫附,才能在真空壓力場的作用下遷移脫除.有研究者提出將真空抽取與加熱工藝結(jié)合,來處理板材,提高板材中甲醛脫除的效果[7].這實際上就是要通過加熱,給甲醛分子提供能量,促使其脫附.但加熱脫附工藝中,能量傳遞遠不如微波工藝更快、更有效.

考慮到在微波場作用下,極性分子可以發(fā)生偏轉(zhuǎn),而甲醛的介電常數(shù)雖然不像水分子那樣高,但作為典型的極性分子,甲醛分子完全可以在微波場中通過翻轉(zhuǎn)作用實現(xiàn)脫附.而且,分子翻轉(zhuǎn)作用的角動量更容易破壞化學(xué)吸附作用力.所以可以將微波激勵工藝與真空抽取工藝相結(jié)合,以提高脫除甲醛的效果.

1.2 微波激勵的理論分析

粘合劑在裝飾用板材中,游離甲醛分子會吸附在粘合劑或者木質(zhì)的微小空隙腔內(nèi)表面,有物理吸附也有化學(xué)吸附,其中化學(xué)吸附是導(dǎo)致甲醛在常規(guī)的壓力場、溫度場作用下難以快速脫附的關(guān)鍵因素.甲醛分子在上述空隙腔內(nèi)表面的吸附作用力不僅有分子間范氏力還有氫鍵.

其中的氫原子連接在電負性不大的碳原子上,所以甲醛分子中的氫原子不易形成氫鍵,甲醛分子因而不能形成分子內(nèi)氫鍵.但甲醛分子中的氧原子有孤對電子,在遇到裸氫原子時就可以與之形成分子間氫鍵.當氫原子在分子中與電負性較強的原子,如F、O、N等相連時,由于氫原子核外電子云偏向電負性強的原子,這樣的氫原子就成了裸氫原子.目前市場上常用的板材粘合劑脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)都有這樣的裸氫原子.因此,裝飾板材中游離甲醛分子除了會以分子間力吸附外,還會以氫鍵吸附于粘合劑空隙腔的內(nèi)表面上.

圖1 常用粘合劑的分子結(jié)構(gòu)式

氫鍵作用力的能量要比普通范氏力大10～100倍. 所以要脫除板材中游離甲醛, 不僅要克服分子間的范氏力, 更重要的是要克服氫鍵作用力.

范氏力的能量EF一般在0.4～4 kJ/mol,氫鍵的鍵能EH一般在4～40 kJ/mol[9],一個氫鍵的鍵能εH為

式中,NA為阿佛加德羅常數(shù),NA=6.022×1023[8],則最大值εH=6.642 3×10-20J.

為了破壞氫鍵,需要找到與之相匹配的能量,依照量子力學(xué)理論,設(shè)這個相匹配的能量的頻率為νH,則:

經(jīng)過聯(lián)合藥物治療后,觀察組患者的舒張壓及收縮壓為(70.04±5.33)mm Hg、(89.62±8.47)mm Hg,對照組患者的舒張壓及收縮壓為(102.25±8.14)mm Hg(140.52±10.09)mm Hg,兩組差異明顯,具有統(tǒng)計學(xué)意義,P<0.05,見表1。

式中,h為普朗克常數(shù),h=6.626 2×10-34J/s[8],則νH≈1×1014/s,對應(yīng)的波長

式中,c0為真空中的光速,c0=3×108m/s,則最小λH=3×10-6m.也就是說,與氫鍵能量相匹配的光波波長應(yīng)該在3×10-6m以上.這個波長在紅外和微波波段.為了使能量能夠有效地送達到板材內(nèi)部,應(yīng)該選用穿透力更強的微波作為破壞甲醛氫鍵,從而激勵甲醛遷移脫除的激勵手段.

1.3 微波激勵工藝的實驗驗證

為了驗證微波激勵工藝在脫除板材中甲醛的應(yīng)用效果,本文對一種市售復(fù)合板材(切割成120 mm×10 mm的板材塊,尺寸的確定主要考慮到與后續(xù)的微波-真空實驗裝置的加工倉尺寸匹配)進行了三組真空抽取脫除甲醛對比實驗,并對真空抽取處理后的板材塊中剩余甲醛的含量進行了標定.實驗工藝參數(shù)和三組板塊中平均甲醛檢測量見表1.

表1 對比實驗工藝參數(shù)及結(jié)果

從表1中的實驗結(jié)果看,在相同的真空抽取工藝條件下,采用微波激勵輔助手段處理的板材塊中平均剩余甲醛檢測量明顯低.這說明微波激勵手段明顯有助于增強真空抽取脫除甲醛的效果.

2 微波激勵-真空抽取脫除板材中甲醛工藝的實驗研究

2.1 研究方法

為使研究更具有科學(xué)性,購買同一生產(chǎn)廠家、同一批次的復(fù)合板作為實驗研究用板材,開展微波激勵-真空抽取脫除甲醛工藝的實驗研究.實驗用板材被分割成相同尺寸(120 mm×10 mm)的板材塊,封裝保存?zhèn)溆?為保證所用材料具有相同的原始性質(zhì),對板材進行了光學(xué)顯微鏡觀察(觀察得到的照片見圖2),觀察到板材中的粘合劑分布在宏觀尺度上是各項同性的,各個板材塊中粘合劑分布差異不會影響后續(xù)實驗結(jié)果.

圖2 板材光學(xué)顯微鏡照片

購買了市售美的微波爐,微波頻率為2 450 MHe,將其微波發(fā)射源拆出引入真空干燥實驗儀中,自制成微波激勵-真空抽取實驗儀,其內(nèi)部容積為350 mm×280 mm×250 mm.將上述板材塊分別按照一定工藝在自制的實驗儀中進行微波激勵-真空抽取處理.經(jīng)處理后的板材中剩余甲醛的檢測采用目前常用的穿孔法,即在穿孔萃取儀中,用沸騰的甲苯萃取板材試樣中的甲醛(液-固萃取), 溶有甲醛的甲苯再通過穿孔器與水進行液-液萃取,使甲醛溶于蒸餾水中,再采用分光光度法進行定量分析.

2.2 實驗設(shè)計及實驗結(jié)果

在微波激勵-真空抽取脫除板材中甲醛的實驗中,影響甲醛脫除效果的因素主要有微波作用頻率、微波作用時間、真空倉壓力和真空抽取時間.由于本文所使用的微波發(fā)射源是市場上常見且價格便宜的,也是最可能用于板材處理工業(yè)化的微波源,其頻率固定為2 450 MHz.所以本文重點研究的是后三個因素對甲醛脫除效果的影響.為了優(yōu)化微波激勵-真空抽取脫除板材中甲醛的工藝,本文設(shè)計并實施了3因素3水平正交實驗,實驗設(shè)計表及實驗結(jié)果見表2.

表2 板材微波激勵-真空抽取脫除甲醛正交實驗結(jié)果

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析及最優(yōu)工藝確定

分析表2中的實驗數(shù)據(jù)可知,在微波激勵-真空抽取脫除板材中甲醛的實驗中,影響去除甲醛效果的因素主次順序依次為:真空倉壓力、真空作用時間和微波作用時間.從實驗結(jié)果上看,微波作用時間對去除板材中甲醛的影響最小,這說明微波激勵的效果比較明顯,微波在板材中的傳遞可瞬時到達,甲醛分子的脫附不需要長時間的微波作用即可完成脫附.真空倉壓力對板材脫除甲醛的效果影響最大,這說明脫附后的甲醛分子,其遷移仍需外界動力作用.在真空場的作用下,脫附后的甲醛分子遷移效果是明顯的,真空倉的極限壓力越小,遷移的動力越大,脫除甲醛的效果越好.從實驗數(shù)據(jù)上看,第3組和第5組實驗脫除甲醛的效果最好,而且這兩組實驗數(shù)據(jù)很接近.考慮到實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量縮短加工時間減少能耗,所以脫除甲醛的最優(yōu)工藝條件應(yīng)該為:微波作用時間150 s、 真空抽取時間15 min、 真空倉極限壓力100 Pa.如果真空倉極限壓力進一步縮小,可能脫除甲醛的效果會更好或者所需加工時間更短,但真空倉極限壓力小,對設(shè)備指標要求高,而且有些板材自身強度可能不足以承受太大的真空度,所以從實際生產(chǎn)角度考慮,選擇100 Pa的極限壓力.另外,甲醛分子在微波的作用下脫附后,在真空場的作用下會發(fā)生遷移,若未遷移脫出板材塊以外,還會再次發(fā)生吸附.所以,微波作用應(yīng)該是間斷的、重復(fù)的.在實際生產(chǎn)中可以以上述工藝條件為一個加工周期,連續(xù)進行若干個加工周期,具體加工周期數(shù)主要與板材的尺寸、板材種類(主要是板材中的粘合劑種類和用量)以及板材使用中對其中甲醛含量的要求等因素有關(guān).對于本文實驗中所使用的板材塊,按照上述工藝條件,連續(xù)加工10個周期后,用穿孔法檢測甲醛含量為8.5 mg/100 g,足可以滿足室內(nèi)裝飾裝修用人造板材使用標準[10]要求.

3 結(jié) 論

市售家裝板材中殘余甲醛,在板材中以游離態(tài)吸附在粘合劑或者木質(zhì)的微小空隙腔內(nèi)表面,吸附作用力較大的是氫鍵.由于氫鍵的存在,普通真空場作用不足以使板材中的甲醛有效脫除.計算表明,與氫鍵相匹配的能量波長在紅外和微波波段,為使能量能夠有效傳遞,實際工藝中可采用微波激勵促使板材中的甲醛分子脫附.在自制的微波激勵-真空抽取實驗儀對市售一種板材進行處理,經(jīng)過3因素3水平正交實驗,得到了對于本文采用的板材而言的脫除甲醛單個加工周期最優(yōu)工藝:微波作用時間150 s、 真空抽取時間15 min、 真空倉極限壓力100 Pa.

[ 1 ] 張琳,周文富. 間甲酚/木質(zhì)素改性酚醛樹脂竹膠板膠黏劑的研究[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014,26(1):24-29.

(ZHANG L, ZHOU W F. Synthesis and properties of M-cresol/lignin-modified phenolic resin bamboo plywood adhesives system[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2014,26(1):24-29.)

[ 2 ] 高玉杰. 室內(nèi)空氣污染的來源及對策[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報, 2003,15(4):107-109.

(GAO Y J. The proposals and measures against lndoor air pollution based on the analysis of the sources[J]. Journal of Shenyang University, 2003,15(4):107-109.)

[ 3 ] 繆勁松,徐紅麗,歐陽吉庭,等. 利用低溫等離子體技術(shù)脫除甲醛的研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2005(1):190-200.

(MIAO J S, XU H L, OUYANG J T, et al. Removal of formaldehyde using non-thermal plasmas technology[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2005(1):190-200.)

[ 4 ] 劉會雪,劉有智,孟曉麗,等. 旋轉(zhuǎn)填料床吹脫脲醛樹脂中游離甲醛的氣提氣體的研究[J]. 化學(xué)與粘合, 2008,30(1):71-73.

(LIU H X, LIU Y Z, MENG X L, et al. Research on lift gas in stripping free formaldehyde urea-formaldehyde resin in rotating packed bed[J]. Chemistry and Adhesion, 2008,30(1):71-73.)

[ 5 ] 解林坤,鄧啟平. 氧氣低溫等離子體不同處理功率脫除MDF板中游離甲醛研究[J]. 林業(yè)機械與木工設(shè)備, 2010,38(3):35-37.

(XIE L K, DENG Q P. Study on removing formaldehyde from medium density fiberboards under the conditions of varying power treatment with O2low temperature plasma[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2010,38(3):35-37.)

[ 6 ] 池東,李立清,劉崢. 人造板材甲醛釋放參數(shù)及溫度的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015(2):379-389.

(CHI D, LI L Q, LIU Z. Formaldehyde emission parameters of wood-based panels and influence of temperature[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2015(2):379-389.)

[ 7 ] 盧振江. 一種利用加熱、抽真空法祛除人造板材、家具中的甲醛等有害氣體的方法: CN200710055060.3[P]. 2009-03-04.

(LU Z J. Method for removing of harmful gases such as formaldehyde from artificial plate and furniture by heat-pumping: CN200710055060.3[P]. 2009-03-04.)

[ 8 ] 陳銘奎. 真空氨氣處理法降低MDF甲醛釋放量的研究[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2004,18(6):36-39.

(CHEN M K. Study on reduction of MDF formaldehyde emission by vacuum ammonia treatment[J]. China Forestry Science and Technology, 2004,18(6):36-39.)

[ 9 ] 周公度. 化學(xué)詞典[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004:1,535,552.

(ZHOU G D. Chemistry Dictionary[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004:1,535,552.)

[10] 中華人民共和國建設(shè)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 室內(nèi)裝飾裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量[S]. 北京:中國標準出版社, 2002.

(People’s Republic of China Ministry of Construction and the State Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine. Indoor decorating and refurbishing materials-limit of formaldehyde emission of wood-based panels and finishing products: GB 18580—2001[S]. Beijing: China Standard Press, 2002.)Removal of Formaldehyde from Home Improvement Board by Microwave Discharge- Vacuum Extraction Method

【責任編輯: 李 艷】

Liu Jun, Qiao Yuting, Jian Mingxing, Li Zhiyang, Zhao Jiayue, Han Jinxi

(NormalSchool,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)

Theexcitationfunctionofmicrowavefortheformaldehydedesorptionisconfirmedbymeansofanalysisandcalculation.Effectsofmicrowavedurationtime,vacuumextractiontimeandtheultimatepressureofthevacuumchamberonremovingformaldehydeareinvestigatedbyusingaself-mademicrowave-pumpingexperimentinstrumentandtheperforationextractionapparatus.Theoptimizationprocessparametersoftheremovalofformaldehydefromhomeimprovementboardbymicrowave-pumpingaregiven.

homeimprovementboard;formaldehyde;microwavedischarge;vacuumextraction;optimizationprocess

2016-06-01

沈陽大學(xué)2015年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201511035048); 沈陽大學(xué)博士啟動資金資助項目(1120210383).

劉 軍(1963-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)教授,博士.

2095-5456(2016)05-0357-05

TB 79

A