木質材料甲醛和VOCs釋放控制技術研究進展

王敬賢

（遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧沈陽110032）

綜述評論

木質材料甲醛和VOCs釋放控制技術研究進展

王敬賢

（遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧沈陽110032）

文章概括了木質材料甲醛和VOCs的釋放來源，介紹了木質材料甲醛和VOCs釋放特性及其控制技術研究進展，探討了其在應用中存在的問題和未來發(fā)展方向，為提高木質產品環(huán)保性能、完善產品環(huán)保認證體系提供參考。

木質材料；甲醛；VOCs；控制技術

近年來，隨著因裝飾材料有害氣體超標而引發(fā)人體健康問題案例的增多和媒體的報道，室內空氣品質問題已經引起人們廣泛的關注。室內揮發(fā)性有機污染物會引起“建筑相關疾病”和“多種化學污染物過敏癥”，導致身體有不舒適感。若長期處于高濃度的游離甲醛、苯系物和其他揮發(fā)性有機污染物中，可以引發(fā)癌癥、白血病等疾病，甚至是死亡。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有超過2 000萬人口的死亡與室內空氣污染有直接關系。因此，掌握甲醛和VOCs的釋放來源、評價其影響因子、探索控制其釋放的技術方法，對提高木質材料環(huán)保性能和室內空氣品質具有重要意義。

1 木質材料甲醛和VOCs來源

揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compounds，簡寫VOCs）和甲醛是室內空氣中主要污染物，VOCs的量化指標總揮發(fā)性有機化合物和甲醛都已列入我國室內空氣污染物檢測項目中。世界衛(wèi)生組織將VOCs定義為室溫下飽和蒸汽壓超過133.322 Pa、沸點在50～260℃的揮發(fā)性有機化合物，因此，VOCs不包括甲醛。木質材料及其制品是室內揮發(fā)性有害氣體的主要來源，而木質材料中甲醛和VOCs的主要來源有以下幾方面：

①木材抽提物。木材的抽提物包括了樹脂酸、脂肪酸、醇類、萜烯類化合物和芳香類化合物等復雜成分，有些成分在常溫下就易揮發(fā)，如萜烯類化合物；有些成分則在高溫的作用下氧化降解而產生VOCs，如醛類化合物主要來源于樹脂酸的氧化降解。

②木材主要組成成分。纖維素、半纖維素和木質素在高溫或長時間加熱會發(fā)生熱降解，生成酸、醇、醛類等物質。例如，半纖維素脫乙?；饔每尚纬梢宜?。

③膠粘劑及改性劑。脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺甲醛樹脂等膠黏劑以及阻燃劑、防腐劑等化學改性劑本身就存在游離甲醛、游離酚或氨等，并在使用過程中逐漸向周圍環(huán)境釋放，最長釋放期可達十幾年。

④油漆涂飾。油漆的溶劑和成膜物質中含有大量的易揮發(fā)性有機化合物，在涂飾和使用過程中會釋放到空氣中。由于油漆種類和成分的不同，因此其釋放的VOCs成分復雜，主要是醇類、醚類、酯類和酮類等化合物，其中含有苯環(huán)的芳香類化合物對人體的危害作用遠大于甲醛。

2 木質材料甲醛和VOCs釋放研究進展

早在20世紀90年代，國外學者就測定了木材及人造板所釋放的VOCs的主要成分。對于鋸材和鋸屑來講，其主要成分就是萜烯類化合物、有機酸和醛類化合物。在鋸材中萜烯類化合物的釋放量占釋放總量的81%左右，醛類釋放量僅為1%，而在鋸屑中萜烯類化合物的釋放量僅占總量的20%～ 22%，醛類釋放量上升至總量的27%～32%。由此可見，萜烯類化合物是木材本身成分揮發(fā)釋放出來的，且在常溫下就極易揮發(fā)，木材經過加工處理后，這部分物質釋放量將顯著降低，而醛類化合物因高溫的作用而又大量形成。Baumann等[1]發(fā)現(xiàn)刨花板和中密度纖維板所釋放的VOCs主要是萜烯類和醛類化合物，還有少量醇類化合物和丙酮。其中，萜烯類化合物占VOCs釋放總量的7%～21%，主要是α-蒎烯、β-蒎烯、莰烯、3-蒈烯、檸檬烯、龍腦等；醛類化合物（不含甲醛）占VOCs釋放總量的40%～81%，主要是戊醛、己醛、庚醛、苯甲醛辛醛、壬醛等。此外，研究還發(fā)現(xiàn)人造板VOCs釋放量和單體種類與木材樹種密切相關。

國內關于VOCs的相關研究起步較晚，但近幾年對室內VOCs及建材所釋放的VOCs采樣方法、檢測手段、釋放物種類以及模型的建立等方面研究取得很大進步。沈雋團隊對人造板VOCs釋放檢測技術及釋放特性做了系統(tǒng)的研究，主要包括VOCs檢測方法、成分分析及評價方法，也對有害氣體釋放影響因子、釋放預測模型、人造板環(huán)保生產工藝方案、飾面方案等進行了系統(tǒng)的研究，并編寫了人造板揮發(fā)性有機污染物排放清單和室內裝飾用人造板揮發(fā)性有機化合物釋放限量標準，開發(fā)了室內空氣質量評價軟件和可控制背景濃度的小型環(huán)境艙。

3 木質材料甲醛和VOCs釋放控制技術

關于木質材料游離甲醛和VOCs釋放及控制技術的相關研究較多，其控制方法分為物理方法和化學方法。

3.1 物理控制方法

①吸附法：是最常用的物理控制方法。因其去除效率高、凈化徹底、工藝成熟、實用等優(yōu)點，常被用于室內吸附游離甲醛、提取樣品中的VOCs和壓制自清潔人造板。但吸附材料也有一些缺點，如對特定的污染物具有選擇性，處理設備龐大，需要定期更換或再生，尤其當廢氣中有膠粒物質或其它雜質時，吸附劑容易失效，易造成二次污染等，因而使其應用和研究受到限制。

②工藝參數(shù)控制：除了采用吸附劑與木材復合壓制自清潔人造板外，還可通過控制干燥工藝和人造板生產工藝參數(shù)以及貼面等手段從源頭控制揮發(fā)性有機物釋放。目前，大量的研究證實，樹種、含水率、干燥溫度和熱壓工藝都會影響木材以及人造板的有機揮發(fā)物的散發(fā)。Wang等[2]發(fā)現(xiàn)熱壓溫度、時間、膠種、樹種等工藝參數(shù)對VOCs釋放有不同程度的影響。Makowski和Ohlmeyer[3]認為延長熱壓時間可以降低萜烯的釋放量，但加速了揮發(fā)性醛類的形成；高熱壓溫度（260℃）會導致萜烯的釋放量減少，并且醛類的初始釋放量也較低；表面平滑的定向刨花板萜烯的釋放量較低。龍玲[4]研究了干燥過程中影響木材VOCs和甲醛釋放的影響因子，認為降低干燥溫度和提高木材終含水率，可以顯著減少醛類物質、甲醇和有機酸的排放量。邵明坤[5]認為：隨著熱壓溫度升高、熱壓時間延長、含水率降低，游離甲醛釋放量降低；劉玉[6]發(fā)現(xiàn)隨著熱壓溫度升高，刨花板所釋放出來的VOCs種類和釋放量都隨之增多。陳峰[7]研究發(fā)現(xiàn)：飾面方法影響游離甲醛和揮發(fā)性有機物的釋放，貼面處理能很好地降低污染物釋放量。

③環(huán)境因子控制：外部環(huán)境因素對游離甲醛和VOCs釋放也有顯著影響。Wolkoff[8]發(fā)現(xiàn)溫度和相對濕度的提高可以加快VOCs的釋放，但影響作用因單體種類而異。Martin認為溫度和相對濕度的增加可以提高VOCs和甲醛的釋放量，但因木材的吸濕特性會導致相對濕度超過90%后甲醛釋放量反而降低。大量研究表明：溫度對游離甲醛和VOCs釋放量影響最大，溫度升高，板材內部擴散系數(shù)也會隨著提高，游離甲醛和VOCs分子的活性也提高，釋放量增加；換氣率也會影響甲醛和VOCs釋放量，它是通過改變板材周圍甲醛和VOCs濃度，導致板材內外氣體濃度梯度發(fā)生變化，從而影響甲醛和VOCs釋放量；相對濕度越大，大量的水蒸汽會進入板材內部，使內部游離甲醛部分溢出，導致游離甲醛釋放量略微增加。因此，通過改變木質材料周圍環(huán)境，可以改變材料的VOCs和甲醛釋放速率。

3.2 化學控制方法

除了通過物理方式降低木制品游離甲醛和VOCs的釋放外，利用納米光敏材料催化降解有機物的研究和膠黏劑改性降低游離醛的研究備受關注。

①光催化技術：與其它污染物控制技術相比，其對污染物去除效率高、反應速率快、二次污染少、成本低廉，因此備受關注。納米二氧化鈦是幾種應用比較廣泛的光催化材料中的一種，因其低毒、性質穩(wěn)定、光催化活性高、價格低廉等優(yōu)點被廣泛用于污水治理、空氣凈化等領域。2005年，周曉燕[9]將納米TiO2與蒸餾水混合后噴施在刨花表面，制成具有自潔功能的刨花板。程大莉[10]通過真空加壓方法將竹炭/TiO2復合體浸漬到楊木單板中，單板干燥后涂膠組培熱壓成型制成自潔人造板，研究了影響界面膠合性能的因素，確定最佳工藝條件：熱壓壓力為1.2 MPa，浸漬壓力為1.6 MPa，涂膠量250 g·m-2。

②膠黏劑改性技術：膠黏劑是木質復合材料生產中必不可少的原料，同時更是游離甲醛和VOCs的主要來源。為了降低膠黏劑的游離甲醛含量，常采用低摩爾比配方、改進合成工藝、加入各種改性劑等方法。夏松華[11]等利用超聲波與納米TiO2改性脲醛膠，發(fā)現(xiàn)：其膠合強度、游離甲醛含量和板材游離甲醛釋放量都大幅度改善；通過13C-核磁共振對改性脲醛樹脂結構進行分析，發(fā)現(xiàn)生成新的結構穩(wěn)定的Uron-CH2-Uron，從而不易分解釋放出游離甲醛。林巧佳[12]等發(fā)現(xiàn)：經納米二氧化硅改性后的脲醛樹脂不僅可以提高膠合強度而且可以降低游離甲醛含量。

由于木質材料及其制品的工藝差異而導致?lián)]發(fā)性有機物控制方法不盡相同，因此需針對該產品的工藝特點采取適宜的方法來提高產品的環(huán)保性能。

4 結論

我國是人造板生產大國和消費大國，人造板的出現(xiàn)，緩解了我國木材市場供需矛盾，但同時也帶來了室內甲醛和VOCs等有害氣體超標的問題。隨著科技的發(fā)展和公眾對VOCs認知的提高，我國的木質材料及其制品的環(huán)保性能也有了顯著提高，同時，關于木質材料及其制品甲醛、VOCs測試方法和釋放限量的國家標準也在相繼制定中和頒布實施，使得我國木制品市場進一步規(guī)范化。雖然國內外學者對木質材料所釋放的甲醛和VOCs進行了深入而廣泛的研究，并取得了很多突破性進展，但也存在一些問題。首先，關于木質材料VOCs釋放的研究主要集中在檢測技術和影響因子等方面，對于VOCs產生的根源和機理研究不夠深入，導致不能從根源上徹底解決產品存在環(huán)保問題。其次，有效、操作性強的甲醛和VOCs釋放控制技術有待開發(fā)，現(xiàn)有技術從某種程度上可以降低有害氣體釋放量，但是一般降低效率有限、工廠實際生產操作性不強，不能滿足實際需求。最后，相對于國外，我國甲醛和VOCs相關標準較少。國外對木質材料甲醛和VOCs的采集方法、測試方法、釋放限量、環(huán)保標志形成了體系完善的技術標準和質量認定體系，例如德國的AgBB/DIBt、法國的Afsset、美國的綠色衛(wèi)士認證和BIFMA系列工業(yè)標準、日本的JIS A 1901和JIS A 1911標準、ISO16000系類標準等。我國近幾年也在制定和出臺了相關標準，如GB/T 18580《室內裝飾裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量》和GB/T 29899-2013《人造板及其制品中揮發(fā)性有機化合物釋放量試驗方法——小型釋放艙法》已頒布實施，但關于人造板及其制品的VOCs釋放限量標準及產品認證體系一直未出臺。

綜上所述，雖然我國對木質材料有害氣體釋放的研究起步較晚，但發(fā)展很快，特別是在檢測方法、釋放特性、影響因子、預測模型等方面。然而木質材料甲醛和VOCs釋放控制技術、釋放機理需要更進一步的探索與研究，才能為提高木質材料及其制品的環(huán)保性能和完善木材行業(yè)環(huán)保認定體系提供科學支撐。

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(責任編輯：董莉莉)

TS653

A

1001-1714（2017）03-0044-04

2017-03-10

遼寧省博士啟動基金（201501114）。

王敬賢（1985-），女，工程師，主要從事木制品環(huán)保技術研究。E-mail：wangjingxian_1985@163.com。