環(huán)境條件對(duì)DL-SW微艙檢測(cè)人造板VOCs釋放的影響1)

曹田雨 沈雋 劉婉君 邵亞麗

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040) (深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院) (東北林業(yè)大學(xué))

近年來(lái)，人造板的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，室內(nèi)建筑裝飾的污染問題也隨之而來(lái)。但是人造板所用的膠黏劑會(huì)釋放甲醛、萜烯類、苯系物等污染物[1]，人造板所釋放這些揮發(fā)性有機(jī)化合物會(huì)影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，還會(huì)對(duì)人體健康造成影響，引發(fā)咳嗽、頭痛、難以集中注意力等癥狀，超過限制濃度時(shí)還會(huì)引起惡心、嘔吐、乏力等癥狀[2-4]。鄧富介[5]等通過用異氰酸酯改性探究木材TVOC釋放的規(guī)律，還有學(xué)者研發(fā)了新型空氣質(zhì)量?jī)艋?，旨在更加方便有效地?yōu)化空氣質(zhì)量[6]。

人造板VOCs檢測(cè)方法有多種，其中氣候箱法在國(guó)內(nèi)運(yùn)用廣泛[7]，但DL-SW微艙可以快速檢測(cè)板材試件VOCs，大大縮短了實(shí)驗(yàn)周期，檢測(cè)效率較高，還可以大范圍調(diào)整控制實(shí)驗(yàn)過程中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬試件不同的實(shí)際使用環(huán)境，與傳統(tǒng)環(huán)境艙的區(qū)別只是容積不同。但是Athanasios[8]使用4種不同容積的氣候箱研究地毯釋放揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的特性時(shí)發(fā)現(xiàn)氣候箱的體積對(duì)TVOC的釋放速率影響不大。王啟繁[9]利用國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)微艙對(duì)高密度纖維板、刨花板、膠合板釋放的VOCs進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)得的VOCs釋放水平與傳統(tǒng)環(huán)境艙法基本一致。

外界環(huán)境條件一直以來(lái)是影響人造板揮發(fā)性有機(jī)化合物釋放的關(guān)鍵因素之一，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)各類VOCs的釋放受溫度和相對(duì)濕度的影響程度不盡相同[10]，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的升高會(huì)造成環(huán)境艙內(nèi)污染物的濃度增大，達(dá)到平衡的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短[11-12]。王敬賢[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，板材TVOC的釋放量呈非線性增大的趨勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所采用的3種人造板材均由工廠當(dāng)天生產(chǎn)，膠合板產(chǎn)地為浙江某地，采用的膠黏劑為酚醛膠黏劑；中密度纖維板產(chǎn)地為廣東某地，采用的膠黏劑為MDI膠；刨花板產(chǎn)地是黑龍江某地，膠黏劑為脲醛樹脂膠黏劑。試驗(yàn)板材的其他具體參數(shù)如表1。板材的初始幅面尺寸為1 220 mm×2 440 mm，經(jīng)過裁板制成半徑為30 mm的圓形適用于DL-SW微艙檢測(cè)，采用鋁制膠帶封住邊部，防止揮發(fā)性有機(jī)化合物從板材邊部逸出釋放，并存放于冰柜中密封冷藏。

表1 實(shí)驗(yàn)板材基本參數(shù)

DL-SW微艙：原理圖如圖1所示，此試驗(yàn)微艙由東北林業(yè)大學(xué)與東莞升微有限公司聯(lián)合研發(fā)，微艙由6個(gè)試驗(yàn)微池組成，實(shí)物圖如圖2所示，可以同時(shí)檢測(cè)6個(gè)樣品，檢測(cè)效率高，并且艙體的本底質(zhì)量濃度≤20 μg·m-3[14]，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響小。微艙設(shè)有加熱裝置與加濕裝置，并且每個(gè)微池前都設(shè)置有流量計(jì)，可以調(diào)整試驗(yàn)所需的溫度與相對(duì)濕度，氣體交換率等多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并且調(diào)整范圍廣，相對(duì)濕度可以高達(dá)90%，溫度可以高至250 ℃，可以模擬實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖1 DL-SW微艙結(jié)構(gòu)原理圖

Tenax-TA吸附管：試驗(yàn)所用的采樣管是由英國(guó)MARKES公司生產(chǎn)的Tenax管，外徑6.4 mm，長(zhǎng)度89 mm，在兩端配有銅制螺帽以防氣體樣品逸出或被污染。

IAQ-Pro型恒流空氣采樣泵：由美國(guó)Gilian公司生產(chǎn)，可以設(shè)置空氣流量范圍100～600 mL/min，有定時(shí)功能使采樣體積更精確。

DSQ Ⅱ氣相質(zhì)譜色譜聯(lián)用儀(GC-MS)：如圖3所示，由德國(guó)Thermo公司生產(chǎn)，氣相色譜以高純氦氣為載氣，氣體分流比30∶1。質(zhì)譜采用EI電離，離子源溫度230 ℃，質(zhì)量掃描范圍50～650，傳輸線溫度270 ℃，用以分析揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量與種類。

圖2 DL-SW微艙

圖3 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)前將試件解凍恢復(fù)至室溫，將膠合板、中密度纖維板和刨花板3種板材試件分別置于微艙中，每個(gè)微池體積為1.16×10-4m3，板材試件采用雙面釋放，暴露面積為5.652×10-3m2，因此裝載率為48.72 m2/m3。實(shí)驗(yàn)的溫度條件分別是40、60和80 ℃；相對(duì)濕度條件分別是40%、60%；氣體交換率與復(fù)合因子之比分別是0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1。試驗(yàn)過程中通入純度為99.99%的氮?dú)?，每天循環(huán)8 h，具體的實(shí)驗(yàn)條件如下表2。循環(huán)結(jié)束用Tenax-TA吸附管和IAQ-Pro型空氣采樣泵采集2 L氣體，氣體樣本經(jīng)熱脫附后利用GC-MS分析VOCs的含量。篩選匹配度大于750，并且碳原子數(shù)在6～16之間含有C、H、O元素的化合物，以氘代甲苯標(biāo)準(zhǔn)溶液為內(nèi)標(biāo)物來(lái)計(jì)算VOCs的質(zhì)量濃度，試驗(yàn)3次以取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)人造板VOCs釋放的影響

溫度是外界環(huán)境因素中的重要部分，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置40、60、80 ℃ 3個(gè)溫度梯度，在固定相對(duì)濕度、氣體交換率與負(fù)荷因子之比條件時(shí)比較溫度對(duì)3種人造板VOCs釋放的影響，如表2至表4所示?？梢钥闯?，3種人造板材受溫度的影響變化趨勢(shì)是一致的，即隨著溫度的上升，板材釋放的TVOC的質(zhì)量濃度值都隨之增大，其中膠合板的VOCs質(zhì)量濃度增長(zhǎng)幅度最大。以膠合板為例，在相對(duì)濕度40%、氣體交換率與負(fù)荷因子之比為0.2 m3·m-2·h-1條件下，溫度由40 ℃上升至60 ℃時(shí)，VOCs質(zhì)量濃度增長(zhǎng)了133.96%；溫度升高至80 ℃時(shí)，VOCs質(zhì)量濃度增長(zhǎng)幅度為189.44%，總的漲幅是577.19%。如表4所示，中密度纖維板VOCs質(zhì)量濃度要比膠合板和刨花板小很多，受溫度影響變化趨勢(shì)也相對(duì)較小?？梢钥闯?，溫度由40 ℃升至60 ℃，中密度纖維板VOCs質(zhì)量濃度變化幅度較小，而溫度變化至80 ℃時(shí)變化較大。以相對(duì)濕度40%，氣體交換率與負(fù)荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1為例，兩階段的增長(zhǎng)率分別為0.96%和64.39%，總的增長(zhǎng)幅度為65.97%。刨花板與膠合板相似，但VOCs質(zhì)量濃度比膠合板稍小，6種實(shí)驗(yàn)條件下的VOCs釋放速率總增長(zhǎng)幅度也比膠合板小。

表2 溫度對(duì)膠合板VOCs釋放的影響

表3 溫度對(duì)中密度纖維板VOCs釋放的影響

表4 溫度對(duì)刨花板VOCs釋放的影響

溫度升高造成了VOCs混合蒸氣壓的升高，一方面提高了VOCs在板材內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，另一方面也提高了氣體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，因此人造板的VOCs釋放速率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。溫度由40 ℃上升至60 ℃、80 ℃時(shí)，氣體分子的動(dòng)能隨溫度的上升而不斷增大，進(jìn)一步提高了VOCs在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。雖然3種人造板釋放的VOCs質(zhì)量濃度都隨溫度升高而增大，但是受影響的程度不同，3種板材所含的物質(zhì)種類與含量不同，所以溫度所造成的影響也不一樣。

2.2 相對(duì)濕度對(duì)人造板VOCs釋放的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了40%和60%兩種相對(duì)濕度，在固定溫度與氣體交換率與負(fù)荷因子之比的條件下對(duì)每種板材進(jìn)行了9組實(shí)驗(yàn)，相對(duì)濕度對(duì)人造板VOCs釋放的影響如表5—表7所示。通過對(duì)比可知，相對(duì)濕度對(duì)于板材VOCs釋放量的影響程度不如溫度的影響明顯，但總體上也是隨著環(huán)境相對(duì)濕度的升高，板材VOCs的質(zhì)量濃度也隨之增加。膠合板是3種板材中趨勢(shì)最明顯的一個(gè)，并且在溫度較低時(shí)VOCs質(zhì)量濃度上升的幅度最大。在溫度為40 ℃時(shí)，在3種氣體交換率與負(fù)荷因子之比條件下，隨著相對(duì)濕度的增大膠合板VOCs的質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率分別為72.43%、145.64%、102.40%，平均增長(zhǎng)幅度106.82%；溫度是60 ℃時(shí)，增長(zhǎng)幅度分別為26%、12.24%、5.72%，平均14.65%；溫度為80 ℃時(shí)，增長(zhǎng)幅度分別為20.92%、0.69%、3.03%，平均增長(zhǎng)幅度8.21%。所以隨著溫度的升高，膠合板釋放VOCs的質(zhì)量濃度受相對(duì)濕度的影響逐漸減小，這說(shuō)明外界因素對(duì)于人造板VOCs釋放的影響不是單一的，而是相互影響的。而刨花板受到相對(duì)濕度的影響介于膠合板與中密度纖維板之間，且刨花板與膠合板有著相似的規(guī)律。在低溫并且氣體交換率與負(fù)荷因子之比較低時(shí)，中密度纖維板VOCs的質(zhì)量濃度在相對(duì)濕度是40%和60%時(shí)幾乎持平，溫度40 ℃、氣體交換率與負(fù)荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1時(shí)的增長(zhǎng)率只有0.84%。

表5 相對(duì)濕度對(duì)膠合板VOCs釋放的影響

表6 相對(duì)濕度對(duì)中密度纖維板VOCs釋放的影響

表7 相對(duì)濕度對(duì)刨花板VOCs釋放的影響

相對(duì)濕度的改變，會(huì)改變板材內(nèi)部水分子的擴(kuò)散系數(shù)，與此同時(shí)板材內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生吸濕膨脹，VOCs的蒸汽壓力也會(huì)因相對(duì)濕度的改變而改變。通過實(shí)驗(yàn)可知，相對(duì)濕度的升高，對(duì)水分子的擴(kuò)散以及VOCs的釋放有促進(jìn)作用。同樣，因?yàn)?種人造板結(jié)構(gòu)孔隙度不同以及VOCs種類不同而受環(huán)境相對(duì)濕度的影響各不相同。

2.3 氣體交換率與負(fù)荷因子之比對(duì)人造板VOCs釋放的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3種氣體交換率與負(fù)荷因子之比，分別是0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1，在不同的溫度與相對(duì)濕度條件下每種板材各形成了6組對(duì)比，隨著氣體交換率與負(fù)荷因子之比的升高3種板材VOCs質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)如表8—表10所示。可知，3種板材VOCs的質(zhì)量濃度都隨氣體交換率與負(fù)荷因子之比的增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)膠合板而言，溫度的升高使得板材VOCs的釋放受到氣體交換率與負(fù)荷因子之比的影響逐漸變小，當(dāng)相對(duì)濕度為40%、溫度由低到高分別為40、60、80 ℃時(shí)膠合板VOCs質(zhì)量濃度下降幅度分別為56.61%、39.10%和38.14%。這也同樣說(shuō)明了外界因素對(duì)于人造板揮發(fā)性有機(jī)化合物的影響是多元化的、相互影響的。刨花板VOCs質(zhì)量濃度的變化也體現(xiàn)了與膠合板同樣的變化趨勢(shì)，但中密度纖維板未體現(xiàn)相同的規(guī)律。增大氣體交換率與負(fù)荷因子之比，艙體內(nèi)的VOCs濃度梯度發(fā)生改變，從而對(duì)板材釋放VOCs起到抑制作用。

表8 氣體交換率與負(fù)荷因子之比對(duì)膠合板VOCs釋放的影響

表9氣體交換率與負(fù)荷因子之比對(duì)中密度纖維板VOCs釋放的影響

氣體交換率與復(fù)合因子之比/m3·m-2·h-1溫度/℃VOCs的質(zhì)量濃度/μg·m-3相對(duì)濕度40%相對(duì)濕度60%0.2401193.411203.39601204.861246.49801980.692275.090.540889.29914.7960935.24970.56801509.831809.631.040495.46830.5760844.79878.16801297.881379.11

表10氣體交換率與負(fù)荷因子之比對(duì)刨花板VOCs釋放的影響

氣體交換率與復(fù)合因子之比/m3·m-2·h-1溫度/℃VOCs的質(zhì)量濃度/μg·m-3相對(duì)濕度40%相對(duì)濕度60%0.2406675.716819.02607485.698366.418021264.8721960.590.5402193.774074.31605841.367658.008015702.4518350.841.0401577.632968.18604022.634892.648013953.4114347.91

2.4 3種板材綜合分析

環(huán)境溫度升高時(shí)，相同的相對(duì)濕度與氣體交換率與負(fù)荷因子之比條件下，總是膠合板VOCs釋放量增長(zhǎng)幅度最大。以相對(duì)濕度為40%、氣體交換率與負(fù)荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1為例，溫度從40 ℃上升到60 ℃時(shí)，膠合板VOCs質(zhì)量濃度增大了133.96%，刨花板VOCs質(zhì)量濃度增大了12.13%，而中密度纖維板的VOCs質(zhì)量濃度只增加了0.96%；溫度由60 ℃上升到80 ℃時(shí)，膠合板VOCs質(zhì)量濃度增大了189.44%，刨花板184.07%，中密度纖維板只有64.39%。溫度的變化對(duì)于3種板材的VOCs釋放量影響程度由大到小依次是膠合板、刨花板、中密度纖維板。

相對(duì)濕度增大時(shí)，3種板材VOCs的釋放量都有不同幅度的增加。溫度為40 ℃、氣體交換率與負(fù)荷因子之比分別為0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1時(shí)，膠合板VOCs質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率分別為72.43%、145.64%和102.40%，中密度纖維板VOCs質(zhì)量濃度的增長(zhǎng)率分別為0.84%、2.87%和67.64%，刨花板VOCs質(zhì)量濃度分別增長(zhǎng)了2.15%、85.72%、88.14%?？梢姕囟葹?0 ℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)3種板材VOCs釋放量的影響從大到小是膠合板、刨花板、中密度纖維板。而溫度60 ℃，相對(duì)濕度對(duì)3種板材影響程度由大到小是刨花板、膠合板、中密度纖維板。而當(dāng)溫度上升至80 ℃時(shí)，同樣的3種氣體交換率與負(fù)荷因子之比條件下，相對(duì)濕度對(duì)于3種板材VOCs釋放的影響程度是中密度纖維板、膠合板、刨花板。3個(gè)溫度梯度時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)于3種板材的影響大小各不相同，也說(shuō)明了外界環(huán)境條件之間是相互影響的。

氣體交換律與負(fù)荷因子之比增大時(shí)，3種板材所釋放的VOCs的質(zhì)量濃度都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)有大有小。溫度較低時(shí)，氣體交換率與負(fù)荷因子之比的改變對(duì)刨花板的影響程度較大，膠合板次之，中密度纖維板受影響最小。溫度較高時(shí)，膠合板受到氣體交換率與負(fù)荷因子之比的影響較大，中密度纖維板次之，刨花板最下。

綜合3種板材來(lái)看，膠合板VOCs的釋放受到溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率與負(fù)荷因子之比的影響最大，刨花板次之，中密度纖維板受到的影響最小。

不同種類的板材受到外界環(huán)境條件的影響狀況不同，是由不同種類板材的結(jié)構(gòu)、所含的有機(jī)物的成分以及含量造成的。與此同時(shí)，不同種類人造板的工藝參數(shù)條件各不相同，也是受影響不同的原因之一。在結(jié)構(gòu)上，膠合板的構(gòu)成單元為木質(zhì)單板，而刨花板構(gòu)成單元為木刨花，中密度纖維板構(gòu)成單元為木纖維。相較于刨花板，中密度纖維板的構(gòu)成單元更小，板材內(nèi)部纖維分布均勻。由于構(gòu)成單元和生產(chǎn)工藝的不同，顯然中密度纖維板密度更加均勻，板材的孔隙度也更小，從而受到外界因素的影響也更小。而不同種類的板材所含的有機(jī)化合物的種類不同，其所含有的親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)數(shù)量與分布也各不相同，因而當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，3種板材所釋放的VOCs濃度的變化也不一樣。

3 結(jié)論

隨著溫度的上升，VOCs初始質(zhì)量濃度值隨之增大，膠合板、中密度纖維板和刨花板規(guī)律相同，其中膠合板VOCs初始質(zhì)量濃度值增長(zhǎng)幅度最大。溫度的上升造成了板材所釋放的VOCs蒸氣壓增大，促進(jìn)了板材VOCs的釋放；與此同時(shí)，溫度升高導(dǎo)致氣體分子動(dòng)能增大，提高了氣體在板材內(nèi)部以及環(huán)境艙內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)，促進(jìn)了人造板揮發(fā)性有機(jī)化合物的釋放。

相對(duì)濕度增大，3種人造板釋放的VOCs質(zhì)量濃度呈現(xiàn)一致的上升趨勢(shì)，但不如溫度對(duì)人造板揮發(fā)性有機(jī)化合物的影響明顯。外界環(huán)境條件對(duì)人造板VOCs釋放的影響不是單一的，而是相互影響的。相對(duì)濕度的增大同樣引起混合蒸氣壓的增大，使得水分子與揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體分子的分布與擴(kuò)散發(fā)生改變。相對(duì)濕度對(duì)不同板材影響不同，主要取決于板材所含化合物種類不同以及板材孔隙度的不同。

氣體交換率與負(fù)荷因子之比增大時(shí)，板材釋放的VOCs質(zhì)量濃度有減小的趨勢(shì)，3種板材趨勢(shì)相同，但下降幅度有差異。當(dāng)氣體交換率與負(fù)荷因子之比變化時(shí)，環(huán)境艙內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物的質(zhì)量濃度梯度隨之改變，氣體交換率與負(fù)荷因子之比的增大會(huì)抑制板材內(nèi)部VOCs的釋放。

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