模糊綜合評(píng)判在板材氣味評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

鹿英爽，沈 雋，王啟繁

（東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著生活質(zhì)量的提高，人們健康意識(shí)普遍增強(qiáng)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量要求也越來越高。世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)空氣污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，每年因室內(nèi)空氣污染致死人數(shù)高達(dá)160 萬人[1]。而家具板材中釋放出的有害氣體是污染室內(nèi)空氣的重要原因，板材的環(huán)保質(zhì)量直接影響人體健康，因此對(duì)家具制作板材的選取與評(píng)價(jià)有著十分重要的意義，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量刻不容緩[2]。

模糊綜合評(píng)判法在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[3-4]。李德立[5]等在水環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)中，通過建立因素集、評(píng)價(jià)集、權(quán)重集和隸屬度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)和排序；李素峰等[6]通過建立隸屬度矩陣、權(quán)重矩陣、模糊矩陣并運(yùn)用插值法來對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；卜程洪[7]通過建立地表水等級(jí)的隸屬度、參評(píng)水質(zhì)因子權(quán)重，對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)；馮雪萍[8]等通過建立模糊矩陣、隸屬度函數(shù)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)分級(jí)，科學(xué)評(píng)價(jià)山西省地質(zhì)環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行分區(qū)。實(shí)踐證明，模糊綜合評(píng)判是有效的多因素綜合評(píng)價(jià)方法[9-11]。

目前家具制造業(yè)使用的板材所釋放出的氣味化合物種類繁多，且濃度、強(qiáng)度、毒性各不相同，很難找出一種科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，本研究采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過建立因素集，評(píng)價(jià)集以及氣味化合物的隸屬度函數(shù)[12-13]，并參照物質(zhì)的濃度和毒性，最終對(duì)其氣味質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材 料

使用廣州某企業(yè)生產(chǎn)的三聚氰胺貼面刨花板與其素板，密度為0.60 g/cm3，產(chǎn)品初始尺寸為 1 200 mm×2 440 mm×8 mm。廣東索菲亞家具廠生產(chǎn)的中密度纖維板及其素板,密度為0.74 g/cm3， 其初始尺寸為1 200 mm×1 200 mm×8 mm。試驗(yàn)前將板材裁剪成直徑為60 mm 的圓形試件4 塊，為防止板材邊部釋放氣味化合物，將樣品邊部用鋁制膠帶封邊處理。封邊后對(duì)板材進(jìn)行真空密封處理，置于-30℃的冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀 器

微池?zé)彷腿x：型號(hào)為M-CTE250，產(chǎn)自英國(guó)Markes 國(guó)際公司。Tenax-TA 吸附管：產(chǎn)自英國(guó)Markes 公司。DSQII 氣相質(zhì)譜色譜聯(lián)用儀（GCMS）：產(chǎn)自美國(guó)Thermo 公司。Sniffer 9100 嗅味檢測(cè)儀：產(chǎn)自瑞士Brechbuhler 公司，型號(hào)為Sniffer9100。

1.3 方 法

將解凍好的試件放入圓形微池萃取儀中，測(cè)試前對(duì)裝置進(jìn)行氣密性檢查。以8 h 為采樣循環(huán)周期，待樣品穩(wěn)定后，將Tenax-TA 采樣管插進(jìn)測(cè)試艙采樣。采集好的樣品以自動(dòng)進(jìn)樣器和熱解析脫附儀相聯(lián)合的方式對(duì)采樣管內(nèi)的氣味化合物進(jìn)行熱脫附進(jìn)樣，解析樣品同時(shí)進(jìn)入氣相質(zhì)譜色譜聯(lián)用儀（GC-MS）和Sniffer 9100 嗅味檢測(cè)儀，本試驗(yàn)選GC-O 的分析方法中的時(shí)間強(qiáng)度法，在色譜出峰的同時(shí)，嗅辨員從ODP 端口感知并描述色譜柱流出組分，同時(shí)記錄各流出組分的氣味出現(xiàn)時(shí)間、氣味類型、氣味強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)做兩組，取其平均數(shù)據(jù)，剩余兩塊板材為備用板，當(dāng)數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)使用。嗅辨員對(duì)氣味強(qiáng)度的判斷參照表1。

表1 氣味強(qiáng)度判別標(biāo)準(zhǔn)（日本）Table 1 Odor intensity criteria (Japan)

同時(shí)，根據(jù)世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)[14]來劃分化合物的急性毒性，見表2。

表2 世界衛(wèi)生組織（WHO）外來化合物急性毒性分級(jí)Table 2 Acute toxicity classification of compounds by World Health Organization (WHO)

2 試驗(yàn)結(jié)果

表3 為三聚氰胺貼面刨花板、素板特征氣味化合物的毒性分級(jí)、氣味特征以及氣味強(qiáng)度。表4為三聚氰胺貼面膠合板及其素板特征氣味化合物的毒性分級(jí)，氣味特征以及氣味強(qiáng)度。

表3 三聚氰胺貼面刨花板、素板氣味特征化合物組分Table 3 Odorant compounds components of melamine-veneered particleboard and particleboard

表4 三聚氰胺貼面中纖板及其素板氣味特征化合物組分Table 4 Odorant compounds components of melamine-veneered MDF and MDF

3 板材的模糊綜合評(píng)判

3.1 評(píng)價(jià)體系的建立

以三聚氰胺貼面刨花板為例構(gòu)建一種具有遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)體系[15-16]，各層指標(biāo)經(jīng)過加權(quán)平均確定最終目標(biāo)。將氣味模糊綜合指數(shù)當(dāng)作最終目標(biāo)，構(gòu)建純凈，良好，合格，較差，很差5個(gè)級(jí)次的評(píng)價(jià)體系，這里最高層體系氣味模糊綜合指數(shù)是要評(píng)估的最終結(jié)果，為目標(biāo)層。第二層中化合物是WHO 公布的致癌物，為相互較為獨(dú)立的綜合影響因素，其毒性分級(jí)關(guān)乎權(quán)重系數(shù)，具體毒性分級(jí)見表2。它既是下一層基本影響因素的結(jié)果，又是產(chǎn)生目標(biāo)層的原因，是承上啟下的層次，為準(zhǔn)則層。第三層也就是氣味強(qiáng)度，毒性，濃度，為指標(biāo)層，它們是最基本的影響因素，相互獨(dú)立，但又都交叉影響著準(zhǔn)則層，可單獨(dú)或同時(shí)對(duì)準(zhǔn)則層因素產(chǎn)生影響。層次結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足內(nèi)部獨(dú)立的遞階層次需求，具體結(jié)構(gòu)見圖1。按照此結(jié)構(gòu)劃分，通過指標(biāo)層中氣味強(qiáng)度，毒性，濃度的計(jì)算得出準(zhǔn)則層中化合物的權(quán)重系數(shù)，并通過準(zhǔn)則層中權(quán)重系數(shù)以及隸屬度進(jìn)一步得出目標(biāo)層中氣味模糊綜合指數(shù)。層層遞進(jìn)的關(guān)系使得各評(píng)價(jià)因子相互關(guān)聯(lián)，均衡考慮在評(píng)判體系中，使最終評(píng)判結(jié)果更精準(zhǔn)。

目標(biāo)層中氣味模糊綜合指數(shù)的計(jì)算公式P=B·S，其中B為模糊綜合評(píng)判結(jié)果，即計(jì)算出的各等級(jí)隸屬度，S為板材級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)向量，S=（1,2,3,4,5）T，根據(jù)這一構(gòu)造，P的取值為1～5之間，最小值為1，最大值為5,。只有當(dāng)板材各等級(jí)隸屬度都達(dá)到一類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，P才等于1。當(dāng)各等級(jí)隸屬度都大于或等于第五類等級(jí)時(shí)，P才等于5，其余情況下，1 ＜P＜5.如果綜合評(píng)價(jià)結(jié)果仍要以5 類去表示，那么可采用表5 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

表5 板材氣味評(píng)價(jià)等級(jí)Table 5 Odor rating of boards

評(píng)價(jià)結(jié)果可通過氣味模糊綜合指數(shù)來確定。當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為純凈或良好時(shí)，表明板材對(duì)人體健康影響較小，可放心使用。當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為合格時(shí)，表明板材對(duì)人體健康有影響，可采取措施提高質(zhì)量后再使用。當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為較差或很差時(shí)，表明板材氣味對(duì)人體健康有較大影響，不建議使用。

3.2 氣味強(qiáng)度指數(shù)

插值法是一種常見數(shù)學(xué)函數(shù)方法，用于彌補(bǔ)數(shù)據(jù)中不完整，有缺失等缺陷，解決了數(shù)據(jù)不連續(xù)問題。氣味強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算采用線性內(nèi)插法[17]，其公式為：

式中，Ii為某氣味化合物的氣味強(qiáng)度指數(shù)，Ci為該氣味化合物的氣味強(qiáng)度，Ijmin為第i個(gè)氣味化合物在該等級(jí)下的最小值，Sij(2)與Sij(1)分別表示在氣味化合物氣味強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表中最貼近其測(cè)出的氣味強(qiáng)度的兩個(gè)值。計(jì)算出的氣味強(qiáng)度指數(shù)相對(duì)于原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確地反映化合物的氣味強(qiáng)度。在表3 中，苯的Ci為0.75，Ijmin為0，Sij(2)與Sij(1)分別為1,0，將其帶入公式（1）中，得出：

I苯=0+(0.75-0)/(1-0)=0.75

其他氣味化合物的氣味強(qiáng)度指數(shù)同理，可得到對(duì)二甲苯，1,3-二甲基苯，萘，1-甲基萘，二苯并呋喃，乙酸丁酯，己醛的氣味強(qiáng)度指數(shù)分別為1.00，0.75，1.75，1.00，1.00，0.50，1.00。

3.3 模糊綜合評(píng)判模型建立

3.3.1 因素集與評(píng)價(jià)集建立

因素集就是參與評(píng)價(jià)板材釋放的n個(gè)氣味化合物的氣味強(qiáng)度，即U={U1,U2,…Un}。評(píng)價(jià)集是各個(gè)氣味化合物氣味強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的集合。即V={V1,V2,…Vn}。

3.3.2 隸屬度函數(shù)建立

隸屬函數(shù)是化合物氣味強(qiáng)度和板材質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，可按如下方法分析確定：

當(dāng)x從mj變化到mj+1時(shí)，x對(duì)m（j）標(biāo)準(zhǔn)集隸屬度逐漸減至為0，而對(duì)m（j+1）代表集的隸屬度逐漸增加至1，為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)其變化函數(shù)為線性。

當(dāng)x恰好變化至界限值mj時(shí)，1 ＜j＜m，其對(duì)mj代表的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)集的隸屬度為1。mj按兩相鄰質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)集的平均數(shù)取值，故給出的隸屬函數(shù)如下：

當(dāng)J=1 時(shí)

式中rij表示第i種污染物的氣味強(qiáng)度可以被評(píng)為第j類板材的可能性，即i對(duì)j的隸屬度。Ii為氣味強(qiáng)度指數(shù)，m為氣味評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)，因共有5個(gè)氣味等級(jí)，故本文中取m=5，帶入（2），（3），（4）后得到下式：

將苯按照公式帶入可得苯在各等級(jí)下的隸屬度：

同理得出其余氣味化合物在5個(gè)等級(jí)下的隸屬度，并制成表6。

IL21基因多態(tài)性與云南漢族人群非小細(xì)胞肺癌的相關(guān)性 … ………………… 趙 淦，等(10):1227

3.3.3 化合物毒性權(quán)重建立

權(quán)重體現(xiàn)了各因素在評(píng)價(jià)過程中對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)不同的重要程度。權(quán)重的確定方法是否合理，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著重要影響。本方法結(jié)合了化合物毒性與濃度綜合確定權(quán)重系數(shù)。參照表2，依據(jù)毒性分級(jí)確定毒性權(quán)重，設(shè)整體為1，微毒為X，低毒為2X，中毒為3X，高毒為4x，劇毒為5x。然后列出下述公式：

2x+x+2x+3x+2x+2x+x+2x=1 解出x=1/15

表6 氣味化合物各等級(jí)隸屬度Table 6 Odorant compounds subordinate degrees of each rank

由此得出苯的毒性分級(jí)權(quán)重系數(shù)1/15×2= 2/15，同理計(jì)算出對(duì)二甲苯的毒性分級(jí)權(quán)重系數(shù)為1/15，1,3-二甲基苯為2/15，萘為3/15，1-甲基-萘為2/15，二苯并呋喃為2/15，乙酸丁酯為1/15，己醛為2/15。

由于濃度也是影響最后平均權(quán)重系數(shù)的重要因素，可能氣味化合物的毒性很高，但濃度很低，將化合物的濃度除以其PC-TWA（8 h 時(shí)間加權(quán)平均容許濃度）[18]，再與毒性分級(jí)權(quán)重系數(shù)相乘得出最終的平均權(quán)重系數(shù)。例如：

苯的平均權(quán)重系數(shù)為：

X1=8.91×2/15/6000/(8.91×2/15/6000+133.9 5×1/15/50000+80.79×2/15/50000+69.56×3/15/ 50000+15.16×2/15/60000+11.42×2/15/500+77.1×1/15/200000+16.58×2/15/500)=0.0236

同理得出三聚氰胺貼面刨花板其余氣味化合物與三聚氰胺貼面中纖板的權(quán)重系數(shù)，詳見表7與表8。

表7 與表8 的權(quán)重綜合了毒性，濃度以及化合物接觸極限值，減少了主觀法的不準(zhǔn)確性，可以較好地反映出各化合物對(duì)板材相對(duì)重要程度的信息。

3.3.4 綜合評(píng)判

將氣味化合物的各等級(jí)隸屬度矩陣與其權(quán)重系數(shù)相乘，即可得到各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，其結(jié)果為向量。為消除量綱影響，將其歸一化，并根據(jù)最大隸屬度原則判斷評(píng)價(jià)等級(jí)。其公式為：

表7 三聚氰胺貼面刨花板權(quán)重系數(shù)Table 7 Power index of melamine-veneered particleboard

表8 三聚氰胺貼面中纖板化合物權(quán)重系數(shù)Table 8 Power index of melamine-veneered MDF

其中bj為各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度，為歸一化后的結(jié)果。Wi為氣味化合物的權(quán)重。

將表5 中，8 種化合物5個(gè)等級(jí)下的隸屬度，分別與表7 中其權(quán)重系數(shù)對(duì)應(yīng)相乘并代入公式（5）和（6）得到下式：

同理，b2=0.958 4，b3=0.880 9，b4=0.800 9，b5=0.720 9

b′1=0.886 4/4.247 5=0.208 7

同理，b′2=0.225 6，b′3=0.207 4，b′4=0.188 6，b′5=0.169 7

B={0.208 7，0.225 6，0.207 4，0.188 6，0.169 7}

其中B為模糊綜合評(píng)判模型評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)最大隸屬度原則[19]，取b′1，b′2，b′3，b′4，b′5中的最大值，判斷三聚氰胺貼面的刨花板評(píng)級(jí)等級(jí)為二級(jí)，選用板材對(duì)人體基本無傷害。

氣味模糊綜合指數(shù)亦可以客觀地反映評(píng)價(jià)等級(jí)，其計(jì)算公式為：

代入以上計(jì)算結(jié)果到公式（7）得出P=2.885 0，參照表5，可判斷板材為二級(jí)，質(zhì)量為良好，驗(yàn)證了前面的評(píng)價(jià)結(jié)果。同理得出刨花板素板，三聚氰胺貼面膠合板及其素板的對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果，詳見表9。

表9 三聚氰胺貼面刨花板與中纖板及其素板對(duì)比評(píng)定結(jié)果Table 9 Comparative evaluation results ofmelamine-veneered particleboard,melamine-veneered MDF,particleboard and MDF

3.4 評(píng)判結(jié)果與討論

根據(jù)表7，在三聚氰胺貼面刨花板評(píng)價(jià)中，己醛的權(quán)重系數(shù)為0.526 6，高于其他化合物，對(duì)板材的影響程度最大。根據(jù)表8，在三聚氰胺貼面中纖板板評(píng)價(jià)中，苯的權(quán)重系數(shù)為0.359 3，高于其他化合物，對(duì)板材的影響程度最大。根據(jù)表3，刨花板素板中釋放了大量以芳香族化合物為主的有害物質(zhì)，且平均氣味強(qiáng)度高于三聚氰胺貼面刨花板。從表9 的評(píng)價(jià)結(jié)果來看，兩種板材素板的氣味綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)均為三級(jí)，經(jīng)過貼面處理后的氣味綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)均為二級(jí)。參照表5，兩種板材素板的質(zhì)量描述為合格，三聚氰胺貼面處理后的兩種板材的質(zhì)量描述為良好，且兩種板材素板相比三聚氰胺貼面處理后模糊綜合指數(shù)均偏高，證明素板的危害性要高于三聚氰胺貼面刨花板。三聚氰胺貼面中纖板的模糊綜合指數(shù)2.977 3，高于三聚氰胺貼面刨花板。中纖板素板的模糊綜合指數(shù)為3.061 3，亦高于刨花板素板，證明本實(shí)驗(yàn)選用的中纖板危害性稍高于刨花板。

模糊綜合評(píng)判用隸屬度進(jìn)行定量分析，用權(quán)重得到了各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，用該方法對(duì)板材的危害性進(jìn)行評(píng)估，鑒定結(jié)果比較準(zhǔn)確。將質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，并根據(jù)板材中釋放出的不同氣味化合物，有針對(duì)性進(jìn)行治理。它用科學(xué)的定量手段刻畫板材質(zhì)量評(píng)價(jià)中定性問題，又將其還原為等級(jí)評(píng)價(jià)和各評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量表示，使定性與定量分析較好融合，是一種較好的分析方法。

4 結(jié) 論

1）模糊綜合評(píng)判在板材氣味評(píng)價(jià)中既可對(duì)板材進(jìn)行總的質(zhì)量評(píng)價(jià)，又可對(duì)單一影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以快速客觀反映板材優(yōu)劣。通過模糊綜合指數(shù)大小的比較，本研究所使用的板材，素板危害性高于刨花板，中纖板危害性稍高于刨花板。

2）依據(jù)最大隸屬度原則確定的評(píng)價(jià)等級(jí)越靠前，模糊綜合指數(shù)越小，板材的危害性越低。家具選材時(shí)可先選取適量板材對(duì)其評(píng)定，依據(jù)綜合評(píng)定結(jié)果進(jìn)行購(gòu)買，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3）模糊綜合評(píng)判在板材氣味評(píng)價(jià)中有著良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，在評(píng)判過程中可通過軟件或函數(shù)進(jìn)行快速模糊綜合評(píng)價(jià)。