中纖板VOCs釋放對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響評估*

蔣利群 趙 政 沈 雋 孟 娟 董華君

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

近年來，隨著室內(nèi)裝飾材料使用量不斷增大，室內(nèi)空氣污染有害物質(zhì)種類日益增多(李光榮， 2010)，人類已進入到以“室內(nèi)空氣污染”為標志的第三污染時期(莊曉虹， 2009)。室內(nèi)空氣污染，是指有害的化學(xué)性因子、物理性因子和(或)生物性因子進入室內(nèi)空氣中并達到對人體身心健康產(chǎn)生直接或間接、近期或遠期，或者潛在有害影響的程度的狀況，其不僅會引起氣管炎、支氣管炎、肺癌等多種疾病，而且還會造成巨大的經(jīng)濟損失(王超等， 2014)，已被世界衛(wèi)生組織列為人類健康的十大威脅之一(Haymoreetal.， 1993)。研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣污染主要是由于室內(nèi)空氣中存在多種揮發(fā)性有機化合物(VOCs)(Meeraetal.， 2011)，而人造板等建筑材料因具有較大的暴露面積成為室內(nèi)空氣的主要污染源(Wolkoff， 2003； Leeetal.， 2015)。當(dāng)室內(nèi)VOCs超過一定濃度時，在短時間內(nèi)人們感到頭痛、惡心、嘔吐、四肢乏力，嚴重時會抽搐、昏迷、記憶力減退，且VOC還可傷害人的肝臟、腎臟、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)(趙楊等， 2015； 曹田雨等， 2018)，因此，科學(xué)評價人造板VOCs釋放對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響具有重要意義。

室內(nèi)空氣品質(zhì)評價是人們認識室內(nèi)環(huán)境的一種科學(xué)方法，是隨著人們對室內(nèi)環(huán)境重要性認識的不斷加深而推出的新概念(黃書君等， 2014)，其針對具體對象，運用評價因子科學(xué)定量定性反映室內(nèi)空氣質(zhì)量(韓振芳等， 2015)，分析室內(nèi)空氣污染的主要因素，預(yù)測一定時期內(nèi)的變化趨勢，并有針對性地提出控制措施(劉守帥等， 2012)。人造板的使用對室內(nèi)空氣品質(zhì)具有顯著影響，在人造板被用于室內(nèi)前，對其可能產(chǎn)生的室內(nèi)空氣污染進行合理評價，有助于提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，保障居民健康。本研究以不同飾面中纖板為研究對象，采用1 m3氣候箱模擬室內(nèi)環(huán)境，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析中纖板一個周期(28天)釋放VOCs的質(zhì)量濃度變化，建立單因子指數(shù)模型確定中纖板釋放的主要污染物，應(yīng)用改進的沈氏模式(舒愛霞等， 2010)對中纖板素板以及不同飾面中纖板被用于室內(nèi)環(huán)境可能造成的污染進行綜合評價，并預(yù)估中纖板在室內(nèi)單獨使用時的最大裝載量，以期為室內(nèi)裝飾以及室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

中纖板素板和飾面中纖板(PVC飾面中纖板、三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板)購自廣東省某廠，規(guī)格(長×寬×厚)為1 200 mm×1 200 mm×8 mm，甲醛釋放等級E1級(0.124 mg·m-3)(GB 18580—2017)，基材選用落葉樹木材，密度0.7 g·cm-3，生產(chǎn)時的熱壓溫度為165～215 ℃，熱壓時間為60～80 s，使用改性的脲醛樹脂膠黏劑。將板材鋸割成單面面積1 000 mm×500 mm的試樣，為了防止邊部VOCs高度釋放，用錫箔紙密封邊部，采用雙面釋放方法采集氣體，總釋放面積為1 m2。

1.2 檢測儀器

1 m3氣候箱，廣東東莞升微機電設(shè)備有限公司制造，工作室尺寸 1 578 mm × 800 mm ×800 mm(深×寬×高)，配有控溫裝置、控濕裝置、高溫清潔系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。氣候箱參數(shù)： 空氣溫度(23±1)℃，相對濕度45%±3%，空氣交換率每小時1次，裝載量(1.0±0.05)m2·m-3。

Tenax-Ta吸附管，英國Markes公司生產(chǎn)，長度89 mm，外徑6.4 mm，內(nèi)含200 mg粒徑60～80目的Tenax-Ta吸附劑(2，6二苯呋喃多空聚合物樹脂)。

GC-MS(氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀)，美國Themo公司生產(chǎn)，熱脫附儀主機系統(tǒng)為UNITY，載氣為氦氣，解析溫度300 ℃，管路溫度180 ℃，熱解析時間10 min，進樣時間1 min； 熱脫附全自動進樣器型號為ULTRA 100。以氣相色譜柱為分離基礎(chǔ)，樣品進入進樣器后由載氣傳送以分離色譜柱，分離后的樣品由柱中流出到檢測器再排空。GC-MS的參數(shù)以及調(diào)節(jié)范圍見表1。

1.3 測試方法

采用1 m3氣候箱模擬室內(nèi)環(huán)境，利用Tenax-Ta吸附管采集中纖板一個周期(28天)釋放的VOCs。氣候箱參數(shù)設(shè)置依據(jù)ISO 16000-9—2006標準，并參考GB/T 29899—2013分析方法，使用GC-MS對中纖板釋放VOCs的質(zhì)量濃度和種類進行定量分析。試驗前，首先用蒸餾水擦洗氣候箱工作室內(nèi)壁，然后開啟高溫清潔系統(tǒng)，使氣候箱達到240 ℃，清潔4 h，保證氣候箱TVOC質(zhì)量濃度小于20 μg·m-3，各單體質(zhì)量濃度均小于2 μg·m-3。將裁剪好的中纖板置于氣候箱中心，運轉(zhuǎn)至少12 h，使氣體質(zhì)量濃度穩(wěn)定，降低樣本本身差異。分別在第1天、第3天、第7天、第14天、第21天和第28天利用Tenax-Ta吸附管采樣，采樣氣體流量為200 mL·min-1，采集時間為10 min，收集氣體2 L。收集好的氣體先用熱脫附儀解析10 min，后使用 GC-MS采用內(nèi)標法(內(nèi)標物為氘代甲苯)對氣體進行定性和定量分析。

表1 GC-MS參數(shù)設(shè)置Tab.1 GC-MS parameter settings

2 結(jié)果與分析

2.1 中纖板VOCs的釋放

根據(jù)GB/T 18883—2002，利用Tenax-GC或Tenax-Ta采樣，非極性色譜柱(極性指數(shù)小于10)進行分析，保留時間在正己烷和正十六烷之間的揮發(fā)性有機化合物稱為TVOC(本研究TVOC含量為保留時間在正己烷和正十六烷之間的揮發(fā)性有機化合物含量總和)。中纖板釋放的揮發(fā)性有機化合物主要為烷烴類、芳香烴類、醛酮類、酯類、烯烴類及其他組分，見表2、3、4。3種中纖板釋放VOCs的質(zhì)量濃度整體隨時間呈下降趨勢，前7天下降迅速，到第21天各類揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定，變化很小。3種中纖板中，釋放總揮發(fā)性有機化合物質(zhì)量濃度最大的為中纖板素板，其次為PVC飾面中纖板，最后為三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板。飾面中纖板釋放TVOC的質(zhì)量濃度較中纖板素板有所下降，是因為PVC和三聚氰胺浸漬膠膜紙2種飾面方法對中纖板揮發(fā)性有機化合物具有一定封閉作用，能夠阻礙VOCs釋放，其中三聚氰胺浸漬膠膜紙的封閉作用最強，三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板釋放揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度最低。

表2 中纖板素板不同時間釋放揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度Tab.2 The mass concentration of VOCs released by unfinished MDF at different times μg·m-3

表3 PVC飾面中纖板不同時間釋放揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度Tab.3 The mass concentration of VOCs released by PVC facing MDF at different times μg·m-3

表4 三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板不同時間釋放揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度Tab.4 The mass concentration of VOCs released by melamine finishing MDF at different times μg·m-3

2.2 中纖板釋放VOCs主要污染物的確定

單因子指數(shù)是客觀評價體系中一種常用的評價模型。本研究應(yīng)用該模型，通過計算污染因子指數(shù)、超標倍數(shù)等確定室內(nèi)空氣污染的主要污染物。引入單因子指數(shù)模型分析中纖板釋放的揮發(fā)性有機化合物中造成室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)，計算公式如下：

(1)

式中：Ii為單因子分指數(shù)；Ci為中纖板釋放某類揮發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度(μg·m-3)；Cvi為室內(nèi)某類揮發(fā)性有機化合物的限量質(zhì)量濃度(μg·m-3)。

Ii<1表示達標，Ii>1表示該類揮發(fā)性有機化合物造成室內(nèi)空氣污染，且Ii越大，該類物質(zhì)污染越嚴重。本研究采用的限量質(zhì)量濃度指室內(nèi)空氣中各類VOCs指導(dǎo)限量(謝振偉， 2006； 趙楊等， 2015)，其中芳香烴化合物、醛酮類化合物(不包括甲醛)、烷烴化合物、酯類化合物、烯烴類化合物、總揮發(fā)性有機化合物(TVOC)限量質(zhì)量濃度分別為50、20、100、20、30和300 μg·m-3。對中纖板素板第1天釋放揮發(fā)性有機化合物的主要污染物進行分析，結(jié)果見表5。

表5 中纖板素板第1天釋放VOCs各組分的評價指數(shù)Tab.5 Evaluation index of VOCs from MDF on the first day μg·m-3

由表5可知，在1 m3氣候箱測試條件下，中纖板素板第1天釋放VOCs的超標倍數(shù)范圍為0.59～1.64，其中芳香烴類、酯類、烯烴類物質(zhì)分指數(shù)Ii大于1，分別為1.95、2.64和1.59，質(zhì)量濃度超標，污染程度為酯類>芳香烴類>烯烴類。

同樣方法分析中纖板素板和不同飾面中纖板一個周期內(nèi)的主要污染物，結(jié)果見表6。

表6 中纖板一個周期內(nèi)的主要污染物及分指數(shù)Tab.6 The major pollutants and single-factor index of MDF in one cycle

由表6可知，在1 m3氣候箱測試條件下，14天后，3種中纖板釋放各類揮發(fā)性有機化合物的分指數(shù)均小于1，說明各類釋放物質(zhì)的質(zhì)量濃度均小于限量質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度達標。14天前，中纖板素板釋放VOCs造成室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)為酯類、芳香烴類和烯烴類； PVC飾面中纖板和三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板釋放VOCs造成室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)為酯類和芳香烴類； 中纖板素板和PVC飾面中纖板釋放酯類和芳香烴類的分指數(shù)遠大于三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板，說明這2種中纖板釋放酯類和芳香烴類的污染程度比三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板大。通過分析，造成室內(nèi)空氣污染的單種揮發(fā)性有機化合物質(zhì)量濃度超標主要發(fā)生在前14天，在此期間，VOCs質(zhì)量濃度高，釋放速率快，會對人體身心健康帶來損害，因此在實際生產(chǎn)生活中，若采用此類裝飾材料，應(yīng)勤開窗、多通風(fēng)使室內(nèi)空氣流通，加快揮發(fā)性有機化合物釋放，以保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和居民健康。

2.3 中纖板VOCs釋放對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響的綜合評價

綜合指數(shù)評價又稱多因子指數(shù)評價，一般由單因子指數(shù)有機組合而成，能夠綜合反映室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣。本研究應(yīng)用舒愛霞等(2010)改進后的沈氏模式對中纖板素板以及不同飾面中纖板被用于室內(nèi)環(huán)境可能造成的污染進行綜合評價：

(2)

該指數(shù)模式簡單，適應(yīng)污染個數(shù)增減，兼顧最大單因子分指數(shù)和算數(shù)平均指數(shù)并突出最大單因子分指數(shù)，能夠準確客觀反映出室內(nèi)空氣品質(zhì)。計算出中纖板一個周期內(nèi)最大單因子分指數(shù)和算數(shù)平均指數(shù)，見表7。

表7 中纖板一個周期內(nèi)最大單因子分指數(shù)和算數(shù)平均指數(shù)Tab.7 The maximum single-factor index and arithmetic average index of MDF in one cycle

室內(nèi)空氣品質(zhì)按照綜合指數(shù)分為5級，如表8所示。一般認為，綜合指數(shù)在0.5以下為清潔環(huán)境，能夠達到最大滿意度； 當(dāng)綜合指數(shù)達到1時為輕度污染，達到2及以上時為重度污染，嚴重危害人身體健康。

表8 室內(nèi)空氣品質(zhì)等級Tab.8 Indoor air quality level

通過計算可知，假設(shè)室內(nèi)環(huán)境在此氣候箱測試條件下，單獨使用中纖板素板的室內(nèi)空氣品質(zhì)為重污染，中纖板素板第1天釋放的VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響較大，需引起人們注意。

同理，可計算出中纖板素板和不同飾面中纖板第1天、第3天、第7天、第14天、第21天、第28天的綜合指數(shù)，見表9。3種中纖板釋放的VOCs綜合指數(shù)隨時間變化趨勢見圖1。

由表9可知，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境在此氣候箱測試條件下，中纖板素板釋放的VOCs在第1天、第3天和第7天對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響較大，特別是第1天，空氣品質(zhì)為Ⅴ級，重污染，第3天和第7天空氣品質(zhì)為Ⅳ級，中污染。第7天后，隨著中纖板釋放的VOCs不斷排出室外，空氣品質(zhì)逐漸提高，升至Ⅱ級，未污染，室內(nèi)居住人員可放心使用； PVC飾面中纖板釋放的VOCs在第1天和第3天對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響較大，空氣品質(zhì)為Ⅳ級，中污染，從第7天開始，空氣品質(zhì)上升至Ⅱ級，未污染，并達到穩(wěn)定，居民可放心使用； 與中纖板素板和PVC飾面中纖板相比，三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板釋放的VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響較小，其中在第1天和第3天對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響相對較大，空氣品質(zhì)等級為Ⅱ級，從第3天開始，空氣品質(zhì)逐漸上升，到第14天升至Ⅰ級，達到穩(wěn)定，非常適合人們居住。由圖1可知，VOCs綜合指數(shù)從大到小分別為中纖板素板、PVC飾面中纖板、三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板，三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板釋放的VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響評價最理想，空氣品質(zhì)最好，其次是PVC飾面中纖板，最后是中纖板素板。VOCs綜合指數(shù)隨時間增加逐漸下降，前14天下降最顯著，直至達到穩(wěn)定，也就是說，中纖板釋放的VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響隨時間增加逐漸減小，空氣品質(zhì)逐漸提高，第21天后，綜合指數(shù)穩(wěn)定，空氣品質(zhì)均達到無污染標準，3種中纖板釋放的VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響評價均比較理想。

表9 中纖板一個周期內(nèi)的綜合指數(shù)Tab.9 The comprehensive index of MDF in one cycle

圖1 3種中纖板綜合指數(shù)隨時間變化趨勢Fig.1 Comprehensive index change trends of MDF with time

2.4 中纖板最大裝載量預(yù)估

以第28天穩(wěn)定狀態(tài)下?lián)]發(fā)性有機化合物的質(zhì)量濃度為依據(jù)，根據(jù)式(2)，預(yù)估在保證室內(nèi)空氣未污染的前提下中纖板單獨使用時的最大裝載量。

同理，根據(jù)表7中纖板一個周期內(nèi)最大單因子分指數(shù)和算數(shù)平均指數(shù)，可求得在保證室內(nèi)空氣未污染的前提下，PVC飾面中纖板、三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板單獨使用的最大裝載量分別為1.8和3.2 m2·m-3。

3 討論

本研究通過對中纖板素板和不同飾面中纖板釋放VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)影響的綜合評價，計算出了中纖板在室內(nèi)單獨使用時的最大裝載量，為室內(nèi)裝飾以及室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測提供了理論依據(jù)和參考指標。如在120 m2的普通房間內(nèi)(高度2.8 m)，空氣品質(zhì)達到無污染狀態(tài)時，中纖板素板可最大放置面積504 m2。但中纖板只是眾多人造板裝飾材料的一種，今后應(yīng)進一步探索其他常用人造板在室內(nèi)的最大裝載量以及對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，建立健全影響人造板VOCs釋放的信息網(wǎng)絡(luò)圖，完善室內(nèi)空氣衛(wèi)生評價體系，為人類生產(chǎn)生活和身心健康提供強有力的幫助。

4 結(jié)論

1) 在1 m3氣候箱測試條件下，中纖板素板釋放VOCs造成室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)為酯類、芳香烴類和烯烴類； PVC飾面中纖板、三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板釋放VOCs造成室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)為酯類和芳香烴類； 中纖板素板和PVC飾面中纖板釋放酯類和芳香烴類的污染程度遠大于三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板； 在釋放后期，3種中纖板釋放單體VOC的質(zhì)量濃度均合格，沒有超標。

2) 在1 m3氣候箱測試條件下，中纖板釋放VOCs對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響隨時間增加逐漸減小。21天后VOCs釋放達到穩(wěn)定，3種中纖板VOCs釋放對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響評價較為理想，均達到無污染標準，其中最為理想的是三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板，其次是PVC飾面中纖板，最后是中纖板素板。

3) 在保證室內(nèi)空氣未污染的前提下，中纖板素板、PVC飾面中纖板和三聚氰胺浸漬膠膜紙飾面中纖板在室內(nèi)單獨使用時的最大裝載量分別為1.5、1.8和3.2 m2·m-3。