熱處理對(duì)強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量及尺寸穩(wěn)定性的影響1)

李雅菁 吳靜怡 何正斌 伊松林 葉昌海

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (成都市美康三杉木業(yè)有限公司)

當(dāng)今社會(huì)，隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求有增無(wú)減。在選購(gòu)產(chǎn)品時(shí)，環(huán)保性能成為消費(fèi)者考慮的重要因素之一[1-4]。限于如今廣泛使用的生產(chǎn)工藝，大量木質(zhì)板材在使用過(guò)程中會(huì)釋放出游離甲醛，危害人體健康，因此降低木質(zhì)板材中游離甲醛的釋放量成為地板行業(yè)普遍面臨的問(wèn)題[5-8]。找到合適高效的降醛方法，生產(chǎn)低甲醛釋放量的產(chǎn)品，使企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品達(dá)標(biāo)并獲得消費(fèi)者青睞的同時(shí)，也是一種社會(huì)責(zé)任的體現(xiàn)，其更有利于推動(dòng)行業(yè)的良性發(fā)展[9-12]。

采用高溫?zé)崽幚砉に囍频玫陌宀念伾烙^，強(qiáng)度適中，尺寸穩(wěn)定性良好，滿足室內(nèi)用實(shí)木地板的標(biāo)準(zhǔn)和使用性能，并能大幅降低板材的吸濕性，顯著地提高木材的尺寸穩(wěn)定性[13-17]。

葉昌海等[18]探究了100、120、140 ℃條件下的，處理時(shí)間2 h，隨熱處理溫度的升高，地板基材的甲醛釋放量呈下降趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究增加熱處理溫度，不同處理時(shí)間下，對(duì)地板基材的甲醛釋放量及尺寸穩(wěn)定性的影響，為強(qiáng)化地板基材熱處理降甲醛工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

地板基材由成都美康三杉木業(yè)有限公司提供。地板基材用纖維板尺寸規(guī)格為2 440 mm×1 220 mm×12 mm，密度為0.84 g/cm3，在同一批質(zhì)量檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品中，隨機(jī)抽取10張作為試驗(yàn)用基材。

選取有貼面和未貼面兩種的地板基材，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》的要求[18-19]，截鋸規(guī)格為150 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件若干塊，在試件平衡處理后，將其隨機(jī)分組測(cè)試，每組10塊試件。

1.2 高溫?zé)崽幚?/h3>

分別在120、140、160 ℃的溫度下對(duì)有貼面試件和無(wú)貼面試件進(jìn)行熱處理，處理時(shí)間1、3 h。處理結(jié)束后，將試件降溫至室溫后進(jìn)行檢測(cè)。將未進(jìn)行熱處理試材的甲醛釋放量作為對(duì)照組，與不同溫度下熱處理后的試材甲醛釋放量進(jìn)行對(duì)比。

1.3 檢測(cè)甲醛釋放量

參考GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中的干燥器法測(cè)甲醛釋放量。由于甲醛溶液吸光度與溶液中甲醛釋放量呈線性正相關(guān)，因此，本試驗(yàn)通過(guò)比較各組甲醛溶液吸光度來(lái)比較各組試材的甲醛釋放量。具體方法如下：

①稱量300 mL蒸餾水置于直徑為120 mm、高度為60 mm的結(jié)晶皿中，再將結(jié)晶皿放置于直徑為240 mm的干燥器底部。

②將一組10塊試材裝入金屬支架，試件之間不能互相接觸，涂抹凡士林后，加蓋密封?？瞻讓?duì)照組即為干燥器內(nèi)不放試件。

③將干燥器放置于(20±2)℃的環(huán)境中，靜置24 h，使試件釋放出的甲醛被結(jié)晶皿中的蒸餾水充分吸收，此為待測(cè)溶液。

④分別吸取25 mL待測(cè)溶液、25 mL乙酰丙酮-乙酸銨溶液至100 mL錐形瓶，混合均勻后，放置于(65±2)℃的恒溫水浴鍋中加熱10 min，使甲醛顯色，然后把溶液放在避光處20 ℃下存放(60±5)min。

⑤將分光光度計(jì)波長(zhǎng)調(diào)至412 nm處，用厚度為0.5 cm的比色皿裝蒸餾水作為對(duì)比溶液調(diào)零，調(diào)至吸光度模式，蒸餾水的吸光度應(yīng)為0。用另外一個(gè)比色皿裝待測(cè)混合液，放入分光光度計(jì)，讀出混合溶液的吸光度值。

⑥根據(jù)吸光度值計(jì)算甲醛釋放量。將②中空白對(duì)照混合液的吸光度值記為As，待測(cè)混合液的吸光度值記為Ab。甲醛釋放量計(jì)算公式如下：

c=f×(As-Ab)×1 800/A。

(1)

式中：c為甲醛質(zhì)量濃度(mg/L)；f為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；As為甲醛溶液的吸光度；Ab為空白液吸光度；A為試件表面積(cm2)。

1.4 尺寸穩(wěn)定性測(cè)試

根據(jù)GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測(cè)定方法》，將經(jīng)過(guò)熱處理后的試材放置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±3)%的條件下吸濕直至尺寸穩(wěn)定。在吸濕過(guò)程中，每隔6 h測(cè)定試材三向尺寸，相鄰兩次不超過(guò)0.02 mm即為調(diào)溫調(diào)濕完畢。

計(jì)算濕脹率：

amax=(lmax-l0)/l0×100%；

(2)

bmax=(Vmax-V0)/V0×100%。

(3)

式中：amax、bmax分別為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時(shí)的長(zhǎng)度方向、體積的濕脹率；lmax為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時(shí)的長(zhǎng)度；Vmax為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時(shí)的體積；l0為試材經(jīng)過(guò)熱處理之后的長(zhǎng)度；V0為試材經(jīng)過(guò)熱處理之后的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，把0、5、10、20、50 mL的甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液分別移加到100 mL容量瓶中，并用蒸餾水稀釋到刻度。然后分別取出25 mL溶液，按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行吸光度測(cè)量分析，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，斜率由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出，保留4位有效數(shù)字。

標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=9.203 1x-0.740 4，R2=0.995 8，斜率f=9.203 1 mg/L≈9.203 mg/L。

圖1 干燥法甲醛釋放量標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 甲醛釋放量測(cè)試結(jié)果

表1為各組試材甲醛釋放量測(cè)試結(jié)果?？芍?，對(duì)有貼面、無(wú)貼面兩組試材進(jìn)行熱處理后，能有效降低試材甲醛釋放量。隨著熱處理溫度的升高，甲醛釋放量有明顯降低；相同熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，甲醛釋放量也略有降低。

從試件方面分析，在相同處理?xiàng)l件下，無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材的甲醛釋放量較小。這可能由于無(wú)貼面地板更有利于熱處理的傳熱，在熱改性過(guò)程中促進(jìn)強(qiáng)化地板基材內(nèi)的甲醛釋放，使無(wú)貼面的強(qiáng)化地板基材內(nèi)甲醛在熱處理?xiàng)l件下大量溢出。可以看出，在相同處理?xiàng)l件下，無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材的甲醛釋放量的下降趨勢(shì)明顯大于有貼面強(qiáng)化地板基材，這可能是因?yàn)闊o(wú)貼面強(qiáng)化地板基材中的游離甲醛沒(méi)有飾面材料的阻擋，更容易釋放出來(lái)。

對(duì)同種板材相同處理時(shí)間下甲醛釋放量隨溫度的變化進(jìn)行分析。由圖1可看出，在處理溫度為140 ℃、處理時(shí)間為3 h時(shí)，熱處理對(duì)甲醛釋放量的降低效果較好，無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量為0.001 mg/m3，變化率為84.81%；有貼面強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量為0.006 mg/m3，變化率為67.68%?？梢钥闯鲭S著熱處理溫度的升高，強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量有明顯下降趨勢(shì)；隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量也有下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋瑹崽幚頃?huì)使封閉在飾面材料內(nèi)游離甲醛分子加速運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)其向外界釋放；另一方面，溫度升高會(huì)改變板材孔徑結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致強(qiáng)化地板基材對(duì)甲醛的吸附能力和吸附容量降低，更利于試材內(nèi)部甲醛的釋放。有貼面強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量也遵循這樣的規(guī)律。而當(dāng)處理溫度上升到160 ℃時(shí)，甲醛釋放量都有所回升，這可能是因?yàn)闊崽幚頊囟冗^(guò)高，引起強(qiáng)化地板基材內(nèi)部的游離甲醛基團(tuán)發(fā)生變化。試驗(yàn)材料為中密度纖維板，由于脲醛反應(yīng)是可逆反應(yīng)，溫度過(guò)高可能發(fā)生逆反應(yīng)，因此試件甲醛釋放量增加。

表1 甲醛釋放量測(cè)試結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)同一處理溫度下的板材進(jìn)行處理時(shí)間的縱向?qū)Ρ?，如?所示，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量也有下降趨勢(shì)。其中，經(jīng)過(guò)120 ℃、1 h處理的無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量變化率為50.63%，3 h熱處理后變化率為81.29%。而有貼面強(qiáng)化地板基材在120 ℃、1 h熱處理?xiàng)l件下，甲醛釋放量變化率為23.13%，3 h熱處理后甲醛釋放量變化率為49.34%。140 ℃熱處理下兩種地板的甲醛釋放量隨時(shí)間變化也有相似規(guī)律。

2.3 不同熱處理?xiàng)l件對(duì)強(qiáng)化地板基材尺寸穩(wěn)定性的影響

表2給出了兩種強(qiáng)化地板基材在不同熱處理時(shí)間和溫度下，吸濕處理后長(zhǎng)度方向的濕脹率和體積膨脹率。

無(wú)貼面的強(qiáng)化地板基材未處理時(shí)的長(zhǎng)度方向濕脹率為0.35%，經(jīng)過(guò)120 ℃、1 h熱處理后濕脹率降低至0.26%，在相同熱處理溫度，處理時(shí)間延長(zhǎng)到3 h時(shí)，濕脹率降低至0.25%；熱處理溫度提高至140 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)1 h熱處理無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材長(zhǎng)度方向濕脹率降低至0.24%，相同熱處理溫度下，經(jīng)過(guò)3 h熱處理長(zhǎng)度方向濕脹率降低至0.22%；熱處理溫度為160 ℃、熱處理時(shí)間為1 h時(shí)，熱處理后濕脹率為0.20%，相同熱處理溫度下，經(jīng)過(guò)3 h熱處理后濕脹率降低至0.18%?？梢钥闯觯S著熱處理溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，濕脹率的降低幅度增大，其中熱處理溫度為160 ℃，處理時(shí)間為3 h時(shí)，試件尺寸穩(wěn)定性最好。

表2 尺寸穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

有貼面強(qiáng)化地板基材的長(zhǎng)度方向濕脹率也遵循這樣的規(guī)律，有貼面的強(qiáng)化地板基材未處理時(shí)長(zhǎng)度方向濕脹率為0.29%，經(jīng)過(guò)熱處理后濕脹率也有所下降，約降低0.10%。隨著熱處理溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，濕脹率的降低幅度增大；在熱處理溫度為160 ℃，處理時(shí)間為3 h時(shí)，濕脹率最高約降低0.11%?？煽闯觯匈N面的強(qiáng)化地板基材初始濕脹率及濕脹率的變化幅度均小于無(wú)貼面的強(qiáng)化地板基材，這可能是由于強(qiáng)化地板基材的飾面會(huì)增強(qiáng)其尺寸穩(wěn)定性，使其在各種處理過(guò)程中尺寸維持較穩(wěn)定的狀態(tài)。

進(jìn)一步探究體積膨脹率。未處理的無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材體積濕脹率為3.81%，熱處理時(shí)間為1 h，熱處理溫度為120、140、160 ℃時(shí)，熱處理后體積濕脹率分別降低至2.85%、2.25%、2.03%；熱處理時(shí)間為3 h，熱處理溫度為120、140、160 ℃時(shí)，熱處理后體積濕脹率分別降低至2.72%、2.10%、1.80%?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)熱處理后的強(qiáng)化地板體積膨脹率有明顯降低，隨著熱處理溫度的上升和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，體積膨脹率降低的幅度增大，且熱處理溫度對(duì)膨脹率的影響比熱處理時(shí)間對(duì)體積膨脹率的影響更大。

未處理的無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材體積膨脹率為3.81%，處理后降低0.96%以上，在熱處理溫度為160 ℃，熱處理時(shí)間為3 h時(shí)，濕脹率降低最多，為2.01%；未處理的有貼面強(qiáng)化地板基材體積膨脹率為3.05%，處理后降低0.81%以上，在熱處理溫度為160 ℃，熱處理時(shí)間為3 h時(shí)，濕脹率降低最多，為1.94%。進(jìn)一步看出，熱處理溫度越高，熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)化地板基材的體積膨脹率越趨于穩(wěn)定；且有貼面的強(qiáng)化地板基材在不同熱處理?xiàng)l件下的體積膨脹率都略低于無(wú)貼面的強(qiáng)化地板基材，這可能是因?yàn)轱椕娌牧蠒?huì)提高強(qiáng)化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

熱處理能有效降低強(qiáng)化地板基材中的甲醛釋放量。在相同處理?xiàng)l件下，無(wú)貼面強(qiáng)化地板基材的甲醛釋放量較小，這可能由于無(wú)貼面地板更有利于熱處理的傳熱過(guò)程，在熱處理過(guò)程中促進(jìn)強(qiáng)化地板基材內(nèi)的甲醛釋放。在熱處理溫度為120、140、160 ℃條件下，處理后的強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量均有明顯降低，但熱處理溫度不宜過(guò)高；在熱處理溫度為160 ℃時(shí)，由于高溫會(huì)使強(qiáng)化地板基材內(nèi)部的游離甲醛基團(tuán)發(fā)生變化，而脲醛反應(yīng)是可逆反應(yīng)，溫度過(guò)高可能發(fā)生逆反應(yīng)，使試件甲醛釋放量增加。隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化地板基材甲醛釋放量呈下降趨勢(shì)。因此，本實(shí)驗(yàn)中，在溫度140 ℃，時(shí)間3 h的處理?xiàng)l件下，熱處理效果較好，強(qiáng)化地板基材的甲醛釋放量下降相對(duì)較大。熱處理能有效提高強(qiáng)化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。有貼面的強(qiáng)化地板基材的尺寸穩(wěn)定性明顯大于無(wú)貼面的強(qiáng)化地板基材，在不同熱處理時(shí)間、熱處理溫度條件下，有貼面的強(qiáng)化地板基材尺寸變化均小于無(wú)貼面組，并且在不同熱處理?xiàng)l件下，總體尺寸較為穩(wěn)定。熱處理對(duì)強(qiáng)化地板基材的尺寸穩(wěn)定性有較大影響，隨著熱處理溫度的升高，熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，熱處理明顯提高強(qiáng)化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。