框架式實木復(fù)合地板地采暖環(huán)境下甲醛釋放規(guī)律的研究

(黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

近年來，框架式實木復(fù)合地板這一產(chǎn)品得到民用地板市場的廣泛接納，因為這是一款新型結(jié)構(gòu)的實木復(fù)合地板，其擁有實木框架、芯板則是用速生材、加工剩余物拼接，具有實木復(fù)合地板的優(yōu)良性能，并且成本低[1-3]。

框架式實木復(fù)合地板的特點是其基材以實木短料與邊部實木板條拼接形成框架式結(jié)構(gòu)，然后在基材上覆貼襯板和裝飾單板，其結(jié)構(gòu)借鑒實木家具板件的框架式結(jié)構(gòu)，有效地抑制基材的翹曲變形，同時便于開槽加工，提高地板企口的牢固性與美觀度[4-7]。

框架式實木復(fù)合地板是一種全新技術(shù)制造的可用于地?zé)岘h(huán)境的實木復(fù)合地板，有效地解決傳統(tǒng)實木復(fù)合地板在地?zé)釛l件下極易翹曲形變的問題[8-12]。它既保留原有實體木材美觀優(yōu)勢又極大地提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。該地板的開發(fā)對木地板行業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用，從民生需求角度出發(fā)也是極其必要的產(chǎn)品[13-16]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

表板：榆木，1 250 mm×170 mm×2 mm，密度0.569 g/cm3，含水率8%～10%。芯條：杉木(Cunninghaminlanceolate(Lamb.)Hook.)，500 mm×100 mm×12 mm，密度0.356 g/cm3，含水率8%～10%。底板：楊木(Populustomentosa)，1 250 mm×170 mm×1.8 mm，密度0.477 g/cm3，含水率8%～10%。試驗材料均由河南亞熱帶木業(yè)有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)備

1 m3地采暖環(huán)境模擬艙，可控溫度20～60 ℃，相對濕度為20%～90%；可見分光光度計，波長范圍320～1 000 nm；恒溫恒濕箱，溫度范圍20～100 ℃，相對濕度30%～98%；游標(biāo)卡尺，精度為0.02 mm；電子天平，精度0.001。

1.3 試樣制備

將采購的框架式實木復(fù)合地板裁成7塊尺寸為180 mm×650 mm、1塊尺寸為110 mm×630 mm和1塊尺寸為150 mm×630 mm的試件，在溫度(23.0±0.5)℃，濕度(50±3)%狀態(tài)下平衡處理15天。平衡處理后，用鋁箔膠帶封閉地板側(cè)邊及背面，并在1 h內(nèi)放入氣候箱，平鋪在加熱板上。

1.4 試驗方法

設(shè)定承載率為1，選取相對濕度35%、50%、65%，根據(jù)冬季室內(nèi)采暖時地采暖木質(zhì)地板底層溫度，選取地采暖溫度30 ℃、35 ℃、40 ℃為試驗變量，采用地采暖模擬艙方法，測試框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量，對比兩種方法測試得到的地板甲醛釋放限量的差異，分析浸漬紙層壓木質(zhì)地板和多層實木復(fù)合地板在不同環(huán)境條件下甲醛釋放量隨溫度、相對濕度升高的變化規(guī)律。地采暖環(huán)境模擬艙測試法是模擬地采暖狀態(tài)，地采暖加熱板內(nèi)的水溫為試驗設(shè)定的地采暖溫度，即30 ℃、35 ℃、40 ℃，而艙內(nèi)空氣溫度始終控制在23 ℃；空氣換氣率均為(1.0±0.05)次/h，試件表面空氣流速0.1～0.3 m/s，承載率(1.0±0.02)m2/m3。采樣方法按GB/T 17657-2013中4.60規(guī)定進行。

按照GB 18580-2017及 GB/T 17657-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，首先去掉地板的榫和槽，根據(jù)地采暖裝置加熱板的尺寸、承載率及地板實際規(guī)格進行準(zhǔn)備，地板放入地采暖模擬艙，第1～5天開始抽樣檢測，每天2次，第5天以后每天1次，當(dāng)最后4次測定的甲醛濃度平均值與最大值或最小值之間的偏差值低于5%或低于0.005 mg/m3時，可認為達到穩(wěn)定狀態(tài)。試件的甲醛釋放量通常在第5天后逐漸達到平衡。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相對濕度對框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量的影響

圖1～3是采用模擬地采暖方法檢測到的框架地板甲醛釋放量在30 ℃、35 ℃、40 ℃時，框架地板甲醛釋放量隨時間的變化曲線以及不同相對濕度下甲醛釋放規(guī)律曲線，從圖中可以看出，在測試初期，地板中的甲醛釋放，是一個逐漸升高的過程，基本在第二天達到峰值，隨后逐漸下降趨于平穩(wěn)，在第5天到第8天甲醛釋放量與這4天釋放量平均值的偏差小于5%，根據(jù)GB 17657-2013中氣候箱法的規(guī)定，即認為框架地板甲醛釋放已達到平衡，這4天的甲醛釋放量均值即框架地板的甲醛釋放限量。同一溫度下，甲醛釋放量隨著相對濕度升高而增加。首先空氣濕度升高會導(dǎo)致地板自身含水率升高，從而導(dǎo)致地板中膠黏劑的甲醛聚合物逐步水解，水解過程中會釋放出大量甲醛，即使已經(jīng)固化的膠黏劑在高濕條件下也會發(fā)生水解反應(yīng)；其次，相對濕度增大改變了環(huán)境氣體壓力，從而加速了地板內(nèi)部甲醛向環(huán)境中的釋放速率；最后，甲醛極易溶于水，空氣相對濕度升高，也加速了地板中甲醛的釋放。甲醛具有親水性，水溶液的含量最高可達到55%，環(huán)境濕度較高時，根據(jù)相似相溶原理，親水性的甲醛與水蒸氣之間形成氫鍵，空氣的飽和蒸汽壓變大，板材本身、膠黏劑等固體界面對甲醛的吸附量相對降低，甲醛的脫附作用加強，吸附于其表面的甲醛分子脫附釋放出來，因此板材中的游離甲醛擴散到空氣中的增多，表現(xiàn)為濃度升高?？蚣艿匕寮兹┽尫帕恳姳?。

圖1 地?zé)釡囟?0 ℃、不同相對濕度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

表1說明，同一溫度下，相對濕度每升高15%，甲醛釋放限量增加9%～15%，平均增加12.9%。

表1 地采暖環(huán)境下，不同溫度、相對濕度框架地板甲醛釋放量 mg/m3

本研究根據(jù)已有的框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量隨濕度變化的數(shù)據(jù)建立相對濕度與框架地板甲醛釋放量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪腔趯嶒灮蚪y(tǒng)計數(shù)據(jù)提出的模型，研究根據(jù)板材中的甲醛釋放規(guī)律與時間的關(guān)系，找出相匹配的數(shù)學(xué)模型，然后用實驗或統(tǒng)計數(shù)據(jù)求解數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，從而完成經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷那蠼獠⒂脭?shù)學(xué)模型對板材中的釋放進行預(yù)測。

圖2 地?zé)釡囟?5 ℃、不同相對濕度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

圖3 地?zé)釡囟?0 ℃、不同相對濕度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

圖4是不同地采暖溫度條件下相對濕度與框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量之間的擬合關(guān)系，從圖4中可以看出框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量與相對濕度是指數(shù)形式的關(guān)系。

圖4 相對濕度與框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量的擬合關(guān)系

通過對框架地板在地采暖溫度30 ℃、35 ℃、40 ℃下甲醛釋放量與濕度的擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)方程擬合度最高。相對濕度與框架地板甲醛釋放量擬合方程見表2，由表2可知，各方程的擬合度R2都在0.9以上，因此可通過此方程確定未知濕度下的甲醛釋放量，從而得到此濕度下釋放量與時間的方程，即可得到此濕度下任意時刻的甲醛釋放量。

表2 相對濕度與框架地板甲醛釋放量擬合方程

2.2 溫度對框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量的影響

圖5～7是采用模擬地采暖方法檢測到的框架地板甲醛釋放量在35%、50%、60%時，框架地板甲醛釋放量隨時間的變化曲線以及不同溫、濕度下甲醛釋放規(guī)律曲線，從圖中可以看出，在測試初期，地板中的甲醛釋放，是一個逐漸升高的過程，基本在第二天達到峰值，隨后逐漸下降趨于平穩(wěn)，在第5天到第8天甲醛釋放量與這4天釋放量平均值的偏差小于5%，根據(jù)GB 17657-2013中氣候箱法的規(guī)定，即認為框架地板甲醛釋放已達到平衡，這4天的甲醛釋放量均值即框架地板的甲醛釋放限量。同一相對濕度下，甲醛釋放量隨著溫度升高而增加。從微觀機制上看，當(dāng)溫度升高時，分子的平均動能增大，此時將有更大比例的分子越過材料表面的勢能壁壘而脫附出去。換句話說，原本在低溫下不可脫附的吸附質(zhì)分子在高溫時轉(zhuǎn)變成可脫附分子，由此造成了可散發(fā)部分比例(覆蓋率)的升高。從擴散傳質(zhì)的觀點看，地板的初始可散發(fā)濃度和擴散系數(shù)隨溫度升高而升高，表明溫度升高會增加板材內(nèi)可釋放甲醛含量。

圖5 相對濕度35%、不同溫度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

圖6 相對濕度50%、不同溫度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

通過對框架地板在相對濕度35%、50%、65%下甲醛釋放量與溫度的擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)方程擬合度最高。溫度與框架地板甲醛釋放量的擬合方程見表3，由表3可知，各方程的擬合度R2都在0.9以上，因此可通過此方程確定未知溫度下的甲醛釋放量，從而得到此溫度下釋放量與時間的方程，即可得到此溫度下任意時刻的甲醛釋放量。溫度與框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量的擬合關(guān)系如圖8所示。

圖7 相對濕度65%、不同溫度條件下，甲醛釋放量隨天數(shù)的變化

圖8 溫度與框架式實木復(fù)合地板甲醛釋放量的擬合關(guān)系

表3 溫度與框架地板甲醛釋放量擬合方程

3 結(jié)論

(1)不同地采暖溫度、相對濕度下框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量變化趨勢一致，隨著溫度、相對濕度的升高，甲醛釋放量增加。

(2)溫度、相對濕度對框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量都有顯著影響，但溫度對其影響顯著性更高。

(3)相對濕度、溫度與甲醛釋放量的擬合結(jié)果表明，指數(shù)方程擬合度最高，各方程的擬合度R2都在0.9以上。通過擬合指數(shù)方程，可以推斷出不同溫度、相對濕度下，對應(yīng)框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量。

(4)采用地采暖環(huán)境模擬艙法對新型結(jié)構(gòu)地板框架式實木復(fù)合地板的甲醛釋放量進行分析，得出環(huán)境因素在承載率、換氣率相同的條件下，甲醛釋放量依然會隨溫度、相對濕度的增加而增加。通過擬合指數(shù)方程可以得出對應(yīng)的溫度和相對濕度下甲醛的釋放量數(shù)據(jù)，從而為地采暖環(huán)境下的框架式實木復(fù)合地板的鋪裝提供數(shù)據(jù)支持。