外界因素對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放變化的影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.013

摘 要：以家具行業(yè)中廣泛使用的玻璃鋼制品為研究對(duì)象，利用環(huán)境艙法探究了其TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）釋放速率隨時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率變化的釋放規(guī)律。結(jié)果表明，玻璃鋼制品中TVOC釋放速率隨時(shí)間變化符合一階衰減模型，相關(guān)性良好；同時(shí)，提高溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率可加速玻璃鋼制品中TVOC的釋放，釋放初期影響顯著，后期影響減弱。此外，針對(duì)玻璃鋼制品的經(jīng)濟(jì)實(shí)用處理措施為：短時(shí)間增溫、增濕、增大氣體交換率的烘烤通風(fēng)后，室外繼續(xù)通風(fēng)涼放15 d時(shí)間，這為提升玻璃鋼制品環(huán)保性能提供了可靠參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼制品；TVOC；時(shí)間；溫度；相對(duì)濕度；氣體交換率

中圖分類號(hào)：TQ327.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0046-04

Study on the influence of external factors on the release change of TVOC of FRP products

WU Tong1，TIAN Guangchao2，WANG Yongxiang2，GUO Liru3

（1.GRG Metrology amp; test （Hangzhou） Co.，Ltd.，Hangzhou 310018，China;

2.GRG Metrology amp; test Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510656，China;

3.Zhejiang Light Industrial Products Inspection and Research Institute，Hangzhou 310018，China）

Abstract：Taking FRP products，which are widely used in the furniture industry，as the research object，the release law of TVOC （total volatile organic compounds） release rate with time，temperature，relative humidity and gas exchange rate was explored by using the environmental chamber method.The results showed that the TVOC release rate in FRP products conformed to the first-order decay model with time，and the correlation was good.At the same time，the release rate of TVOC in FRP products could be accelerated by increasing the temperature，relative humidity and gas exchange rate，and the initial impact of release was significant and the later effect was weakened.In addition，the economical and practical treatment measures for FRP products were：baking and ventilation with short-term warming，humidification and increasing air exchange rate，the outdoor ventilation and cooling time continued to be cooled for 15 days，which provided reliable reference data for improving the environmental performance of FRP products.

Key words：FRP products;total volatile organic compounds;time;temperature;relative humidity;air exchange rate

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP），簡(jiǎn)稱玻璃鋼，其以優(yōu)異的質(zhì)輕高強(qiáng)、絕緣性、絕熱性、可設(shè)計(jì)性和耐腐蝕性等功能，廣泛用于軌道交通、化工、家居建材、雕塑等領(lǐng)域^[1-6]。但由于其生產(chǎn)過(guò)程中使用大量的膠粘劑，由其帶來(lái)的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）污染，會(huì)危害人們生命健康安全^[7-10]。降低玻璃鋼制品中的TVOC含量主要有2種方式，一種是優(yōu)化材料配方或工藝，從內(nèi)部改善材料環(huán)保性能^[11-12]，但往往見(jiàn)效慢、成本高；另一種是對(duì)成品進(jìn)行后處理，如烘烤通風(fēng)、常溫通風(fēng)放置等措施^[13-15]，但處理成效受時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度、氣體交換率等外界因素影響。為此，本文利用環(huán)境艙法^[16]對(duì)不同時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率下的家具行業(yè)用玻璃鋼制品中TVOC釋放速率進(jìn)行測(cè)試，探究各外界因素對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放的影響，以期為玻璃鋼制品選擇合適的后處理工藝提供理論指導(dǎo)。

1"試驗(yàn)部分

1.1"試驗(yàn)材料

甲醇（純度為99.9%）北京百靈威科技有限公司；甲苯、正己烷和正十六烷（純度均為99.5%）美國(guó)ChemService公司。

1.2"試驗(yàn)儀器

Master TD型熱解析儀（意大利DANI公司）；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（安捷倫科技有限公司）；VCE1000classic型環(huán)境艙（WEISS-VOTSCH）。

1.3"試樣制備

在玻璃鋼制品中間位置截取0.8 m²玻璃鋼平行樣件，四周用鋁箔密封起來(lái)，然后利用1 m³環(huán)境艙進(jìn)行測(cè)試。

1.4"試驗(yàn)方案

利用環(huán)境艙分別對(duì)不同時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率下的玻璃鋼樣件中單位面積、單位時(shí)間釋放TVOC的質(zhì)量（即釋放速率）進(jìn)行測(cè)試，分為A、B、C和D組試驗(yàn)，各組試驗(yàn)中環(huán)境艙參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.5"計(jì)算方法

環(huán)境艙內(nèi)測(cè)試樣件TVOC釋放速率計(jì)算公式：

SER=C×q（1）

q=N/L（2）

式中：SER為樣件TVOC釋放速率，即樣件單位面積、單位時(shí)間內(nèi)釋放TVOC的質(zhì)量，mg/（m²·h）；C為艙內(nèi)TVOC質(zhì)量濃度，mg/m³；q為單位面積換氣量，m³/（h·m²）；N為氣體交換率，h^-1；L為負(fù)荷比，即樣件表面積與環(huán)境艙容積之比，m²/m³。

2"結(jié)果與討論

2.1"玻璃鋼制品TVOC釋放速率隨時(shí)間變化規(guī)律

在溫度23 ℃、相對(duì)濕度50%、氣體交換率為1 h^-1的條件下，模擬玻璃鋼制品常溫通風(fēng)放置處理工藝下的釋放規(guī)律，其TVOC衰減擬合曲線見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃鋼制品中TVOC釋放速率逐漸降低，并隨時(shí)間變化符合一階衰減模型，即y=1.544 5+1.372 1e^{（-x/59.202 1）}，相關(guān)性良好。基于該模型，能得出此條件下玻璃鋼制品中最大TVOC釋放速率為2.917 mg/（m²·h），穩(wěn)定釋放速率為1.544 mg/（m²·h），且最大釋放速率至穩(wěn)定釋放速率時(shí)的TVOC降幅僅為47%。這表明單純依靠此條件來(lái)降低玻璃鋼制品中的TVOC含量周期長(zhǎng)、成效低，即實(shí)際處理工藝中不能只通過(guò)常溫通風(fēng)放置措施來(lái)降低玻璃鋼制品中的TVOC含量。

2.2"溫度對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放的影響

在相對(duì)濕度50%、氣體交換率為1 h^-1的條件下，探究溫度（18、23和28 ℃）對(duì)玻璃鋼制品中TVOC釋放速率的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨測(cè)試溫度的升高，玻璃鋼制品中TVOC釋放速率增大，且前期釋放速率下降越快。在12 h和溫度28 、23 ℃條件下的TVOC釋放速率分別是18 ℃的8.5和2.6倍；從12 h到60 h，在溫度18、23和28 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的釋放速率降幅分別為23%、25%和53%。溫度對(duì)玻璃鋼制品中VOC釋放影響的因素主要是材料內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)、分隔系數(shù)和VOC蒸汽壓。升高溫度，一方面使得內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)增大，加快VOC從內(nèi)部向表層的釋放，同時(shí)降低了分隔系數(shù)，促使VOC更快得從界面層的材料側(cè)擴(kuò)散到界面層的空氣側(cè)；另一方面使得材料內(nèi)部VOC蒸氣壓升高，玻璃鋼制品和艙內(nèi)空氣流動(dòng)相的邊界層VOC蒸汽壓梯度增大，進(jìn)一步促進(jìn)VOC的釋放^[17-18]。

此后，隨著艙體內(nèi)持續(xù)通風(fēng)換氣，致使玻璃鋼制品內(nèi)部的VOC濃度逐漸降低，先前起主導(dǎo)作用的VOC蒸汽壓影響效應(yīng)逐漸減弱，而影響效應(yīng)較弱的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)VOC釋放起主要作用，從而呈現(xiàn)出3種溫度條件下的TVOC釋放速率差異逐漸變小^[17-18]。因此，溫度對(duì)玻璃鋼制品中TVOC的釋放短期影響較大，長(zhǎng)期釋放影響較小，由此表明實(shí)際處理工藝中無(wú)需過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤，成本高、后期成效低。

2.3"相對(duì)濕度對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放的影響

在溫度23 ℃、氣體交換率為1 h^-1的條件下，探究相對(duì)濕度（30%、50%和70%）對(duì)玻璃鋼制品中TVOC釋放速率的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著相對(duì)濕度的增加，玻璃鋼制品中TVOC釋放速率逐漸增加，且相對(duì)濕度越高，釋放前期TVOC衰減幅度越大。12 h時(shí)，相對(duì)濕度70%和50%時(shí)，TVOC釋放速率分別是相對(duì)濕度30%的2.2和1.4倍；從12 h到60 h，相對(duì)濕度30%、50%和70%對(duì)應(yīng)的釋放速率降幅分別為18%、25%和39%。相對(duì)濕度對(duì)玻璃鋼制品中VOC釋放的影響主要有2方面：一是增加相對(duì)濕度，可以提高艙內(nèi)水蒸氣壓，降低了其與玻璃鋼制品內(nèi)部水蒸氣壓間的梯度差，促使玻璃鋼制品內(nèi)部水蒸氣蒸發(fā)變慢，而材料內(nèi)部水蒸氣的蒸發(fā)需要吸收熱量，故而對(duì)玻璃鋼制品內(nèi)部VOC釋放的阻礙作用減??；二是艙內(nèi)相對(duì)濕度增大時(shí)，玻璃鋼制品內(nèi)部水分子的蒸發(fā)變慢，內(nèi)部水分子所占孔隙空間變大，而玻璃鋼制品中主要以芳烴類、酯類、烷烴類等疏水性化合物為主，促使這些化合物分子所占孔隙空間變小，加速了其從材料內(nèi)部的釋放^[18-19]。

此外，隨著玻璃鋼制品內(nèi)部VOC的不斷釋放，不同相對(duì)濕度下的TVOC釋放速率差值逐漸減小，即相對(duì)濕度對(duì)玻璃鋼制品中TVOC的釋放短期影響較大，長(zhǎng)期釋放影響較小。

2.4"氣體交換率對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放的影響

在溫度23 ℃、相對(duì)濕度50%的條件下，探究氣體交換率（0.5 、1和2 h^-1）對(duì)玻璃鋼制品中TVOC釋放速率的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，增大氣體交換率，玻璃鋼制品中TVOC釋放速率隨之增大，且前期釋放速率下降越快。在12 h時(shí)，氣體交換率為2 、1 h^-1時(shí)，TVOC釋放速率分別是0.5 h^-1時(shí)的8.4和2.7倍；從12 h到60 h，氣體交換率0.5、1和2 h^-1時(shí)對(duì)應(yīng)的釋放速率降幅分別為24%、25%和51%。增大氣體交換率可以促進(jìn)玻璃鋼制品中VOC釋放的原因：隨著氣體交換率的增大，艙內(nèi)TVOC濃度不斷降低，玻璃鋼制品和艙內(nèi)空氣流動(dòng)相的邊界層濃度梯度隨之增大，促使VOC更快的通過(guò)邊界層進(jìn)入空氣^[18-20]。此外，隨著VOC的不斷釋放，玻璃鋼制品中各TVOC釋放速率差異逐漸減小，說(shuō)明氣體交換率的前期影響效應(yīng)明顯，后期減弱。

綜上所述，提高溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率能短期內(nèi)快速促進(jìn)玻璃鋼制品中TVOC的釋放，結(jié)合衰減曲線、實(shí)際處理工藝和成本，建議玻璃鋼制品采取短時(shí)間烘烤通風(fēng)（如65 ℃烘烤6 h）后室外通風(fēng)涼放一段時(shí)間（如不少于15 d）的后處理措施，其中烘烤通風(fēng)環(huán)節(jié)可適當(dāng)提高溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率。

3"結(jié)語(yǔ)

研究通過(guò)檢測(cè)玻璃鋼制品在不同時(shí)間、溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率下的TVOC釋放速率，探究了各外界因素對(duì)玻璃鋼制品中TVOC釋放的影響。

（1）玻璃鋼制品中TVOC釋放速率隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，并符合一階衰減模型，即y=1.544 5+1.372 1e^{（-x/59.202 1）}，相關(guān)性良好；

（2）提高溫度、相對(duì)濕度和氣體交換率能加速玻璃鋼制品中TVOC的釋放，且前期影響效應(yīng)明顯，后期減弱；

（3）綜合考慮玻璃鋼制品中TVOC釋放特性、實(shí)際處理工藝和成本，建議先采取短時(shí)間增溫、增濕、增大氣體交換率的烘烤通風(fēng)措施（如65 ℃烘烤6 h），再室外通風(fēng)涼放一段時(shí)間（如不少于15 d）。

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收稿日期：2023-09-06；修回日期：2023-12-08

作者簡(jiǎn)介：吳"彤（1988-），女，碩士，工程師，主要從事非金屬材料環(huán)保性能檢測(cè)研究；E-mail：wutong@grgtest.com。

通訊作者：郭力茹（1983-），女，碩士，工程師，主要從事輕工業(yè)品環(huán)保檢測(cè)研究；E-mail：guoliru_88@163.com。

引文格式：吳"彤，田光超，王詠祥，等.外界因素對(duì)玻璃鋼制品TVOC釋放變化的影響研究[J].粘接，2024，51（2）：46-49.