热压工艺和环境参数对刨花板TVOC和甲醛释放量的影响1)

王敬贤 沈 隽

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

人的一生有80%以上的时间是在室内度过的，因此，室内空气质量倍受关注。现代建筑中，装饰材料、家具和针织物会释放出大量的甲醛和挥发性有机化合物(TVOC)，它们被公认是产生室内空气污染的主要因素。同时，由于空调的使用和节能减排的要求，室内的通风量减少，室内空气污染加重。室内空气品质低劣可能会引发多种症状，如：头痛;眼睛，鼻子或喉咙疼痛;干咳;头晕恶心;注意力分散和疲倦［1-4］。刨花板是室内装饰及家具的主要材料，研究刨花板挥发性有机化合物释放量及影响TVOC释放的因素，对控制室内空气质量有积极作用。影响人造板挥发性有机化合物散发量的因素包括：内因——材料制作工艺、材料结构、材料气体初始浓度、扩散系数、分隔系数等;外因——室内环境温度、湿度、风速、气体流动状况等［5］。不同工艺生产的板材具有不同的气体初始浓度和扩散系数，它们决定着气体的释放量，而环境参数通常是通过改变内因而影响气体的散发量。Peder Wolkef［6］研究了表面风速、温度和湿度对地毯、PVC地板以及水性墙体漆VOC单体释放量的影响。张寅平等［7］采用多平衡态回归法测量了不同温度下密度板中可散发甲醛的含量，认为温度升高，甲醛可散发的含量增加。本文则以市售刨花板为研究对象，结合板材制作工艺，研究板材TVOC和甲醛在不同环境下的自然挥发量，研究热压工艺和环境参数对板材有机挥发气体散发的影响，为板材生产和使用提供参考。

1 材料与方法

试验选用3种不同生产工艺压制的E1级刨花板，厚度均为16 mm，密度0.7 g/cm3，热压工艺参数见表1。在生产当天把刨花板按照尺寸为23 cm×24 cm切割成小块试件，立即用铝胶带封边，使双面暴露面积为(21 cm×22 cm×2)0.09 m2，然后用铝箔纸紧紧地包裹试件，放入冰柜中-30℃保存待用。

表1 3种刨花板的热压工艺参数

仪器：人造板有机挥发气体采集装置，由东北林业大学设计制造，容积为0.09 m3，集空气净化装置、空气置换装置、温湿度控制装置于一身，可模拟室内环境。气体采集装置的温度偏差±1℃，相对湿度偏差±5%。PGM—7240型手持式VOC检测仪，由美国RAE公司生产，可快速检测出环境中TVOC的质量浓度。4160—19.99 m型甲醛分析仪，由美国INTERSCAN公司生产，精度为0.01 mg/m3。

方法：试验前调整采样舱内的环境温度和相对湿度至稳定，具体设定值见表2。产品负载率为1 m2/m3，气体交换率为1 次/h，空气流量为 1.5 L/min，板材表面风速为(0.1～0.3)m/s，装置在此条件下控制运行1 h，要求舱体内背景TVOC的质量浓度＜10 μg/m3。

试件在不同试验检测条件下平衡后进行气体质量浓度检测。试验时将板材平放于采样舱的中心位置。检测时分别将手持式TVOC检测仪和甲醛分析仪的进气管接入采样装置的出气口，气体被吸入到传感器内进行测定。前1 h每隔15 min测1次，测5 min，取5 min内数值的平均值作为该点的甲醛和TVOC质量浓度值。第2～4 h每隔30 min测1次，之后随TVOC质量浓度变化幅度的减小，测量间隔时间延长。测试时间持续46 h。

表2 特定试验中采样舱内的各参数设定值

2 结果与分析

2.1 热压工艺对TVOC和甲醛释放的影响

在试验1的环境条件下(采样舱的温度为23℃，相对湿度为45%)，应用PGM—7240手持VOC检测仪对3种刨花板所释放的TVOC和甲醛质量浓度进行连续测定，得到标准条件下试件的TVOC质量浓度随时间的变化曲线。由图1可见，TVOC的质量浓度/时间曲线在前1 h上升到最大值，然后快速地下降直到达到稳定值，这一时期TVOC释放速率变化显著，为活跃期。在25 h以后，曲线比较平稳，释放量稳定，为稳定期。释放前期，TVOC的最大释放量是由刨花板P1得到，P2次之，P3最小。刨花板P1所释放的TVOC最大质量浓度为91μg/m3，它比P2和P3的最大值分别高出25μg/m3和42μg/m3。稳定期P1～P3的TVOC质量浓度分别为33、29、25μg/m3。由此可以得到，热压参数对刨花板中的TVOC释放量有明显的影响，并且随着热压时间的延长，TVOC的释放量随之增加。应用4160—19.99 m型甲醛分析仪连续测定试件所释放的甲醛质量浓度，得到标准条件下甲醛释放量随时间变化的曲线。由图2可知，甲醛质量浓度/时间曲线的变化趋势与图1趋势相一致，但甲醛的变化速率较TVOC的缓慢。甲醛的质量浓度在4～8 h时达到最大值，在35 h后趋于稳定。释放前期，甲醛的最大释放量也是由刨花板P1得到(0.08 mg/m3)，P2次之(0.06 mg/m3)，P3 最小(0.04 mg/m3)。由此可以得到，热压参数对刨花板中的甲醛释放量也有明显的影响，影响趋势与对TVOC释放量的影响趋势一致。出现这种现象的原因是：当热压时间延长、压力升高，更多的水蒸气移动到板坯的表面，而水蒸气的传递带动更多的TVOC和甲醛传递到板坯表面。因此，板材中的挥发性气体在短期释放过程中，板材表面集聚的气体浓度越高，与环境的浓度差越大，气体越易于从板材表面释放到空气中。

2.2 环境参数对TVOC和甲醛释放量的影响

在试验2单因素条件下，对刨花板P2分别连续46 h测定TVOC释放量，得到温度变化对TVOC释放量影响的质量浓度/时间曲线。由图3可知，在15℃时，TVOC的质量浓度最低，当温度上升到25℃时，TVOC的质量浓度略有增加，在35℃下，前20 h的质量浓度/时间曲线明显升高。15、25、35℃下，TVOC释放峰值比例为1∶1.29∶1.73，稳定值的比例关系为1∶1.07∶1.11。由此可见，环境温度对板材TVOC的释放量有显著影响，随着温度的升高，TVOC释放量随之增加，板材中TVOC的释放达到稳定状态的测试时间也随之延长，且在活跃期，温度对板材中TVOC释放量的影响较稳定期更显著。

图1 热压工艺对刨花板TVOC释放量的影响

图2 热压工艺对刨花板甲醛释放量的影响

图3 温度对刨花板TVOC释放量的影响

由图4可知，温度的变化同样影响甲醛的释放量。在35℃下，甲醛的最大质量浓度值为0.08 mg/m3，当温度降低到25℃和15℃时，甲醛质量浓度峰值分别下降了25%和50%。在30 h后，25℃和15℃下所得曲线相接近。由此说明，温度的升高也可以加快板材中甲醛的释放。

随着温度的升高，TVOC和甲醛的释放量非线性增加。原因是温度的增高可以提高VOC的蒸汽压，改变VOC的散发特性。Antoine公式可以表示温度和VOC蒸汽压的关系，即：

式中：P是化合物蒸汽压(kPa);T是绝对温度(K);a、b和c都是大于零的参数，b=ΔHvap/R，ΔHvap是蒸发热，R是气体常数。由此可见，当其它参数一定时，温度升高，则VOC蒸汽压增大，从而促进板材中挥发性气体向空气中扩散。在VOC由材料内部向空气中扩散的过程中，VOC在材料内部的扩散起主导作用，因此VOC在材料内的扩散系数直接影响到板材挥发性气体的释放。气体扩散系数与环境温度的关系可被认为遵循Arrhenius经验公式，即：

式中：Dm指温度T下的扩散系数(m2/h);Dm，0指特定温度下的扩散系数(m2/h);Ed指活化能;R指气体常数;T是指绝对温度［8］。由公式(2)可知，温度的变化可以改变材料内TVOC和甲醛的扩散系数(Dm，0)，且温度增高，气体扩散系数(Dm)也增大。按照传质理论模型，气体的扩散系数(Dm)直接贡献于气体的扩散，扩散系数越大，越有利于气体的散发。

图4 温度对刨花板甲醛释放量的影响

试验3对比了相对湿度变化对TVOC和甲醛释放量的影响，其结果如图5和图6所示。相对湿度为30%的条件下，TVOC的质量浓度低于相对湿度为45%和75%下的质量浓度值。当测试时间延长到30 h以后，TVOC释放稳定。相对湿度为30%条件下，所得TVOC质量浓度峰值为61μg/m3，稳定值为28μg/m3。当相对湿度升高到45%和75%时，TVOC的质量浓度峰值比相对湿度30%下的峰值分别增加了8.2%和28%，稳定期TVOC的质量浓度值比相对湿度30%下的数值分别增加了3.3%和10%。由此可见，相对湿度的增大可以加速板材内TVOC的释放，且在活跃期，相对湿度对TVOC释放量的影响作用较稳定期显著。当相对湿度改变时，环境气体压力和VOC蒸汽压也随之改变，从而影响到气体的释放。从VOC传质机理上讲，相对湿度的改变可以影响气体的扩散系数。相对湿度的增大，绝大多数气体(不与水蒸气发生化学反映的气体)的扩散系数也随之增大，梅宁［9］等以氧气的扩散系数随相对湿度的变化值验证了这一结论。

图5 相对湿度对刨花板TVOC释放量的影响

图6 相对湿度对刨花板甲醛释放量的影响

图6为P2在不同相对湿度下的甲醛释放量的变化。由图6可见，在相对湿度改变的条件下，甲醛质量浓度随时间的变化趋势与图5一致，即采样舱内的相对湿度越大，测得甲醛的质量浓度值越高，且在活跃期，不同湿度下质量浓度值差异较大。而在相对湿度为30%和45%下，稳定期的甲醛质量浓度值一致。由此可见，相对湿度的提高促进了甲醛的释放，而这种促进作用对甲醛释放的影响比TVOC更为显著。笔者认为，相对湿度对甲醛释放量的影响较对TVOC释放量的影响更为显著的原因，可能是甲醛易溶于水，而绝大多数VOC不溶于水。

3 结论

刨花板热压工艺对板材TVOC和甲醛的释放量有明显的影响，随着热压时间的延长和热压压力的增大，板材所释放TVOC和甲醛的量明显增大。因此，TVOC和甲醛的释放量可以通过适当调整热压工艺参数来控制。

环境参数影响板材TVOC和甲醛的释放量。随着环境温度和相对湿度的升高，其前期释放量明显增加。温度对释放量的影响比相对湿度的影响更为明显，与此同时，相对湿度对甲醛释放量的影响比对TVOC释放量的影响也更为显著。因此，在冬季，尤其是采用地热供暖的房屋，室内有害气体的蓄积量最高，应注意室内的通风，以减小对人体的危害性。

［1］Kim Y M，Harrad S，Harrison R M.Concentrations and sources of VOCs in urban domestic and public microenvironments［J］.Environ Sci Technol，2001，35(6)：997-1004.

［2］Meininghaus R，Salthammer T，Knöppel H.Interaction of volatile organic compounds with indoor materials—a small scale screening method［J］.Atmospheric Environment，1999，33(15)：2395-2401.

［3］欧超燕，赵进顺，杨红.室内空气中挥发性有机化合物污染的研究现状［J］.东南大学学报：医学版，2003，22(4)：282-286.

［4］Little JC，Hodgson A T，Gadgil A J.Modeling emissionsof volatile organic-compounds from new carpets［J］.Atmospheric Environment，1994，28(2)：227-234.

［5］莫安辉，李刚.建筑装饰材料表面有害气体散发规律的研究［J］.科技资讯，2007(36)：85-86.

［6］Wolkoff P.Impact of air velocity，temperature，humidity，and air on long-term VOC emissions from building products［J］.Atmospheric Environment，1998，32(14/15)：2659-2668.

［7］张寅平，钱科，王新轲，等.温度对建材中可散发甲醛含量的影响［J］.工程热物理学报，2008，29(7)：1171-1173.

［8］Yang Xudong，Chen Qingyan，Bluyssen P M.Prediction of shortterm and long-term volatile organic compound emissions from SBR bitumen-backed carpet under different temperatures［J］.ASHRAE Transactions，1998，104(2)：1297-1308.

［9］梅宁，尹凤，陆虹涛.湿度变化对气体污染物扩散影响的研究［J］.中国海洋大学学报，2006，36(6)：987-990.