基于气候箱的中密度纤维板甲醛散发特征研究

兴 丰，宋 伟，鹿振友，张双保

（1.北京林业大学，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083；2.柯诺（北京）木业有限公司，北京 100068）

中密度纤维板（medium density fiberboard，MDF）是以植物纤维、胶黏剂为原料，经热压制造的木基复合材料.凭借优良的物理力学、装饰加工等性能，MDF已广泛用于家具制造、室内装修、建筑材料等领域.由于多采用脲醛树脂作为胶黏剂，MDF制品在使用中容易释放甲醛，污染室内空气并引发多种健康问题［1－8］.但现有研究就MDF厚度、甲醛散发通道及环境温度、相对湿度和空气交换率等对MDF甲醛散发量影响的探讨较少，也缺少对MDF甲醛散发机理的分析.

本文借助气候箱模拟室内环境，测试了MDF甲醛散发量，探讨了MDF 厚度和封闭方式（即甲醛散发通道）及气候箱温度、相对湿度和空气交换率对MDF甲醛散发量的影响，并诠释了MDF甲醛散发机理，从而为控制MDF甲醛污染提供理论依据.

1 试验

1.1 材料及预处理

所用MDF 取自柯诺（北京）木业有限公司，已存放约2周.测试前每边截去100mm，然后切割成试件.将试件密封并以（23.0±0.5）℃、相对湿度（45±5）%调质，避免甲醛损失，降低试验误差.测试用MDF信息见表1.

表1 测试用MDF信息Table 1 Information of MDF for experiment

1.2 测试及分析方法

以强碱洗涤剂清洁气候箱内壁，并依次用自来水和软化水冲洗，除去可能残留的污染物，随后借助热吹风干燥.按图1所示连接各试验部件.开启恒温水浴设备使气候箱内温度保持在（23.0±0.5）℃，启动搅拌风扇并通入相对湿度（45±5）%的洁净空气吹扫2h，检查气候箱密闭性并调节空气流速.按表2设定气候箱的温度、相对湿度和空气交换率，空载运行2h后放入已按表2设置条件处理的试件.每隔一定时间抽取10 L气候箱内空气并使之通过吸收瓶，令甲醛全部溶于蒸馏水.依据GB／T 15516—1995《空气质量 甲醛的测定 乙酰丙酮分光光度法》测量吸收液中的甲醛浓度，分析气候箱内MDF甲醛散发量.

图1 MDF甲醛散发测试系统Fig.1 Experimental system for formaldehyde emission of MDF

表2 测试方案Table 2 Experimental schemes

2 结果与讨论

2.1 MDF厚度对甲醛散发量的影响

MDF厚度对甲醛散发量的影响见图2.由图2可见：（1）试验初期，MDF释放甲醛较快，气候箱内甲醛散发量快速上升，原因在于气候箱内气流速率较小，导致MDF 表面气膜阻力和气候箱内甲醛浓度差均可忽略，令甲醛扩散阻力较小［9－10］.（2）MDF厚度较小时，甲醛释放速率较快，散发量较大，原因在于板材越薄，甲醛释放路径越短，降低了板内甲醛扩散到板面的耗时.

图2 MDF厚度对甲醛散发量的影响Fig.2 Effect of thickness of MDF on formaldehyde emission

2.2 MDF封闭方式对甲醛散发量的影响

MDF封闭方式对甲醛散发量的影响见图3.由图3可见，四周端面封闭和上、下表面封闭的MDF（4＃，5＃组板材），其甲醛散发量峰值明显低于未封闭的MDF（1＃组板材），说明MDF 四周端面和上、下表面是其甲醛散发的重要通道.4＃组板材甲醛散发量最低，说明MDF 四周端面是甲醛散发的最主要通道.MDF四周端面甲醛初始散发量是其上、下表面甲醛初始散发量的1倍以上.

图3 MDF封闭方式对甲醛散发量的影响Fig.3 Effect of sealed method of MDF on formaldehyde emission

2.3 温度对MDF甲醛散发量的影响

温度对MDF 甲醛散发量的影响如图4 所示.由图4可见，MDF甲醛散发量随温度升高而显著增加.这是因为，一方面，高温下甲醛分子热运动加强，更容易脱附并释放出来［11］；另一方面，固化的脲醛树脂在高温下发生分解，生成甲醛.

2.4 相对湿度对MDF甲醛散发量的影响

图4 温度对MDF甲醛散发量的影响Fig.4 Effect of temperature on formaldehyde emission of MDF

相对湿度对MDF甲醛散发量的影响如图5所示.由图5可见，MDF 甲醛散发量随相对湿度增大而显著上升.这是因为，高湿会促使脲醛树脂水解，加重甲醛释放［12］；甲醛散发的传质阻力主要在板材内部，而MDF孔隙结构会因吸湿而膨胀，从而有利于甲醛散发的进行.

图5 相对湿度对MDF甲醛散发量的影响Fig.5 Effect of relative humidity on formaldehyde emission of MDF

2.5 空气交换率对MDF甲醛散发量的影响

空气交换率对MDF甲醛散发量的影响见图6.由图6可知，（1）随时间延长，11＃组板材的甲醛散发量不断上升至稳定，这是因为在该条件下气候箱没有进行换气，随时间延长，甲醛散发量不断增加，同时，空气自身对甲醛有降解作用，最终甲醛散发与降解达到平衡.（2）当空气交换率由0增大至1次／h或2次／h时，MDF甲醛散发量下降，原因在于新鲜空气稀释了气候箱内甲醛的浓度.

图6 空气交换率对MDF甲醛散发量的影响Fig.6 Effect of air exchange rate on formaldehyde emission of MDF

3 MDF甲醛散发机理

气候箱内MDF 的甲醛散发过程包括：板内的甲醛分子扩散、板边界层甲醛的吸附／脱附、气流边界层甲醛的对流、气候箱内主流空气中甲醛的传输.参照本研究试验结果，可将甲醛散发过程分为3个阶段：（1）短期快速散发阶段.在此阶段，MDF表面和浅层残留的未反应甲醛快速释放，板表面滞止气膜阻力以及气膜与气相主体间甲醛浓度差引起的扩散阻力因气候箱内的风扇作用均可忽略；（2）中期缓慢散发阶段.MDF 表层的甲醛基本释放后，其内部甲醛分子在内部和表层浓度差推动下逐渐释放出来，释放速率主要取决于MDF 孔隙结构；（3）长期稳定散发阶段.此阶段MDF 内甲醛浓度梯度逐渐形成，但由于甲醛扩散阻力随路径增加而不断增大，MDF甲醛散发过程将持续低速进行.

4 结论

（1）在气候箱中，MDF 甲醛散发量会在短时间上升到峰值，然后逐渐衰退，最终趋于稳定.

（2）MDF 四周端面是甲醛散发的主要通道.MDF四周端面甲醛初始散发量是其上、下表面甲醛初始散发量的1倍以上.此外，甲醛散发量随MDF厚度增大而减小、随气候箱温度和相对湿度升高而增大、随气候箱空气交换率升高而降低.

（3）MDF 甲醛散发过程分为短期快速散发阶段、中期缓慢散发阶段和长期稳定散发阶段.

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