木质材料甲醛和VOCs释放控制技术研究进展

王敬贤

（辽宁省林业科学研究院，辽宁沈阳110032）

综述评论

木质材料甲醛和VOCs释放控制技术研究进展

王敬贤

（辽宁省林业科学研究院，辽宁沈阳110032）

文章概括了木质材料甲醛和VOCs的释放来源，介绍了木质材料甲醛和VOCs释放特性及其控制技术研究进展，探讨了其在应用中存在的问题和未来发展方向，为提高木质产品环保性能、完善产品环保认证体系提供参考。

木质材料；甲醛；VOCs；控制技术

近年来，随着因装饰材料有害气体超标而引发人体健康问题案例的增多和媒体的报道，室内空气品质问题已经引起人们广泛的关注。室内挥发性有机污染物会引起“建筑相关疾病”和“多种化学污染物过敏症”，导致身体有不舒适感。若长期处于高浓度的游离甲醛、苯系物和其他挥发性有机污染物中，可以引发癌症、白血病等疾病，甚至是死亡。据统计，全球每年有超过2 000万人口的死亡与室内空气污染有直接关系。因此，掌握甲醛和VOCs的释放来源、评价其影响因子、探索控制其释放的技术方法，对提高木质材料环保性能和室内空气品质具有重要意义。

1 木质材料甲醛和VOCs来源

挥发性有机化合物（volatile organic compounds，简写VOCs）和甲醛是室内空气中主要污染物，VOCs的量化指标总挥发性有机化合物和甲醛都已列入我国室内空气污染物检测项目中。世界卫生组织将VOCs定义为室温下饱和蒸汽压超过133.322 Pa、沸点在50～260℃的挥发性有机化合物，因此，VOCs不包括甲醛。木质材料及其制品是室内挥发性有害气体的主要来源，而木质材料中甲醛和VOCs的主要来源有以下几方面：

①木材抽提物。木材的抽提物包括了树脂酸、脂肪酸、醇类、萜烯类化合物和芳香类化合物等复杂成分，有些成分在常温下就易挥发，如萜烯类化合物；有些成分则在高温的作用下氧化降解而产生VOCs，如醛类化合物主要来源于树脂酸的氧化降解。

②木材主要组成成分。纤维素、半纤维素和木质素在高温或长时间加热会发生热降解，生成酸、醇、醛类等物质。例如，半纤维素脱乙酰化作用可形成乙酸。

③胶粘剂及改性剂。脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂等胶黏剂以及阻燃剂、防腐剂等化学改性剂本身就存在游离甲醛、游离酚或氨等，并在使用过程中逐渐向周围环境释放，最长释放期可达十几年。

④油漆涂饰。油漆的溶剂和成膜物质中含有大量的易挥发性有机化合物，在涂饰和使用过程中会释放到空气中。由于油漆种类和成分的不同，因此其释放的VOCs成分复杂，主要是醇类、醚类、酯类和酮类等化合物，其中含有苯环的芳香类化合物对人体的危害作用远大于甲醛。

2 木质材料甲醛和VOCs释放研究进展

早在20世纪90年代，国外学者就测定了木材及人造板所释放的VOCs的主要成分。对于锯材和锯屑来讲，其主要成分就是萜烯类化合物、有机酸和醛类化合物。在锯材中萜烯类化合物的释放量占释放总量的81%左右，醛类释放量仅为1%，而在锯屑中萜烯类化合物的释放量仅占总量的20%～ 22%，醛类释放量上升至总量的27%～32%。由此可见，萜烯类化合物是木材本身成分挥发释放出来的，且在常温下就极易挥发，木材经过加工处理后，这部分物质释放量将显著降低，而醛类化合物因高温的作用而又大量形成。Baumann等[1]发现刨花板和中密度纤维板所释放的VOCs主要是萜烯类和醛类化合物，还有少量醇类化合物和丙酮。其中，萜烯类化合物占VOCs释放总量的7%～21%，主要是α-蒎烯、β-蒎烯、莰烯、3-蒈烯、柠檬烯、龙脑等；醛类化合物（不含甲醛）占VOCs释放总量的40%～81%，主要是戊醛、己醛、庚醛、苯甲醛辛醛、壬醛等。此外，研究还发现人造板VOCs释放量和单体种类与木材树种密切相关。

国内关于VOCs的相关研究起步较晚，但近几年对室内VOCs及建材所释放的VOCs采样方法、检测手段、释放物种类以及模型的建立等方面研究取得很大进步。沈隽团队对人造板VOCs释放检测技术及释放特性做了系统的研究，主要包括VOCs检测方法、成分分析及评价方法，也对有害气体释放影响因子、释放预测模型、人造板环保生产工艺方案、饰面方案等进行了系统的研究，并编写了人造板挥发性有机污染物排放清单和室内装饰用人造板挥发性有机化合物释放限量标准，开发了室内空气质量评价软件和可控制背景浓度的小型环境舱。

3 木质材料甲醛和VOCs释放控制技术

关于木质材料游离甲醛和VOCs释放及控制技术的相关研究较多，其控制方法分为物理方法和化学方法。

3.1 物理控制方法

①吸附法：是最常用的物理控制方法。因其去除效率高、净化彻底、工艺成熟、实用等优点，常被用于室内吸附游离甲醛、提取样品中的VOCs和压制自清洁人造板。但吸附材料也有一些缺点，如对特定的污染物具有选择性，处理设备庞大，需要定期更换或再生，尤其当废气中有胶粒物质或其它杂质时，吸附剂容易失效，易造成二次污染等，因而使其应用和研究受到限制。

②工艺参数控制：除了采用吸附剂与木材复合压制自清洁人造板外，还可通过控制干燥工艺和人造板生产工艺参数以及贴面等手段从源头控制挥发性有机物释放。目前，大量的研究证实，树种、含水率、干燥温度和热压工艺都会影响木材以及人造板的有机挥发物的散发。Wang等[2]发现热压温度、时间、胶种、树种等工艺参数对VOCs释放有不同程度的影响。Makowski和Ohlmeyer[3]认为延长热压时间可以降低萜烯的释放量，但加速了挥发性醛类的形成；高热压温度（260℃）会导致萜烯的释放量减少，并且醛类的初始释放量也较低；表面平滑的定向刨花板萜烯的释放量较低。龙玲[4]研究了干燥过程中影响木材VOCs和甲醛释放的影响因子，认为降低干燥温度和提高木材终含水率，可以显著减少醛类物质、甲醇和有机酸的排放量。邵明坤[5]认为：随着热压温度升高、热压时间延长、含水率降低，游离甲醛释放量降低；刘玉[6]发现随着热压温度升高，刨花板所释放出来的VOCs种类和释放量都随之增多。陈峰[7]研究发现：饰面方法影响游离甲醛和挥发性有机物的释放，贴面处理能很好地降低污染物释放量。

③环境因子控制：外部环境因素对游离甲醛和VOCs释放也有显著影响。Wolkoff[8]发现温度和相对湿度的提高可以加快VOCs的释放，但影响作用因单体种类而异。Martin认为温度和相对湿度的增加可以提高VOCs和甲醛的释放量，但因木材的吸湿特性会导致相对湿度超过90%后甲醛释放量反而降低。大量研究表明：温度对游离甲醛和VOCs释放量影响最大，温度升高，板材内部扩散系数也会随着提高，游离甲醛和VOCs分子的活性也提高，释放量增加；换气率也会影响甲醛和VOCs释放量，它是通过改变板材周围甲醛和VOCs浓度，导致板材内外气体浓度梯度发生变化，从而影响甲醛和VOCs释放量；相对湿度越大，大量的水蒸汽会进入板材内部，使内部游离甲醛部分溢出，导致游离甲醛释放量略微增加。因此，通过改变木质材料周围环境，可以改变材料的VOCs和甲醛释放速率。

3.2 化学控制方法

除了通过物理方式降低木制品游离甲醛和VOCs的释放外，利用纳米光敏材料催化降解有机物的研究和胶黏剂改性降低游离醛的研究备受关注。

①光催化技术：与其它污染物控制技术相比，其对污染物去除效率高、反应速率快、二次污染少、成本低廉，因此备受关注。纳米二氧化钛是几种应用比较广泛的光催化材料中的一种，因其低毒、性质稳定、光催化活性高、价格低廉等优点被广泛用于污水治理、空气净化等领域。2005年，周晓燕[9]将纳米TiO2与蒸馏水混合后喷施在刨花表面，制成具有自洁功能的刨花板。程大莉[10]通过真空加压方法将竹炭/TiO2复合体浸渍到杨木单板中，单板干燥后涂胶组培热压成型制成自洁人造板，研究了影响界面胶合性能的因素，确定最佳工艺条件：热压压力为1.2 MPa，浸渍压力为1.6 MPa，涂胶量250 g·m-2。

②胶黏剂改性技术：胶黏剂是木质复合材料生产中必不可少的原料，同时更是游离甲醛和VOCs的主要来源。为了降低胶黏剂的游离甲醛含量，常采用低摩尔比配方、改进合成工艺、加入各种改性剂等方法。夏松华[11]等利用超声波与纳米TiO2改性脲醛胶，发现：其胶合强度、游离甲醛含量和板材游离甲醛释放量都大幅度改善；通过13C-核磁共振对改性脲醛树脂结构进行分析，发现生成新的结构稳定的Uron-CH2-Uron，从而不易分解释放出游离甲醛。林巧佳[12]等发现：经纳米二氧化硅改性后的脲醛树脂不仅可以提高胶合强度而且可以降低游离甲醛含量。

由于木质材料及其制品的工艺差异而导致挥发性有机物控制方法不尽相同，因此需针对该产品的工艺特点采取适宜的方法来提高产品的环保性能。

4 结论

我国是人造板生产大国和消费大国，人造板的出现，缓解了我国木材市场供需矛盾，但同时也带来了室内甲醛和VOCs等有害气体超标的问题。随着科技的发展和公众对VOCs认知的提高，我国的木质材料及其制品的环保性能也有了显著提高，同时，关于木质材料及其制品甲醛、VOCs测试方法和释放限量的国家标准也在相继制定中和颁布实施，使得我国木制品市场进一步规范化。虽然国内外学者对木质材料所释放的甲醛和VOCs进行了深入而广泛的研究，并取得了很多突破性进展，但也存在一些问题。首先，关于木质材料VOCs释放的研究主要集中在检测技术和影响因子等方面，对于VOCs产生的根源和机理研究不够深入，导致不能从根源上彻底解决产品存在环保问题。其次，有效、操作性强的甲醛和VOCs释放控制技术有待开发，现有技术从某种程度上可以降低有害气体释放量，但是一般降低效率有限、工厂实际生产操作性不强，不能满足实际需求。最后，相对于国外，我国甲醛和VOCs相关标准较少。国外对木质材料甲醛和VOCs的采集方法、测试方法、释放限量、环保标志形成了体系完善的技术标准和质量认定体系，例如德国的AgBB/DIBt、法国的Afsset、美国的绿色卫士认证和BIFMA系列工业标准、日本的JIS A 1901和JIS A 1911标准、ISO16000系类标准等。我国近几年也在制定和出台了相关标准，如GB/T 18580《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》和GB/T 29899-2013《人造板及其制品中挥发性有机化合物释放量试验方法——小型释放舱法》已颁布实施，但关于人造板及其制品的VOCs释放限量标准及产品认证体系一直未出台。

综上所述，虽然我国对木质材料有害气体释放的研究起步较晚，但发展很快，特别是在检测方法、释放特性、影响因子、预测模型等方面。然而木质材料甲醛和VOCs释放控制技术、释放机理需要更进一步的探索与研究，才能为提高木质材料及其制品的环保性能和完善木材行业环保认定体系提供科学支撑。

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(责任编辑：董莉莉)

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1001-1714（2017）03-0044-04

2017-03-10

辽宁省博士启动基金（201501114）。

王敬贤（1985-），女，工程师，主要从事木制品环保技术研究。E-mail：wangjingxian_1985@163.com。