环境条件对DL-SW微舱检测人造板VOCs释放的影响1)

曹田雨 沈隽 刘婉君 邵亚丽

(东北林业大学,哈尔滨,150040) (深圳职业技术学院) (东北林业大学)

近年来，人造板的应用越来越广泛，室内建筑装饰的污染问题也随之而来。但是人造板所用的胶黏剂会释放甲醛、萜烯类、苯系物等污染物[1]，人造板所释放这些挥发性有机化合物会影响室内空气质量，还会对人体健康造成影响，引发咳嗽、头痛、难以集中注意力等症状，超过限制浓度时还会引起恶心、呕吐、乏力等症状[2-4]。邓富介[5]等通过用异氰酸酯改性探究木材TVOC释放的规律，还有学者研发了新型空气质量净化器，旨在更加方便有效地优化空气质量[6]。

人造板VOCs检测方法有多种，其中气候箱法在国内运用广泛[7]，但DL-SW微舱可以快速检测板材试件VOCs，大大缩短了实验周期，检测效率较高，还可以大范围调整控制实验过程中的多个实验参数，模拟试件不同的实际使用环境，与传统环境舱的区别只是容积不同。但是Athanasios[8]使用4种不同容积的气候箱研究地毯释放挥发性有机物质的特性时发现气候箱的体积对TVOC的释放速率影响不大。王启繁[9]利用国产试验微舱对高密度纤维板、刨花板、胶合板释放的VOCs进行检测时发现测得的VOCs释放水平与传统环境舱法基本一致。

外界环境条件一直以来是影响人造板挥发性有机化合物释放的关键因素之一，有学者研究发现各类VOCs的释放受温度和相对湿度的影响程度不尽相同[10]，研究发现环境温度的升高会造成环境舱内污染物的浓度增大，达到平衡的时间也会相应缩短[11-12]。王敬贤[13]研究发现随着环境相对湿度的增大，板材TVOC的释放量呈非线性增大的趋势。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所采用的3种人造板材均由工厂当天生产，胶合板产地为浙江某地，采用的胶黏剂为酚醛胶黏剂；中密度纤维板产地为广东某地，采用的胶黏剂为MDI胶；刨花板产地是黑龙江某地，胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂。试验板材的其他具体参数如表1。板材的初始幅面尺寸为1 220 mm×2 440 mm，经过裁板制成半径为30 mm的圆形适用于DL-SW微舱检测，采用铝制胶带封住边部，防止挥发性有机化合物从板材边部逸出释放，并存放于冰柜中密封冷藏。

表1 实验板材基本参数

DL-SW微舱：原理图如图1所示，此试验微舱由东北林业大学与东莞升微有限公司联合研发，微舱由6个试验微池组成，实物图如图2所示，可以同时检测6个样品，检测效率高，并且舱体的本底质量浓度≤20 μg·m-3[14]，对实验结果的影响小。微舱设有加热装置与加湿装置，并且每个微池前都设置有流量计，可以调整试验所需的温度与相对湿度，气体交换率等多个实验参数，并且调整范围广，相对湿度可以高达90%，温度可以高至250 ℃，可以模拟实现各种实验环境。

图1 DL-SW微舱结构原理图

Tenax-TA吸附管：试验所用的采样管是由英国MARKES公司生产的Tenax管，外径6.4 mm，长度89 mm，在两端配有铜制螺帽以防气体样品逸出或被污染。

IAQ-Pro型恒流空气采样泵：由美国Gilian公司生产，可以设置空气流量范围100～600 mL/min，有定时功能使采样体积更精确。

DSQ Ⅱ气相质谱色谱联用仪(GC-MS)：如图3所示，由德国Thermo公司生产，气相色谱以高纯氦气为载气，气体分流比30∶1。质谱采用EI电离，离子源温度230 ℃，质量扫描范围50～650，传输线温度270 ℃，用以分析挥发性有机化合物的含量与种类。

图2 DL-SW微舱

图3 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)

1.2 方法

实验前将试件解冻恢复至室温，将胶合板、中密度纤维板和刨花板3种板材试件分别置于微舱中，每个微池体积为1.16×10-4m3，板材试件采用双面释放，暴露面积为5.652×10-3m2，因此装载率为48.72 m2/m3。实验的温度条件分别是40、60和80 ℃；相对湿度条件分别是40%、60%；气体交换率与复合因子之比分别是0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1。试验过程中通入纯度为99.99%的氮气，每天循环8 h，具体的实验条件如下表2。循环结束用Tenax-TA吸附管和IAQ-Pro型空气采样泵采集2 L气体，气体样本经热脱附后利用GC-MS分析VOCs的含量。筛选匹配度大于750，并且碳原子数在6～16之间含有C、H、O元素的化合物，以氘代甲苯标准溶液为内标物来计算VOCs的质量浓度，试验3次以取平均值。

2 结果与分析

2.1 温度对人造板VOCs释放的影响

温度是外界环境因素中的重要部分，本实验设置40、60、80 ℃ 3个温度梯度，在固定相对湿度、气体交换率与负荷因子之比条件时比较温度对3种人造板VOCs释放的影响，如表2至表4所示。可以看出，3种人造板材受温度的影响变化趋势是一致的，即随着温度的上升，板材释放的TVOC的质量浓度值都随之增大，其中胶合板的VOCs质量浓度增长幅度最大。以胶合板为例，在相对湿度40%、气体交换率与负荷因子之比为0.2 m3·m-2·h-1条件下，温度由40 ℃上升至60 ℃时，VOCs质量浓度增长了133.96%；温度升高至80 ℃时，VOCs质量浓度增长幅度为189.44%，总的涨幅是577.19%。如表4所示，中密度纤维板VOCs质量浓度要比胶合板和刨花板小很多，受温度影响变化趋势也相对较小。可以看出，温度由40 ℃升至60 ℃，中密度纤维板VOCs质量浓度变化幅度较小，而温度变化至80 ℃时变化较大。以相对湿度40%，气体交换率与负荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1为例，两阶段的增长率分别为0.96%和64.39%，总的增长幅度为65.97%。刨花板与胶合板相似，但VOCs质量浓度比胶合板稍小，6种实验条件下的VOCs释放速率总增长幅度也比胶合板小。

表2 温度对胶合板VOCs释放的影响

表3 温度对中密度纤维板VOCs释放的影响

表4 温度对刨花板VOCs释放的影响

温度升高造成了VOCs混合蒸气压的升高，一方面提高了VOCs在板材内的扩散系数，另一方面也提高了气体在空气中的扩散系数，因此人造板的VOCs释放速率均呈现上升趋势。温度由40 ℃上升至60 ℃、80 ℃时，气体分子的动能随温度的上升而不断增大，进一步提高了VOCs在空气中的扩散系数。虽然3种人造板释放的VOCs质量浓度都随温度升高而增大，但是受影响的程度不同，3种板材所含的物质种类与含量不同，所以温度所造成的影响也不一样。

2.2 相对湿度对人造板VOCs释放的影响

实验设置了40%和60%两种相对湿度，在固定温度与气体交换率与负荷因子之比的条件下对每种板材进行了9组实验，相对湿度对人造板VOCs释放的影响如表5—表7所示。通过对比可知，相对湿度对于板材VOCs释放量的影响程度不如温度的影响明显，但总体上也是随着环境相对湿度的升高，板材VOCs的质量浓度也随之增加。胶合板是3种板材中趋势最明显的一个，并且在温度较低时VOCs质量浓度上升的幅度最大。在温度为40 ℃时，在3种气体交换率与负荷因子之比条件下，随着相对湿度的增大胶合板VOCs的质量浓度增长率分别为72.43%、145.64%、102.40%，平均增长幅度106.82%；温度是60 ℃时，增长幅度分别为26%、12.24%、5.72%，平均14.65%；温度为80 ℃时，增长幅度分别为20.92%、0.69%、3.03%，平均增长幅度8.21%。所以随着温度的升高，胶合板释放VOCs的质量浓度受相对湿度的影响逐渐减小，这说明外界因素对于人造板VOCs释放的影响不是单一的，而是相互影响的。而刨花板受到相对湿度的影响介于胶合板与中密度纤维板之间，且刨花板与胶合板有着相似的规律。在低温并且气体交换率与负荷因子之比较低时，中密度纤维板VOCs的质量浓度在相对湿度是40%和60%时几乎持平，温度40 ℃、气体交换率与负荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1时的增长率只有0.84%。

表5 相对湿度对胶合板VOCs释放的影响

表6 相对湿度对中密度纤维板VOCs释放的影响

表7 相对湿度对刨花板VOCs释放的影响

相对湿度的改变，会改变板材内部水分子的扩散系数，与此同时板材内部结构发生吸湿膨胀，VOCs的蒸汽压力也会因相对湿度的改变而改变。通过实验可知，相对湿度的升高，对水分子的扩散以及VOCs的释放有促进作用。同样，因为3种人造板结构孔隙度不同以及VOCs种类不同而受环境相对湿度的影响各不相同。

2.3 气体交换率与负荷因子之比对人造板VOCs释放的影响

实验设置了3种气体交换率与负荷因子之比，分别是0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1，在不同的温度与相对湿度条件下每种板材各形成了6组对比，随着气体交换率与负荷因子之比的升高3种板材VOCs质量浓度的变化趋势如表8—表10所示。可知，3种板材VOCs的质量浓度都随气体交换率与负荷因子之比的增大而呈现下降趋势。对胶合板而言，温度的升高使得板材VOCs的释放受到气体交换率与负荷因子之比的影响逐渐变小，当相对湿度为40%、温度由低到高分别为40、60、80 ℃时胶合板VOCs质量浓度下降幅度分别为56.61%、39.10%和38.14%。这也同样说明了外界因素对于人造板挥发性有机化合物的影响是多元化的、相互影响的。刨花板VOCs质量浓度的变化也体现了与胶合板同样的变化趋势，但中密度纤维板未体现相同的规律。增大气体交换率与负荷因子之比，舱体内的VOCs浓度梯度发生改变，从而对板材释放VOCs起到抑制作用。

表8 气体交换率与负荷因子之比对胶合板VOCs释放的影响

表9气体交换率与负荷因子之比对中密度纤维板VOCs释放的影响

气体交换率与复合因子之比/m3·m-2·h-1温度/℃VOCs的质量浓度/μg·m-3相对湿度40%相对湿度60%0.2401193.411203.39601204.861246.49801980.692275.090.540889.29914.7960935.24970.56801509.831809.631.040495.46830.5760844.79878.16801297.881379.11

表10气体交换率与负荷因子之比对刨花板VOCs释放的影响

气体交换率与复合因子之比/m3·m-2·h-1温度/℃VOCs的质量浓度/μg·m-3相对湿度40%相对湿度60%0.2406675.716819.02607485.698366.418021264.8721960.590.5402193.774074.31605841.367658.008015702.4518350.841.0401577.632968.18604022.634892.648013953.4114347.91

2.4 3种板材综合分析

环境温度升高时，相同的相对湿度与气体交换率与负荷因子之比条件下，总是胶合板VOCs释放量增长幅度最大。以相对湿度为40%、气体交换率与负荷因子之比0.2 m3·m-2·h-1为例，温度从40 ℃上升到60 ℃时，胶合板VOCs质量浓度增大了133.96%，刨花板VOCs质量浓度增大了12.13%，而中密度纤维板的VOCs质量浓度只增加了0.96%；温度由60 ℃上升到80 ℃时，胶合板VOCs质量浓度增大了189.44%，刨花板184.07%，中密度纤维板只有64.39%。温度的变化对于3种板材的VOCs释放量影响程度由大到小依次是胶合板、刨花板、中密度纤维板。

相对湿度增大时，3种板材VOCs的释放量都有不同幅度的增加。温度为40 ℃、气体交换率与负荷因子之比分别为0.2、0.5、1.0 m3·m-2·h-1时，胶合板VOCs质量浓度增长率分别为72.43%、145.64%和102.40%，中密度纤维板VOCs质量浓度的增长率分别为0.84%、2.87%和67.64%，刨花板VOCs质量浓度分别增长了2.15%、85.72%、88.14%。可见温度为40 ℃时，相对湿度对3种板材VOCs释放量的影响从大到小是胶合板、刨花板、中密度纤维板。而温度60 ℃，相对湿度对3种板材影响程度由大到小是刨花板、胶合板、中密度纤维板。而当温度上升至80 ℃时，同样的3种气体交换率与负荷因子之比条件下，相对湿度对于3种板材VOCs释放的影响程度是中密度纤维板、胶合板、刨花板。3个温度梯度时，相对湿度对于3种板材的影响大小各不相同，也说明了外界环境条件之间是相互影响的。

气体交换律与负荷因子之比增大时，3种板材所释放的VOCs的质量浓度都呈现下降的趋势，但是趋势有大有小。温度较低时，气体交换率与负荷因子之比的改变对刨花板的影响程度较大，胶合板次之，中密度纤维板受影响最小。温度较高时，胶合板受到气体交换率与负荷因子之比的影响较大，中密度纤维板次之，刨花板最下。

综合3种板材来看，胶合板VOCs的释放受到温度、相对湿度和气体交换率与负荷因子之比的影响最大，刨花板次之，中密度纤维板受到的影响最小。

不同种类的板材受到外界环境条件的影响状况不同，是由不同种类板材的结构、所含的有机物的成分以及含量造成的。与此同时，不同种类人造板的工艺参数条件各不相同，也是受影响不同的原因之一。在结构上，胶合板的构成单元为木质单板，而刨花板构成单元为木刨花，中密度纤维板构成单元为木纤维。相较于刨花板，中密度纤维板的构成单元更小，板材内部纤维分布均匀。由于构成单元和生产工艺的不同，显然中密度纤维板密度更加均匀，板材的孔隙度也更小，从而受到外界因素的影响也更小。而不同种类的板材所含的有机化合物的种类不同，其所含有的亲水基团与疏水基团数量与分布也各不相同，因而当外界因素发生变化时，3种板材所释放的VOCs浓度的变化也不一样。

3 结论

随着温度的上升，VOCs初始质量浓度值随之增大，胶合板、中密度纤维板和刨花板规律相同，其中胶合板VOCs初始质量浓度值增长幅度最大。温度的上升造成了板材所释放的VOCs蒸气压增大，促进了板材VOCs的释放；与此同时，温度升高导致气体分子动能增大，提高了气体在板材内部以及环境舱内扩散系数，促进了人造板挥发性有机化合物的释放。

相对湿度增大，3种人造板释放的VOCs质量浓度呈现一致的上升趋势，但不如温度对人造板挥发性有机化合物的影响明显。外界环境条件对人造板VOCs释放的影响不是单一的，而是相互影响的。相对湿度的增大同样引起混合蒸气压的增大，使得水分子与挥发性有机化合物气体分子的分布与扩散发生改变。相对湿度对不同板材影响不同，主要取决于板材所含化合物种类不同以及板材孔隙度的不同。

气体交换率与负荷因子之比增大时，板材释放的VOCs质量浓度有减小的趋势，3种板材趋势相同，但下降幅度有差异。当气体交换率与负荷因子之比变化时，环境舱内挥发性有机化合物的质量浓度梯度随之改变，气体交换率与负荷因子之比的增大会抑制板材内部VOCs的释放。

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