框架式实木复合地板地采暖环境下甲醛释放规律的研究

(黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081)

近年来，框架式实木复合地板这一产品得到民用地板市场的广泛接纳，因为这是一款新型结构的实木复合地板，其拥有实木框架、芯板则是用速生材、加工剩余物拼接，具有实木复合地板的优良性能，并且成本低[1-3]。

框架式实木复合地板的特点是其基材以实木短料与边部实木板条拼接形成框架式结构，然后在基材上覆贴衬板和装饰单板，其结构借鉴实木家具板件的框架式结构，有效地抑制基材的翘曲变形，同时便于开槽加工，提高地板企口的牢固性与美观度[4-7]。

框架式实木复合地板是一种全新技术制造的可用于地热环境的实木复合地板，有效地解决传统实木复合地板在地热条件下极易翘曲形变的问题[8-12]。它既保留原有实体木材美观优势又极大地提高了木材的尺寸稳定性。该地板的开发对木地板行业的发展具有重要的推动作用，从民生需求角度出发也是极其必要的产品[13-16]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

表板：榆木，1 250 mm×170 mm×2 mm，密度0.569 g/cm3，含水率8%～10%。芯条：杉木(Cunninghaminlanceolate(Lamb.)Hook.)，500 mm×100 mm×12 mm，密度0.356 g/cm3，含水率8%～10%。底板：杨木(Populustomentosa)，1 250 mm×170 mm×1.8 mm，密度0.477 g/cm3，含水率8%～10%。试验材料均由河南亚热带木业有限公司提供。

1.2 试验设备

1 m3地采暖环境模拟舱，可控温度20～60 ℃，相对湿度为20%～90%；可见分光光度计，波长范围320～1 000 nm；恒温恒湿箱，温度范围20～100 ℃，相对湿度30%～98%；游标卡尺，精度为0.02 mm；电子天平，精度0.001。

1.3 试样制备

将采购的框架式实木复合地板裁成7块尺寸为180 mm×650 mm、1块尺寸为110 mm×630 mm和1块尺寸为150 mm×630 mm的试件，在温度(23.0±0.5)℃，湿度(50±3)%状态下平衡处理15天。平衡处理后，用铝箔胶带封闭地板侧边及背面，并在1 h内放入气候箱，平铺在加热板上。

1.4 试验方法

设定承载率为1，选取相对湿度35%、50%、65%，根据冬季室内采暖时地采暖木质地板底层温度，选取地采暖温度30 ℃、35 ℃、40 ℃为试验变量，采用地采暖模拟舱方法，测试框架式实木复合地板的甲醛释放量，对比两种方法测试得到的地板甲醛释放限量的差异，分析浸渍纸层压木质地板和多层实木复合地板在不同环境条件下甲醛释放量随温度、相对湿度升高的变化规律。地采暖环境模拟舱测试法是模拟地采暖状态，地采暖加热板内的水温为试验设定的地采暖温度，即30 ℃、35 ℃、40 ℃，而舱内空气温度始终控制在23 ℃；空气换气率均为(1.0±0.05)次/h，试件表面空气流速0.1～0.3 m/s，承载率(1.0±0.02)m2/m3。采样方法按GB/T 17657-2013中4.60规定进行。

按照GB 18580-2017及 GB/T 17657-2013标准规定，首先去掉地板的榫和槽，根据地采暖装置加热板的尺寸、承载率及地板实际规格进行准备，地板放入地采暖模拟舱，第1～5天开始抽样检测，每天2次，第5天以后每天1次，当最后4次测定的甲醛浓度平均值与最大值或最小值之间的偏差值低于5%或低于0.005 mg/m3时，可认为达到稳定状态。试件的甲醛释放量通常在第5天后逐渐达到平衡。

2 试验结果与分析

2.1 相对湿度对框架式实木复合地板甲醛释放量的影响

图1～3是采用模拟地采暖方法检测到的框架地板甲醛释放量在30 ℃、35 ℃、40 ℃时，框架地板甲醛释放量随时间的变化曲线以及不同相对湿度下甲醛释放规律曲线，从图中可以看出，在测试初期，地板中的甲醛释放，是一个逐渐升高的过程，基本在第二天达到峰值，随后逐渐下降趋于平稳，在第5天到第8天甲醛释放量与这4天释放量平均值的偏差小于5%，根据GB 17657-2013中气候箱法的规定，即认为框架地板甲醛释放已达到平衡，这4天的甲醛释放量均值即框架地板的甲醛释放限量。同一温度下，甲醛释放量随着相对湿度升高而增加。首先空气湿度升高会导致地板自身含水率升高，从而导致地板中胶黏剂的甲醛聚合物逐步水解，水解过程中会释放出大量甲醛，即使已经固化的胶黏剂在高湿条件下也会发生水解反应；其次，相对湿度增大改变了环境气体压力，从而加速了地板内部甲醛向环境中的释放速率；最后，甲醛极易溶于水，空气相对湿度升高，也加速了地板中甲醛的释放。甲醛具有亲水性，水溶液的含量最高可达到55%，环境湿度较高时，根据相似相溶原理，亲水性的甲醛与水蒸气之间形成氢键，空气的饱和蒸汽压变大，板材本身、胶黏剂等固体界面对甲醛的吸附量相对降低，甲醛的脱附作用加强，吸附于其表面的甲醛分子脱附释放出来，因此板材中的游离甲醛扩散到空气中的增多，表现为浓度升高。框架地板甲醛释放量见表1。

图1 地热温度30 ℃、不同相对湿度条件下，甲醛释放量随天数的变化

表1说明，同一温度下，相对湿度每升高15%，甲醛释放限量增加9%～15%，平均增加12.9%。

表1 地采暖环境下，不同温度、相对湿度框架地板甲醛释放量 mg/m3

本研究根据已有的框架式实木复合地板甲醛释放量随湿度变化的数据建立相对湿度与框架地板甲醛释放量的经验模型。经验或半经验模型是基于实验或统计数据提出的模型，研究根据板材中的甲醛释放规律与时间的关系，找出相匹配的数学模型，然后用实验或统计数据求解数学模型中的参数，从而完成经验模型的求解并用数学模型对板材中的释放进行预测。

图2 地热温度35 ℃、不同相对湿度条件下，甲醛释放量随天数的变化

图3 地热温度40 ℃、不同相对湿度条件下，甲醛释放量随天数的变化

图4是不同地采暖温度条件下相对湿度与框架式实木复合地板甲醛释放量之间的拟合关系，从图4中可以看出框架式实木复合地板的甲醛释放量与相对湿度是指数形式的关系。

图4 相对湿度与框架式实木复合地板甲醛释放量的拟合关系

通过对框架地板在地采暖温度30 ℃、35 ℃、40 ℃下甲醛释放量与湿度的拟合，发现指数方程拟合度最高。相对湿度与框架地板甲醛释放量拟合方程见表2，由表2可知，各方程的拟合度R2都在0.9以上，因此可通过此方程确定未知湿度下的甲醛释放量，从而得到此湿度下释放量与时间的方程，即可得到此湿度下任意时刻的甲醛释放量。

表2 相对湿度与框架地板甲醛释放量拟合方程

2.2 温度对框架式实木复合地板甲醛释放量的影响

图5～7是采用模拟地采暖方法检测到的框架地板甲醛释放量在35%、50%、60%时，框架地板甲醛释放量随时间的变化曲线以及不同温、湿度下甲醛释放规律曲线，从图中可以看出，在测试初期，地板中的甲醛释放，是一个逐渐升高的过程，基本在第二天达到峰值，随后逐渐下降趋于平稳，在第5天到第8天甲醛释放量与这4天释放量平均值的偏差小于5%，根据GB 17657-2013中气候箱法的规定，即认为框架地板甲醛释放已达到平衡，这4天的甲醛释放量均值即框架地板的甲醛释放限量。同一相对湿度下，甲醛释放量随着温度升高而增加。从微观机制上看，当温度升高时，分子的平均动能增大，此时将有更大比例的分子越过材料表面的势能壁垒而脱附出去。换句话说，原本在低温下不可脱附的吸附质分子在高温时转变成可脱附分子，由此造成了可散发部分比例(覆盖率)的升高。从扩散传质的观点看，地板的初始可散发浓度和扩散系数随温度升高而升高，表明温度升高会增加板材内可释放甲醛含量。

图5 相对湿度35%、不同温度条件下，甲醛释放量随天数的变化

图6 相对湿度50%、不同温度条件下，甲醛释放量随天数的变化

通过对框架地板在相对湿度35%、50%、65%下甲醛释放量与温度的拟合，发现指数方程拟合度最高。温度与框架地板甲醛释放量的拟合方程见表3，由表3可知，各方程的拟合度R2都在0.9以上，因此可通过此方程确定未知温度下的甲醛释放量，从而得到此温度下释放量与时间的方程，即可得到此温度下任意时刻的甲醛释放量。温度与框架式实木复合地板甲醛释放量的拟合关系如图8所示。

图7 相对湿度65%、不同温度条件下，甲醛释放量随天数的变化

图8 温度与框架式实木复合地板甲醛释放量的拟合关系

表3 温度与框架地板甲醛释放量拟合方程

3 结论

(1)不同地采暖温度、相对湿度下框架式实木复合地板的甲醛释放量变化趋势一致，随着温度、相对湿度的升高，甲醛释放量增加。

(2)温度、相对湿度对框架式实木复合地板的甲醛释放量都有显著影响，但温度对其影响显著性更高。

(3)相对湿度、温度与甲醛释放量的拟合结果表明，指数方程拟合度最高，各方程的拟合度R2都在0.9以上。通过拟合指数方程，可以推断出不同温度、相对湿度下，对应框架式实木复合地板的甲醛释放量。

(4)采用地采暖环境模拟舱法对新型结构地板框架式实木复合地板的甲醛释放量进行分析，得出环境因素在承载率、换气率相同的条件下，甲醛释放量依然会随温度、相对湿度的增加而增加。通过拟合指数方程可以得出对应的温度和相对湿度下甲醛的释放量数据，从而为地采暖环境下的框架式实木复合地板的铺装提供数据支持。