林业科学  2015, Vol. 51 Issue (2): 99-104   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150212
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文章信息

赵杨, 沈隽, 崔晓磊
Zhao Yang, Shen Jun, Cui Xiaolei
3层实木复合地板VOC释放及快速检测
Investigation of VOC Released from Three-Layer Parquet by Using A New Rapid Detection Method
林业科学, 2015, 51(2): 99-104
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(2): 99-104.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150212

文章历史

收稿日期:2014-04-25
修回日期:2014-06-30

作者相关文章

赵杨
沈隽
崔晓磊

3层实木复合地板VOC释放及快速检测
赵杨1, 沈隽1, 崔晓磊1, 2    
1. 东北林业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 150040;
2. 青岛农业大学 青岛 266109
摘要:【目的】 为了降低人造板挥发性有机化合物(VOC)的检测成本、增强可靠性,提高产品环保水平和工作效率,提出一种新型的VOC快速检测方法。【方法】 以3层实木复合地板为研究对象,建立单因素试验方案,合理搭配各环境条件,快速采样装置与气质联用仪结合使用,对其在不同温度、相对湿度和空气交换率与负荷因子之比条件下释放的VOC进行检测和分析,一方面探索3层实木复合地板释放VOC的主要成分及释放规律,另一方面分析各环境因素对3层实木复合地板释放的VOC达到稳定期时浓度的影响。根据板材VOC的释放规律,确定快速释放法在最佳环境条件下得到的VOC量值,同时,利用传统气候箱法表征板材自然衰减过程中VOC释放量值,将2种方法测得数据进行对比,分析快速检测法与传统气候箱法的相关性。【结果】 芳香烃和酯类是3层实木复合地板的主要挥发性有机释放物,除了部分烷烃、烯烃和醛酮类化合物外,板材还释放少量的醚、醇和酸类化合物。在测试期间,酯类和芳香烃类化合物的质量浓度变化趋势明显。温度和相对湿度增加会使平衡时的TVOC释放量增大,但当温度越高,湿度对平衡条件下TVOC的释放量影响越小。空气交换率与负荷因子之比越小,处于稳定散发阶段的实木复合地板释放的TVOC浓度值越大。【结论】 快速检测法和传统气候箱法测得3层实木复合地板TVOC释放水平趋势基本一致,并且检测物相同。随着时间的延长,TVOC的释放量逐渐下降至稳定趋势。3层实木复合地板释放的主要挥发物酯类和芳香烃类来源于板材表面加工过程中使用涂料的有机溶剂,建议选择环保型涂料。温湿度的协同作用影响3层实木复合地板VOC释放量,高温高湿条件对3层实木复合地板中VOC的释放量有显著影响。而且,空气交换率与负荷因子之比对高温高湿条件下3层实木复合地板释放的TVOC量影响较大。快速检测法VOC释放速率快于传统气候箱法,且该方法性能可靠,可用于人造板材挥发性有机化合物的快速检测,便于企业有针对性地解决生产过程中出现的问题,提高产品质量。
关键词3层实木复合地板    快速检测法    挥发性有机化合物    气候箱法    
Investigation of VOC Released from Three-Layer Parquet by Using A New Rapid Detection Method
Zhao Yang1, Shen Jun1, Cui Xiaolei1, 2    
1. College of Materials Science and Engineering, Northeast Forestry University Harbin 150040;
2. Qingdao Agricultural University Qingdao 266109
Abstract: [Objective] To reduce the testing cost and enhance the research reliability and efficiency, this paper introduced a new rapid detection method for testing VOC released from three-layer parquet. The M-CTE thermal extractor was explored to analyze the effect of environmental factors about release characteristics of VOC on the stable phase and to find the correlation between the rapid detection and 1 m3 traditional climate box method. [Method] This paper established a single factor experiment matched to the appropriate environmental conditions and to analyze the release rule of VOC under different temperature, relative humidity, ratio of air exchange rate and loading factor by using rapid sampling device and GC-MS conjunctively. On the one hand, the main components and release characteristics of the VOC released from three-layer parquet were probed. On the other hand, the influence of various environmental factors on VOC under equilibrium condition was analyzed. According to the release rule, the best condition was determined by rapid detection method. Meanwhile, the 1m3 traditional climate box method was used to characterize the concentration released during the process of natural attenuation. The data measured from the two kind of method was compared and the correlation was established. [Result] esults showed that: as the main components of VOC emission released from three-layer parquet, aromatics and esters had obvious changing trend in concentration. Besides some parts of alkanes, alkenes, aldehydes and ketones, small amounts of ethers, alcohols and acids were also found. Furthermore, the TVOC equilibrium concentration increased with the raise of temperature and relative humidity, but the higher the temperature, the less impact of humidity on it. Ratio of air exchange rate and loading factor had remarkable effect on TVOC emissions under high temperature and high moisture condition, the smaller the ratio of air exchange rate and loading factor, the larger the TVOC concentration were found from three-layer parquet in the stage of stable emission. [Conclusion] By comparing the data of 1 m3 traditional climate box method, we found the trend of VOC release was basically consistent and they had the same compounds. With the time going, the release quantity of TVOC gradually fell to a stable trend. The main components of VOC, esters and aromatic hydrocarbons, were derived from the organic solvent on surface working. Thus, environment friendly coating was recommended. High temperature and high moisture had a significant impact on release quantity of VOC from three-layer parquet by rapid detection method due to the synergy effect of temperature and humidity. The release quantity of VOC was apparently affected by the ratio of air exchange rate and loading factor under high temperature and moisture. The release rate of VOC tested by rapid detection method was apparently fast and reliable. Therefore, the new method could be used for rapid detection of VOC released from wood-based panels to deal with specific problems in the manufacturing process and improve the quality of products.
Key words: three-layer parquet    rapid detection    volatile organic compounds(VOC)    small chamber method    

近年来,在室内装饰装修中大量使用胶合板、刨花板和纤维板等人造板,由此引起的室内空气污染问题受到空前的重视(陈峰,2010张晓进等,2007)。人造板在加工处理、陈放及使用过程中会不同程度释放出挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)(于海霞等,2012),对于3层实木复合地板,其释放的 VOC主要来源于产品表面的漆膜以及产品制造过程(如贴面处理时用到的胶黏剂等)。 一些研究(Wolkoff,1998Wiglusz et al., 2002Afshari et al., 2003李爽等,2013)指出,外部环境条件(温度、相对湿度等)对VOC的释放有较大影响。

目前,人造板VOC的采集主要有3种方法:第一种是气候箱法,在美国和德国得到广泛应用,该技术处于世界领先水平;在气候箱之外又研究出一种“实验室小空间释放法”(FLEC)用于测定人造板有机污染物含量(Kim et al., 2010);干燥器盖法是对FLEC法的修改,是瑞士卡斯科公司研究开发的检测方法。这3种方法中以气候箱法使用最为普遍,相关标准有美国ASTM D 5116—2010 《小环境舱测定由室内装饰材料释放的有机物散发量的标准导则》及ASTM D 6330—2003 《指定试验条件下用小型环境箱检测人造板挥发性有机物(不包括甲醛)释放的标准惯例》。标准中的人造板VOC释放量是在规定的温度、相对湿度和空气交换率条件下,以气候箱内空气中的VOC达到稳定值后的浓度作为检测的结果,周期一般为28天。传统气候箱法测定VOC需要一定的时间和专门的设备,而且设备占地面积大,因此,寻求一种高效、快速、便捷的检测方法对于控制人造板的VOC释放极为重要(祁忆青等,2013沈隽等,2012)。

本研究通过对3层实木复合地板在不同温度、相对湿度和空气交换率与负荷因子之比条件下释放VOC的主要成分和释放规律进行检测和分析,并与1 m3传统气候箱法测得数据进行比较,探讨二者所测数据的相关性,以期找到一种采集人造板中VOC的快速、简捷、方便的检测方法。

1 材料与方法 1.1 试验材料

3层实木复合地板,浙江某公司正常生产的产品,规格为91.0 mm×132.0 mm×12.1 mm,含水率为8%,分别裁剪成D-60 mm的圆形(用于快速检测)和1 m×0.5 m的规格(用于气候箱法检测),边部沿厚度方向用铝质胶带封边处理。

1.2 试验设备

英国Markes公司M-CTE250(T)(i)TM型微池萃取仪,载气为氮气,温度可调节范围为0~250 ℃。另配有型号为TY9700数字温湿度计(北京天跃环保科技有限公司)。

V系列1 m3VOC/甲醛气候箱(东莞市升微机电设备科技有限公司),另配有智恒IAQ-Pro型恒流空气采样泵(美国SENSIDYNE公司)。

北京北分天普仪器技术有限公司产TP-5000热解吸脱附仪,载气为氦气,解析温度为280 ℃,管路温度为100.0 ℃,热解析时间为5 min,进样时间为 1 min。

德国Thermo公司生产DSQⅡ气质联用仪(GC/MS),色谱柱规格为3 000 mm×0.26 mm×0.25 μm,型号DB-5,石英毛细管柱;初始温度40 ℃,保持2 min,以2 ℃·min-1速度升至50 ℃,保持4 min,再以5 ℃·min-1速度升至150 ℃,保持4 min,最后以10 ℃·min-1升至250 ℃,保持8 min;进样口温度250 ℃,分流流量30 mL·min-1,分流比率30。采用电子电离源(EI)电离,离子源温度230 ℃;质量扫描范围50~650 amu;传输线温度270 ℃。

北京北分天普仪器技术有限公司产Tenax-TA采样管,内装200 mg吸附剂Tenax-TA。

水量瓶,材质为不锈钢,圆柱体,直径100 mm,高650 mm。

1.3 试验方法 1.3.1 快速检测法

本研究所采用的热萃取装置是以M-CTE型微池萃取仪为主体设计搭建的快速采样装置。由水量瓶提供水汽,测量装置为手持温湿度计。

采用氮气作为载气,并将空气交换率与负荷因子之比设为0.2/0.5/1.0,相对湿度分别调节为40%/60%,测试温度设为23℃ /60 ℃ /80 ℃,测试周期为10天(240 h)。采用单因素方法,分别在不同条件下对3层实木复合地板的VOC进行检测,相同环境条件下每组检测3个样。

1.3.2 气候箱法

试验前用清水清洗1 m3气候箱舱体内表面,再用去离子水清洗2遍后擦干。根据ASTM D 5116—2010设定气候箱参数值,同时将待测试的3层实木复合地板样品在23 ℃、45%相对湿度条件下放置1周。1周后,取出样品平放在气候箱中心位置,确保舱体内空气可以流过样品两侧后密闭箱门,分别在1,3,7,14,21,28天取样,第28天结束。

2 结果与讨论 2.1 不同试验方法VOC释放水平

本试验分为3组,试验方案设置见表 1

表 1 试验方案 Tab.1 Experimental scheme

样品在释放过程中,采用Tenax-TA采样管收集气体,热解吸脱附仪解析5 min后,运用GC/MS内标法测定VOC成分,并进行定性定量分析。从表 2可以看出,测得芳香烃和烷烃种类相对较多,除去芳香烃、烷烃、烯烃、醛酮类和酯类外,仍有少许醚、醇和酸类化合物。

表 2 3层实木复合地板释放VOCs的主要成分 Tab.2 Main components emitted from three-layer parquet

图 1 为平衡后TVOC质量浓度与温湿度以及空气交换率和负荷因子之比的关系。从图 1a可以看出,温度对处于稳定散发阶段的3层实木复合地板TVOC的释放有显著影响。随着温度的上升,TVOC的质量浓度呈现逐渐增加的趋势。当相对湿度为40%时,随着温度从23 ℃升高到80 ℃,TVOC质量浓度从61.804 μg·m-3升高到99.959 μg·m-3;当相对湿度为60%时,TVOC质量浓度从71.163 μg·m-3升高到103.327 μg·m-3。在3个不同温度条件下,相对湿度60%时的TVOC释放量均比相对湿度为40%时的释放量大。在温度为23,60和80 ℃时,湿度60%时的TVOC质量浓度比湿度为40%时的TVOC质量浓度分别高出15.14%,7.71%和3.37%。所以当温度越高时,湿度对平衡条件下TVOC质量浓度的影响越小。

图 1 平衡后TVOC质量浓度与各环境参数的关系 Fig. 1 Relationship between TVOC equilibrium concentrations and environmental conditions

温度越高,VOC分子的运动越剧烈,大量VOC被释放出来。本研究3层实木复合地板使用的胶黏剂为脲醛树脂胶,其在23 ℃时所释放的VOC成分包括芳香烃类、酯类、醛酮类、烷烃类和烯烃类化合物。其中,芳香烃类和酯类化合物检出率较高,相对含量分别为35.93%和22.31%,包括甲苯、丁羟甲苯、乙苯和2-丙烯酸-2-乙基己基酯等,其主要来源于板材表面加工时使用涂料中的有机溶剂。当温度升高到60 ℃和80 ℃时,脲醛树脂胶释放的VOC与23 ℃时释放的种类相似,其中烷烃和烯烃类物质的相对含量变化不明显,而芳香烃类、醛酮类和酯类化合物的相对含量明显上升,即随着温度的升高,TVOC的释放量增加。湿度的增加也会使平衡情况下TVOC释放量增多。这是因为:一方面,湿度增加可以促进所用胶黏剂的水解;另一方面,湿度增加时,板材的孔隙结构会产生吸湿膨胀,导致孔径结构的改变,有利于VOC的释放(张浩等,2012)。但是,温度越高,湿度对平衡条件下VOC的影响越不显著,这是温湿度协调作用的结果。所以,高温高湿的协同作用对3层实木复合地板中VOC的释放量有显著影响,这与朱海欧等(2013)关于测试条件对竹地板挥发性有机化合物释放的检测结论和李春艳等(2007)对高密度人造木地板VOCs散发试验的研究结论是类似的。

图 1b是在低温低湿和高温高湿2种载气条件下空气交换率与负荷因子之比试验:条件1的温度为23 ℃,相对湿度为40%;条件2的温度为60 ℃,相对湿度为60%。从图中可以看出,处于稳定散发阶段的3层实木复合地板,空气交换率与负荷因子之比越小,稳定时释放TVOC质量浓度越大。在条件1的情况下,空气交换率与负荷因子之比从0.2 m3·h-1m-2增加到1.0 m3·h-1m-2时,TVOC的质量浓度从61.804 μg·m-3降低到53.113 μg·m-3。在条件2的情况下,空气交换率与负荷因子之比从0.2 m3·h-1m-2增加到1.0 m3·h-1m-2时,TVOC的质量浓度从95.760 μg·m-3降低到62.049 μg·m-3,相比条件1时的TVOC质量浓度降低的幅度更大。所以,空气交换率与负荷因子之比对高温高湿环境影响较大。随着空气交换率与负荷因子之比的增加,新鲜气体会将微池热萃取仪的VOC质量浓度稀释,导致热萃取仪内和3层实木复合地板内的VOC浓度梯度增大,加大了板材内VOC的释放量,最终使平衡情况下VOC释放质量浓度降低。

图 2是3层实木复合地板释放的典型化合物质量浓度变化趋势。以快速检测法温度60℃、相对湿度60%、空气交换率与负荷因子之比0.2 m3·h-1m-2的条件为例分析,由图 2显示该板材释放的挥发性有机化合物以酯类、芳香烃为主,还有少量的醛酮类、烷烃类和烯烃类化合物。在释放初期,酯类化合物和芳香烃类化合物释放量较大,质量浓度分别为531.606 μg·m-3和153.934 μg·m-3,占总释放量的69.25%和20.05%,其余各种类化合物占有量均小于10%。在检测的前80 h内,TVOC、酯类和芳香烃类化合物释放量有明显下降,其中TVOC下降了65.94%,酯类化合物下降了80.51%,芳香烃类化合物下降了40.61%,而烷烃、烯烃和醛酮类化合物本身释放量较小且基本趋于平衡,质量浓度的下降趋势不明显。

图 2 快速检测法测得3层实木复合地板VOC质量浓度变化趋势 Fig. 2 VOC emission concentrations from three-layer parquet by the rapid detection method
2.2 快速检测法与气候箱法的相关性

图 3为快速检测法(温度为60 ℃,相对湿度为60%,空气交换率与负荷因子之比0.2 m3·h-1m-2)和传统气候箱法(1 m3气候箱)的TVOC质量浓度变化趋势。

图 3 快速检测法与气候箱法测得3层实木复合地板TVOC质量浓度变化趋势 Fig. 3 Comparison of two methods of VOC emission concentrations from three-layer parquet

根据2种方法测得的3层实木复合地板TVOC释放趋势,本研究将其划分为4个阶段(阶段Ⅰ、阶段Ⅱ、阶段Ⅲ、阶段Ⅳ)。根据TVOC的释放水平,将阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ划为TVOC的快速释放期,阶段Ⅳ划为TVOC的稳定释放期。总体来说,快速检测法和气候箱法测得3层实木复合地板释放的TVOC质量浓度变化趋势基本一致。阶段Ⅰ中,快速检测法需要时长24 h,下降速率为11.883 μg·m-3h-1;传统气候箱法需要时长3天,下降速率为19.020 μg·m-3d-1。阶段Ⅱ中,快速检测法需要时长48 h,下降速率为2.072 μg·m-3h-1;传统气候箱法需要时长4天,下降速率为9.250 μg·m-3d-1。阶段Ⅲ中,快速检测法需要时长104 h,下降速率为1.428 μg·m-3h-1;传统气候箱法需要时长14天,下降速率为1.026 μg·m-3d-1。由快速释放期下降速率可知,快速检测法在阶段Ⅰ的下降速率明显高于同一阶段气候箱法。随着释放时间延长,释放速率逐渐降低,且快速检测法释放速率变化的初始值和梯度值均大于传统气候箱法。由2种方法经历的时间可知,2种方法都是在阶段Ⅲ停留的时间最长;但是,快速检测法在阶段Ⅲ的释放速率高于气候箱法。综上所述,快速检测法的释放时间明显少于传统气候箱法,大约节省19天。在稳定释放期,TVOC释放值趋于稳定,无明显下降,最终2种方法板材释放TVOC的下降速率均小于5%,但快速检测法稳定值略小于传统气候箱法。

3 结论与讨论

1)随着空气交换率与负荷因子之比的增加,平衡情况下VOC释放浓度降低。但是,随着温度和相对湿度的增加,都会使平衡情况下VOC的释放浓度增加。当温度较高时,湿度的增加对平衡条件下VOC的影响不明显。

2)酯类和芳香烃类化合物是3层实木复合地板释放的主要挥发物,酯类化合物质量浓度较大但种类较少,而烃类和烯烃类化合物种类较多但质量浓度低,同时板材还会释放少量的醛酮类化合物。酯类和芳香烃类化合物主要源于板材表面加工过程中使用涂料的有机溶剂,建议选择环保型涂料。

3)快速检测法和气候箱法测得3层实木复合地板TVOC释放水平趋势基本一致,检测物相同,释放初期快速检测法得TVOC值高于气候箱法,释放稳定值低于气候箱法,但快速检测法在216 h后释放的TVOC值达到稳定,明显优于传统气候箱法。

4)本研究设计搭建的快速检测装置性能可靠、易于操作、造价低廉,检测结果具有指导意义,可提高研究人员的工作效率。

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