本文摘要：摘要：利用 1m3 的環(huán)境艙，探究五種典型定制家具板材在一定條件下的揮發(fā)性有機物(VOCs)的組分、濃度水平和排放規(guī)律。結(jié)果表明，五種板材中共檢測出 54 種目標(biāo)化合物，主要成分以含氧揮發(fā)性有機物(OVOCs)和烷烴為主，OVOCs 的占比分別為 71.37%~85.77%，烷烴的占比分別
摘要：利用 1m3 的環(huán)境艙，探究五種典型定制家具板材在一定條件下的揮發(fā)性有機物(VOCs)的組分、濃度水平和排放規(guī)律。結(jié)果表明，五種板材中共檢測出 54 種目標(biāo)化合物，主要成分以含氧揮發(fā)性有機物(OVOCs)和烷烴為主，OVOCs 的占比分別為 71.37%~85.77%，烷烴的占比分別為11.79%~24.84%。不同板材的總揮發(fā)性有機物(TVOCs)濃度水平差異較大，飾面中纖板的 TVOCs 濃度高達 836.49μg/m3，遠高于其他板材，實木生態(tài)板的 TVOCs 濃度最低，為最環(huán)保的板材。對五種板材 VOCs 的排放濃度進行逐時測量，發(fā)現(xiàn)甲醛的相對排放濃度比較為：飾面中纖板>防潮板>飾面顆粒板>實木生態(tài)板>PVC 吸塑板，而 TVOCs(除甲醛)的相對排放濃度比較為：飾面顆粒板>飾面中纖板>PVC 吸塑板>防潮板>實木生態(tài)板。在這五種板材中，甲醛、正己烷和乙酸乙酯等化合物是主要成分，甲醛的濃度貢獻占比為 40.44%~82.59%。同時，在五種板材 VOCs 的排放特征基礎(chǔ)上，對各類化合物進行了溯源分析，便于從 VOCs 產(chǎn)生源頭對其進行污染控制。
關(guān)鍵詞：家具板材;揮發(fā)性有機物(VOCs);組分特征;溯源分析;排放規(guī)律
有研究表明，現(xiàn)在大多數(shù)年輕人有超過 80%的時間在室內(nèi)度過，小孩和老年人待在室內(nèi)的時間就更多了[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平的提高，室內(nèi)場所的裝修越來越精致，建筑材料的使用也更加豐富，使得室內(nèi)的空氣質(zhì)量變差。揮發(fā)性有機物是決定室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。
揮發(fā)性有機物(VOCs)濃度過高或人們長期居于室內(nèi)，都會對人們的身體產(chǎn)生很大的危害，比如頭痛、頭暈、干咳、惡心、疲勞、眼鼻喉刺痛、皮膚瘙癢以及注意力無法集中等嚴(yán)重癥狀，美國部署局將這些癥狀稱為“病態(tài)建筑綜合癥”(SBS)、“建筑相關(guān)疾病”(BRI)和“化學(xué)物質(zhì)過敏癥”(MCS)[2 4]。
其中，苯和甲醛被國際癌癥機構(gòu)(IARC)定為有毒致癌物質(zhì)，有相關(guān)研究顯示，它們具有生殖毒性[5]、神經(jīng)毒性[6]和免疫毒性[7]等不健康影響。同時，以光化學(xué)活性為特征的 VOCs 通過一系列光化學(xué)反應(yīng)形成二次有機氣溶膠(SOA)，是大氣顆粒物的主要組成部分之一[8]，從而對環(huán)境空氣造成污染。為了更好的評估 VOCs 對空氣質(zhì)量和人體健康的影響，許多作者對室內(nèi)空氣污染來源進行了研究，發(fā)現(xiàn)家具板材是室內(nèi)污染的主要來源[9, 10]。
目前，對家具板材 VOCs 排放特征的研究還比較少，主要家具板材 VOCs 的檢測方法、環(huán)境條件的影響和散發(fā)傳質(zhì)模型等方面的研究。張瑞艷等[11]總結(jié)了檢測家具中揮發(fā)性有機物的方法有環(huán)境艙法、氣袋法和C history 法，環(huán)境艙可以模擬室內(nèi)環(huán)境條件，使得檢測數(shù)據(jù)更加真實貼近[12]，因此被廣泛使用。Fechter等[13]研究了室內(nèi)環(huán)境條件對木質(zhì)家具VOCs濃度的定量影響，當(dāng)環(huán)境溫度升高，家具排放的VOCs 的濃度也增大;當(dāng)相對濕度增大時，極性較強的化合物濃度也增大，而非極性化合物的濃度不發(fā)生變化。
家具板材中 VOCs 的釋放是一個復(fù)雜的傳質(zhì)過程，可以用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃突緜髻|(zhì)模型去描述其釋放過程[14, 15]，基本傳質(zhì)模型中有三個重要的參數(shù)：初始濃度 C0、擴散系數(shù) Dm 和分配系數(shù) K[16]，用快速簡便的方法測量出這三個參數(shù)，有助于豐富數(shù)據(jù)庫，快速篩選家具 VOCs 排放[17, 18]。Ho 等[19]測量了五種常見家具的排放速率，相對排放速率為：餐桌>皮革沙發(fā)>桌椅>床頭柜>櫥柜。許多文章研究了板材排放 VOCs 的組分和濃度，但對其長期排放規(guī)律的研究很少，同時對定制家具板材中各種VOCs 來源的研究也很少見，因此，研究板材 VOCs的溯源分析和排放特征是十分必要的。
本文以五種典型的定制家具板材為研究對象，利用 1m3 環(huán)境艙模擬真實的室內(nèi)環(huán)境，測出各種板材揮發(fā) VOCs 的物種和濃度。首先，對板材釋放的VOCs 物種進行溯源分析，確保實驗檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時可以了解到產(chǎn)生 VOCs 的每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。其次對比分析每種板材 VOCs 的排放規(guī)律，并對其差異進行原因分析。本文的目的是讓人們清楚地了解室內(nèi)家具板材排放 VOCs 的情況，能夠從源頭開始就找到綠色環(huán)保型定制家具原材料;同時，對板材釋放的 VOCs 進行溯源分析，進而可以從板材產(chǎn)生 VOCs 的源頭采取控制措施，以提高空氣質(zhì)量，盡可能降低揮發(fā)性有機物對人體健康的影響。
1 材料與方法
1.1 材料的選取
本研究使用的板材來自廣州市某定制家具有限公司，根據(jù)板材的品種、共同性和受歡迎程度選取了五種典型的家具板材，分別為飾面顆粒板、飾面中纖板、防潮板、PVC 吸塑板和實木生態(tài)板。這些樣品在使用之前都是密封保存，防止受環(huán)境因素的影響。
1.2 試驗儀器
HD F801 型環(huán)境艙是購自東莞市海達儀器有限公司，它是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 18580 2017[20]、ASTM D6007 02[21] 、 EN 717 1:2004[22] 、ANSI/BIFMA M7.1 2007[23]和實驗條件定制的一套專門針對板材總揮發(fā)性有機物(TVOCs)檢測的 1m3氣候箱，其外型尺寸為長 2160mm 高 2020mm 寬1180mm。
箱體采用夾套設(shè)計，為兩層不銹鋼內(nèi)艙，中間空氣層，內(nèi)艙鏡面不銹鋼，不產(chǎn)生和不吸附甲醛，外層鋼板噴塑。箱體包括工作室和設(shè)備室兩個部分，工作室尺寸為深 1000mm 寬800mm高1250mm，它里面有風(fēng)扇隔板、調(diào)速風(fēng)機、濕度傳感器、熱交換器、進風(fēng)口和出風(fēng)口等，工作室內(nèi)放有樣品支架，主要用于放置測試樣品。設(shè)備室由位于保溫艙體左側(cè)的露點溫度水箱、水泵、制冷壓縮機、活性炭過濾器和水閥等組成。
1.3 試驗步驟
在測試之前，所有的板材用聚四氟薄膜密閉封裝數(shù)日，使其內(nèi)部雙面擴散分布均勻，不會受到外部環(huán)境的影響。用蒸餾水清洗環(huán)境艙內(nèi)壁 3 次，晾干之后，啟動環(huán)境艙以 30℃運行，使得艙內(nèi)的清潔空氣均勻分布。采集背景濃度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GBT31107 2014323[24]，甲醛背景值應(yīng)≤6μg/m3，TVOCs的背景值應(yīng)≤50μg/m3，各個單體(主要是苯、甲苯、二甲苯)的背景值應(yīng)≤5μg/m3。
把兩塊試驗板材垂 直 放 在 艙 內(nèi) 中 央 ， 參 數(shù) 設(shè) 置 參 照 標(biāo) 準(zhǔn) GB18580 2017[20]，溫度設(shè)置為(23±0.5)℃，相對濕度為(45±3)%，風(fēng)速為 0.2m/s,置換率為 1m3/h。從放入板材開始計時，按照時間間隔為 24 小時進行采樣，排放速率穩(wěn)定就停止采樣。繼續(xù)測量新的板材。
1.4 VOCs 分析方法
參照標(biāo)準(zhǔn) HJ 683 2014[25]，甲醛采樣使用EM 500 防爆個體恒流采樣器(深圳國技儀器有限公司)和 DNPH 采樣管(寧波環(huán)測實驗器材有限公司)，以流量 500mL/min 采樣 10L, 分析使用高效液相色譜儀(日本島津公司，型號 LC 20AT)，使用 13 種醛酮類化合物標(biāo)準(zhǔn)液體(上海安普實驗科技股份有限公司)對樣品進行定性和定量分析。
參照標(biāo)準(zhǔn) HJ 734 2014[26]，VOCs(除甲醛)采樣使用 EM 500 防爆個體恒流采樣器和組合 1 不銹鋼吸附管(美國 Camsco 公司)，以流量 250mL/min采樣 5L，吸附管分析用 Turbo Matrix TD 熱脫附儀(美國 Perkin Elmer 公司)和 GCMS 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津公司，型號 QP2010 Ultra)，所得的數(shù)據(jù)用上海安普實驗科技股份有限公司的 24種混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和 35 種混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行定性，用外標(biāo)法定量，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之外的 VOCs 用甲苯標(biāo)線定量。
1.5 質(zhì)量保證/質(zhì)量控制(QA/QC)
本研究中的 QA/QC 主要涉及到兩個環(huán)節(jié)：VOCs 采樣和數(shù)據(jù)分析。采樣過程中的 QA/QC 主要是環(huán)境艙的氣密性測試，采用恒壓采樣法對環(huán)境艙的空氣泄漏率進行測定[27];吸附管在使用前用高純氮氣進行活化，每種板材測試前都要選取一根吸附管和 DNPH 管做空白樣;樣品采集、樣品保存均嚴(yán)格按照 HJ 734 2014[26]的相關(guān)規(guī)定進行。數(shù)據(jù)分析過程中的 QA/QC 包括分析儀器的校準(zhǔn)、調(diào)諧;定量的標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)需達到 0.999，以保證數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2 結(jié)果與討論
2.1 板材排放 VOCs 的溯源分析
定制家具因能考慮到客戶的實際情況和獨特想法，而越來越受大眾的喜愛，是很多人裝修新房的第一選擇。本次研究對象選取的是廣州市某定制家具有限公司的板材，飾面顆粒板、防潮板和實木生態(tài)板是由同一家公司生產(chǎn)，飾面中纖板和 PVC吸塑板是由另一家公司生產(chǎn)的。會產(chǎn)生 VOCs 的環(huán)節(jié)有兩個地方，一個是木材原料，這是產(chǎn)生 VOCs 的自然源，三種板主要用的木材原料為松木，而兩種板主要用的木材原料是馬尾松;另一個是膠黏劑的添加，甲醛的主要來源為膠黏劑[28]。
本文選取的板材有帶貼面材料，它也會產(chǎn)生 VOCs。PVC 貼面材料是由 PVC 樹脂、填充劑、增塑劑、著色劑和穩(wěn)定劑組成;三聚氰胺貼面材料是將帶有不同顏色或紋理的紙在樹脂(三聚氰胺樹脂和脲醛樹脂)中浸泡后，干燥到一定固化程度，經(jīng)熱壓在基板上。總結(jié)下來，木材原料、膠黏劑和貼面材料是產(chǎn)生 VOCs 的部件。
本研究共檢測出 54 種 VOCs,具體組分及相關(guān)信息，烷烴和醛類化合物最多，分別有 18、12 種，烷烴主要來源于木材原料和膠黏劑或其他添加劑，木屑和木材纖維中有大量烷烴[28];醛類主要來源為木材原料、貼面材料和膠黏劑溶劑，合成三聚氰胺貼面材料中的樹脂會產(chǎn)生己醛;芳香烴和醇類化合物各有 6 種，芳香烴主要來源于貼面材料和膠黏劑溶劑，苯常作膠黏劑中的稀釋劑和溶劑。
醇類的主要來源為木材原料和貼面材料，2-乙基己醇常作膠黏劑的溶劑;再有鹵代烴、酮類和脂類化合物各 3 種，鹵代烴的主要來源是膠黏劑，酮類的主要來源為木材原料和貼面材料的膠黏劑溶劑，甲基乙基酮常用于多種樹脂的潤滑劑，脂類的主要來源為貼面材料和增塑劑;最后是烯烴和其他化合物，分別為 2、1 種，烯烴類物質(zhì)主要來源為木材原料，大多數(shù)松科類植物都會產(chǎn)生α-蒎烯[29]，乙酸的主要來源是木材原料。
2.2 五種板材 VOCs 的逐時排放濃度
在 96h 之后，五種板材甲醛的排放濃度均隨著時間的延長而呈下降趨勢，下降幅度隨時間增大越來越小;在96h之前，防潮板和PVC吸塑板隨時間的增大甲醛的排放濃度也在增大，可能是其基板內(nèi)的甲醛緩慢釋放出來，到 96h 時，達到甲醛釋放的峰值。
五種板材的甲醛相對排放濃度比較為：飾面中纖板>防潮板>飾面顆粒板>實木生態(tài)板>PVC 吸塑板。通過調(diào)研了解到，密度板中膠黏劑的含量通常在 10% 12%，顆粒板中膠黏劑的含量在 7% 8%左右，而多層板膠黏劑的含量最少，只有 3%左右，因此，預(yù)測甲醛的排放濃度比較為：飾面中纖板>飾面顆粒板>實木生態(tài)板，這與實驗結(jié)果完全吻合。
防潮板和飾面顆粒板的基板都是顆粒板，但防潮板釋放的甲醛濃度卻比飾面顆粒板高，可能是因為兩塊板生產(chǎn)廠家的不同，基板中所添加的甲醛含量不同，防潮板中防潮劑甲醛含量高于兩張正面三聚氰胺貼紙中的甲醛含量。對于 PVC 吸塑板，可能是因為密度板被貼面材料全覆蓋，密度板中甲醛分子不易散發(fā)出來，所以其甲醛的排放濃度最低。
在 120h 之后，五種板材 TVOCs(除甲醛)的排放濃度隨著時間的延長而呈下降趨勢;而在 120h 內(nèi)，其排放濃度無明顯的上升或下降的規(guī)律，濃度在無規(guī)律波動。五種板材 TVOCs(除甲醛)的相對排放濃度比較為：飾面顆粒板>飾面中纖板>PVC 吸塑板>防潮板>實木生態(tài)板。飾面顆粒板的排放濃度最高，是因為它側(cè)面沒有貼紙，基板內(nèi)的揮發(fā)性有機物可以從板內(nèi)釋放出來，并且它的兩個正面都貼有三聚氰胺貼紙，增加了 VOCs的產(chǎn)生來源。
飾面中纖板側(cè)面沒有貼紙且一面貼有三聚氰胺貼紙而排放濃度居第二。在測試時間 36h之前，防潮板的排放濃度比 PVC 吸塑板高，而 36h之后，PVC 吸塑板的排放濃度高于防潮板，可能是因為防潮板的四周沒有封邊，VOCs 分子在 36h 之前從基板中快速釋放出來，而后基材所含的 VOCs濃度降低，導(dǎo)致排放濃度下降的趨勢更明顯，同時PVC 吸塑板是被貼紙全覆蓋，所以 PVC 吸塑板的排放濃度的下降趨勢相對平緩。TVOCs(除甲醛)排放濃度最低的是實木生態(tài)板，驗證了它是一種環(huán)保的板材。
2.3 五種板材的 VOCs 濃度及組分特征
五種板材 TVOCs 濃度趨于穩(wěn)定的時間段為 168h，選擇各板材 168h 數(shù)據(jù)，對五種板材總揮發(fā)性有機物的濃度水平以及組成特征進行分析，按有機物類別將 VOCs 的組分分為烷烴、烯烴 、鹵代烴 、芳香烴和 含氧揮發(fā)性有機物(OVOCs)。不同板材的TVOCs 濃度水平存在明顯差異，飾面中纖板、防潮板、飾面顆粒板、PVC 吸塑板和實木生態(tài)板的TVOCs 濃度分別為 836.49μg/m3、578.24μg/m3、449.26μg/m3、190.65μg/m3 和 161.8708 μg/m3，是因為每種板材的制作工藝不同。
五種板材中，飾面中纖板對室內(nèi)的空氣質(zhì)量影響最大，PVC 吸塑板對室內(nèi)空氣質(zhì)量影響最小，對人的健康影響也會最小。五種板材中 VOCs 濃度占比最高的組分都是OVOCs，分別為 71.56%、73.15%、、80.53%、71.37%和 85.77%，一方面是因為含氧揮發(fā)性有機物的物種很多，另一方面是因為甲醛貢獻了很高的濃度，后面會有詳細說明。五種板材中濃度占比第二的組分均是烷烴，分別為 19.19%、24.84%、14.06%、21.47%和 11.79%，烷烴最主要的來源為木材原料，五種板材用的木材原料都是松科類植物。
除了 PVC 吸塑板，其它的四種板材濃度占比第三的組分都是芳香烴，分別為 9.02%、1.53%、5.19%和 2.43%，而 PVC 吸塑板中濃度占比第三的組分是鹵代烴，大小為 6.39%，可能是因為其貼面材料和其他板材不一樣，所以鹵代烴含量有差異。飾面中纖板、飾面顆粒板和防潮板中烯烴和鹵代烴的濃度占比太低可以忽略不計，實木生態(tài)板中不含烯烴和鹵代烴， PVC 吸塑板中不含烯烴，PVC 吸塑板中芳香烴的濃度占比為 0.77%。
本文的實驗數(shù)據(jù)與杜超[30]、李世杰等[31]的研究結(jié)果一致，顆粒板主要排放物種為烷烴和芳香烴 ，而陳峰[32]利用 GC MS 氣質(zhì)聯(lián)用儀測到顆粒板木材原料中排放的 VOCs 主要成分烷烴和芳香烴。沈雋等[33]利用小型環(huán)境艙測出中纖板的主要排放物種為芳香烴、烷烴和烯烴，而杜超[30]研究的纖維板的主要排放物種為烯烴、芳香烴和烷烴，這與本文的物種結(jié)果類似，但物種占比卻有一些差異，表明不同板材的生產(chǎn)加工工藝不一樣，使用的木材原料和貼面材料也不同，才會導(dǎo)致各板材的濃度和組分占比存在差異性。
3 結(jié)論與展望
3.1 定制家具板材產(chǎn)生揮發(fā)性有機物的環(huán)節(jié)有：基板所用的木材原料;添加的膠黏劑;三聚氰胺和 PVC 貼面材料。
3.2 對五種板材 VOCs 的排放濃度進行逐時測量，發(fā)現(xiàn)甲醛的相對排放濃度比較為：飾面中纖板>防潮板>飾面顆粒板>實木生態(tài)板>PVC 吸塑板，而TVOCs(除甲醛)的相對排放濃度比較為：飾面顆粒板>飾面中纖板>PVC 吸塑板>防潮板>實木生態(tài)板。
3.3 不同板材的 TVOCs 濃度水平差異較大，飾面中纖板的 TVOCs 濃度高達 836.49μg/m3，遠高于其它板材，實木生態(tài)板的 TVOCs 濃度最低，是五種板材中最環(huán)保的板材。不同板材的 VOCs 組成差異不大，都是以 OVOCs 和烷烴為主。烷烴的主要來源是木材原料和膠黏劑;芳香烴的主要來源是貼面材料和膠黏劑溶劑;鹵代烴的主要來源是膠黏劑;OVOCs 的主要來源是木材原料、膠黏劑和添加劑。
3.4 五種板材中 TVOCs 濃度貢獻排名前 5 的組分差不多，其主要貢獻者都是甲醛和正己烷。除此之外，在五種板材中貢獻較高的組分是乙酸乙酯、乙酸、異戊烷和甲苯。這些化合物對人都會造成一定的傷害，可以從產(chǎn)生源頭對其進行控制，提高人們生活的室內(nèi)空氣質(zhì)量。
3.5 室內(nèi)環(huán)境中板材 VOCs 的釋放是一個復(fù)雜的傳質(zhì)過程，需建立數(shù)學(xué)模型去描述其釋放過程，而模型中表征材料 VOCs 散發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)是初始可散發(fā)濃度 C0、擴散系數(shù) Dm和分配系數(shù) K，之后的研究可以通過艙內(nèi)逐時濃度來擬合確定這三個關(guān)鍵，以豐富家具板材排放數(shù)據(jù)庫。3.6 為了提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量，除了從板材制備方面采取控制措施，使用者對板材種類和裝載率的選擇也是至關(guān)重要的。
參考文獻：
[1] Klepeis N E, Nelson W C, Ott W R, et al. The National Human ActivityPattern Survey (NHAPS): a resource for assessing exposure toenvironmental pollutants[J]. J Expo Anal Environ Epidemiol, 2000, 11(3):231 252.
[2] Sahlberg B, Gunnbjörnsdottir M, Soon A, et al. Airborne molds andbacteria, microbial volatile organic compounds (MVOC), plasticizers andformaldehyde in dwellings in three North European cities in relation to sickbuilding syndrome (SBS)[J]. Science of the Total Environment, 2013, 444:433 440.
[3] Spengler J, Sexton K. Indoor air pollution: a public health perspective[J].Science, 1983, 221(4605): 9.
[4] Wolkoff P, Nielsen G D. Non cancer effects of formaldehyde andrelevance for setting an indoor air guideline[J]. Environment International,2010, 36(7): 788 799.
作者：田嬌 1,2，覃業(yè)霞 1,2*，楊帥俊 1，呂燁同 1，黃皓旻 1,2，葉代啟 1,2
轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/30074.html
