不同體積采樣艙中密度纖維板裝載率對VOCs釋放的影響?

趙 政 沈 雋

（東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著科技的進步，特別是電子信息技術的發展，人們在室內活動的時間已經遠超于室外[1]，室內居住與工作環境對人類健康有著直接的影響，而良好的室內空氣質量（IAQ）是提高人類生活品質的重要因素。近年來，木質材料尤其是人造板已經成為室內裝飾裝修材料的主要用材之一[2]，中密度纖維板（MDF）被廣泛應用于家居裝飾和家具制造等領域。然而，MDF會釋放VOCs，相關研究表明，室內空氣中多種VOCs共存含量過高會嚴重影響室內空氣質量[3]，對人的身心健康產生不良影響[4-5]。控制室內VOCs濃度的最有效方法是源頭控制和稀釋控制[6]。所謂源頭控制即從根本上限制高釋放量VOCs材料的使用，而稀釋控制是通過開窗通風加快室內空氣流動速度，從而帶走材料表面釋放的VOCs。

人造板VOCs的釋放是一個極為復雜的過程，會受各種因素的影響，如環境條件（溫度、相對濕度、空氣交換率和空氣流速）、生產工藝流程（木材干燥、人造板熱壓時間）、家具特性（尺寸、形狀和成分）以及自身條件（飾面或改性處理）等[7-19]。此外，裝載率，即室內家具用材暴露在空氣中的表面積與室內容積的比率，也是影響空間環境污染的關鍵因素[20]。宋偉等[21]通過傳質模型探討了木質家具裝載率對VOCs排放的影響，糾正了通常只要使用全部經過檢驗合格的環保材料或產品，室內空氣質量就不會超標的觀點[22]。Pei等[23]研究得出，家具裝載數量顯著影響TVOC排放量，但二者不呈線性關系。

本試驗以MDF為研究對象，對不同空間大小和裝載率條件下VOCs的釋放規律和組分進行分析研究，探索不同采樣空間大小和裝載率下VOCs釋放結果的差異，為企業產品質量自控分析提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗采用廣東某廠生產的甲醛釋放等級為E1級、尺寸為1 200 mm×1 200 mm×18 mm的MDF素板，然后將板材裁剪成500 mm×500 mm×18 mm和150 mm×50 mm×18 mm大小的2 種試件。大試件單面表面積為0.25 m2，小試件單面表面積為0.075 m2，試驗采用試件雙面釋放方法，試件邊部用鋁箔紙封邊，防止氣體散發。

甲苯500 mL，分析純，純度為99.95%，哈爾濱凱美科技有限公司。

1.2 設備

1.2.1 人造板VOCs氣體采集裝置

1） 1 m3氣候箱，由廣東東莞市昇微機電設備科技有限公司生產，內壁為不銹鋼材料，具有背景氣體濃度限制及溫、濕度調控裝置，試件采樣體積為1 m3。采集條件設置見表1。

表1 氣候箱采集條件參數設置Tab.1 Parameter setting of climate box collection conditions

2）15 L氣體采樣艙，由東北林業大學自主研制，配有控溫控濕裝置以及氣體供給循環裝置，參數設置同1 m3氣候箱。

3）智恒IAQ-Pro型恒流空氣采樣泵，美國SENSIDYNE公司，流量范圍100 ～600 mL/min，用以提高低流范圍內恒流的穩定性，誤差不超過設定值的±5%。

4） Tenax-TA吸附管，內裝2,6-二苯呋喃多孔聚合物吸附劑200 mg，可以有效吸附和解脫VOCs有機化合物。

5）TP-5000 通用型熱解析儀（老化儀器），北京北分天譜儀器技術有限公司，可有效清除Tenax-TA吸附管中殘留的氣體。。

1.2.2 人造板VOCs氣體分析設備

1） UNITY-xr型熱脫附儀，英國Markes公司，載氣為N2，熱解析溫度為280 ℃，管路溫度為85 ℃，熱解析時間為5 min，進樣時間為1 min；

2）DSQ-Ⅱ氣質聯用儀(GC-MS)，美國Thermo Fisher Scientific公司。氣質聯用檢測條件如下：a.氣相色譜條件，TRACE TR-5MS毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；b.載氣為99.996%的氦氣，流速1 mL/min，進樣量1 μL，進樣口溫度250 ℃，分流比1∶40；c.升溫程序，40 ℃保持2 min，以5 ℃/min升至150 ℃保持4 min，再以10 ℃/min升至250 ℃；d.質譜條件，DSQ-Ⅱ離子源溫度230 ℃，電離方式EI，電子能量70 eV，質量掃描范圍40～450 amu，色譜-質譜接口傳輸線溫度280 ℃。

1.3 試驗方法

1.3.1 采樣方法

所有試件在標準狀態下分別隔離放置28 d，待其VOCs釋放達到平衡狀態后使用1 m3氣候箱和15 L氣體采樣艙，用Tenax-TA 吸附管和IAQ-Pro 型恒流空氣采樣泵在4 種裝載率條件下（1.0、1.5、2.0 m2/m3和2.5 m2/m3）采集2 L氣體，氣體樣本經熱脫附后利用GC-MS分析VOCs含量[4]。

1.3.2 分析方法

試驗采用GC-MS外標定量分析方法，外標物為甲苯，通過氣相色譜質譜儀的數據處理軟件Xcalibur得到各揮發性氣體組分譜圖，并與NIST標準譜庫對比，確定各揮發有機化合物成分，最后利用Excel進行數據分析，按照GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》規定，計算保留時間在正己烷和正十六烷之間的VOCs濃度。

在計算外標物甲苯的質量時，采用外標方法得到目標單體甲苯的峰面積，并根據甲苯擬合曲線方程Y=-3 320 000+9 76 000X得到甲苯質量，式中Y表示峰面積，X表示甲苯質量，擬合度為0.999 8。

TVOC濃度計算依據下述公式：

式中：C（TVOC）為所有揮發性有機化合物濃度的總和，μg/m3；M為氣體質量，μg，；V為氣體體積，m3。

2 結果與分析

2.1 不同裝載率條件下TVOC釋放規律

采用相同試驗條件，在2 種不同體積采樣艙內分別對不同裝載率下MDF的TVOC釋放情況進行分析研究，得到如圖1 和圖2 所示規律。1 m3氣候箱TVOC釋放濃度隨著裝載率的增加而增大，且增長速度呈增加趨勢，當裝載率從1.0 m2/m3增至1.5 m2/m3時，增長速度最小，為6.42%；裝載率從2.0 m2/m3增至2.5 m2/m3時，增長速度最大，達到29.4%。15 L氣體采樣艙的TVOC釋放趨勢與1 m3氣候箱一致，但TVOC濃度增長速率與之相反，當裝載率從1.0 m2/m3增至1.5 m2/m3時，增長速度最大，為11.56%；裝載率從2.0 m2/m3增至2.5 m2/m3時，增長速度最小，為3.8%。

圖1 1 m3氣候箱TVOC釋放規律Fig.1 TVOC release law of 1 m3 climate chamber

圖2 15 L氣體采樣艙TVOC釋放規律Fig.2 TVOC release law of 15 L gas sampling chamber

對1 m3氣候箱和15 L氣體采樣艙TVOC釋放質量濃度和MDF裝載率的關系進行分析，得到指數擬合方程，用于預判TVOC釋放量達到室內空氣標準質量時對應空間MDF可使用的總暴露表面積，2 個體積采樣艙內的擬合方程如公式（1）和公式（2）所示：

式中：y為TVOC釋放質量濃度，μg/m3；x為MDF的裝載率，m2/m3，擬合相關系數分別為0.981 和0.995。

對比分析可知，15 L氣體采樣艙TVOC釋放量遠大于1 m3氣候箱，在相同低裝載率（1.0 m2/m3）下， 15 L氣體采樣艙TVOC釋放值是1 m3氣候箱TVOC釋放值的1.6 倍；相同高裝載率（2.5 m2/m3）下，15 L氣體采樣艙TVOC釋放值是1 m3氣候箱TVOC釋放值的1.1 倍。相對于1 m3氣候箱，15 L氣體采樣艙中，隨MDF裝載率的增大，由于剩余空間體積減小，增高的釋放濃度抑制TVOC的繼續釋放，從而釋放速率增幅降低。圖3 為2 種不同艙體裝載率之間的相關性分析結果，兩艙裝載率之間線性相關，這與李爽等的研究結果一致[24-26]。擬合方程為公式（3），二者相關系數為0.863。因此在實際應用中，可以充分利用實驗室15 L采樣艙檢測，為企業產品質量自控提供參考。

圖3 不同艙體裝載率之間相關性Fig.3 Correlation between loading rates of diあerent cabins

2.2 不同空間裝載率下VOCs釋放組分種類分析

表2 和圖4 為1 m3氣候箱和15 L氣體采樣艙VOCs釋放的種類占比與濃度。在不同裝載率下，大小艙空間所釋放的VOCs組分及各類物質在 TVOC中的占比存在明顯差異，但釋放的芳香烴類、烷烴類、醛類、酯類組分之和在總占比中均超過75%。

表2 不同裝載率下VOCs種類占比Tab.2 Proportion of VOCs under diあerent loading rates

圖4 不同裝載率下VOCs種類濃度Fig.4 Component concentration of VOCs under diあerent loading rates

2.3 不同空間裝載率下VOCs釋放組分分析

對GC-MS 在不同艙體采集的VOCs的TIC 離子圖分析發現，每種裝載率下MDF均有10 種左右的離子峰信號，每一個離子峰有一種或兩種明顯的成分，對照離子譜圖篩選出20 種VOCs主要組分濃度，詳見表3 和表4 所示。

表3 1 m3氣候箱MDF釋放VOCs主要組分與濃度Tab.3 Main substances and concentrations of VOCs released by MDF in the 1 m3 climate chamber

（續表3）

表4 15 L氣體采樣艙MDF釋放VOCs主要組分與濃度Tab.4 Main substances and concentrations of VOCs released by MDF in the 15 L gas sampling chamber

不同體積采樣艙中苯、甲苯、對二甲苯、十六烷、壬醛、癸醛這6種VOCs單體始終能被檢出。

3 結論

隨著MDF裝載率的升高，采樣艙中TVOC釋放濃度均呈指數增長，不同體積采樣艙內TVOC釋放有一定相關性，因此可以利用實驗室15 L采樣艙檢測數據，實現企業產品質量自控和預測TVOC釋放量達到室內空氣標準質量時對應空間MDF可使用的總暴露表面積。此外，不同體積的采樣艙，4種裝載率下釋放的芳香烴類、烷烴類、醛類、酯類組分之和在總占比中均超過75%。本次試驗中由于MDF為VOCs非穩態釋放源，同時受試件尺寸大小的影響，部分VOCs單體未被檢出，但苯、甲苯、對二甲苯、十六烷、壬醛、癸醛這6種VOCs單體始終能被檢出。