刨花/活性炭复合板的制备及其对甲醛气体吸附性能1)

李景鹏 吴 薇 王 喆 韩申杰 金春德

(浙江农林大学，临安，311300)

对于室内甲醛污染的治理，人们开发了不同的方法，主要有吸附法、生物吸收法和化学法3 种;其中，吸附法，由于方便有效、吸附效率高、不造成二次污染等特点被广泛应用［1－5］。常用的吸附材料有活性炭、竹炭、沸石等。活性炭是一种炭质吸附材料，具有性能稳定、抗腐蚀性较好、使用方便、成本低廉等优点［6－7］。本文把活性炭添加到刨花中，压制成刨花/活性炭复合人造板;初步研究了刨花/活性炭复合板材吸附、解吸和重吸附甲醛能力，探讨了不同活性炭比例复合板对甲醛吸附、解吸和重吸附性能的影响，为室内如何降低甲醛危害和刨花板的高值化开发利用提供参考。

1 材料与方法

刨花，由吉林延边林业集团白河刨花板有限公司提供，含水率约为12%;脲醛树脂胶，由浙江康溢人造板公司提供，固体质量分数为52%;活性炭，由德清家意炭业公司提供，目数为200 目;质量分数为36%的甲醛溶液，国产分析纯。

板材长×宽×厚为200 mm×200 mm×8 mm。断面为三层结构，表层为细刨花，两面表层细刨花占板材刨花总质量的35%，施胶量为12%;芯层为粗刨花，占板材刨花总质量的65%，施胶量为10%。活性炭只用于刨花板表层，活性炭添加比(活性炭与表层刨花的绝干质量比)分别为0.1%、0.3%、0.5%。

将混合物(细刨花+活性炭)、粗刨花，分别与脲醛树脂胶在拌胶机中充分搅拌混匀，按3 层结构进行铺装、成型、热压、锯边、砂光，得到刨花板成品，测试其物理力学性能。

刨花/活性炭复合板材对甲醛吸附、解吸和重吸附测定:实验采用的密封箱是一个1 m3的玻璃箱，甲醛发生量相当于空气标准10 倍左右，每次实验前测量舱内甲醛质量浓度的本底值。取质量分数为36%的甲醛溶液0.2 mL，滴入小块滤纸上并放入密封箱中，开启风扇，并用甲醛直读仪观察箱内甲醛质量浓度。当质量浓度达到0.5 ng/m3时，取出滤纸并关闭风扇。当直读仪上的读数稳定，则该读数被作为甲醛初始质量浓度。从ER－10AGP 高低交变湿热试验机中，取出含水率调至12%的试件放入舱内，测定舱内甲醛8 h 质量浓度变化值。

测试及表征:利用美国FEI 公司的Quanta200型扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)，观察样品的微观结合形态;用MWD－50 微机控制电子式木材万能实验机，检测刨花板的力学性能;用4160－2 甲醛直读仪，检测甲醛质量浓度。

2 结果与分析

2.1 刨花/活性炭复合板的物理力学性能

由表1可见:活性炭添加质量比在0.1%～0.5%范围内，静曲强度、弹性模量、2 h 吸水厚度膨胀率等指标，均明显比未加活性炭的刨花板高;内结合强度值，当活性炭的添加比为0.5%时略低于未加活性炭的刨花板，当活性炭的添加比为0.3%时其内结合强度值最大，达到1.417 MPa;24 h 吸水厚度膨胀率值，当活性炭的添加比为0.3%时略低于未加活性炭的刨花板;当活性炭的添加比为0.1%和0.5%时，相应板材的24 h 吸水厚度膨胀率值略大于未加活性炭的刨花板。综合看，活性炭添加比为0.3%时，各种物理力学性能最好。

表1 活性炭添加比对刨花/活性炭复合板物理力学性能的影响

2.2 刨花/活性炭复合板对甲醛的吸附性能

本实验所用密封箱经检测证明:密封箱密封性能完好，完全符合实验对密封箱的要求。密封箱中放入复合板材后，甲醛的衰减曲线与甲醛自然衰减曲线的面积之差，即为板材对甲醛的净化效果。衰减曲线的面积，可利用积分公式求得［8］。积分公式:S=［0.5×(C0+Cn)+(C1+C2+…+Cn－1)］Δt。式中:S 为曲线与横坐标间的面积;C0为舱内t=0 时的甲醛质量浓度;Cn为舱内t=n 时的甲醛质量浓度。根据上述公式和板材吸附面积，可以得出板材的单位时间单位面积净化效果。

图1给出了刨花/活性炭复合板，单位面积单位时间对甲醛的吸附及其净化效果。从图1可看出:随着活性炭添加比例的增大，刨花/活性炭的复合板对甲醛吸附的能力增强;在最后1 h，添加0.3%活性炭板材与添加0.5%活性炭板材，对甲醛吸附的影响相似。根据积分公式，得出板材单位面积单位时间的净化效果:刨花与0.1%的活性炭复合的板材，净化能力为1.056 mg·m－2·h－1;刨花与0.3%的活性炭复合的板材，净化能力为1.18 mg·m－2·h－1;刨花与0.5%的活性炭复合的板材，净化能力为1.18 mg·m－2·h－1。其中:刨花与0.5%的活性炭复合的板材，对甲醛吸附能力最强;说明，随着活性炭添加量的增加，板材对甲醛的吸附能力增强。

图1 刨花/活性炭复合板对甲醛的8 h 衰减曲线

2.3 刨花/活性炭复合板对甲醛的解吸及重吸附性能

为了了解刨花/活性炭复合板对甲醛的缓释放特性，本研究以活性炭添加比例为0.5%的刨花/活性炭复合板，进行吸附甲醛8 h 后，在舱内甲醛质量浓度为0 的条件下，连续2 次重复进行对甲醛解吸8 h 试验(见图2)。从图2可看出，板材的第一次甲醛释放量为0.10 mg·m－2·h－1，第二次甲醛释放量为0.055 mg·m－2·h－1;说明，随着时间的推移，板材对甲醛的释放量在减少。

为了验证刨花/活性炭复合板对甲醛吸附的长效性，在每次舱内初始甲醛质量浓度1.0 mg·cm－3左右条件下，以活性炭添加比例为0.5%的刨花/活性炭复合板，进行3 次循环8 h 甲醛吸附试验(见图3)。从图3可看出:板材对甲醛的吸附具有较强的持续性，且3 次衰减曲线比较接近。板材第二次重新吸附甲醛的效果，明显好于第一次，超过了第一次对甲醛的净化能力。板材第一次对甲醛的净化能力为1.12 mg·m－2·h－1，板材第二次对甲醛的净化能力为1.21 mg·m－2·h－1。

图2 刨花/活性炭复合板吸附甲醛8 h 后解吸甲醛曲线

2.4 刨花/活性炭复合板材形态特征

从图4a 中可看出，刨花中加入活性炭，基本保持了原刨花板的颜色，活性炭均匀分散在刨花板里面。从图4b 可以清晰观察到，活性炭与刨花在压制成板时复合在一起。为了进一步证明，采用能谱仪进行了分析。第一幅能谱图，炭质量分数为90.10%;原因是活性炭在炭化后，氧质量分数下降，炭质量分数升高。第二幅能谱图，炭质量分数占68.36%，氧质量分数占31.64%，相对正常;这是因为刨花中氧质量分数比活性炭中氧质量分数高，可以说明，活性炭与刨花在压制成板时复合在一起。

图3 刨花/活性炭复合板不同循环次数吸附甲醛的衰减曲线

图4 刨花/活性炭复合板材的外观、微观结构示意图

3 结论

活性炭与刨花复合后压制的板材，能增强板材的物理力学性能。在热压温度为180 ℃、热压压力3.0 MPa 的热压条件下，板材密度设定为0.88 g·cm－3，设定厚度为8 mm 时，刨花与0.3%活性炭复合，刨花板物理力学性能最高:内结合强度值为1.417 MPa、静曲强度值为21.781 MPa、弹性模量值为3 399 MPa、2 h 吸水厚度膨胀率为3.13%、24 h 吸水厚度膨胀率为12.35%。活性炭与刨花复合后压制的板材，对空气中的甲醛有较好的吸附效果。随活性炭施加比例的增加，复合板对甲醛气体的净化能力越强，当活性炭质量占表层刨花质量的0.5%时，其净化值为1.159 mg·m－2·h－1。

通过对刨花与活性炭复合而制造的刨花板进行解吸和重吸附试验，证明板材重新释放的甲醛量较小，当空气中甲醛质量浓度较大时，板材对空气中甲醛的重复净化性能依然良好。实验证明，刨花/活性炭复合板材对甲醛有较好的吸附效果，能够达到国家标准，且提高了板材的物理力学性能。

［1］ 李坚，郑睿贤，金春德.无胶人造板研究与实践［M］.北京:科学出版社，2010.

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