微波激励真空抽取法脱除板材中甲醛的研究

刘 军, 乔钰婷, 简明星, 李至阳, 赵佳月, 韩瑾兮

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044)



刘 军, 乔钰婷, 简明星, 李至阳, 赵佳月, 韩瑾兮

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044)

通过理论分析和计算,确定了微波在真空抽取法脱除板材中甲醛的有效激励作用;借助自制的微波激励-真空抽取实验仪,并结合穿孔萃取法检测的板材中剩余甲醛含量数据,研究了微波作用时间、真空抽取时间和真空仓极限压力三个因素对脱除板材中甲醛效果的影响,给出了优化的微波激励-真空抽取法脱除家装板材中甲醛的工艺条件.

家装板材; 甲醛; 微波激励; 真空抽取; 优化工艺

由于人们对室内装饰的实用和美观需求,板材在装修、家具制造中被大量使用.利用零碎木质原料制造的人造复合板材(简称板材),不仅能减少树木砍伐、保护生态环境,而且在防变形、防开裂、防水、防腐、装饰性好及价格低等方面,明显优于实木材料.这些板材多是由木屑、木质颗粒、木纤维或薄板与化学粘合剂复合而成.现在市场上使用的木质材料粘合剂的种类,主要有脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺-甲醛树脂粘合剂,其中脲醛树脂粘合剂使用更普遍.通常,甲醛是制备粘合剂的反应物,同时也是反应溶剂[1],所以,无论哪一种粘合剂使用后都有多余的游离甲醛残留在板材中.游离甲醛在板材使用过程中逐渐挥发,威胁人们健康.因此,脱除板材中剩余甲醛,成为使用板材的焦点问题[2].

在板材使用前,将其中的甲醛等有害挥发物质脱除掉,是减少板材在使用中有害物质释放的有效方法.板材脱除板材中甲醛的工艺研究是从多年前就已开始,产生了多种化学和物理方法[3-6],到目前为止,还没有公认的有效工艺.真空抽取工艺是在低压条件下,使物料中的一些成分挥发并被抽走,达到干燥、脱毒、去味等目的.将真空抽取工艺应用于板材脱除甲醛的研究和实际生产中应用,已有公开报道[7-8],但效果有限,应用并未得到推广.

1 微波激励工艺

1.1 激励工艺的选择

欲将板材中残留的甲醛脱除,须使甲醛分子从板材中迁移至板材的边界,然后脱离板材表面挥发掉.真空抽取应该是促使甲醛分子迁移的有效动力,但其效果不尽如人意.分析其中原因,应该是甲醛分子在板材中与木质纤维、与粘合剂的其他成分存在化学吸附(包括氢键).吸附状态的甲醛分子需要有足够的能量脱附,才能在真空压力场的作用下迁移脱除.有研究者提出将真空抽取与加热工艺结合,来处理板材,提高板材中甲醛脱除的效果[7].这实际上就是要通过加热,给甲醛分子提供能量,促使其脱附.但加热脱附工艺中,能量传递远不如微波工艺更快、更有效.

考虑到在微波场作用下,极性分子可以发生偏转,而甲醛的介电常数虽然不像水分子那样高,但作为典型的极性分子,甲醛分子完全可以在微波场中通过翻转作用实现脱附.而且,分子翻转作用的角动量更容易破坏化学吸附作用力.所以可以将微波激励工艺与真空抽取工艺相结合,以提高脱除甲醛的效果.

1.2 微波激励的理论分析

粘合剂在装饰用板材中,游离甲醛分子会吸附在粘合剂或者木质的微小空隙腔内表面,有物理吸附也有化学吸附,其中化学吸附是导致甲醛在常规的压力场、温度场作用下难以快速脱附的关键因素.甲醛分子在上述空隙腔内表面的吸附作用力不仅有分子间范氏力还有氢键.

其中的氢原子连接在电负性不大的碳原子上,所以甲醛分子中的氢原子不易形成氢键,甲醛分子因而不能形成分子内氢键.但甲醛分子中的氧原子有孤对电子,在遇到裸氢原子时就可以与之形成分子间氢键.当氢原子在分子中与电负性较强的原子,如F、O、N等相连时,由于氢原子核外电子云偏向电负性强的原子,这样的氢原子就成了裸氢原子.目前市场上常用的板材粘合剂脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺(结构式如图1所示)都有这样的裸氢原子.因此,装饰板材中游离甲醛分子除了会以分子间力吸附外,还会以氢键吸附于粘合剂空隙腔的内表面上.

图1 常用粘合剂的分子结构式

氢键作用力的能量要比普通范氏力大10～100倍. 所以要脱除板材中游离甲醛, 不仅要克服分子间的范氏力, 更重要的是要克服氢键作用力.

范氏力的能量EF一般在0.4～4 kJ/mol,氢键的键能EH一般在4～40 kJ/mol[9],一个氢键的键能εH为

式中,NA为阿佛加德罗常数,NA=6.022×1023[8],则最大值εH=6.642 3×10-20J.

为了破坏氢键,需要找到与之相匹配的能量,依照量子力学理论,设这个相匹配的能量的频率为νH,则:

经过联合药物治疗后,观察组患者的舒张压及收缩压为(70.04±5.33)mm Hg、(89.62±8.47)mm Hg,对照组患者的舒张压及收缩压为(102.25±8.14)mm Hg(140.52±10.09)mm Hg,两组差异明显,具有统计学意义,P<0.05,见表1。

式中,h为普朗克常数,h=6.626 2×10-34J/s[8],则νH≈1×1014/s,对应的波长

式中,c0为真空中的光速,c0=3×108m/s,则最小λH=3×10-6m.也就是说,与氢键能量相匹配的光波波长应该在3×10-6m以上.这个波长在红外和微波波段.为了使能量能够有效地送达到板材内部,应该选用穿透力更强的微波作为破坏甲醛氢键,从而激励甲醛迁移脱除的激励手段.

1.3 微波激励工艺的实验验证

为了验证微波激励工艺在脱除板材中甲醛的应用效果,本文对一种市售复合板材(切割成120 mm×10 mm的板材块,尺寸的确定主要考虑到与后续的微波-真空实验装置的加工仓尺寸匹配)进行了三组真空抽取脱除甲醛对比实验,并对真空抽取处理后的板材块中剩余甲醛的含量进行了标定.实验工艺参数和三组板块中平均甲醛检测量见表1.

表1 对比实验工艺参数及结果

从表1中的实验结果看,在相同的真空抽取工艺条件下,采用微波激励辅助手段处理的板材块中平均剩余甲醛检测量明显低.这说明微波激励手段明显有助于增强真空抽取脱除甲醛的效果.

2 微波激励-真空抽取脱除板材中甲醛工艺的实验研究

2.1 研究方法

为使研究更具有科学性,购买同一生产厂家、同一批次的复合板作为实验研究用板材,开展微波激励-真空抽取脱除甲醛工艺的实验研究.实验用板材被分割成相同尺寸(120 mm×10 mm)的板材块,封装保存备用.为保证所用材料具有相同的原始性质,对板材进行了光学显微镜观察(观察得到的照片见图2),观察到板材中的粘合剂分布在宏观尺度上是各项同性的,各个板材块中粘合剂分布差异不会影响后续实验结果.

图2 板材光学显微镜照片

购买了市售美的微波炉,微波频率为2 450 MHe,将其微波发射源拆出引入真空干燥实验仪中,自制成微波激励-真空抽取实验仪,其内部容积为350 mm×280 mm×250 mm.将上述板材块分别按照一定工艺在自制的实验仪中进行微波激励-真空抽取处理.经处理后的板材中剩余甲醛的检测采用目前常用的穿孔法,即在穿孔萃取仪中,用沸腾的甲苯萃取板材试样中的甲醛(液-固萃取), 溶有甲醛的甲苯再通过穿孔器与水进行液-液萃取,使甲醛溶于蒸馏水中,再采用分光光度法进行定量分析.

2.2 实验设计及实验结果

在微波激励-真空抽取脱除板材中甲醛的实验中,影响甲醛脱除效果的因素主要有微波作用频率、微波作用时间、真空仓压力和真空抽取时间.由于本文所使用的微波发射源是市场上常见且价格便宜的,也是最可能用于板材处理工业化的微波源,其频率固定为2 450 MHz.所以本文重点研究的是后三个因素对甲醛脱除效果的影响.为了优化微波激励-真空抽取脱除板材中甲醛的工艺,本文设计并实施了3因素3水平正交实验,实验设计表及实验结果见表2.

表2 板材微波激励-真空抽取脱除甲醛正交实验结果

2.3 实验数据分析及最优工艺确定

分析表2中的实验数据可知,在微波激励-真空抽取脱除板材中甲醛的实验中,影响去除甲醛效果的因素主次顺序依次为:真空仓压力、真空作用时间和微波作用时间.从实验结果上看,微波作用时间对去除板材中甲醛的影响最小,这说明微波激励的效果比较明显,微波在板材中的传递可瞬时到达,甲醛分子的脱附不需要长时间的微波作用即可完成脱附.真空仓压力对板材脱除甲醛的效果影响最大,这说明脱附后的甲醛分子,其迁移仍需外界动力作用.在真空场的作用下,脱附后的甲醛分子迁移效果是明显的,真空仓的极限压力越小,迁移的动力越大,脱除甲醛的效果越好.从实验数据上看,第3组和第5组实验脱除甲醛的效果最好,而且这两组实验数据很接近.考虑到实际生产中应尽量缩短加工时间减少能耗,所以脱除甲醛的最优工艺条件应该为:微波作用时间150 s、 真空抽取时间15 min、 真空仓极限压力100 Pa.如果真空仓极限压力进一步缩小,可能脱除甲醛的效果会更好或者所需加工时间更短,但真空仓极限压力小,对设备指标要求高,而且有些板材自身强度可能不足以承受太大的真空度,所以从实际生产角度考虑,选择100 Pa的极限压力.另外,甲醛分子在微波的作用下脱附后,在真空场的作用下会发生迁移,若未迁移脱出板材块以外,还会再次发生吸附.所以,微波作用应该是间断的、重复的.在实际生产中可以以上述工艺条件为一个加工周期,连续进行若干个加工周期,具体加工周期数主要与板材的尺寸、板材种类(主要是板材中的粘合剂种类和用量)以及板材使用中对其中甲醛含量的要求等因素有关.对于本文实验中所使用的板材块,按照上述工艺条件,连续加工10个周期后,用穿孔法检测甲醛含量为8.5 mg/100 g,足可以满足室内装饰装修用人造板材使用标准[10]要求.

3 结 论

市售家装板材中残余甲醛,在板材中以游离态吸附在粘合剂或者木质的微小空隙腔内表面,吸附作用力较大的是氢键.由于氢键的存在,普通真空场作用不足以使板材中的甲醛有效脱除.计算表明,与氢键相匹配的能量波长在红外和微波波段,为使能量能够有效传递,实际工艺中可采用微波激励促使板材中的甲醛分子脱附.在自制的微波激励-真空抽取实验仪对市售一种板材进行处理,经过3因素3水平正交实验,得到了对于本文采用的板材而言的脱除甲醛单个加工周期最优工艺:微波作用时间150 s、 真空抽取时间15 min、 真空仓极限压力100 Pa.

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【责任编辑: 李 艳】

Liu Jun, Qiao Yuting, Jian Mingxing, Li Zhiyang, Zhao Jiayue, Han Jinxi

(NormalSchool,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)

Theexcitationfunctionofmicrowavefortheformaldehydedesorptionisconfirmedbymeansofanalysisandcalculation.Effectsofmicrowavedurationtime,vacuumextractiontimeandtheultimatepressureofthevacuumchamberonremovingformaldehydeareinvestigatedbyusingaself-mademicrowave-pumpingexperimentinstrumentandtheperforationextractionapparatus.Theoptimizationprocessparametersoftheremovalofformaldehydefromhomeimprovementboardbymicrowave-pumpingaregiven.

homeimprovementboard;formaldehyde;microwavedischarge;vacuumextraction;optimizationprocess

2016-06-01

沈阳大学2015年大学生创新训练项目(201511035048); 沈阳大学博士启动资金资助项目(1120210383).

刘 军(1963-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学教授,博士.

2095-5456(2016)05-0357-05

TB 79

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