中纤板VOCs释放对室内空气品质影响评估*

蒋利群 赵 政 沈 隽 孟 娟 董华君

(东北林业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 150040)

近年来，随着室内装饰材料使用量不断增大，室内空气污染有害物质种类日益增多(李光荣， 2010)，人类已进入到以“室内空气污染”为标志的第三污染时期(庄晓虹， 2009)。室内空气污染，是指有害的化学性因子、物理性因子和(或)生物性因子进入室内空气中并达到对人体身心健康产生直接或间接、近期或远期，或者潜在有害影响的程度的状况，其不仅会引起气管炎、支气管炎、肺癌等多种疾病，而且还会造成巨大的经济损失(王超等， 2014)，已被世界卫生组织列为人类健康的十大威胁之一(Haymoreetal.， 1993)。研究发现，室内空气污染主要是由于室内空气中存在多种挥发性有机化合物(VOCs)(Meeraetal.， 2011)，而人造板等建筑材料因具有较大的暴露面积成为室内空气的主要污染源(Wolkoff， 2003； Leeetal.， 2015)。当室内VOCs超过一定浓度时，在短时间内人们感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力，严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退，且VOC还可伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统(赵杨等， 2015； 曹田雨等， 2018)，因此，科学评价人造板VOCs释放对室内空气品质的影响具有重要意义。

室内空气品质评价是人们认识室内环境的一种科学方法，是随着人们对室内环境重要性认识的不断加深而推出的新概念(黄书君等， 2014)，其针对具体对象，运用评价因子科学定量定性反映室内空气质量(韩振芳等， 2015)，分析室内空气污染的主要因素，预测一定时期内的变化趋势，并有针对性地提出控制措施(刘守帅等， 2012)。人造板的使用对室内空气品质具有显著影响，在人造板被用于室内前，对其可能产生的室内空气污染进行合理评价，有助于提高室内空气品质，保障居民健康。本研究以不同饰面中纤板为研究对象，采用1 m3气候箱模拟室内环境，利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分析中纤板一个周期(28天)释放VOCs的质量浓度变化，建立单因子指数模型确定中纤板释放的主要污染物，应用改进的沈氏模式(舒爱霞等， 2010)对中纤板素板以及不同饰面中纤板被用于室内环境可能造成的污染进行综合评价，并预估中纤板在室内单独使用时的最大装载量，以期为室内装饰以及室内空气品质检测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

中纤板素板和饰面中纤板(PVC饰面中纤板、三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板)购自广东省某厂，规格(长×宽×厚)为1 200 mm×1 200 mm×8 mm，甲醛释放等级E1级(0.124 mg·m-3)(GB 18580—2017)，基材选用落叶树木材，密度0.7 g·cm-3，生产时的热压温度为165～215 ℃，热压时间为60～80 s，使用改性的脲醛树脂胶黏剂。将板材锯割成单面面积1 000 mm×500 mm的试样，为了防止边部VOCs高度释放，用锡箔纸密封边部，采用双面释放方法采集气体，总释放面积为1 m2。

1.2 检测仪器

1 m3气候箱，广东东莞升微机电设备有限公司制造，工作室尺寸 1 578 mm × 800 mm ×800 mm(深×宽×高)，配有控温装置、控湿装置、高温清洁系统和循环系统。气候箱参数： 空气温度(23±1)℃，相对湿度45%±3%，空气交换率每小时1次，装载量(1.0±0.05)m2·m-3。

Tenax-Ta吸附管，英国Markes公司生产，长度89 mm，外径6.4 mm，内含200 mg粒径60～80目的Tenax-Ta吸附剂(2，6二苯呋喃多空聚合物树脂)。

GC-MS(气相色谱质谱联用仪)，美国Themo公司生产，热脱附仪主机系统为UNITY，载气为氦气，解析温度300 ℃，管路温度180 ℃，热解析时间10 min，进样时间1 min； 热脱附全自动进样器型号为ULTRA 100。以气相色谱柱为分离基础，样品进入进样器后由载气传送以分离色谱柱，分离后的样品由柱中流出到检测器再排空。GC-MS的参数以及调节范围见表1。

1.3 测试方法

采用1 m3气候箱模拟室内环境，利用Tenax-Ta吸附管采集中纤板一个周期(28天)释放的VOCs。气候箱参数设置依据ISO 16000-9—2006标准，并参考GB/T 29899—2013分析方法，使用GC-MS对中纤板释放VOCs的质量浓度和种类进行定量分析。试验前，首先用蒸馏水擦洗气候箱工作室内壁，然后开启高温清洁系统，使气候箱达到240 ℃，清洁4 h，保证气候箱TVOC质量浓度小于20 μg·m-3，各单体质量浓度均小于2 μg·m-3。将裁剪好的中纤板置于气候箱中心，运转至少12 h，使气体质量浓度稳定，降低样本本身差异。分别在第1天、第3天、第7天、第14天、第21天和第28天利用Tenax-Ta吸附管采样，采样气体流量为200 mL·min-1，采集时间为10 min，收集气体2 L。收集好的气体先用热脱附仪解析10 min，后使用 GC-MS采用内标法(内标物为氘代甲苯)对气体进行定性和定量分析。

表1 GC-MS参数设置Tab.1 GC-MS parameter settings

2 结果与分析

2.1 中纤板VOCs的释放

根据GB/T 18883—2002，利用Tenax-GC或Tenax-Ta采样，非极性色谱柱(极性指数小于10)进行分析，保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物称为TVOC(本研究TVOC含量为保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物含量总和)。中纤板释放的挥发性有机化合物主要为烷烃类、芳香烃类、醛酮类、酯类、烯烃类及其他组分，见表2、3、4。3种中纤板释放VOCs的质量浓度整体随时间呈下降趋势，前7天下降迅速，到第21天各类挥发性有机化合物的质量浓度基本稳定，变化很小。3种中纤板中，释放总挥发性有机化合物质量浓度最大的为中纤板素板，其次为PVC饰面中纤板，最后为三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板。饰面中纤板释放TVOC的质量浓度较中纤板素板有所下降，是因为PVC和三聚氰胺浸渍胶膜纸2种饰面方法对中纤板挥发性有机化合物具有一定封闭作用，能够阻碍VOCs释放，其中三聚氰胺浸渍胶膜纸的封闭作用最强，三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板释放挥发性有机化合物的质量浓度最低。

表2 中纤板素板不同时间释放挥发性有机化合物的质量浓度Tab.2 The mass concentration of VOCs released by unfinished MDF at different times μg·m-3

表3 PVC饰面中纤板不同时间释放挥发性有机化合物的质量浓度Tab.3 The mass concentration of VOCs released by PVC facing MDF at different times μg·m-3

表4 三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板不同时间释放挥发性有机化合物的质量浓度Tab.4 The mass concentration of VOCs released by melamine finishing MDF at different times μg·m-3

2.2 中纤板释放VOCs主要污染物的确定

单因子指数是客观评价体系中一种常用的评价模型。本研究应用该模型，通过计算污染因子指数、超标倍数等确定室内空气污染的主要污染物。引入单因子指数模型分析中纤板释放的挥发性有机化合物中造成室内空气污染的主要物质，计算公式如下：

(1)

式中：Ii为单因子分指数；Ci为中纤板释放某类挥发性有机化合物的质量浓度(μg·m-3)；Cvi为室内某类挥发性有机化合物的限量质量浓度(μg·m-3)。

Ii<1表示达标，Ii>1表示该类挥发性有机化合物造成室内空气污染，且Ii越大，该类物质污染越严重。本研究采用的限量质量浓度指室内空气中各类VOCs指导限量(谢振伟， 2006； 赵杨等， 2015)，其中芳香烃化合物、醛酮类化合物(不包括甲醛)、烷烃化合物、酯类化合物、烯烃类化合物、总挥发性有机化合物(TVOC)限量质量浓度分别为50、20、100、20、30和300 μg·m-3。对中纤板素板第1天释放挥发性有机化合物的主要污染物进行分析，结果见表5。

表5 中纤板素板第1天释放VOCs各组分的评价指数Tab.5 Evaluation index of VOCs from MDF on the first day μg·m-3

由表5可知，在1 m3气候箱测试条件下，中纤板素板第1天释放VOCs的超标倍数范围为0.59～1.64，其中芳香烃类、酯类、烯烃类物质分指数Ii大于1，分别为1.95、2.64和1.59，质量浓度超标，污染程度为酯类>芳香烃类>烯烃类。

同样方法分析中纤板素板和不同饰面中纤板一个周期内的主要污染物，结果见表6。

表6 中纤板一个周期内的主要污染物及分指数Tab.6 The major pollutants and single-factor index of MDF in one cycle

由表6可知，在1 m3气候箱测试条件下，14天后，3种中纤板释放各类挥发性有机化合物的分指数均小于1，说明各类释放物质的质量浓度均小于限量质量浓度，质量浓度达标。14天前，中纤板素板释放VOCs造成室内空气污染的主要物质为酯类、芳香烃类和烯烃类； PVC饰面中纤板和三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板释放VOCs造成室内空气污染的主要物质为酯类和芳香烃类； 中纤板素板和PVC饰面中纤板释放酯类和芳香烃类的分指数远大于三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板，说明这2种中纤板释放酯类和芳香烃类的污染程度比三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板大。通过分析，造成室内空气污染的单种挥发性有机化合物质量浓度超标主要发生在前14天，在此期间，VOCs质量浓度高，释放速率快，会对人体身心健康带来损害，因此在实际生产生活中，若采用此类装饰材料，应勤开窗、多通风使室内空气流通，加快挥发性有机化合物释放，以保证室内空气品质和居民健康。

2.3 中纤板VOCs释放对室内空气品质影响的综合评价

综合指数评价又称多因子指数评价，一般由单因子指数有机组合而成，能够综合反映室内空气品质的优劣。本研究应用舒爱霞等(2010)改进后的沈氏模式对中纤板素板以及不同饰面中纤板被用于室内环境可能造成的污染进行综合评价：

(2)

该指数模式简单，适应污染个数增减，兼顾最大单因子分指数和算数平均指数并突出最大单因子分指数，能够准确客观反映出室内空气品质。计算出中纤板一个周期内最大单因子分指数和算数平均指数，见表7。

表7 中纤板一个周期内最大单因子分指数和算数平均指数Tab.7 The maximum single-factor index and arithmetic average index of MDF in one cycle

室内空气品质按照综合指数分为5级，如表8所示。一般认为，综合指数在0.5以下为清洁环境，能够达到最大满意度； 当综合指数达到1时为轻度污染，达到2及以上时为重度污染，严重危害人身体健康。

表8 室内空气品质等级Tab.8 Indoor air quality level

通过计算可知，假设室内环境在此气候箱测试条件下，单独使用中纤板素板的室内空气品质为重污染，中纤板素板第1天释放的VOCs对室内空气品质影响较大，需引起人们注意。

同理，可计算出中纤板素板和不同饰面中纤板第1天、第3天、第7天、第14天、第21天、第28天的综合指数，见表9。3种中纤板释放的VOCs综合指数随时间变化趋势见图1。

由表9可知，当室内环境在此气候箱测试条件下，中纤板素板释放的VOCs在第1天、第3天和第7天对室内空气品质影响较大，特别是第1天，空气品质为Ⅴ级，重污染，第3天和第7天空气品质为Ⅳ级，中污染。第7天后，随着中纤板释放的VOCs不断排出室外，空气品质逐渐提高，升至Ⅱ级，未污染，室内居住人员可放心使用； PVC饰面中纤板释放的VOCs在第1天和第3天对室内空气品质影响较大，空气品质为Ⅳ级，中污染，从第7天开始，空气品质上升至Ⅱ级，未污染，并达到稳定，居民可放心使用； 与中纤板素板和PVC饰面中纤板相比，三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板释放的VOCs对室内空气品质影响较小，其中在第1天和第3天对室内空气品质影响相对较大，空气品质等级为Ⅱ级，从第3天开始，空气品质逐渐上升，到第14天升至Ⅰ级，达到稳定，非常适合人们居住。由图1可知，VOCs综合指数从大到小分别为中纤板素板、PVC饰面中纤板、三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板，三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板释放的VOCs对室内空气品质的影响评价最理想，空气品质最好，其次是PVC饰面中纤板，最后是中纤板素板。VOCs综合指数随时间增加逐渐下降，前14天下降最显著，直至达到稳定，也就是说，中纤板释放的VOCs对室内空气品质的影响随时间增加逐渐减小，空气品质逐渐提高，第21天后，综合指数稳定，空气品质均达到无污染标准，3种中纤板释放的VOCs对室内空气品质的影响评价均比较理想。

表9 中纤板一个周期内的综合指数Tab.9 The comprehensive index of MDF in one cycle

图1 3种中纤板综合指数随时间变化趋势Fig.1 Comprehensive index change trends of MDF with time

2.4 中纤板最大装载量预估

以第28天稳定状态下挥发性有机化合物的质量浓度为依据，根据式(2)，预估在保证室内空气未污染的前提下中纤板单独使用时的最大装载量。

同理，根据表7中纤板一个周期内最大单因子分指数和算数平均指数，可求得在保证室内空气未污染的前提下，PVC饰面中纤板、三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板单独使用的最大装载量分别为1.8和3.2 m2·m-3。

3 讨论

本研究通过对中纤板素板和不同饰面中纤板释放VOCs对室内空气品质影响的综合评价，计算出了中纤板在室内单独使用时的最大装载量，为室内装饰以及室内空气品质检测提供了理论依据和参考指标。如在120 m2的普通房间内(高度2.8 m)，空气品质达到无污染状态时，中纤板素板可最大放置面积504 m2。但中纤板只是众多人造板装饰材料的一种，今后应进一步探索其他常用人造板在室内的最大装载量以及对室内空气品质的影响，建立健全影响人造板VOCs释放的信息网络图，完善室内空气卫生评价体系，为人类生产生活和身心健康提供强有力的帮助。

4 结论

1) 在1 m3气候箱测试条件下，中纤板素板释放VOCs造成室内空气污染的主要物质为酯类、芳香烃类和烯烃类； PVC饰面中纤板、三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板释放VOCs造成室内空气污染的主要物质为酯类和芳香烃类； 中纤板素板和PVC饰面中纤板释放酯类和芳香烃类的污染程度远大于三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板； 在释放后期，3种中纤板释放单体VOC的质量浓度均合格，没有超标。

2) 在1 m3气候箱测试条件下，中纤板释放VOCs对室内空气品质的影响随时间增加逐渐减小。21天后VOCs释放达到稳定，3种中纤板VOCs释放对室内空气品质的影响评价较为理想，均达到无污染标准，其中最为理想的是三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板，其次是PVC饰面中纤板，最后是中纤板素板。

3) 在保证室内空气未污染的前提下，中纤板素板、PVC饰面中纤板和三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面中纤板在室内单独使用时的最大装载量分别为1.5、1.8和3.2 m2·m-3。