不同体积采样舱中密度纤维板装载率对VOCs释放的影响∗

赵 政 沈 隽

（东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着科技的进步，特别是电子信息技术的发展，人们在室内活动的时间已经远超于室外[1]，室内居住与工作环境对人类健康有着直接的影响，而良好的室内空气质量（IAQ）是提高人类生活品质的重要因素。近年来，木质材料尤其是人造板已经成为室内装饰装修材料的主要用材之一[2]，中密度纤维板（MDF）被广泛应用于家居装饰和家具制造等领域。然而，MDF会释放VOCs，相关研究表明，室内空气中多种VOCs共存含量过高会严重影响室内空气质量[3]，对人的身心健康产生不良影响[4-5]。控制室内VOCs浓度的最有效方法是源头控制和稀释控制[6]。所谓源头控制即从根本上限制高释放量VOCs材料的使用，而稀释控制是通过开窗通风加快室内空气流动速度，从而带走材料表面释放的VOCs。

人造板VOCs的释放是一个极为复杂的过程，会受各种因素的影响，如环境条件（温度、相对湿度、空气交换率和空气流速）、生产工艺流程（木材干燥、人造板热压时间）、家具特性（尺寸、形状和成分）以及自身条件（饰面或改性处理）等[7-19]。此外，装载率，即室内家具用材暴露在空气中的表面积与室内容积的比率，也是影响空间环境污染的关键因素[20]。宋伟等[21]通过传质模型探讨了木质家具装载率对VOCs排放的影响，纠正了通常只要使用全部经过检验合格的环保材料或产品，室内空气质量就不会超标的观点[22]。Pei等[23]研究得出，家具装载数量显著影响TVOC排放量，但二者不呈线性关系。

本试验以MDF为研究对象，对不同空间大小和装载率条件下VOCs的释放规律和组分进行分析研究，探索不同采样空间大小和装载率下VOCs释放结果的差异，为企业产品质量自控分析提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验采用广东某厂生产的甲醛释放等级为E1级、尺寸为1 200 mm×1 200 mm×18 mm的MDF素板，然后将板材裁剪成500 mm×500 mm×18 mm和150 mm×50 mm×18 mm大小的2 种试件。大试件单面表面积为0.25 m2，小试件单面表面积为0.075 m2，试验采用试件双面释放方法，试件边部用铝箔纸封边，防止气体散发。

甲苯500 mL，分析纯，纯度为99.95%，哈尔滨凯美科技有限公司。

1.2 设备

1.2.1 人造板VOCs气体采集装置

1） 1 m³气候箱，由广东东莞市昇微机电设备科技有限公司生产，内壁为不锈钢材料，具有背景气体浓度限制及温、湿度调控装置，试件采样体积为1 m³。采集条件设置见表1。

表1 气候箱采集条件参数设置Tab.1 Parameter setting of climate box collection conditions

2）15 L气体采样舱，由东北林业大学自主研制，配有控温控湿装置以及气体供给循环装置，参数设置同1 m³气候箱。

3）智恒IAQ-Pro型恒流空气采样泵，美国SENSIDYNE公司，流量范围100 ～600 mL/min，用以提高低流范围内恒流的稳定性，误差不超过设定值的±5%。

4） Tenax-TA吸附管，内装2,6-二苯呋喃多孔聚合物吸附剂200 mg，可以有效吸附和解脱VOCs有机化合物。

5）TP-5000 通用型热解析仪（老化仪器），北京北分天谱仪器技术有限公司，可有效清除Tenax-TA吸附管中残留的气体。。

1.2.2 人造板VOCs气体分析设备

1） UNITY-xr型热脱附仪，英国Markes公司，载气为N2，热解析温度为280 ℃，管路温度为85 ℃，热解析时间为5 min，进样时间为1 min；

2）DSQ-Ⅱ气质联用仪(GC-MS)，美国Thermo Fisher Scientific公司。气质联用检测条件如下：a.气相色谱条件，TRACE TR-5MS毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；b.载气为99.996%的氦气，流速1 mL/min，进样量1 μL，进样口温度250 ℃，分流比1∶40；c.升温程序，40 ℃保持2 min，以5 ℃/min升至150 ℃保持4 min，再以10 ℃/min升至250 ℃；d.质谱条件，DSQ-Ⅱ离子源温度230 ℃，电离方式EI，电子能量70 eV，质量扫描范围40～450 amu，色谱-质谱接口传输线温度280 ℃。

1.3 试验方法

1.3.1 采样方法

所有试件在标准状态下分别隔离放置28 d，待其VOCs释放达到平衡状态后使用1 m³气候箱和15 L气体采样舱，用Tenax-TA 吸附管和IAQ-Pro 型恒流空气采样泵在4 种装载率条件下（1.0、1.5、2.0 m2/m3和2.5 m2/m3）采集2 L气体，气体样本经热脱附后利用GC-MS分析VOCs含量[4]。

1.3.2 分析方法

试验采用GC-MS外标定量分析方法，外标物为甲苯，通过气相色谱质谱仪的数据处理软件Xcalibur得到各挥发性气体组分谱图，并与NIST标准谱库对比，确定各挥发有机化合物成分，最后利用Excel进行数据分析，按照GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》规定，计算保留时间在正己烷和正十六烷之间的VOCs浓度。

在计算外标物甲苯的质量时，采用外标方法得到目标单体甲苯的峰面积，并根据甲苯拟合曲线方程Y=-3 320 000+9 76 000X得到甲苯质量，式中Y表示峰面积，X表示甲苯质量，拟合度为0.999 8。

TVOC浓度计算依据下述公式：

式中：C（TVOC）为所有挥发性有机化合物浓度的总和，μg/m3；M为气体质量，μg，；V为气体体积，m3。

2 结果与分析

2.1 不同装载率条件下TVOC释放规律

采用相同试验条件，在2 种不同体积采样舱内分别对不同装载率下MDF的TVOC释放情况进行分析研究，得到如图1 和图2 所示规律。1 m³气候箱TVOC释放浓度随着装载率的增加而增大，且增长速度呈增加趋势，当装载率从1.0 m2/m3增至1.5 m2/m3时，增长速度最小，为6.42%；装载率从2.0 m2/m3增至2.5 m2/m3时，增长速度最大，达到29.4%。15 L气体采样舱的TVOC释放趋势与1 m³气候箱一致，但TVOC浓度增长速率与之相反，当装载率从1.0 m2/m3增至1.5 m2/m3时，增长速度最大，为11.56%；装载率从2.0 m2/m3增至2.5 m2/m3时，增长速度最小，为3.8%。

图1 1 m³气候箱TVOC释放规律Fig.1 TVOC release law of 1 m3 climate chamber

图2 15 L气体采样舱TVOC释放规律Fig.2 TVOC release law of 15 L gas sampling chamber

对1 m³气候箱和15 L气体采样舱TVOC释放质量浓度和MDF装载率的关系进行分析，得到指数拟合方程，用于预判TVOC释放量达到室内空气标准质量时对应空间MDF可使用的总暴露表面积，2 个体积采样舱内的拟合方程如公式（1）和公式（2）所示：

式中：y为TVOC释放质量浓度，μg/m3；x为MDF的装载率，m2/m3，拟合相关系数分别为0.981 和0.995。

对比分析可知，15 L气体采样舱TVOC释放量远大于1 m³气候箱，在相同低装载率（1.0 m2/m3）下， 15 L气体采样舱TVOC释放值是1 m³气候箱TVOC释放值的1.6 倍；相同高装载率（2.5 m2/m3）下，15 L气体采样舱TVOC释放值是1 m³气候箱TVOC释放值的1.1 倍。相对于1 m³气候箱，15 L气体采样舱中，随MDF装载率的增大，由于剩余空间体积减小，增高的释放浓度抑制TVOC的继续释放，从而释放速率增幅降低。图3 为2 种不同舱体装载率之间的相关性分析结果，两舱装载率之间线性相关，这与李爽等的研究结果一致[24-26]。拟合方程为公式（3），二者相关系数为0.863。因此在实际应用中，可以充分利用实验室15 L采样舱检测，为企业产品质量自控提供参考。

图3 不同舱体装载率之间相关性Fig.3 Correlation between loading rates of diあerent cabins

2.2 不同空间装载率下VOCs释放组分种类分析

表2 和图4 为1 m³气候箱和15 L气体采样舱VOCs释放的种类占比与浓度。在不同装载率下，大小舱空间所释放的VOCs组分及各类物质在 TVOC中的占比存在明显差异，但释放的芳香烃类、烷烃类、醛类、酯类组分之和在总占比中均超过75%。

表2 不同装载率下VOCs种类占比Tab.2 Proportion of VOCs under diあerent loading rates

图4 不同装载率下VOCs种类浓度Fig.4 Component concentration of VOCs under diあerent loading rates

2.3 不同空间装载率下VOCs释放组分分析

对GC-MS 在不同舱体采集的VOCs的TIC 离子图分析发现，每种装载率下MDF均有10 种左右的离子峰信号，每一个离子峰有一种或两种明显的成分，对照离子谱图筛选出20 种VOCs主要组分浓度，详见表3 和表4 所示。

表3 1 m³气候箱MDF释放VOCs主要组分与浓度Tab.3 Main substances and concentrations of VOCs released by MDF in the 1 m3 climate chamber

（续表3）

表4 15 L气体采样舱MDF释放VOCs主要组分与浓度Tab.4 Main substances and concentrations of VOCs released by MDF in the 15 L gas sampling chamber

不同体积采样舱中苯、甲苯、对二甲苯、十六烷、壬醛、癸醛这6种VOCs单体始终能被检出。

3 结论

随着MDF装载率的升高，采样舱中TVOC释放浓度均呈指数增长，不同体积采样舱内TVOC释放有一定相关性，因此可以利用实验室15 L采样舱检测数据，实现企业产品质量自控和预测TVOC释放量达到室内空气标准质量时对应空间MDF可使用的总暴露表面积。此外，不同体积的采样舱，4种装载率下释放的芳香烃类、烷烃类、醛类、酯类组分之和在总占比中均超过75%。本次试验中由于MDF为VOCs非稳态释放源，同时受试件尺寸大小的影响，部分VOCs单体未被检出，但苯、甲苯、对二甲苯、十六烷、壬醛、癸醛这6种VOCs单体始终能被检出。