木质人造板材甲醛释放规律的研究_严彦

文章编号:0253-2468(2003)-01-0134-04 中图分类号:X502 文献标识码:A木质人造板材甲醛释放规律的研究严 彦,王光学,杨 旭*,刘 杰,李 睿,鲁志松(华中师范大学生命科学学院,武汉 430079)摘要:通过对武汉市建筑装饰材料市场的11种木质人造板材甲醛释放量的研究分析表明,甲醛释放浓度随时间有显著变化.我们采用Origin 4.1软件的非线性模型中Exponential Decay 1数学拟合,分别建立了短期和长期舱浓度随时间变化的模型.发现短期模型能够很好地反映数h 内的甲醛释放的规律,而长期模型在开始3周内拟合不够理想,而后拟合准确.关键词:木质人造板材;甲醛;释放模型A study on formaldehyde emission form artificial wood -based board YAN Yan,WANG Guangxue,YANG Xu,LIU Jie,LI Rui,LU Zhisong(College of Li fe Science,Central Chin a Nor -mal Uni versity,W uhan 430079)Abstract :By the analysi s of formaldehyde emi tted f rom 11types of arti ficial wood -based board s taken from con stru ction market i n Wu han ci ty,the res ults sho wed tha t the emi ssion concentrati on s have n otabl y varied along with ti me.Sh or-t term and lon g -te rm e mis sion mod el s accord ing to ch ambe r concen trations by u sing the Exp on ential Decay 1Model in Origi n 4.1s of tware were es tab lished.The sh or-t term mod el reflected the concen tration varia ti on well for hours at b egin nin g,and th e long -term model not well du rin g the first three week s b ut after then it became well.K ey words :wood -b ased b oard;f ormal dehyde;e mis sion model 收稿日期:2002-02-07;修订日期:2002-05-28基金项目:国家/十五0科技攻关课题(2001BA704B01)作者简介:严 彦(1980)),理学学士. *通讯联系人 E -mail:dryangxu@在诸多的室内污染物中,甲醛以其来源广、毒性大、污染时间长等特点,已成为主要的室内空气污染物之一.室内空气中甲醛的主要来源是木质人造板材及其产品.为了预防室内甲醛所致的健康危害,发达国家不但制定了室内空气中甲醛的浓度标准,而且也制定了木质板材甲醛释放量的标准[1)4].为了探讨国产木质板材甲醛的释放规律,并为建立准确的测试技术提供可靠的实验依据,笔者于2001年7月12日)2002年2月19日进行了有关研究.1 实验方法1.1 实验材料第1批受试材料为2001年7月12日于武汉市小东门建材市场购买的某品牌厂家直销店所销售的五夹板、三夹板、A 级环保型木芯板和某合资厂生产的高密地板,分别编号为1、2、3、4号研究样品;第2批受试材料为2001年7月31日获取的华中师范大学教师家庭装修的三夹板余料、五夹板余料、七夹板余料,分别编号为5、6、7号样品;第3批为2001年8月02日于楚雄建材市场获取的某品牌木芯板和钟家村建材市场获取的某合资厂生产的高密地板,编号为8、9号样品;第4批为2001年8月19日于楚雄建材市场购买的某品牌的三夹板和某品牌的五夹板,编号为10、11号样品.1.2 小型环境气候舱第23卷第1期2003年1月环 境 科 学 学 报ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE Vol.23,No.1Jan.,2003采用由武汉市宇信科技开发有限公司生产的W H -2型小型智能环境气候舱,内舱体积为60L.该舱采用自动测量、记录和调控技术,测试条件为气温23e ?0.5e 、相对湿度45%?5%、空气交换率1.0?0.03P h,与相应的三大国际标准方法保持一致[1)3].各环境参数记录频率设置为1次P min.1.3 甲醛的测量和甲醛分析仪测试仪器为美国INTERSCAN 公司产4160型甲醛分析仪.由于该测量仪用ppm 为计量单位,故按照23e 时甲醛浓度变换关系式:1ppm=11236mg P m 3(即010971ppm=0112mg P m 3),将所有数据折算为释放量的计量单位.1.4 采样及样品处理方法从建材市场购买来的板材存放于密闭的房间中,记录取样时间,同时进行空气接触处理.每次实验时严格按每边去除10cm 裁剪,得到30cm @10c m 大小的受试样品,使测试的负荷值(loading fac tor)为1?0.03m 2P m 3(30cm @10c m @2面P 60L).测定时待环境气候舱运行至标准测量条件时(气温23e ?0.5e 相对湿度45%?5%气流量1.0L P min),迅速放入样品,由该时刻起开始计算此次实验的释放时间.1.5 甲醛释放量的研究1.5.1 甲醛随时间变化释放规律的短期模型 首先空舱运行1h,使舱环境达到测试要求的条件,然后迅速放入板材样品1)9号连续运行9h.根据预实验的结果,将测量时间分为4个区段:第0)60min 为舱浓度快速增长期,每10min 测量1次;第60)150min 为舱浓度缓速增长期,每30min 测量1次;第150)450min 为舱浓度相对稳定期,每60min 测量1次;第450)540min 为舱浓度稳定期,每30min 测量1次,监测时间9h.1.5.2 甲醛随时间变化释放规律的长期模型 前述研究发现板材放入环境气候舱1.5h 之后,舱甲醛浓度已经进入相对稳定期,故分别在第90、120、150min 时进行舱甲醛浓度测量,将获得的平均浓度作为当天的甲醛释放浓度.受试板材(10、11号样品)甲醛释放的起始时间以购买时将样品板材从叠垛中抽出的时间开始计算.购买后将板材放置于空房内正常暴露,每天实验前严格按1.4节所述方法取样,保证受试板材能准确反映该品种木质板材的按天计甲醛释放规律,监测观察6个月.1.6 实验数据的统计分析实验数据用Origin 4.1和SigmaPlot 3.0软件进行绘图及统计分析.绘制甲醛释放曲线图象,建立释放模型.Origin 4.1是美国Microcal Software,Inc.公司1991)1996年的产品.SigmaPlot 3.0是美国Jandel 公司1986)1995年的产品.2 结果与讨论2.1 甲醛释放量随时间变化的短期模型9种板材甲醛释放量(9h)的测量结果见图1,可用一阶指数曲线拟合出释放模型.该模型适合于舱浓度快速上升至出现稳定浓度期间的情况.采用Origin 4.1统计分析软件作非线性曲线的数学拟合,发现用一阶指数曲线模型(ExpDecay1)能够很好地反映其浓度变化的规律.一阶指数曲线方程为:Y =Y 0+A 1e -(x -x 0)P t 1式中:Y 为舱瞬间浓度、Y 0为稳定浓度、A 1为浓度系数,三者的单位均为mg P m 3;x 为释放时间、x 0为半高稳定浓度时间常数、t 1为时间系数,三者的单位均为min.Y 0、A 1、x 0、t 1用Origin 1351期严 彦等:木质人造板材甲醛释放规律的研究图1 短期实验木质板材甲醛释放量测量结果Fi g.1 The measurement res ults of emissionrates of s hor-t term test 4.1软件拟合求出.图2以3种不同释放水平的板材(高水平为1号样品,中等水平为7号样品,低水平为9号样品)为例,从拟合图形可见,该数学模型能够准确地反映短期舱浓度随时间变化的趋势.2.2 甲醛释放量随时间变化的长期模型以10号板材为例,结果如图3(a)中:经过20d 的释放后,甲醛释放趋于平衡水平.此前,甲醛浓度会有较大的波动,影响评价结果的稳定性和重现性.因此认为,评价木质人造板材,测试其甲醛释放量,应在取样后置于房间内进行空气接触处理(或直接在环境气候舱中运行)至少20d(3周),此后的测量结果具有较好的稳定性和重现性.图3(b)中为该样品数据的一阶图2 舱浓度快速上升至稳定浓度期释放模型Fig.2 The emissi on model of chamber c oncentration for shor-t term tes t指数模型拟合曲线图.从图中可见,在20d 以内,测量数据与曲线拟合不够理想,如果采用该数学模型进行预测则会发生较大的偏差.但在20d 以后,曲线拟合较为成功,能够很好地反映图3 舱浓度长期释放曲线和模型Fig.3 The curve and model of chamber concentration for l ong -term test其浓度变化的规律.2.3 舱平衡浓度和舱稳定浓度的关系在目前的国际标准中,采用的是/舱平衡浓度0的执行定义[5]:即在连续4d的监测中,甲醛的浓度不再发生明显的变化,4d 内的舱甲醛浓度监测数据的变异系数(CV )小于5%.如果不符合上述情况,则以第25d 的监测数据为/舱平衡浓度0./舱平衡释放量0或/舱平衡浓度0是评价板材是否符合环境标准的主要指标.为了研究木质人造板材甲醛释放随时间变化的规律,本文在此提出/舱稳定浓度0的概念和执行定义:在数h 的测量过程中,舱浓度不再发生明显的变化时的舱甲醛浓度.即在连续3次间隔半h 的测量中,甲醛浓度监测136环 境 科 学 学 报23卷数据的变异系数(CV )小于5%.舱稳定浓度木质板材甲醛释放随时间变化的规律关系如图4图4 舱稳定浓度与木质板材甲醛释放的关系Fig.4 The relati onship of chamber s tabile concentration and formaldehyde emi ssion 所示.图4中所采用的数据为10号样品在我们的第二部分研究中所获的浓度数据.该样品连续7d 接受了测量,每天测量150min,测量时间分别为:第0、10、20、30、40、50、60、90、120、150min.以第90、120、150min 时刻所测定的甲醛浓度平均值作为舱稳定浓度.从图1可见,在150min 的舱浓度变化中,存在两个明显不同的区域:(1)0)90min 段,舱甲醛浓度明显上升,其原因是板材刚放入时,舱本底浓度几乎为0mg P m 3,甲醛处在稀释状态,当时的舱浓度水平不能反映板材的甲醛释放能力(单位时间单位面积释放的甲醛质量数).(2)90)150min 段,舱甲醛浓度呈平台形,其原因是甲醛释放已处在动态平衡状态,舱排出的甲醛质量数与板材产生的甲醛质量数近似相等,此时的舱浓度水平能够反映板材当时的甲醛释放能力.引起舱浓度变化的另一方面原因是,甲醛的释放能力会随时间缓慢地衰减,故出现舱浓度随天数而降低的趋势.这种趋势可以用每天测量所获的稳定浓度进行逐日描述,显示为图1中90)150min 时段的图形.故在实际工作中,将板材放在与气候舱的环境参数(气温、空气相对湿度)近似的房间内,进行/空气接触处理03)4周之后再测量,所获的舱稳定浓度应与舱平衡浓度近似相等.这样的操作可以避免连续运行环境气候舱所带来的高额运行费用.故这种测量方案在某些国家的评价标准中得到了运用,例如瑞典的木质板材释放量测量方案.3 结论(1)采用Origin 4.1软件的非线性模型中Exponential Decay 1数学拟合,分别建立了短期和长期舱浓度随时间变化的模型.发现短期模型能够很好地反映数h 内的甲醛释放的规律,而长期模型在开始3周内拟合不够理想,而后拟合准确,能够很好地预测木质人造板材的甲醛长期释放水平.(2)评价木质人造板材的甲醛释放量,应在取样后至少进行20d 的空气接触处理,此后的测量结果才能真实可靠.致谢:中国预防科学院环境卫生监测所戚其平研究员、秦钰慧教授、崔九思教授、宋瑞金研究员、徐东群副研究员对本课题给予了热情支持和悉心指导,华中师范大学邱保胜教授指导了Origin 4.1统计分析软件的使用.在此表达衷心感谢.参考文献:[1] Joint research center ins ti tute for the environment,guideli ne for the characteriz ation of volatile organic compounds e mitted from i ndoormaterials and products using small tes t chambers,Report No.8of Envi ronment and Quali ty of Life[S],EUR 13593EN,1992[2] US )EPA,Indoor air s ources:Using s mall environmental test chambers to characterize organic emissions from indoor materials andproducts[S],EPA )600P 8)89)074,Research Triangle Park NC,USA,August 1989[3] American s ociety for tes ti ng and materi als,standard guide for small scale environmental chamber determination of organic emi ssionsfrom indoor materials P products,American Society for Testing and Materials (D5116)90)[S],Philadelphi a,PA,USA,1990[4] J oi nt research center institute for the envi ronment,Formaldehyde emissions from wood based materials:guideline for the establishmentof steady state concentration i n test chambers,Report No.2of Environment and Quality of Life [S],EUR 12196EN,1990[5] Joint research center ins ti tute for the environment,indoor air pollutant by formaldehyde i n european countries,Report No.7of Envir -onment and Quali ty of Life [S ],EUR 13216EN,19901371期严 彦等:木质人造板材甲醛释放规律的研究。