基于氣候箱的中密度纖維板甲醛散發(fā)特征研究

興 豐，宋 偉，鹿振友，張雙保

（1.北京林業(yè)大學(xué)，木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室，北京 100083；2.柯諾（北京）木業(yè)有限公司，北京 100068）

中密度纖維板（medium density fiberboard，MDF）是以植物纖維、膠黏劑為原料，經(jīng)熱壓制造的木基復(fù)合材料.憑借優(yōu)良的物理力學(xué)、裝飾加工等性能，MDF已廣泛用于家具制造、室內(nèi)裝修、建筑材料等領(lǐng)域.由于多采用脲醛樹脂作為膠黏劑，MDF制品在使用中容易釋放甲醛，污染室內(nèi)空氣并引發(fā)多種健康問題［1－8］.但現(xiàn)有研究就MDF厚度、甲醛散發(fā)通道及環(huán)境溫度、相對濕度和空氣交換率等對MDF甲醛散發(fā)量影響的探討較少，也缺少對MDF甲醛散發(fā)機(jī)理的分析.

本文借助氣候箱模擬室內(nèi)環(huán)境，測試了MDF甲醛散發(fā)量，探討了MDF 厚度和封閉方式（即甲醛散發(fā)通道）及氣候箱溫度、相對濕度和空氣交換率對MDF甲醛散發(fā)量的影響，并詮釋了MDF甲醛散發(fā)機(jī)理，從而為控制MDF甲醛污染提供理論依據(jù).

1 試驗

1.1 材料及預(yù)處理

所用MDF 取自柯諾（北京）木業(yè)有限公司，已存放約2周.測試前每邊截去100mm，然后切割成試件.將試件密封并以（23.0±0.5）℃、相對濕度（45±5）%調(diào)質(zhì)，避免甲醛損失，降低試驗誤差.測試用MDF信息見表1.

表1 測試用MDF信息Table 1 Information of MDF for experiment

1.2 測試及分析方法

以強(qiáng)堿洗滌劑清潔氣候箱內(nèi)壁，并依次用自來水和軟化水沖洗，除去可能殘留的污染物，隨后借助熱吹風(fēng)干燥.按圖1所示連接各試驗部件.開啟恒溫水浴設(shè)備使氣候箱內(nèi)溫度保持在（23.0±0.5）℃，啟動攪拌風(fēng)扇并通入相對濕度（45±5）%的潔凈空氣吹掃2h，檢查氣候箱密閉性并調(diào)節(jié)空氣流速.按表2設(shè)定氣候箱的溫度、相對濕度和空氣交換率，空載運行2h后放入已按表2設(shè)置條件處理的試件.每隔一定時間抽取10 L氣候箱內(nèi)空氣并使之通過吸收瓶，令甲醛全部溶于蒸餾水.依據(jù)GB／T 15516—1995《空氣質(zhì)量 甲醛的測定 乙酰丙酮分光光度法》測量吸收液中的甲醛濃度，分析氣候箱內(nèi)MDF甲醛散發(fā)量.

圖1 MDF甲醛散發(fā)測試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for formaldehyde emission of MDF

表2 測試方案Table 2 Experimental schemes

2 結(jié)果與討論

2.1 MDF厚度對甲醛散發(fā)量的影響

MDF厚度對甲醛散發(fā)量的影響見圖2.由圖2可見：（1）試驗初期，MDF釋放甲醛較快，氣候箱內(nèi)甲醛散發(fā)量快速上升，原因在于氣候箱內(nèi)氣流速率較小，導(dǎo)致MDF 表面氣膜阻力和氣候箱內(nèi)甲醛濃度差均可忽略，令甲醛擴(kuò)散阻力較小［9－10］.（2）MDF厚度較小時，甲醛釋放速率較快，散發(fā)量較大，原因在于板材越薄，甲醛釋放路徑越短，降低了板內(nèi)甲醛擴(kuò)散到板面的耗時.

圖2 MDF厚度對甲醛散發(fā)量的影響Fig.2 Effect of thickness of MDF on formaldehyde emission

2.2 MDF封閉方式對甲醛散發(fā)量的影響

MDF封閉方式對甲醛散發(fā)量的影響見圖3.由圖3可見，四周端面封閉和上、下表面封閉的MDF（4＃，5＃組板材），其甲醛散發(fā)量峰值明顯低于未封閉的MDF（1＃組板材），說明MDF 四周端面和上、下表面是其甲醛散發(fā)的重要通道.4＃組板材甲醛散發(fā)量最低，說明MDF 四周端面是甲醛散發(fā)的最主要通道.MDF四周端面甲醛初始散發(fā)量是其上、下表面甲醛初始散發(fā)量的1倍以上.

圖3 MDF封閉方式對甲醛散發(fā)量的影響Fig.3 Effect of sealed method of MDF on formaldehyde emission

2.3 溫度對MDF甲醛散發(fā)量的影響

溫度對MDF 甲醛散發(fā)量的影響如圖4 所示.由圖4可見，MDF甲醛散發(fā)量隨溫度升高而顯著增加.這是因為，一方面，高溫下甲醛分子熱運動加強(qiáng)，更容易脫附并釋放出來［11］；另一方面，固化的脲醛樹脂在高溫下發(fā)生分解，生成甲醛.

2.4 相對濕度對MDF甲醛散發(fā)量的影響

圖4 溫度對MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.4 Effect of temperature on formaldehyde emission of MDF

相對濕度對MDF甲醛散發(fā)量的影響如圖5所示.由圖5可見，MDF 甲醛散發(fā)量隨相對濕度增大而顯著上升.這是因為，高濕會促使脲醛樹脂水解，加重甲醛釋放［12］；甲醛散發(fā)的傳質(zhì)阻力主要在板材內(nèi)部，而MDF孔隙結(jié)構(gòu)會因吸濕而膨脹，從而有利于甲醛散發(fā)的進(jìn)行.

圖5 相對濕度對MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.5 Effect of relative humidity on formaldehyde emission of MDF

2.5 空氣交換率對MDF甲醛散發(fā)量的影響

空氣交換率對MDF甲醛散發(fā)量的影響見圖6.由圖6可知，（1）隨時間延長，11＃組板材的甲醛散發(fā)量不斷上升至穩(wěn)定，這是因為在該條件下氣候箱沒有進(jìn)行換氣，隨時間延長，甲醛散發(fā)量不斷增加，同時，空氣自身對甲醛有降解作用，最終甲醛散發(fā)與降解達(dá)到平衡.（2）當(dāng)空氣交換率由0增大至1次／h或2次／h時，MDF甲醛散發(fā)量下降，原因在于新鮮空氣稀釋了氣候箱內(nèi)甲醛的濃度.

圖6 空氣交換率對MDF甲醛散發(fā)量的影響Fig.6 Effect of air exchange rate on formaldehyde emission of MDF

3 MDF甲醛散發(fā)機(jī)理

氣候箱內(nèi)MDF 的甲醛散發(fā)過程包括：板內(nèi)的甲醛分子擴(kuò)散、板邊界層甲醛的吸附／脫附、氣流邊界層甲醛的對流、氣候箱內(nèi)主流空氣中甲醛的傳輸.參照本研究試驗結(jié)果，可將甲醛散發(fā)過程分為3個階段：（1）短期快速散發(fā)階段.在此階段，MDF表面和淺層殘留的未反應(yīng)甲醛快速釋放，板表面滯止氣膜阻力以及氣膜與氣相主體間甲醛濃度差引起的擴(kuò)散阻力因氣候箱內(nèi)的風(fēng)扇作用均可忽略；（2）中期緩慢散發(fā)階段.MDF 表層的甲醛基本釋放后，其內(nèi)部甲醛分子在內(nèi)部和表層濃度差推動下逐漸釋放出來，釋放速率主要取決于MDF 孔隙結(jié)構(gòu)；（3）長期穩(wěn)定散發(fā)階段.此階段MDF 內(nèi)甲醛濃度梯度逐漸形成，但由于甲醛擴(kuò)散阻力隨路徑增加而不斷增大，MDF甲醛散發(fā)過程將持續(xù)低速進(jìn)行.

4 結(jié)論

（1）在氣候箱中，MDF 甲醛散發(fā)量會在短時間上升到峰值，然后逐漸衰退，最終趨于穩(wěn)定.

（2）MDF 四周端面是甲醛散發(fā)的主要通道.MDF四周端面甲醛初始散發(fā)量是其上、下表面甲醛初始散發(fā)量的1倍以上.此外，甲醛散發(fā)量隨MDF厚度增大而減小、隨氣候箱溫度和相對濕度升高而增大、隨氣候箱空氣交換率升高而降低.

（3）MDF 甲醛散發(fā)過程分為短期快速散發(fā)階段、中期緩慢散發(fā)階段和長期穩(wěn)定散發(fā)階段.

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