熱處理對強化地板基材甲醛釋放量及尺寸穩(wěn)定性的影響1)

李雅菁 吳靜怡 何正斌 伊松林 葉昌海

(北京林業(yè)大學，北京，100083) (成都市美康三杉木業(yè)有限公司)

當今社會，隨著生活水平的不斷提高，人們對居住環(huán)境的要求有增無減。在選購產(chǎn)品時，環(huán)保性能成為消費者考慮的重要因素之一[1-4]。限于如今廣泛使用的生產(chǎn)工藝，大量木質(zhì)板材在使用過程中會釋放出游離甲醛，危害人體健康，因此降低木質(zhì)板材中游離甲醛的釋放量成為地板行業(yè)普遍面臨的問題[5-8]。找到合適高效的降醛方法，生產(chǎn)低甲醛釋放量的產(chǎn)品，使企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品達標并獲得消費者青睞的同時，也是一種社會責任的體現(xiàn)，其更有利于推動行業(yè)的良性發(fā)展[9-12]。

采用高溫熱處理工藝制得的板材顏色美觀，強度適中，尺寸穩(wěn)定性良好，滿足室內(nèi)用實木地板的標準和使用性能，并能大幅降低板材的吸濕性，顯著地提高木材的尺寸穩(wěn)定性[13-17]。

葉昌海等[18]探究了100、120、140 ℃條件下的，處理時間2 h，隨熱處理溫度的升高，地板基材的甲醛釋放量呈下降趨勢。本實驗在此基礎(chǔ)上，進一步探究增加熱處理溫度，不同處理時間下，對地板基材的甲醛釋放量及尺寸穩(wěn)定性的影響，為強化地板基材熱處理降甲醛工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

地板基材由成都美康三杉木業(yè)有限公司提供。地板基材用纖維板尺寸規(guī)格為2 440 mm×1 220 mm×12 mm，密度為0.84 g/cm3，在同一批質(zhì)量檢驗合格的產(chǎn)品中，隨機抽取10張作為試驗用基材。

選取有貼面和未貼面兩種的地板基材，根據(jù)國標GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》的要求[18-19]，截鋸規(guī)格為150 mm×50 mm的標準試件若干塊，在試件平衡處理后，將其隨機分組測試，每組10塊試件。

1.2 高溫熱處理

分別在120、140、160 ℃的溫度下對有貼面試件和無貼面試件進行熱處理，處理時間1、3 h。處理結(jié)束后，將試件降溫至室溫后進行檢測。將未進行熱處理試材的甲醛釋放量作為對照組，與不同溫度下熱處理后的試材甲醛釋放量進行對比。

1.3 檢測甲醛釋放量

參考GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的干燥器法測甲醛釋放量。由于甲醛溶液吸光度與溶液中甲醛釋放量呈線性正相關(guān)，因此，本試驗通過比較各組甲醛溶液吸光度來比較各組試材的甲醛釋放量。具體方法如下：

①稱量300 mL蒸餾水置于直徑為120 mm、高度為60 mm的結(jié)晶皿中，再將結(jié)晶皿放置于直徑為240 mm的干燥器底部。

②將一組10塊試材裝入金屬支架，試件之間不能互相接觸，涂抹凡士林后，加蓋密封。空白對照組即為干燥器內(nèi)不放試件。

③將干燥器放置于(20±2)℃的環(huán)境中，靜置24 h，使試件釋放出的甲醛被結(jié)晶皿中的蒸餾水充分吸收，此為待測溶液。

④分別吸取25 mL待測溶液、25 mL乙酰丙酮-乙酸銨溶液至100 mL錐形瓶，混合均勻后，放置于(65±2)℃的恒溫水浴鍋中加熱10 min，使甲醛顯色，然后把溶液放在避光處20 ℃下存放(60±5)min。

⑤將分光光度計波長調(diào)至412 nm處，用厚度為0.5 cm的比色皿裝蒸餾水作為對比溶液調(diào)零，調(diào)至吸光度模式，蒸餾水的吸光度應(yīng)為0。用另外一個比色皿裝待測混合液，放入分光光度計，讀出混合溶液的吸光度值。

⑥根據(jù)吸光度值計算甲醛釋放量。將②中空白對照混合液的吸光度值記為As，待測混合液的吸光度值記為Ab。甲醛釋放量計算公式如下：

c=f×(As-Ab)×1 800/A。

(1)

式中：c為甲醛質(zhì)量濃度(mg/L)；f為標準曲線的斜率；As為甲醛溶液的吸光度；Ab為空白液吸光度；A為試件表面積(cm2)。

1.4 尺寸穩(wěn)定性測試

根據(jù)GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》，將經(jīng)過熱處理后的試材放置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±3)%的條件下吸濕直至尺寸穩(wěn)定。在吸濕過程中，每隔6 h測定試材三向尺寸，相鄰兩次不超過0.02 mm即為調(diào)溫調(diào)濕完畢。

計算濕脹率：

amax=(lmax-l0)/l0×100%；

(2)

bmax=(Vmax-V0)/V0×100%。

(3)

式中：amax、bmax分別為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時的長度方向、體積的濕脹率；lmax為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時的長度；Vmax為試材吸濕至尺寸穩(wěn)定時的體積；l0為試材經(jīng)過熱處理之后的長度；V0為試材經(jīng)過熱處理之后的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準曲線

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，把0、5、10、20、50 mL的甲醛標準溶液分別移加到100 mL容量瓶中，并用蒸餾水稀釋到刻度。然后分別取出25 mL溶液，按照上述實驗方法進行吸光度測量分析，并繪制標準曲線，斜率由標準曲線計算得出，保留4位有效數(shù)字。

標準曲線結(jié)果如圖1所示，標準曲線為y=9.203 1x-0.740 4，R2=0.995 8，斜率f=9.203 1 mg/L≈9.203 mg/L。

圖1 干燥法甲醛釋放量標準曲線

2.2 甲醛釋放量測試結(jié)果

表1為各組試材甲醛釋放量測試結(jié)果。可知，對有貼面、無貼面兩組試材進行熱處理后，能有效降低試材甲醛釋放量。隨著熱處理溫度的升高，甲醛釋放量有明顯降低；相同熱處理溫度下，隨著熱處理時間的延長，甲醛釋放量也略有降低。

從試件方面分析，在相同處理條件下，無貼面強化地板基材的甲醛釋放量較小。這可能由于無貼面地板更有利于熱處理的傳熱，在熱改性過程中促進強化地板基材內(nèi)的甲醛釋放，使無貼面的強化地板基材內(nèi)甲醛在熱處理條件下大量溢出。可以看出，在相同處理條件下，無貼面強化地板基材的甲醛釋放量的下降趨勢明顯大于有貼面強化地板基材，這可能是因為無貼面強化地板基材中的游離甲醛沒有飾面材料的阻擋，更容易釋放出來。

對同種板材相同處理時間下甲醛釋放量隨溫度的變化進行分析。由圖1可看出，在處理溫度為140 ℃、處理時間為3 h時，熱處理對甲醛釋放量的降低效果較好，無貼面強化地板基材甲醛釋放量為0.001 mg/m3，變化率為84.81%；有貼面強化地板基材甲醛釋放量為0.006 mg/m3，變化率為67.68%。可以看出隨著熱處理溫度的升高，強化地板基材甲醛釋放量有明顯下降趨勢；隨著熱處理時間的延長，強化地板基材甲醛釋放量也有下降趨勢。這主要是因為，熱處理會使封閉在飾面材料內(nèi)游離甲醛分子加速運動，促進其向外界釋放；另一方面，溫度升高會改變板材孔徑結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致強化地板基材對甲醛的吸附能力和吸附容量降低，更利于試材內(nèi)部甲醛的釋放。有貼面強化地板基材甲醛釋放量也遵循這樣的規(guī)律。而當處理溫度上升到160 ℃時，甲醛釋放量都有所回升，這可能是因為熱處理溫度過高，引起強化地板基材內(nèi)部的游離甲醛基團發(fā)生變化。試驗材料為中密度纖維板，由于脲醛反應(yīng)是可逆反應(yīng)，溫度過高可能發(fā)生逆反應(yīng)，因此試件甲醛釋放量增加。

表1 甲醛釋放量測試結(jié)果

進一步對同一處理溫度下的板材進行處理時間的縱向?qū)Ρ龋绫?所示，隨著熱處理時間的延長，強化地板基材甲醛釋放量也有下降趨勢。其中，經(jīng)過120 ℃、1 h處理的無貼面強化地板基材甲醛釋放量變化率為50.63%，3 h熱處理后變化率為81.29%。而有貼面強化地板基材在120 ℃、1 h熱處理條件下，甲醛釋放量變化率為23.13%，3 h熱處理后甲醛釋放量變化率為49.34%。140 ℃熱處理下兩種地板的甲醛釋放量隨時間變化也有相似規(guī)律。

2.3 不同熱處理條件對強化地板基材尺寸穩(wěn)定性的影響

表2給出了兩種強化地板基材在不同熱處理時間和溫度下，吸濕處理后長度方向的濕脹率和體積膨脹率。

無貼面的強化地板基材未處理時的長度方向濕脹率為0.35%，經(jīng)過120 ℃、1 h熱處理后濕脹率降低至0.26%，在相同熱處理溫度，處理時間延長到3 h時，濕脹率降低至0.25%；熱處理溫度提高至140 ℃時，經(jīng)過1 h熱處理無貼面強化地板基材長度方向濕脹率降低至0.24%，相同熱處理溫度下，經(jīng)過3 h熱處理長度方向濕脹率降低至0.22%；熱處理溫度為160 ℃、熱處理時間為1 h時，熱處理后濕脹率為0.20%，相同熱處理溫度下，經(jīng)過3 h熱處理后濕脹率降低至0.18%。可以看出，隨著熱處理溫度的提高和時間的延長，濕脹率的降低幅度增大，其中熱處理溫度為160 ℃，處理時間為3 h時，試件尺寸穩(wěn)定性最好。

表2 尺寸穩(wěn)定性測試結(jié)果

有貼面強化地板基材的長度方向濕脹率也遵循這樣的規(guī)律，有貼面的強化地板基材未處理時長度方向濕脹率為0.29%，經(jīng)過熱處理后濕脹率也有所下降，約降低0.10%。隨著熱處理溫度的提高和時間的延長，濕脹率的降低幅度增大；在熱處理溫度為160 ℃，處理時間為3 h時，濕脹率最高約降低0.11%。可看出，有貼面的強化地板基材初始濕脹率及濕脹率的變化幅度均小于無貼面的強化地板基材，這可能是由于強化地板基材的飾面會增強其尺寸穩(wěn)定性，使其在各種處理過程中尺寸維持較穩(wěn)定的狀態(tài)。

進一步探究體積膨脹率。未處理的無貼面強化地板基材體積濕脹率為3.81%，熱處理時間為1 h，熱處理溫度為120、140、160 ℃時，熱處理后體積濕脹率分別降低至2.85%、2.25%、2.03%；熱處理時間為3 h，熱處理溫度為120、140、160 ℃時，熱處理后體積濕脹率分別降低至2.72%、2.10%、1.80%。可以看出，經(jīng)過熱處理后的強化地板體積膨脹率有明顯降低，隨著熱處理溫度的上升和熱處理時間的延長，體積膨脹率降低的幅度增大，且熱處理溫度對膨脹率的影響比熱處理時間對體積膨脹率的影響更大。

未處理的無貼面強化地板基材體積膨脹率為3.81%，處理后降低0.96%以上，在熱處理溫度為160 ℃，熱處理時間為3 h時，濕脹率降低最多，為2.01%；未處理的有貼面強化地板基材體積膨脹率為3.05%，處理后降低0.81%以上，在熱處理溫度為160 ℃，熱處理時間為3 h時，濕脹率降低最多，為1.94%。進一步看出，熱處理溫度越高，熱處理時間越長，強化地板基材的體積膨脹率越趨于穩(wěn)定；且有貼面的強化地板基材在不同熱處理條件下的體積膨脹率都略低于無貼面的強化地板基材，這可能是因為飾面材料會提高強化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

熱處理能有效降低強化地板基材中的甲醛釋放量。在相同處理條件下，無貼面強化地板基材的甲醛釋放量較小，這可能由于無貼面地板更有利于熱處理的傳熱過程，在熱處理過程中促進強化地板基材內(nèi)的甲醛釋放。在熱處理溫度為120、140、160 ℃條件下，處理后的強化地板基材甲醛釋放量均有明顯降低，但熱處理溫度不宜過高；在熱處理溫度為160 ℃時，由于高溫會使強化地板基材內(nèi)部的游離甲醛基團發(fā)生變化，而脲醛反應(yīng)是可逆反應(yīng)，溫度過高可能發(fā)生逆反應(yīng)，使試件甲醛釋放量增加。隨著熱處理時間的延長，強化地板基材甲醛釋放量呈下降趨勢。因此，本實驗中，在溫度140 ℃，時間3 h的處理條件下，熱處理效果較好，強化地板基材的甲醛釋放量下降相對較大。熱處理能有效提高強化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。有貼面的強化地板基材的尺寸穩(wěn)定性明顯大于無貼面的強化地板基材，在不同熱處理時間、熱處理溫度條件下，有貼面的強化地板基材尺寸變化均小于無貼面組，并且在不同熱處理條件下，總體尺寸較為穩(wěn)定。熱處理對強化地板基材的尺寸穩(wěn)定性有較大影響，隨著熱處理溫度的升高，熱處理時間的延長，熱處理明顯提高強化地板基材的尺寸穩(wěn)定性。