定制家具中典型板材 VOCs 的溯源及排放特征分析

　　摘要：利用 1m3 的环境舱，探究五种典型定制家具板材在一定条件下的挥发性有机物(VOCs)的组分、浓度水平和排放规律。结果表明，五种板材中共检测出 54 种目标化合物，主要成分以含氧挥发性有机物(OVOCs)和烷烃为主，OVOCs 的占比分别为 71.37%~85.77%，烷烃的占比分别为11.79%~24.84%。不同板材的总挥发性有机物(TVOCs)浓度水平差异较大，饰面中纤板的 TVOCs 浓度高达 836.49μg/m3，远高于其他板材，实木生态板的 TVOCs 浓度最低，为最环保的板材。对五种板材 VOCs 的排放浓度进行逐时测量，发现甲醛的相对排放浓度比较为：饰面中纤板>防潮板>饰面颗粒板>实木生态板>PVC 吸塑板，而 TVOCs(除甲醛)的相对排放浓度比较为：饰面颗粒板>饰面中纤板>PVC 吸塑板>防潮板>实木生态板。在这五种板材中，甲醛、正己烷和乙酸乙酯等化合物是主要成分，甲醛的浓度贡献占比为 40.44%~82.59%。同时，在五种板材 VOCs 的排放特征基础上，对各类化合物进行了溯源分析，便于从 VOCs 产生源头对其进行污染控制。

　　关键词：家具板材;挥发性有机物(VOCs);组分特征;溯源分析;排放规律

　　有研究表明，现在大多数年轻人有超过 80%的时间在室内度过，小孩和老年人待在室内的时间就更多了[1]。随着经济的快速发展和生活水平的提高，室内场所的装修越来越精致，建筑材料的使用也更加丰富，使得室内的空气质量变差。挥发性有机物是决定室内空气质量的重要指标。

　　挥发性有机物(VOCs)浓度过高或人们长期居于室内，都会对人们的身体产生很大的危害，比如头痛、头晕、干咳、恶心、疲劳、眼鼻喉刺痛、皮肤瘙痒以及注意力无法集中等严重症状，美国部署局将这些症状称为“病态建筑综合症”(SBS)、“建筑相关疾病”(BRI)和“化学物质过敏症”(MCS)[2 4]。

　　其中，苯和甲醛被国际癌症机构(IARC)定为有毒致癌物质，有相关研究显示，它们具有生殖毒性[5]、神经毒性[6]和免疫毒性[7]等不健康影响。同时，以光化学活性为特征的 VOCs 通过一系列光化学反应形成二次有机气溶胶(SOA)，是大气颗粒物的主要组成部分之一[8]，从而对环境空气造成污染。为了更好的评估 VOCs 对空气质量和人体健康的影响，许多作者对室内空气污染来源进行了研究，发现家具板材是室内污染的主要来源[9, 10]。

　　目前，对家具板材 VOCs 排放特征的研究还比较少，主要家具板材 VOCs 的检测方法、环境条件的影响和散发传质模型等方面的研究。张瑞艳等[11]总结了检测家具中挥发性有机物的方法有环境舱法、气袋法和C history 法，环境舱可以模拟室内环境条件，使得检测数据更加真实贴近[12]，因此被广泛使用。Fechter等[13]研究了室内环境条件对木质家具VOCs浓度的定量影响，当环境温度升高，家具排放的VOCs 的浓度也增大;当相对湿度增大时，极性较强的化合物浓度也增大，而非极性化合物的浓度不发生变化。

　　家具板材中 VOCs 的释放是一个复杂的传质过程，可以用经验模型和基本传质模型去描述其释放过程[14, 15]，基本传质模型中有三个重要的参数：初始浓度 C0、扩散系数 Dm 和分配系数 K[16]，用快速简便的方法测量出这三个参数，有助于丰富数据库，快速筛选家具 VOCs 排放[17, 18]。Ho 等[19]测量了五种常见家具的排放速率，相对排放速率为：餐桌>皮革沙发>桌椅>床头柜>橱柜。许多文章研究了板材排放 VOCs 的组分和浓度，但对其长期排放规律的研究很少，同时对定制家具板材中各种VOCs 来源的研究也很少见，因此，研究板材 VOCs的溯源分析和排放特征是十分必要的。

　　本文以五种典型的定制家具板材为研究对象，利用 1m3 环境舱模拟真实的室内环境，测出各种板材挥发 VOCs 的物种和浓度。首先，对板材释放的VOCs 物种进行溯源分析，确保实验检测结果的准确性，同时可以了解到产生 VOCs 的每个生产环节。其次对比分析每种板材 VOCs 的排放规律，并对其差异进行原因分析。本文的目的是让人们清楚地了解室内家具板材排放 VOCs 的情况，能够从源头开始就找到绿色环保型定制家具原材料;同时，对板材释放的 VOCs 进行溯源分析，进而可以从板材产生 VOCs 的源头采取控制措施，以提高空气质量，尽可能降低挥发性有机物对人体健康的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料的选取

　　本研究使用的板材来自广州市某定制家具有限公司，根据板材的品种、共同性和受欢迎程度选取了五种典型的家具板材，分别为饰面颗粒板、饰面中纤板、防潮板、PVC 吸塑板和实木生态板。这些样品在使用之前都是密封保存，防止受环境因素的影响。

　　1.2 试验仪器

　　HD F801 型环境舱是购自东莞市海达仪器有限公司，它是根据国家标准 GB 18580 2017[20]、ASTM D6007 02[21] 、 EN 717 1:2004[22] 、ANSI/BIFMA M7.1 2007[23]和实验条件定制的一套专门针对板材总挥发性有机物(TVOCs)检测的 1m3气候箱，其外型尺寸为长 2160mm 高 2020mm 宽1180mm。

　　箱体采用夹套设计，为两层不锈钢内舱，中间空气层，内舱镜面不锈钢，不产生和不吸附甲醛，外层钢板喷塑。箱体包括工作室和设备室两个部分，工作室尺寸为深 1000mm 宽800mm高1250mm，它里面有风扇隔板、调速风机、湿度传感器、热交换器、进风口和出风口等，工作室内放有样品支架，主要用于放置测试样品。设备室由位于保温舱体左侧的露点温度水箱、水泵、制冷压缩机、活性炭过滤器和水阀等组成。

　　1.3 试验步骤

　　在测试之前，所有的板材用聚四氟薄膜密闭封装数日，使其内部双面扩散分布均匀，不会受到外部环境的影响。用蒸馏水清洗环境舱内壁 3 次，晾干之后，启动环境舱以 30℃运行，使得舱内的清洁空气均匀分布。采集背景浓度，根据标准 GBT31107 2014323[24]，甲醛背景值应≤6μg/m3，TVOCs的背景值应≤50μg/m3，各个单体(主要是苯、甲苯、二甲苯)的背景值应≤5μg/m3。

　　把两块试验板材垂 直 放 在 舱 内 中 央 ， 参 数 设 置 参 照 标 准 GB18580 2017[20]，温度设置为(23±0.5)℃，相对湿度为(45±3)%，风速为 0.2m/s,置换率为 1m3/h。从放入板材开始计时，按照时间间隔为 24 小时进行采样，排放速率稳定就停止采样。继续测量新的板材。

　　1.4 VOCs 分析方法

　　参照标准 HJ 683 2014[25]，甲醛采样使用EM 500 防爆个体恒流采样器(深圳国技仪器有限公司)和 DNPH 采样管(宁波环测实验器材有限公司)，以流量 500mL/min 采样 10L, 分析使用高效液相色谱仪(日本岛津公司，型号 LC 20AT)，使用 13 种醛酮类化合物标准液体(上海安普实验科技股份有限公司)对样品进行定性和定量分析。

　　参照标准 HJ 734 2014[26]，VOCs(除甲醛)采样使用 EM 500 防爆个体恒流采样器和组合 1 不锈钢吸附管(美国 Camsco 公司)，以流量 250mL/min采样 5L，吸附管分析用 Turbo Matrix TD 热脱附仪(美国 Perkin Elmer 公司)和 GCMS 气相色谱-质谱联用仪(日本岛津公司，型号 QP2010 Ultra)，所得的数据用上海安普实验科技股份有限公司的 24种混合标准物质和 35 种混合标准物质进行定性，用外标法定量，标准物质之外的 VOCs 用甲苯标线定量。

　　1.5 质量保证/质量控制(QA/QC)

　　本研究中的 QA/QC 主要涉及到两个环节：VOCs 采样和数据分析。采样过程中的 QA/QC 主要是环境舱的气密性测试，采用恒压采样法对环境舱的空气泄漏率进行测定[27];吸附管在使用前用高纯氮气进行活化，每种板材测试前都要选取一根吸附管和 DNPH 管做空白样;样品采集、样品保存均严格按照 HJ 734 2014[26]的相关规定进行。数据分析过程中的 QA/QC 包括分析仪器的校准、调谐;定量的标准曲线的相关系数需达到 0.999，以保证数据结果的准确性。

　　2 结果与讨论

　　2.1 板材排放 VOCs 的溯源分析

　　定制家具因能考虑到客户的实际情况和独特想法，而越来越受大众的喜爱，是很多人装修新房的第一选择。本次研究对象选取的是广州市某定制家具有限公司的板材，饰面颗粒板、防潮板和实木生态板是由同一家公司生产，饰面中纤板和 PVC吸塑板是由另一家公司生产的。会产生 VOCs 的环节有两个地方，一个是木材原料，这是产生 VOCs 的自然源，三种板主要用的木材原料为松木，而两种板主要用的木材原料是马尾松;另一个是胶黏剂的添加，甲醛的主要来源为胶黏剂[28]。

　　本文选取的板材有带贴面材料，它也会产生 VOCs。PVC 贴面材料是由 PVC 树脂、填充剂、增塑剂、着色剂和稳定剂组成;三聚氰胺贴面材料是将带有不同颜色或纹理的纸在树脂(三聚氰胺树脂和脲醛树脂)中浸泡后，干燥到一定固化程度，经热压在基板上。总结下来，木材原料、胶黏剂和贴面材料是产生 VOCs 的部件。

　　本研究共检测出 54 种 VOCs,具体组分及相关信息，烷烃和醛类化合物最多，分别有 18、12 种，烷烃主要来源于木材原料和胶黏剂或其他添加剂，木屑和木材纤维中有大量烷烃[28];醛类主要来源为木材原料、贴面材料和胶黏剂溶剂，合成三聚氰胺贴面材料中的树脂会产生己醛;芳香烃和醇类化合物各有 6 种，芳香烃主要来源于贴面材料和胶黏剂溶剂，苯常作胶黏剂中的稀释剂和溶剂。

　　醇类的主要来源为木材原料和贴面材料，2-乙基己醇常作胶黏剂的溶剂;再有卤代烃、酮类和脂类化合物各 3 种，卤代烃的主要来源是胶黏剂，酮类的主要来源为木材原料和贴面材料的胶黏剂溶剂，甲基乙基酮常用于多种树脂的润滑剂，脂类的主要来源为贴面材料和增塑剂;最后是烯烃和其他化合物，分别为 2、1 种，烯烃类物质主要来源为木材原料，大多数松科类植物都会产生α-蒎烯[29]，乙酸的主要来源是木材原料。

　　2.2 五种板材 VOCs 的逐时排放浓度

　　在 96h 之后，五种板材甲醛的排放浓度均随着时间的延长而呈下降趋势，下降幅度随时间增大越来越小;在96h之前，防潮板和PVC吸塑板随时间的增大甲醛的排放浓度也在增大，可能是其基板内的甲醛缓慢释放出来，到 96h 时，达到甲醛释放的峰值。

　　五种板材的甲醛相对排放浓度比较为：饰面中纤板>防潮板>饰面颗粒板>实木生态板>PVC 吸塑板。通过调研了解到，密度板中胶黏剂的含量通常在 10% 12%，颗粒板中胶黏剂的含量在 7% 8%左右，而多层板胶黏剂的含量最少，只有 3%左右，因此，预测甲醛的排放浓度比较为：饰面中纤板>饰面颗粒板>实木生态板，这与实验结果完全吻合。

　　防潮板和饰面颗粒板的基板都是颗粒板，但防潮板释放的甲醛浓度却比饰面颗粒板高，可能是因为两块板生产厂家的不同，基板中所添加的甲醛含量不同，防潮板中防潮剂甲醛含量高于两张正面三聚氰胺贴纸中的甲醛含量。对于 PVC 吸塑板，可能是因为密度板被贴面材料全覆盖，密度板中甲醛分子不易散发出来，所以其甲醛的排放浓度最低。

　　在 120h 之后，五种板材 TVOCs(除甲醛)的排放浓度随着时间的延长而呈下降趋势;而在 120h 内，其排放浓度无明显的上升或下降的规律，浓度在无规律波动。五种板材 TVOCs(除甲醛)的相对排放浓度比较为：饰面颗粒板>饰面中纤板>PVC 吸塑板>防潮板>实木生态板。饰面颗粒板的排放浓度最高，是因为它侧面没有贴纸，基板内的挥发性有机物可以从板内释放出来，并且它的两个正面都贴有三聚氰胺贴纸，增加了 VOCs的产生来源。

　　饰面中纤板侧面没有贴纸且一面贴有三聚氰胺贴纸而排放浓度居第二。在测试时间 36h之前，防潮板的排放浓度比 PVC 吸塑板高，而 36h之后，PVC 吸塑板的排放浓度高于防潮板，可能是因为防潮板的四周没有封边，VOCs 分子在 36h 之前从基板中快速释放出来，而后基材所含的 VOCs浓度降低，导致排放浓度下降的趋势更明显，同时PVC 吸塑板是被贴纸全覆盖，所以 PVC 吸塑板的排放浓度的下降趋势相对平缓。TVOCs(除甲醛)排放浓度最低的是实木生态板，验证了它是一种环保的板材。

　　2.3 五种板材的 VOCs 浓度及组分特征

　　五种板材 TVOCs 浓度趋于稳定的时间段为 168h，选择各板材 168h 数据，对五种板材总挥发性有机物的浓度水平以及组成特征进行分析，按有机物类别将 VOCs 的组分分为烷烃、烯烃 、卤代烃 、芳香烃和 含氧挥发性有机物(OVOCs)。不同板材的TVOCs 浓度水平存在明显差异，饰面中纤板、防潮板、饰面颗粒板、PVC 吸塑板和实木生态板的TVOCs 浓度分别为 836.49μg/m3、578.24μg/m3、449.26μg/m3、190.65μg/m3 和 161.8708 μg/m3，是因为每种板材的制作工艺不同。

　　五种板材中，饰面中纤板对室内的空气质量影响最大，PVC 吸塑板对室内空气质量影响最小，对人的健康影响也会最小。五种板材中 VOCs 浓度占比最高的组分都是OVOCs，分别为 71.56%、73.15%、、80.53%、71.37%和 85.77%，一方面是因为含氧挥发性有机物的物种很多，另一方面是因为甲醛贡献了很高的浓度，后面会有详细说明。五种板材中浓度占比第二的组分均是烷烃，分别为 19.19%、24.84%、14.06%、21.47%和 11.79%，烷烃最主要的来源为木材原料，五种板材用的木材原料都是松科类植物。

　　除了 PVC 吸塑板，其它的四种板材浓度占比第三的组分都是芳香烃，分别为 9.02%、1.53%、5.19%和 2.43%，而 PVC 吸塑板中浓度占比第三的组分是卤代烃，大小为 6.39%，可能是因为其贴面材料和其他板材不一样，所以卤代烃含量有差异。饰面中纤板、饰面颗粒板和防潮板中烯烃和卤代烃的浓度占比太低可以忽略不计，实木生态板中不含烯烃和卤代烃， PVC 吸塑板中不含烯烃，PVC 吸塑板中芳香烃的浓度占比为 0.77%。

　　本文的实验数据与杜超[30]、李世杰等[31]的研究结果一致，颗粒板主要排放物种为烷烃和芳香烃 ，而陈峰[32]利用 GC MS 气质联用仪测到颗粒板木材原料中排放的 VOCs 主要成分烷烃和芳香烃。沈隽等[33]利用小型环境舱测出中纤板的主要排放物种为芳香烃、烷烃和烯烃，而杜超[30]研究的纤维板的主要排放物种为烯烃、芳香烃和烷烃，这与本文的物种结果类似，但物种占比却有一些差异，表明不同板材的生产加工工艺不一样，使用的木材原料和贴面材料也不同，才会导致各板材的浓度和组分占比存在差异性。

　　3 结论与展望

　　3.1 定制家具板材产生挥发性有机物的环节有：基板所用的木材原料;添加的胶黏剂;三聚氰胺和 PVC 贴面材料。

　　3.2 对五种板材 VOCs 的排放浓度进行逐时测量，发现甲醛的相对排放浓度比较为：饰面中纤板>防潮板>饰面颗粒板>实木生态板>PVC 吸塑板，而TVOCs(除甲醛)的相对排放浓度比较为：饰面颗粒板>饰面中纤板>PVC 吸塑板>防潮板>实木生态板。

　　3.3 不同板材的 TVOCs 浓度水平差异较大，饰面中纤板的 TVOCs 浓度高达 836.49μg/m3，远高于其它板材，实木生态板的 TVOCs 浓度最低，是五种板材中最环保的板材。不同板材的 VOCs 组成差异不大，都是以 OVOCs 和烷烃为主。烷烃的主要来源是木材原料和胶黏剂;芳香烃的主要来源是贴面材料和胶黏剂溶剂;卤代烃的主要来源是胶黏剂;OVOCs 的主要来源是木材原料、胶黏剂和添加剂。

　　3.4 五种板材中 TVOCs 浓度贡献排名前 5 的组分差不多，其主要贡献者都是甲醛和正己烷。除此之外，在五种板材中贡献较高的组分是乙酸乙酯、乙酸、异戊烷和甲苯。这些化合物对人都会造成一定的伤害，可以从产生源头对其进行控制，提高人们生活的室内空气质量。

　　3.5 室内环境中板材 VOCs 的释放是一个复杂的传质过程，需建立数学模型去描述其释放过程，而模型中表征材料 VOCs 散发的关键参数是初始可散发浓度 C0、扩散系数 Dm和分配系数 K，之后的研究可以通过舱内逐时浓度来拟合确定这三个关键，以丰富家具板材排放数据库。3.6 为了提高室内的空气质量，除了从板材制备方面采取控制措施，使用者对板材种类和装载率的选择也是至关重要的。

　　参考文献：

　　[1] Klepeis N E, Nelson W C, Ott W R, et al. The National Human ActivityPattern Survey (NHAPS): a resource for assessing exposure toenvironmental pollutants[J]. J Expo Anal Environ Epidemiol, 2000, 11(3):231 252.

　　[2] Sahlberg B, Gunnbjörnsdottir M, Soon A, et al. Airborne molds andbacteria, microbial volatile organic compounds (MVOC), plasticizers andformaldehyde in dwellings in three North European cities in relation to sickbuilding syndrome (SBS)[J]. Science of the Total Environment, 2013, 444:433 440.

　　[3] Spengler J, Sexton K. Indoor air pollution: a public health perspective[J].Science, 1983, 221(4605): 9.

　　[4] Wolkoff P, Nielsen G D. Non cancer effects of formaldehyde andrelevance for setting an indoor air guideline[J]. Environment International,2010, 36(7): 788 799.

　　作者：田娇 1,2，覃业霞 1,2*，杨帅俊 1，吕烨同 1，黄皓旻 1,2，叶代启 1,2