人造板含水率对游离甲醛释放量的影响

第27卷 第5期2005年9月
北 京 林 业 大 学 学 报JOURNAL OF BEIJING FORES TRY UNIVERSITY
Vol.27,No.5Sep.,2005
收稿日期:2004
--06--30http:
基金项目:国家科技基础性工作专项项目(2001DEB20053)、中日J ICA 合作项目 中国人工林木材研究 .
第一作者:龙玲,博士生,副研究员.主要研究方向:木基复合材料学.电话:010--62889425 Email:longling@fores 地址:100091北京颐和园后中国林业科学研究院19号信箱.
人造板含水率对游离甲醛释放量的影响
龙 玲 陆熙娴
(中国林业科学研究院木材工业研究所)
摘要:该文采用干燥器法和穿孔法,分析了板材含水率变化对干燥器值和穿孔值的影响规律.结果表明,含水率对不同种类板材干燥器值的影响有较大不同,但干燥器法受试件含水率影响较小.对于刨花板和中密度纤维板,含水率的影响规律基本相同,即含水率从4%到9%,干燥器值随含水率增加呈对数增加;含水率从9%到13%,干燥器值比较稳定;而含水率从13%到15%,中纤板的干燥器值迅速下降.对于饰面中纤板,干燥器值与含水率呈现较好的二次函数关系.对于细木工板和胶合板,干燥器值随含水率增加呈指数曲线增加.若采用干燥器法检测甲醛释放量,检测应对板材进行含水率平衡处理,即中纤板和刨花板的含水率约9%~13%,饰面中纤板含水率约7%~9%.含水率对穿孔值的影响非常显著,含水率从3%到16%,穿孔值随含水率增大呈线性增加;在含水率为3%~13%的范围内,穿孔值采用含水率修正系数是有效的.关键词:含水率,甲醛释放量,干燥器值,穿孔值
中图分类号:TS653 3 文献标识码:A 文章编号:1000
--1522(2005)05--0098--05LONG Ling;LU Xi_xian.Effects of moisture content of w ood -based panels on formaldehyde releases .Journal o f Bei j ing Forestry University (2005)27(5)98--102[Ch,17ref.]Research Institute of Wood Industry,Chinese Acade my of Forestry,Beijing,100091,P.R.China.
The influence of moisture content (MC)on for maldehyde emission from wood_based panel was analyzed
by using desiccator and perforator methods.The results show that the effects of MC on desiccator values for different kinds of panels are obviously different,but the influence of MC by the desiccator method is not obvious.For particleboard and MDF:if MC is within 4%--9%,formaldehyde emission gradually increases logarithmically with MC increasing;if MC within 9%--13%,formaldehyde e mission almost keeps constantly;if MC within 13%--15%,formaldehyde e mission decreases swiftly with MC increasing.On the other hand,for decorative MDF (DMDF),a conic relationship exists between formaldehyde emission and MC.For block board and plywood,when moisture content is within 6%--14%,formaldehyde emission increases linearly with MC increasing.If formaldehyde is measured by desiccator method,for particleboard and MDF,MC should be controlled within 9%--13%,while MC of DMDF should be within 7%--9%.On the other hand,the effects of MC on perforator values are obvious.W hen MC is within 3%--16%,perforator value increases linearly with MC increasing.It is effective to apply the MC correc tion factor to the perforator value when MC is within
3%--13%.Key words moisture content,formaldehyde release,desiccator value,perforator value 人造板在生产和使用过程中释放出的游离甲
醛,严重污染大气环境,对人体呼吸系统造成很大危害.如何正确监测人造板游离甲醛释放,保证无污染的合格产品流向市场,是关系到人们身体健康的切身问题.人造板甲醛检测方法很多.我国人造板采用
的甲醛检测方法有穿孔法、干燥器法和1m 3
气候室
法(GB18580
--2001).欧洲各国采用的甲醛检测方法主要有穿孔法(EN120--1992)、气候室法(DD E NV 717--1:1999)、气体分析法(E N 717
--2:1994)以及容量瓶法(E N 717
--3:1996).日本主要采用干燥器法(JIS
5908--1996).北美多采用气候室法(ASTM--E1333--1996;ASTM--D6007--1996)、2h干燥器法(ASTM--D 5582--2000).我国干燥器法标准没有考虑含水率的影响.欧洲标准中穿孔法考虑了含水率的影响,即以含水率为6 5%时的测定值为基准值,其他含水率时的测定值乘以一含水率修正系数.我国刨花板标准(GB T4897--2003)和中纤板标准(GB T11718--1999)虽然也采用了含水率修正系数,但国家强制性标准(GB18580--2001)[1]不考虑该修正系数的影响.
板材含水率对甲醛释放量影响很大.脲醛胶人造板释放的甲醛主要来自4个方面:木材本身、脲醛胶中的游离甲醛、未固化的胶粘剂释放的甲醛、已固化胶粘剂水解形成的甲醛[2,3].随着板材含水率升高,胶粘剂可能发生水解,使甲醛释放量增加;同时可能增加板材游离甲醛释放的速率.Myers[4]分别采用2h和24h干燥器法检测板材甲醛释放量,在24 h内胶合板含水率增加(34 0 8 9)%,刨花板含水率仅增加(9 1 1 6)%.Meyer等[5]的研究表明,采用水作为甲醛吸收液,试件含水率发生变化,干燥器值受到检测过程中试件含水率波动的影响;而采用亚硫酸盐浸渍的玻璃纤维吸收甲醛的干法检测,避免了试件含水率的变化.Rybicky等[6]认为整张板材预处理对干燥器值几乎没有影响,而试件预处理对干燥器值影响很大.Roffael和Jann[7,8]的研究表明试件含水率对穿孔值和气体分析值有很大的影响. Jann等[8]提出了含水率修正系数,该修正系数已经在欧洲刨花板和中密度纤维板甲醛检测标准中得到应用.但Roffael[2]认为这个修正系数只是建立在有限的板材试验上,并且没有考虑板材密度、厚度、含水率分布以及它们之间相互作用的影响,因此还有待进一步研究.Sundin[9]发现在木材含水率为绝干时压制的脲醛胶刨花板的穿孔值几乎没有差别.Ong 等[10]把板材在60 下处理,由于含水率下降,穿孔值降低,但当板材恢复到原来的含水率时,穿孔值也几乎恢复到原来的值.Roffael[11]认为采用WKI法测定的甲醛释放量与试件含水率无关.
国内有不少文献提及板材含水率对甲醛释放量的影响[3,12],但目前尚未有人进行这方面的深入研究.本文主要分析板材含水率对干燥器值和穿孔值的影响,从而为今后相关标准的修订提供基础数据.
1 材料与方法
1 1 材 料
试验所用刨花板(PB)、中密度纤维板(MDF)、饰面中密度纤维板(DMDF)、胶合板和细木工板均从大型建材超市购买,质量较好,每种板材都来自同一批板.除胶合板为五层板外,其它板材厚度约为18 mm.干燥器法试件尺寸为15cm 5cm.刨花板、中密度纤维板和饰面中密度纤维板每组试件为8个,细木工板和胶合板每组试件为10个.穿孔法只采用MDF作试件,尺寸为20mm 20mm,每组质量为105~110g.
1 2 方 法
1 2 1 试件含水率调整
把试件分为9种不同的含水率,每种含水率至少有3~9组平行试样.根据计算调整含水率:任意选择数组试件,在表面喷洒不同量的水,然后把试件放在密封的聚氯乙稀塑料袋里;任意选择数组试件放在装有不同量硅胶的密封的聚氯乙稀塑料袋里.在20 条件下试件放置4周以上,使各组试件含水率达到均衡状态.每组试件检测前后都称重,检测完毕烘至绝干,计算其实际含水率.
1 2 2 检测方法
干燥器法[13]:在10L的干燥器底部放置盛有300mL蒸馏水的结晶皿,在其上方固定的金属支架上放置试件.测定装置在(20 2) 下放置24h,蒸馏水吸收从试件释放出的甲醛,作为试样吸收溶液.采用已酰丙酮法,利用分光光度计测定吸收液的吸光度,从而确定甲醛浓度.另外,饰面中纤板也采用40L干燥器法测定[1].
穿孔法[13]:采用甲苯穿孔萃取甲醛,然后采用碘量法定量.
2 结果与讨论
2 1 含水率对干燥器值的影响
试验结果见图1和表1
2 1 1 含水率对刨花板和中纤板干燥器值的影响
对于刨花板和中密度纤维板,含水率的影响规律基本相同,即含水率从4%~9%,甲醛释放量随含水率增加呈对数增加,相关性较好;含水率从9% ~13%,甲醛释放量变化较小,比较稳定;而含水率从13%~15%,中纤板的甲醛释放量迅速下降(由于刨花板含水率超过13%后未作试验,缺乏相应数据).在干燥器检测过程中,试样以一定速率释放甲醛,试样表面也以一定速率吸收甲醛[14].试样含水率对两种速率都会产生影响.随着含水率上升,板材中的脲醛胶水解程度提高,因而甲醛释放量逐渐增加.但含水率上升到9%以后,试样释放甲醛的速率与表面吸收甲醛的速率达到一个动态平衡,因而甲醛释放量变化不大.而当含水率继续上升到13%后,试样内部和表面的水分束缚了甲醛分子的挥发,表面吸收甲醛的速率大于因脲醛胶水解而释放甲醛
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的速率,因而甲醛释放量降低.
由于我国南北方空气湿度差异较大,各种板材的含水率规定范围较大.刨花板和中纤板的含水率规定为4%~13%(GB T 4897--2003,GB T 11718
--1999).根据本试验结果,含水率在9%~13%时,中
纤板和刨花板的甲醛释放量变化较小.因此,若采用干燥器法检测中纤板和刨花板甲醛释放量,建议检测前板材进行含水率平衡处理,使其含水率在9%~
13%.
图1 板材含水率对干燥器值的影响FIG URE 1 Effect of moi sture content of
panels on formaldehyde release by 10L desiccator method
表1 含水率对饰面中纤板甲醛释放量的影响(40L 干燥器法)
TABLE 1 Effect of moisture content of DMDF on formaldehyde release by 40L acrylic desiccator method
含水率 %3 03 86 18 69 210 210 9甲醛释放量 (mg L -1)
1 1
1 2
1 7
2 2
1 8
1 2
1 0
试件含水率的平衡处理,会出现一些实际的困难.人造板质检单位一般用恒温恒湿室调节试件的含水率,而恒温恒湿室的大小、室内板材堆放量和板材不同的甲醛含量,都会影响平衡板材的甲醛释放量.对于干燥器法,板材存放时间对甲醛释放量的影响明显大于穿孔法
[15]
.因此,平衡处理的时间应基
本一致.
2 1 2 含水率对饰面中纤板干燥器值的影响
对于饰面中纤板,甲醛释放量与含水率呈现较
好的二次函数关系.表1是饰面中纤板采用40L 干燥器法检测数据.根据表1与图1,含水率对饰面中纤板影响的规律几乎相同,即含水率从3%~8%,甲醛释放量随含水率增加而增加;含水率在8%左右时,甲醛释放量达到最高,然后随含水率增加而降低.
饰面中纤板的甲醛释放规律与中纤板有相似之处,即甲醛释放量随着含水率升高逐渐增加,然后达到一稳定状态,又随着含水率继续升高迅速降低.但由于试件是浸渍纸饰面,主要由试样边部释放甲醛,
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因而释放规律与中纤板有一定差异.
我国饰面中纤板含水率规定为5%~11%.根据本试验结果,饰面板含水率在8%左右时甲醛释放量达到最大值,在其附近甲醛释放量变化相对较小,因此,建议检测前将板材含水率平衡处理到7%~9%.
2 1
3 含水率对胶合板和细木工板干燥器值的影响
从图1可见,含水率从5%~15%(胶合板6%~14%),甲醛释放量随含水率增加呈直线增加.在该含水率范围内,细木工板和胶合板的甲醛释放规律与刨花板和中纤板不同,甲醛释放量没有出现拐点.该拐点是否会出现在更高含水率范围内,尚不清楚.这种情况可能与板材的结构有关,刨花板与中纤板的构成单元是刨花和纤维,胶均匀分布在整个板材中;而细木工板和胶合板是单板或实木,胶分布在单板或实木的表面形成胶层.另外,细木工板和胶合板木质单元所占比例较刨花板和中纤板高.
由于胶合板和细木工板的甲醛释放量随含水率增加呈直线增加,因此,有必要在甲醛释放量测定前进行含水率平衡处理,或乘以某一含水率修正系数.木材种类以及解剖结构(如管孔)都会影响胶合板的甲醛释放量[16]
,而本试验中胶合板和细木工板仅各取了一种板材,数据不够充分,因此必须选择多种胶合板和细木工板进行大量试验才能得出相关结论,这有待于今后的研究.
图2 板材含水率对穿孔值的影响
FIGURE 2 Effec t of mois ture content of panels on formaldehyde releas e by perforator method
2 1 4 含水率对干燥器法的影响
在试验中发现,经24h 干燥器法检测后,试件含水率增加.初始含水率不同,增加的程度有差异.初始含水率越低,含水率增加越多,并且受到板材种类的影响.初始含水率在4%~13%范围内时,经过24h 干燥器法检测,刨花板和中纤板含水率约增加2%~35%,而饰面中纤板增加0 5%~26%;对于胶合板和细木工板,当初始含水率在6%~14%范围内时,胶合板含水率增加4%~40%,而细木工板只有2%~20%.为了确定干燥器法是否受检测过程中试件含水率变化的影响,进行了下面的试验.对于同一组试件,连续检测3d,每隔24h 换蒸馏水,测
定其干燥器值和含水率.结果表明,低于平衡含水率的试件,其干燥器值逐渐增大;但对于高于平衡含水率的试件,干燥器值仅出现波动.这可能是由于试件含水率没有达到平衡,在脲醛胶水解程度增加的同时,试件表面增加的水分使表面吸收甲醛的速率也增大,因而干燥器值出现波动.同时发现,对于相同的含水率,已达到平衡的试件其干燥器值明显高于未达到平衡的试件.总之,与试件含水率对干燥器值的影响程度相比,检测过程中试件含水率的增加对干燥器值的影响较小,即干燥器法受试件含水率的影响较小.
2 2 含水率对穿孔值的影响
在试验中发现含水率从3%到16%,甲醛释放量增加很快,穿孔值与含水率呈很好的线性关系(图2a).本试验还发现含水率在2%~3%时,穿孔值陡然下降.
含水率增加,在高温下脲醛胶和木材的水解程
度都会增加,从而使穿孔值增大[2,17]
.而且,在高温萃取时试件中的水分将进入甲苯中.有文献表明[2,9]
,甲苯中的水分对穿孔值产生较大影响,使穿孔值显著增大.因此,应从两个方面考虑含水率对穿孔值的影响,一方面是高温下胶粘剂和木材的水解,另一方面是含水率对检测方法的影响.从前面的试验可知,试件含水率对干燥器值产生较大影响,但对干燥器法影响很小;但含水率对穿孔值和穿孔法都会产生显著影响.因此,穿孔法中含水率修正系数也是对检测方法的修正.
图2b 是把穿孔值乘以含水率修正系数F 后得到的.
含水率W 在3%~10%时:
F =1 86-0 133W
(1) 含水率W 超过10%时:
F =0 636+3 12e
-0 346W
(2)
有研究表明,板内穿孔值变异系数约为4%
[5]
.
Roffael [3]也指出板内穿孔值偏差可达50mg kg.本试验中,当含水率在3%~13%时,进行含水率修正后的穿孔值变异系数约为9%(见图2),标准差为
101
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2 31 这表明经过修正后穿孔值差异较小,即在含水率为3%~13%的范围内,采用含水率修正系数是有效的.因此,建议在修订甲醛释放量穿孔法检测标准时,考虑含水率修正系数.
3 结 论
1)含水率对干燥器值有较大影响.但干燥器法受试件含水率影响较小,可以不考虑检测过程中试件含水率变化的影响.
2)含水率对不同种类板材的干燥器值影响规律有较大不同.对于刨花板和中密度纤维板,含水率的影响规律基本相同,即含水率从4%~9%,甲醛释放量随含水率增加呈对数增加,相关性较好;含水率从9%~13%,甲醛释放量变化较小,比较稳定;而含水率从13%~15%,中纤板的甲醛释放量迅速下降.对于饰面中纤板,甲醛释放量与含水率呈现较好的二次函数关系;对于细木工板和胶合板,含水率从5%~15%(胶合板6%~14%),甲醛释放量随含水率增加呈直线增加.
3)含水率对穿孔值的影响非常显著.含水率从3%到16%,甲醛释放量增加很快,穿孔值与含水率呈很好的线性关系.在含水率为3%~13%的范围内,采用含水率修正系数是有效的.
4)若采用干燥器法检测板材甲醛释放量,建议检测前对板材进行含水率平衡处理.中纤板和刨花板的含水率在9%~13%范围内,饰面纤维板和饰面刨花板含水率在7%~9%范围内.
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(责任编辑 李文军)
102北 京 林 业 大 学 学 报第27卷。