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实木家具VOC与异味检测技术探索与分析

类别:家具文化 | 更新时间:2019-04-08 09:39:07

近年来,我国经济发展日益迅速,家具行业也与时俱进,新型的家具制作材料和装饰材料不断涌现。市场上出现了很多精美的家具,例如最近流行的板式定制家具,还有备受青睐的实木家具,这些家具纷纷进入了消费者的居家环境中。同时消费者以及社会各界对装修、家具以及装饰挥发的有机挥发化合物造成的室内空气污染问题相当担忧。
其中挥发有机化合物在室内空气污染物中占较大的比例。目前,国内还未颁发针对VOC释放量控制的标准。国内学者主要研究涂料、建筑中的甲醛释放量,而对VOC中其他可对人体造成伤害的物质研究甚少。很多消费者纷纷投诉,购买的家具虽然经过检测,甲醛含量等已符合国家标准,但是仍有异味。这说明研究者需要及时对家具中散发的异味进行探索与研究。
1 VOC概述
据统计,绝大多数人一天中在室内度过的时间占 90%[1],因而室内空气品质(Indoor air quality,简称 IAQ)成了影响人们身心健康的关键性因素。家具产品是室内挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,简称VOC)主要来源之一[2],其导致的室内空气污染引起了社会的广泛关注。家具产品已经成为继建筑材料、装修装饰材料之后的第三大室内空气污染源[3],虽然国外早已对家具建立了相关的检测标准,如BIFMA M7.1-2007、ISO 16000-9:2006[4,5],但我国对于家具空气污染的检测与控制还一直停留在单一的甲醛项目上,对于家具VOC检测方面并没有较大的进展,因而迫切需要建立能够检测家具有机挥发物散发种类以及含量的标准。
影响室内空气质量的污染物种类繁多,而VOC在室内空气污染物中占据较大的比例[6]。世界卫生组织认为,挥发有机化合物是指在常温状态下以蒸气的形式存在的一类气体有机化合物,其沸点范围为50 ~260 ℃,常温下蒸气气压大于等于133.4 Pa[7,8],包括含氧烃类、含卤烃类等,广义上包括甲烷、丙烷、氯烃、氟烃及醇、醚、酯、酮、醛等含氧烃,胺等含氮烃,二氧化硫等含硫烃等[9]。VOC不仅会对人体造成严重的损伤,更潜在着严重的危害。Wallace[10]等通过动物实验研究表明,苯、二氯乙烯、二氯苯、二氯甲烷、四氯化碳等有机化合物中的 VOC 具有一定的基因毒性和致癌性,是引起病态建筑综合症的主要原因之一[11]。VOC 对人体的健康具有严重的危害,当居室环境中的有机挥发化合物达到一定浓度时,人们会感到身体不适,出现如头痛、恶心、呕吐、乏力等症状,严重时会出现抽搐、昏迷,而且会影响人的神经、血液循环、肝脏、肾脏等,严重者甚至会患上白血病[12]。
家具产品中使用实木和人造板材居多。人造板包括胶合板、刨花板和纤维板等[13],将其使用到家具产品中时需要进行环保性能测试,主要包括甲醛释放量的检测、挥发有机化合物 VOC 释放量检验、苯及同系物甲苯及二甲苯释放量检验、放射性核素检验等[14]。
2 VOC检测技术国内外研究现状
2.1 VOC检测技术国内研究现状
因为VOC的组成成分比较复杂,每一种成分在空气中的含量都比较低,一般不会超过 4 000 PPb,属于超低浓度的气体检验范畴。当今,现有的VOC检测方法包括气相色谱分析法、高效液相色谱分析法、膜技术分析法以及化学分析法等。
其中,国内对挥发有机化合物的研究主要集中在了甲醛的检测方面,而对其他方面的研究较少。关于 VOC 对室内空气质量方面的影响所进行的研究较多,主要是室内空气的组成成分以及单组分在挥发有机化合物中所占的比例。室内空气质量的影响因素主要是家具以及装修后的残留物。
李光荣[15]使用大气候室法和小气候箱法,实木家具分别测定板式家具中挥发性有机化合物的组成成分,其中包括家具TVOC的释放,并进行了GC-MS定性分析,最后进行对比,得出在制作家具时尽量选择 E1级板材以减少甲醛释放量的结论。同时也建议采用大气候室法去检测家具VOC释放,这个方法更真实全面准确。此研究表明,在对家具以及板材进行有害气体检测时,不仅要研究甲醛的释放,还要研究其他对人体造成较大伤害的挥发性有机化合物的主要成分。龙玲等[16]采用 30 m3大气候室检测家具中释放的甲醛和其他有机挥发化合物,最后采用气相色谱仪和液相色谱仪分析组成成分。以市场购买的书柜(0.9 m × 1.9 m × 0.45 m)为实验样本,先采用30 m3大气候室对整体书柜的甲醛和其他VOC进行测定,检测完目标物的背景质量浓度,再测定TVOC释放和醛类挥发物释放,结果表明:甲醛的释放量占 88%,通过 HPLC 分析得出,家具释放的TVOC 中相对较多的是二甲苯、乙酸丁酯和正十一烷,较少的是戌醛和己醛。魏琳琳[17]采用自动顶空结合气相色谱-质谱仪(GC-MS)对家装市场上的产品进行有机挥发化合物定性分析,收集常见的VOC种类,建立完善的被测物体系,最后对家装涂料产品分类,采用气相色谱法检测,内标标准曲线定量。孙世静[18]采用 Tenax 管和气相色谱-质谱仪分析检测刨花板厚度、含水率、施胶量以及热压时间对其VOC释放量的影响,结果显示:厚度由高到低,VOC 释放量呈下降趋势;含水率提高,VOC 的挥发量降低;随着施胶量的增加,刨花板 VOC 释放量呈上升趋势;热压时间越长,有机污染物释放越多;密度增加使板坯内部结构致密,传热传质速率降低,各类挥发有机物释放缓慢。
孙克亮[3]使用安捷伦 7890A 气相色谱仪-普析通用M7单四级杆质谱仪等对实木床样品有机挥发物挥发量进行测试分析,得出结论:实木家具中有机挥发化合物主要包括苯系物、少量烷烃以及低分子脂类,释放时间集中在前 10 min,因此可以根据主要有害物质所在范围制定相关限量或者标准,对其进行重点监测。
目前国内还没有明确提出VOC的限量标准,只在GB 16297-1996《大气污染物综合排放标准》、GB16171-1996《炼焦炉大气污染物排放标准》等现有的标准中涉及或是提到部分 VOC 的控制要求及限量标准[19]。
2.2 VOC检测技术国外研究现状
关于VOC的研究国外开展得较早,有关机构已经敦促建筑师、工程师、房产开发商和管理人员考虑使用低挥发VOC的建筑材料和装饰材料[19]。
美国已经将VOC排放标准划分为工艺排气、设备纰漏、储罐、装载操作以及挥发五类,规定其中的两类为:1)工艺排气的 VOC 排放;2)废水挥发的VOC排放[20]。美国办公家具协会(BIFMA)对整体家具VOC的释放进行了检测和系统的研究,并制定了ANSI/BIFMA M 7.1- 2007[21]和 ANSI/BIFMA X 7.1-2007[22]。美国环境保护署(USEPA)制定的固定源大气污染物排放标准分为两类,其中一类是针对基准污染物的新源特性标准(NSPS)[19]。
日本在VOC排放控制研究方面起步较晚,但是针对VOC污染控制方面,在2004年修订了《大气污染防治法》,补充了一章《VOC排放规制》[23]。
2.3 小结
家具 VOC 种类繁多,其采集检测的方法不统一,针对不同的产品类型可选择不同的方法。尽管目前还未出台 VOC 释放限量的相关标准,但关于VOC 方面的研究日益完善。近年来国内很多学者提出有关家具强烈异味的问题,但仅仅提出了消除异味的方法,并未有对异味更深入的探讨和研究。
3 VOC部分采集方法分析
3.1 干燥器
法国家现行的标准 GB 18584-2001《木家具有害物质限量》[24]中规定检测家具甲醛释放量时采用干燥器法。该方法只限用于人造板材,只采集成品家具中的一小部分(10 个 150 mm × 50 mm 样品)。结果不仅不能代表整个家具的甲醛释放量,实木家具批发而且还破坏了原有的家具,造成很大的浪费。
3.2 环境测试舱法
环境测试舱法是在一定条件(温度、相对湿度以及风速和空气交换率)下,将被检测样品放置在测试舱的中间位置,当 VOC 释放情况达到稳定时,采用吸附管采集一定体积气体,分析所采集气体中VOC 组分以及浓度[25]。环境测试舱法模拟了真实空间环境,可以通过技术手段控制温度、湿度、气流速度以及换气次数。采用环境舱法对成套家具有害物质进行检测和分析是目前最为科学和有效的检测方法。
3.3 袋子法
采样袋是一种检测家具中甲醛、VOC释放量的装置,主要包括测试袋、洁净空气处理系统、压力控制系统和空气采样系统[26],其体积大小可随意调节,满足不同体积和形状的被测物件的测试要求。采样袋法可以用来检测单个或成套家具以及其他建材中VOC的挥发情况。
还有一些其他采集方法见下表1。
4 家具异味检测技术分析
在研究实木家具异味时,首先要定义“木材本身的味道”在不在研究范围之内。家具的异味与释放的VOC有一定联系,但异味不一定就是VOC。并非所有的 VOC 都在研究范围内,只是常温状态下(可以放大到 70 ℃)能够挥发的才是主体,尽管如此,成分种类还是太多,本文选择具有代表性的几种物质进行分析探索。
甲醛需要单独考虑,毕竟甲醛会对人体造成极大且不可逆的伤害,属于气体中最特殊的一种,来源于目前广泛使用的实木类、人造板类以及综合类家具产品中的胶粘剂,如指接板的拼长和拼宽、实木构件的胶接、人造板贴面等[27],这些都是甲醛的来源,尤其是板式家具,甲醛会在压力差[28]和空气流通条件下挥发,造成室内空气污染。异味检测中甲醛是不容忽略的重要因素之一。
通过上文对VOC的相关分析,笔者总结了一些采集方法,比较常用的有气候箱法、实验室小空间释放法以及环境舱法,新方法有顶空测试法和微池舱法等。对于家具异味的采集、气体处理和检测,目前还未有系统的研究,可以从VOC采集和检测入手,以下介绍两种方法。
4.1 根据消费者投诉实地采样
(1)采样袋收集气体
上文阐述了采样袋法的基本设备以及原理,可通过改进使其适用于家具异味气体的采集。此方法方便快捷,可在实验室或者现场采集,可以检测一件或者一套家具,具有体积大小可变和任意方向伸缩等优点。目前因异味而遭到消费者投诉的家具产品很多,尽管检测人员证明其甲醛含量未超过标准限量,可家里还是散发着一股刺鼻的味道。使用采样袋法可以将家具异味与其他装饰装修产品散发的味道隔离开来,就地采集气体。如果不明确异味主要组成成分,可以选择性地采用 Tenax 吸附苯烃类物质,用 ATD-GC/MS 检测;用 DNPH 吸附醛酮类物质,洗脱后用HPLC检测。
较为标准的检测方法就是环境舱法,可以模拟室内温度、湿度以及空气流通速率,模拟消费者室内真实环境,将被测家具放置于舱内,进行气体收集和检测。但此方法成本较高。
(2)直接采样法
在采集室内空气时,要注意采样点的布设、采样时间等。尤其是甲醛的采集,受到外界影响因素较多,气压、温度以及空气流通速率等,都可能影响室内空气采集样品的成分。采样点的布设需要考虑室内面积的大小,一般情况小于 50 m2的房间应设 1 ~ 3 个点;50 ~ 100 m2设 3 ~ 5 个点;100 m2以上至少设 5 个点。至于布点方式,可分为对角线或者梅花式均匀布点,避开通风口,与墙壁距离大于0.5 m,离门窗应大于 1 m,采样高度与人的呼吸带高度保持一致[29]。
采集的气体经过处理后,采用气相质谱色谱仪来进行检测,根据图谱找出相对应的有机物成分。
4.2 追踪异味家具生产工艺流程
家具异味成分复杂,可能来自胶粘剂、涂料、人造板等,木材本身也会含有一些味道,为了明确异味主要成分,选择在常温下放置一件已达到销售周期的家具产品,检测其是否挥发刺激性气体,确定含有异味后追踪此产品的生产工艺流程,在此期间所使用的胶粘剂、喷涂的油漆以及加工过程中所能使用到的物质都有可能会成为散发异味的原因。高密实木家具通过将VOC、涂料以及胶粘剂的组成成分列表,经过筛选,将常温状态下(可以放大到70 ℃)能够挥发的主体筛选出来。然后采用气候箱法或者采样袋法对家具进行气体采集,针对不同种类(醛酮类、苯烃类等)采用不同的吸附管,使用GC-MS定性定量。
5 展 望
消费者对于家具的环保要求日益严格,绿色环保家具的发展亟待进一步推进。市场上的家具大都使用胶粘剂、表面装饰,造成室内空气污染,成为异味的主要来源。对于家具异味方面,需展开实验进行深入探究。同时,异味与异味之间有着二次污染,且根据污染因素的综合效应,异味存在着单独作用、相加作用、协同作用和拮抗作用,需要准确地对单个以及成套家具进行实验分析来验证异味的来源,为以后减少、消除异味奠定理论基础,推动环保绿色清新家具行业的发展。


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