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本文作者：宋偉作者單位：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)環(huán)境工程系

1引言

家具是室內(nèi)或建筑環(huán)境中常見的功能元素。統(tǒng)計(jì)顯示，人類超過87%的生命都在室內(nèi)或建筑環(huán)境中度過［1］，即不可避免地長久與家具相伴。一般來說，常見的家具主要有木家具(如實(shí)木、板式、竹藤)、軟體家具(沙發(fā)、床墊)以及其他家具(金屬、玻璃、石材)。其中，板式家具對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量影響最為嚴(yán)重，其所產(chǎn)生的主要化學(xué)有害物質(zhì)是甲醛。甲醛是“病棟癥候群”(SBS)重要致因之一，已被國際癌癥研究署(IARC)定為致癌物質(zhì)。具體來說，其還有多方面危害:例如，引起皮膚過敏或危害呼吸、神經(jīng)或生殖系統(tǒng)。

研究甲醛釋放要追溯板材的制造過程，而人造板為實(shí)木與膠粘劑熱壓而成。膠粘劑的主要成分為縮醛樹脂，常由過量甲醛和尿素、苯酚、三聚氰胺等物質(zhì)縮聚制得，因此經(jīng)常存在一定量未完全聚合的游離甲醛。板材飾面涂料的主要成分盡管是聚乙烯醇，但也常會(huì)加入一定量甲醛為佐劑［3］。一方面，如果封邊或貼面質(zhì)量不理想，板材中的游離甲醛便會(huì)在使用過程中不斷釋放出來。另一方面，由于甲醛含于板材內(nèi)部，故甲醛釋放具有一定的長期性和頑固性:即使在空氣流通較好的情況下，釋放完全也常需要3－15年;并且，歷經(jīng)長時(shí)間使用者常與剛熱壓成型者之釋放相差不大，有時(shí)甚至有所增加。

一般來說，通風(fēng)是改善室內(nèi)空氣的有效手段。但上世紀(jì)70年代后，能源危機(jī)迫使人類提高建筑物密閉性，導(dǎo)致以我國北方為代表的寒冷地區(qū)室內(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降。王琨曾經(jīng)對(duì)寒冷地區(qū)室內(nèi)裝修和家具導(dǎo)致的甲醛污染進(jìn)行了研究，涵蓋商用與民用住宅;但是，相關(guān)研究缺乏對(duì)家具產(chǎn)品釋放的針對(duì)性［4－5］。事實(shí)上，室內(nèi)裝修多在入住之前進(jìn)行，故只要在施工后通風(fēng)一段時(shí)間便能有效移除污染;但是，新家具常為現(xiàn)買現(xiàn)用，缺乏通風(fēng)處理的機(jī)會(huì);加之寒冷地區(qū)室內(nèi)通風(fēng)不暢，在一定程度上可近似為密閉。如此一來，甲醛缺乏衰減的機(jī)會(huì)，將長時(shí)間以高濃度存在于室內(nèi)。綜上，家具才是危害室內(nèi)空其質(zhì)量的主要隱患。長久以來，多數(shù)研究僅關(guān)注基本建材的釋放，很少有人對(duì)家具成品進(jìn)行測(cè)試。故為確定有人員入住后的寒冷地區(qū)特征室內(nèi)空氣質(zhì)量，有必要模擬類似環(huán)境并以板式家具為研究主體進(jìn)行釋放測(cè)試，并據(jù)此結(jié)果對(duì)相關(guān)人群的衛(wèi)生保健提出指導(dǎo)建議。

2材料與方法

2．1材料

由于樣式規(guī)整，故選取某中密度纖維板柜子作為被試:規(guī)格(0．9×0．45×1．8)m3，板厚0．02m，表面積12．5m2。北京某家具廠生產(chǎn)，出廠時(shí)間在一個(gè)月內(nèi)。該家具屬于中檔產(chǎn)品，能在一定層面反映當(dāng)前普遍的產(chǎn)品質(zhì)量。具體來說，E1級(jí)板材匯銀板，全部用PU漆生產(chǎn);出廠后至測(cè)試之前，用塑料薄膜密封以阻止計(jì)劃外釋放。

2．2測(cè)試方法

(1)儀器設(shè)備。測(cè)試設(shè)備:自行研制的30m3環(huán)境艙;采樣設(shè)備:QC－2型大氣采樣儀，氣泡吸收管，聚四氟乙烯膠管。(2)樣品預(yù)處理:為保證測(cè)試時(shí)濃度變化平滑溫度，避免拆封后直接測(cè)試。將樣品置于與測(cè)試條件類似的環(huán)境艙內(nèi)，預(yù)處理2周。(3)啟動(dòng)環(huán)境艙:清理環(huán)境艙過濾裝置，用膠棉拖把依次蘸取去離子水、有機(jī)溶劑、去離子水擦洗艙內(nèi)壁。徹底清洗后啟動(dòng)環(huán)境艙，設(shè)置溫度23℃，相對(duì)濕度45%，承載率0．4m2/m3，以30L/min通風(fēng)≥5h至穩(wěn)定，保證艙內(nèi)清潔空氣混合均勻。(4)進(jìn)樣:根據(jù)相關(guān)建材預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，在保證濃度能達(dá)穩(wěn)定前提下，將測(cè)試定為3日。第1日8:00測(cè)試環(huán)境艙背景濃度，8:30關(guān)閉通風(fēng)，開艙進(jìn)樣。家具擺放方式為:面朝艙內(nèi)壁面裝設(shè)的風(fēng)扇，柜門開90度。關(guān)上艙門，開始計(jì)時(shí)。此時(shí)，艙內(nèi)風(fēng)扇依然工作，保證艙內(nèi)主流空氣在測(cè)試階段混合均勻，家具表面氣速約0．1－0．3m/s。(5)采樣:采樣口位于艙門兩側(cè)，平行采樣。為客觀反應(yīng)主流空氣濃度，測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離任何壁面;故從采樣口艙內(nèi)一面拉出兩根聚四氟乙烯膠管，將采樣點(diǎn)延伸至管口樣品和風(fēng)扇之間。考慮到兒童受到的影響比成人嚴(yán)重，將采樣高度定為兒童呼吸帶所處的1．3m左右。

由于釋放速率會(huì)隨時(shí)間衰減，故采樣頻率要配合釋放特性安排;根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暫定測(cè)試時(shí)間為3日:第1日10:30－18:30，每1h采樣1次;第2日6:30－18:30，每2h采樣1次;第3日6:30－18:30，每4h采樣1次。測(cè)試全程共采樣品22組44個(gè)，每組以2平行樣的均值作該時(shí)刻濃度。另外，根據(jù)環(huán)境艙傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄每次采樣時(shí)的溫濕度。

2．3分析方法

(1)儀器設(shè)備。ShimadzuUV1700型紫外可見分光光度計(jì)，比色管，比色皿。(2)試劑。標(biāo)線試劑:10mg/mL甲醛標(biāo)樣(中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院);富集試劑:酚試劑，硫酸高鐵銨，濃鹽酸，蒸餾水。(3)方法。考慮到國際通行的HPLC方法成本較高且使用不便，故根據(jù)我國HJ/T167－2004《室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中推薦的“酚試劑分光光度法”進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，樣品整體趨勢(shì)穩(wěn)定且平行度較好，故認(rèn)為全部有效。

3結(jié)果與討論

3．1結(jié)果描述

首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析。背景濃度為0．006mg/m3，符合該環(huán)境艙設(shè)計(jì)性能。進(jìn)樣之后，甲醛濃度迅速上升:首日(0－10h)起于0．025而止于0．107mg/m3，次日(22－34h)出現(xiàn)峰值0．186mg/m3:第二日最后3樣的變異系數(shù)CV=2．69%＜5%，符合“艙穩(wěn)定濃度”［6］的要求;因此，可以認(rèn)為該家具的甲醛釋放行為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，艙穩(wěn)定濃度取3樣均值0．182mg/m3。甲醛濃度在測(cè)試時(shí)段的濃度足跡可參見圖1值得一提，第三日(46－58h)濃度開始下降而止于0．124mg/m3。由于測(cè)試條件為密閉且環(huán)境艙性能良好(不會(huì)出現(xiàn)大幅度漏氣)，故第二日出現(xiàn)的最高濃度應(yīng)為理論上的艙穩(wěn)定濃度。第三日的濃度下降可能另有原因，具體將在下文討論。這樣來看，該家具的艙穩(wěn)定濃度超過GB/T18883－2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的甲醛限值0．1mg/m3幅度為82%，可能對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和使用人群造成嚴(yán)重危害。

從測(cè)試數(shù)據(jù)中還可發(fā)現(xiàn)一些問題。一方面，溫度在測(cè)試全過程始終保持23℃左右，可視為穩(wěn)定而不予討論。另一方面，圖2表示了艙內(nèi)相對(duì)濕度RH的變化。可以看出，盡管設(shè)定RH為45%，但測(cè)試過程中卻發(fā)生了較大變化。首先，RH在進(jìn)樣后立即下降到42%左右，直到2h為止仍低于設(shè)定值，這可能是因?yàn)榇蜷_艙門的行為破壞了艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)所致。但是，RH在隨后卻逐漸上升，到第二日最后3樣已超過80%且變異系數(shù)同樣＜5%，表現(xiàn)出與甲醛濃度類似的發(fā)展趨勢(shì)。另外，第三日數(shù)據(jù)仍與甲醛濃度的變化類似，出現(xiàn)一定程度下降。

3．2濃度時(shí)變分析

應(yīng)注意一個(gè)現(xiàn)象，首日的濃度上升比較規(guī)則，而次日的濃度上升則不很規(guī)則;這與一些文獻(xiàn)中的建材測(cè)試結(jié)果存在差異。究其原因，可能與家具建材的區(qū)別———結(jié)構(gòu)造型有關(guān)。因?yàn)楦鶕?jù)傳質(zhì)理論，建材釋放分內(nèi)部擴(kuò)散和外部對(duì)流兩個(gè)過程;其中，對(duì)流傳質(zhì)主要受到環(huán)境中氣流運(yùn)動(dòng)的影響。與一般測(cè)試人造板時(shí)的規(guī)則擺放方式不同，家具本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，更容易影響氣流的速度與分布。如此一來，每塊板材的釋放行為可能會(huì)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)而在不同程度上區(qū)別于單獨(dú)測(cè)試時(shí)的情況:例如，在有些位置會(huì)形成死角，不利于甲醛自由地運(yùn)動(dòng)到主流空氣中;而有些位置又會(huì)由于結(jié)構(gòu)關(guān)系使得原本氣速得到提升，促使甲醛釋放。

3．3濕度時(shí)變分析

室內(nèi)微氣候指室內(nèi)熱濕環(huán)境，及室內(nèi)溫濕度。從測(cè)試結(jié)果看出，家具主要會(huì)影響室內(nèi)相對(duì)濕度，分析這個(gè)問題要追溯制造家具的原材料。板式家具主要由木材、膠粘劑、涂料等原材料組成:一方面，這些原材料本身含濕量大，遠(yuǎn)高于環(huán)境艙內(nèi)水平;盡管家具中的涉濕材料等會(huì)逐漸固化，但該家具的制造時(shí)間較新，故含濕量不一定較低。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的信息，該家具所用中纖板含水約15%;故若被試質(zhì)量約200kg即含水30kg，這使得艙內(nèi)帶入的水分負(fù)荷率至少為(30/30)=1m2/m3。相對(duì)艙內(nèi)氣相原本的水蒸氣水平而言，如此大的濕度擾動(dòng)是不應(yīng)忽略的;其會(huì)形成顯著的濕度梯度而為室內(nèi)增濕。另一方面，木材、板材、漆膜等均屬于多孔介質(zhì)，能夠通過吸附或脫附作用影響環(huán)境中的含濕量。綜上，家具可能對(duì)室內(nèi)微氣候造成一定影響。

下面對(duì)家具影響濕度的可能機(jī)理進(jìn)行分析。

(1)宏觀方面。測(cè)試初期，家具內(nèi)外濃度梯度較大而使艙內(nèi)水蒸氣處于稀釋狀態(tài)，故濕度上升較快。一段時(shí)間后，艙內(nèi)環(huán)境條件在吸附等過程的作用下逐漸穩(wěn)定，故濕度終現(xiàn)下降;但畢竟為密閉測(cè)試且存在有無家具的區(qū)別，故從數(shù)據(jù)也可看出，濕度在60%左右的降幅已經(jīng)趨緩，即可能難以回落到45%的設(shè)定水平。

(2)微觀方面。研究發(fā)現(xiàn)［7］，相對(duì)濕度與板材甲醛釋放常呈現(xiàn)正相關(guān)，這在測(cè)試結(jié)果的直觀分析中已經(jīng)可以看出。造成這種現(xiàn)象一般原因包括:a．弱酸性自來水(pH=6)與例如脲醛樹脂膠粘劑中未反應(yīng)的游離二甲醇低聚物反應(yīng)，釋放甲醛;b．膠粘劑中的羥甲基脲與木材中的纖維素在酸性條件下生成羥甲基醚，釋放甲醛;c．濕度上升導(dǎo)致膠粘劑水解。釋放甲醛。d．濕度上升使木材的半纖維素加速分解以及木素中某些共聚體甲基斷鏈，均會(huì)釋放甲醛;e．濕度上升使木材本身、膠粘劑、固化劑等固體界面對(duì)甲醛的吸附能力會(huì)迅速降低，附于其表之甲醛分子迅速脫附，進(jìn)而使甲醛濃度上升。

值得注意，由于濃度梯度會(huì)使得甲醛不斷釋放，故一般考察濕度對(duì)甲醛濃度影響時(shí)均關(guān)注穩(wěn)定濃度。研究發(fā)現(xiàn)，板材界面存在分配系數(shù);在一定溫濕度下，一旦固氣兩項(xiàng)濃度按該數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定，便不會(huì)再發(fā)生變化。一般來說，分配系數(shù)會(huì)受到環(huán)境因素的影響;以往研究對(duì)溫度的影響關(guān)注較多，而對(duì)濕度關(guān)注較少。在此，認(rèn)為濕度可能對(duì)分配系數(shù)產(chǎn)生影響。

3．4建模

從濃度曲線可以發(fā)現(xiàn)，甲醛在前兩日隨時(shí)間的釋放行為與指數(shù)函數(shù)比較相似。因此，采用常用于描述建材釋放的指數(shù)衰減模型C(t)=a*exp(b*t)+c進(jìn)行擬合，得到密閉條件下家具甲醛濃度的時(shí)變模型為:（略）。由于前兩日因濃度尚未穩(wěn)定而使?jié)穸鹊淖饔貌缓芮逦士刹捎玫谌盏臄?shù)據(jù)研究濕度和濃度的關(guān)系。第三日中，盡管穩(wěn)定濃度變化，但可看成是分配系數(shù)變化導(dǎo)致的，而非濃度梯度的直接作用。對(duì)膠合板測(cè)試的結(jié)果表明［2］，濕度和穩(wěn)定濃度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。因此，嘗試使用二次多項(xiàng)式對(duì)第三日的濃度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到密閉條件下家具甲醛穩(wěn)定濃度的隨濕度的變化模型為:（略）。從兩個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)可以看出，模型與測(cè)試結(jié)果吻合良好。結(jié)合圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，模型與測(cè)試結(jié)果吻合良好，故可以近似描述和模擬甲醛隨時(shí)間和濕度的釋放行為。

4結(jié)論與建議

為研究寒冷地區(qū)特征室內(nèi)家具甲醛釋放特征，模擬實(shí)際使用條件對(duì)某家具了進(jìn)行測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，僅一件市售中檔家具便會(huì)造成嚴(yán)重的室內(nèi)空氣污染;另外，分析了濃度和環(huán)境因素的變化與作用機(jī)制。綜上，可以對(duì)寒區(qū)特征室內(nèi)的家具使用提出一些建議。一般來說，寒區(qū)室內(nèi)相對(duì)濕度較低。為緩解過于干燥帶來的不適，居民普遍使用加濕儀來創(chuàng)造適宜的室內(nèi)空氣質(zhì)量。但是，此舉恰會(huì)加劇板式家具的甲醛釋放。因此，建議寒區(qū)室內(nèi)人員在使用家具時(shí)，要適當(dāng)控制相對(duì)濕度:既保證舒適，又規(guī)避高濕對(duì)甲醛釋放輔助作用。另外，由于被迫形成的密閉條件使甲醛難以衰減，還可以根據(jù)具體情況選取一些空氣凈化裝置。