在木家具加工生产过程中, 粘合剂、油漆等的使用, 使得木家具材料中不可避免地存在甲醛及苯系物等挥发性有机化合物 (VOC) 。放置入房间后, 会影响室内空气质量, 危害使用者健康 ^[1,2,3]。

　　 为了限制木家具向室内散发VOC, 国内外标准对木家具中VOC提供了一定的限值和测试方法, 例如我国的GB 18584—2001《室内装饰装修材料 木家具中有害物质限量》 ^[4]和美国家具协会家具产品安全及性能系列标准的BIFMA方法等 ^[5]。GB 18584—2001中的检测方法存在着几点不足:1) 该标准通过评价木家具使用的板材的甲醛释放量来评价家具产品质量, 未考虑家具总体释放量对居住环境影响;2) 该标准规定的检测方法为干燥器法, 此方法实验环境与实际使用环境差别较大, 难以反映材料在真实环境中的散发情况。而美国的BIFMA方法 ^[5], 家具的测试时间长达7 d, 难以满足快速测定家具污染物释放量的需求。Zhang等人提出了快速测定建材散发特性参数的方法 ^[6], 可准确测定并预测建材污染物散发过程, 并用于相关标准编制, 但是该方法仅适用于厚度均匀的建材, 并不适用于家具。

　　 GB/T 35607—2017《绿色产品评价 家具》 ^[7]对上述方法进行了改进。其采用的测试方法为:木家具首先在固定温湿度 ( (23.0±2.0) ℃, (45.0±10.0) %) 的环境中预处理120 h, 随后转入环境舱进行通风实验。考虑到家具轮廓体形多样而气候舱尺寸规格种类较少, 该方法规定了气候舱中家具体积承载率范围 (0.075～0.300) 。通风状态下的换气次数为 (n/0.15) h^-1, n为家具体积承载率 (外形轮廓体积计算见GB/T 35607—2017附录E) ^[7]。通风20 h后, 测定气候舱内的污染物浓度并与限值进行比较。

　　 该标准中采用的方法测试时间为20 h, 比BIFMA方法测试时间大幅度缩短。然而, 市面家具品牌及种类繁多, 20 h的测试时间依然较长, 难以满足实际测试需求。因此, 亟需提出一种更为快速、有效的木家具污染物散发情况检测方法, 以助于降低测试成本, 推广测试方法的应用。

　　 木家具通风预处理一段时间后, VOC散发速率逐渐趋于稳定, 此时木家具转入密闭舱中, 由于开始时目标污染物背景浓度极低, 不会抑制散发, 此时散发速率可认为基本不变, 密闭舱中的目标污染物浓度近似随时间呈线性增长。因此木家具预处理结束后, 将木家具转入洁净、密闭气候舱内, 通过检测木家具放入后初期污染物浓度变化, 经线性拟合求得浓度增长斜率, 即可求出木家具的污染物散发速率。为尽量缩短测试时间, 同时考虑到污染物采样点数及采样所需时间, 家具放入密闭舱后的实验周期选取为2 h。

　　 为保证与现行国标方法的一致性, 本方法参考GB/T 35607—2017建立测试条件。本方法包括预处理阶段和气候舱测试阶段两部分。预处理整体要求参考GB/T 35607—2017, 即:预处理时间为 (120±2) h;温度为 (23.0±2.0) ℃;相对湿度为 (45.0±10.0) %;样品之间的距离不小于300 mm;样品预处理间甲醛的质量浓度≤0.10 mg/m³, 总挥发性有机化合物 (TVOC) 的质量浓度≤0.60 mg/m³。

　　 预处理主要有以下2个目的:1) 保证家具漆膜完全干燥;2) 家具提前在实验所需的温湿度环境中进行充分热湿交换, 避免在密闭舱测试中, 木家具吸放湿影响舱内湿度条件, 从而影响污染物散发速率 ^[8]。

　　 为保证实验期间气候舱内浓度处于线性增长阶段 (木家具散发速率恒定) , 测试总时间不宜过长, 选取2 h作为采样总时长。依据线性拟合数据要求, 应至少保证5个以上有效数据点, 选取木家具放入后的第0, 0.5, 1, 1.5, 2 h 5个时间点进行采样, 可满足对数据拟合的要求。

　　 当木家具在舱内体积承载率较大时, 测试期间舱内污染物浓度可能由于上升过快而被抑制散发, 降低检测结果准确性, 因而体积承载率选取范围为0.025～0.100。

　　 测试气候舱技术要求参照GB/T 31107—2014《家具中挥发性有机化合物检测用气候舱通用技术条件》的规定 ^[9], 污染物采样方法参照GB/T 31106—2014《家具中挥发性有机化合物的测定》的规定执行 ^[10]。

　　 根据测定分析所得的污染物浓度结果, 按式 (1) 对舱内各目标污染物浓度与时间分别进行线性拟合, 斜率为a (R²需大于0.90, 以保证线性拟合准确度) 。

　　 $C{}_{\text{t}}=at+b(1)$

　　 式中 C_t为气候舱内污染物质量浓度, mg/m³;a为线性拟合斜率, mg/ (m³·h) ;t为样品放入气候舱内的时间, h;b为线性拟合截距, mg/m³。

　　 则木家具样品的目标污染物散发速率为

　　 $E=\frac{aV}{{\rm N}}(2)$

　　 式中 E为样品的污染物散发速率, mg/ (件·h) ;V为气候舱容积, m³;N为气候舱中家具样品的数量, 件。

　　 式 (2) 中的V原理上应为测试时气候舱内空气所占体积, 即气候舱容积减去家具材料所占体积。本方法中规定家具的外形轮廓体积与气候舱容积之比为0.025～0.100, 则家具中固体材料总体积占气候舱容积之比总体远小于0.100, 故材料体积对计算结果的影响可忽略, 因而计算中将V简化为气候舱容积。

　　 实验所用木家具样品为某品牌床头柜 (购于某电商网站) , 外形轮廓体积为0.075 m³。

　　 实验所用气候舱容积为3 m³, 气候舱性能满足GB/T 31107—2014要求。内部装有搅拌风扇以保证舱内浓度混合均匀。测试期间温度和相对湿度分别控制为 (23.0±2.0) ℃和 (45.0±5.0) %。测试时, 气候舱内分别放入1, 2, 4个家具样品 (体积承载率分别为0.025, 0.050和0.100) , 以测试不同承载率下的散发速率。在放入样品后第0, 0.5, 1, 1.5, 2 h采集测定气候舱内甲醛的质量浓度。

　　 甲醛测试方法采用酚试剂分光光度法。采样流量为1 L/min, 采样时间为10 min。采样结束并显色后, 利用分光光度计 (V-1200) 测定样品吸光度并计算舱内甲醛质量浓度。

　　 测试得到木家具样品在3种体积承载率下气候舱内甲醛的质量浓度并计算得到甲醛散发速率, 结果如图1及表1所示。

　　 结果表明:3种体积承载率下, 甲醛质量浓度与时间之间均表现出较好的线性关系 (R²>0.95) , 从而验证了本方法测试周期选取2 h的合理性。同时, 计算得到的3种体积承载率下的散发速率结果相对偏差低于20%, 一定程度上证明在上文规定的体积承载率范围内 (0.025～0.100) 该方法准确有效。

　　 针对在实验环境温湿度下进行预处理对木家具散发特性测试的影响展开了实验研究。实验分别测定了某家具在预处理未控湿和控湿2种条件下, 放入气候舱后舱内相对湿度及甲醛质量浓度变化情况, 结果如图2所示。

　　 结果表明:如预处理阶段未对木家具湿度进行控制, 可能会造成家具开始实验后, 与密闭舱内环境产生明显的湿交换, 严重影响气候舱内相对湿度, 进而影响家具的甲醛散发速率及实验结果;预处理控湿后的家具的甲醛散发速率可达到预处理未控湿家具散发速率的2倍以上, 而预处理阶段120 h的湿度控制可保证家具提前进行充分的湿度交换, 进入密闭舱后舱内相对湿度较为稳定, 可保证实验顺利进行。

　　 为进一步验证该方法的可靠性, 并探究该方法对于其他空气污染物的适用性, 进行了实验室间比对实验。利用某品牌床头柜 (外形轮廓体积0.075 m³) , 以二甲苯和TVOC为目标污染物, 选取清华大学、中国建筑科学研究院有限公司、深圳市建筑科学研究院有限公司3家单位开展了实验室间比对验证实验, 3家单位的气候舱规格、样品数量及体积承载率如表2所示。TVOC采用GB/T 31106—2014中的定义:利用Tenax GC或Tenax TA采样, 非极性色谱柱 (极性指数小于10) 进行分析, 保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物 ^[10]。3家单位气候舱污染物浓度结果如图3所示。

　　 实验室间比对实验结果表明, 除中国建筑科学研究院有限公司TVOC结果外, 各家实验室的密闭舱测试阶段均有较好的线性 (R²>0.90) 。对于中国建筑科学研究院有限公司TVOC结果, 线性差的原因为初始时刻舱内浓度过高, 可能是由于舱内浓度不均匀造成。为应对实际测试过程中可能出现的此种情况, 对线性拟合R²<0.90的数据处理方式作进一步规定:该方法旨在检测木家具的最大散发速率, 因此若R²小于0.90, 则依次求各时刻目标挥发性有机化合物浓度与初始时刻浓度间的斜率, 取最大值a代入式 (2) 求得散发速率。考虑到初始时刻舱内浓度可能不均匀影响测试浓度, 如初始时刻浓度高于第0.5 h浓度结果, 则依次求第0.5 h之后各时刻浓度与第0.5 h浓度之间的斜率, 取最大值为a。

　　 各实验室测得的家具二甲苯及TVOC的散发速率结果如表3所示。各实验室测定散发速率结果与平均值的相对偏差小于30%。表明该方法适用于多种室内空气污染物, 且不同实验室间结果具有较好一致性, 适宜作为衡量家具污染物散发速率的标准方法。

　　 本研究探究了本方法测试得到的家具VOC散发速率与GB/T 35607—2017中的污染物释放量之间的换算方法。即基于本方法中家具散发速率及GB/T 35607—2017中气候舱通风量, 计算舱内浓度。计算方法为

　　 $C=\frac{E{\rm N}}{Q}=\frac{E{\rm N}}{\frac{{\rm N}V{}_{\text{f}}}{0.15V}V}=\frac{0.15E}{V{}_{\text{f}}}(3)$

　　 式中 C为样品的污染物释放量, mg/m³;Q为GB 35607—2017中气候舱通风量, m³/h;V_f为单个家具外形轮廓体积, m³/件。

　　 利用4.3节中的家具样品, 采用GB/T 35607—2017规定的环境舱通风方法, 在中国建筑科学研究院有限公司和深圳市建筑科学研究院有限公司对木家具样品进行了污染物释放量测定, 并与本方法换算得到的释放量进行对比, 结果如表4所示。

　　 2家实验室结果均表明, 2种方法得到的家具污染物释放量相对偏差低于30%, 一致性较好。且本方法实际占用气候舱的测试时间仅为2 h左右, 远少于标准方法中的20 h, 具有更加快速的优势。

　　 本研究利用密闭气候舱, 提出了快速测定木家具VOC散发速率的方法——密闭舱法。该方法测试结果与国内现行家具气候舱法相比, 测试结果相对偏差低于30%, 一致性较好;实际占用气候舱的时间从原来的20 h缩短为2 h, 且用密闭舱代替环境舱通风方法, 具有测试周期短、测试系统简单的优点。为木家具甲醛及VOC散发速率的测定及相关标准的制定提供了参考方法。