热处理对强化地板基材甲醛释放量及尺寸稳定性的影响1)

李雅菁 吴静怡 何正斌 伊松林 叶昌海

(北京林业大学，北京，100083) (成都市美康三杉木业有限公司)

当今社会，随着生活水平的不断提高，人们对居住环境的要求有增无减。在选购产品时，环保性能成为消费者考虑的重要因素之一[1-4]。限于如今广泛使用的生产工艺，大量木质板材在使用过程中会释放出游离甲醛，危害人体健康，因此降低木质板材中游离甲醛的释放量成为地板行业普遍面临的问题[5-8]。找到合适高效的降醛方法，生产低甲醛释放量的产品，使企业生产的产品达标并获得消费者青睐的同时，也是一种社会责任的体现，其更有利于推动行业的良性发展[9-12]。

采用高温热处理工艺制得的板材颜色美观，强度适中，尺寸稳定性良好，满足室内用实木地板的标准和使用性能，并能大幅降低板材的吸湿性，显著地提高木材的尺寸稳定性[13-17]。

叶昌海等[18]探究了100、120、140 ℃条件下的，处理时间2 h，随热处理温度的升高，地板基材的甲醛释放量呈下降趋势。本实验在此基础上，进一步探究增加热处理温度，不同处理时间下，对地板基材的甲醛释放量及尺寸稳定性的影响，为强化地板基材热处理降甲醛工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

地板基材由成都美康三杉木业有限公司提供。地板基材用纤维板尺寸规格为2 440 mm×1 220 mm×12 mm，密度为0.84 g/cm3，在同一批质量检验合格的产品中，随机抽取10张作为试验用基材。

选取有贴面和未贴面两种的地板基材，根据国标GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》的要求[18-19]，截锯规格为150 mm×50 mm的标准试件若干块，在试件平衡处理后，将其随机分组测试，每组10块试件。

1.2 高温热处理

分别在120、140、160 ℃的温度下对有贴面试件和无贴面试件进行热处理，处理时间1、3 h。处理结束后，将试件降温至室温后进行检测。将未进行热处理试材的甲醛释放量作为对照组，与不同温度下热处理后的试材甲醛释放量进行对比。

1.3 检测甲醛释放量

参考GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的干燥器法测甲醛释放量。由于甲醛溶液吸光度与溶液中甲醛释放量呈线性正相关，因此，本试验通过比较各组甲醛溶液吸光度来比较各组试材的甲醛释放量。具体方法如下：

①称量300 mL蒸馏水置于直径为120 mm、高度为60 mm的结晶皿中，再将结晶皿放置于直径为240 mm的干燥器底部。

②将一组10块试材装入金属支架，试件之间不能互相接触，涂抹凡士林后，加盖密封。空白对照组即为干燥器内不放试件。

③将干燥器放置于(20±2)℃的环境中，静置24 h，使试件释放出的甲醛被结晶皿中的蒸馏水充分吸收，此为待测溶液。

④分别吸取25 mL待测溶液、25 mL乙酰丙酮-乙酸铵溶液至100 mL锥形瓶，混合均匀后，放置于(65±2)℃的恒温水浴锅中加热10 min，使甲醛显色，然后把溶液放在避光处20 ℃下存放(60±5)min。

⑤将分光光度计波长调至412 nm处，用厚度为0.5 cm的比色皿装蒸馏水作为对比溶液调零，调至吸光度模式，蒸馏水的吸光度应为0。用另外一个比色皿装待测混合液，放入分光光度计，读出混合溶液的吸光度值。

⑥根据吸光度值计算甲醛释放量。将②中空白对照混合液的吸光度值记为As，待测混合液的吸光度值记为Ab。甲醛释放量计算公式如下：

c=f×(As-Ab)×1 800/A。

(1)

式中：c为甲醛质量浓度(mg/L)；f为标准曲线的斜率；As为甲醛溶液的吸光度；Ab为空白液吸光度；A为试件表面积(cm2)。

1.4 尺寸稳定性测试

根据GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》，将经过热处理后的试材放置于温度(20±2)℃、相对湿度(65±3)%的条件下吸湿直至尺寸稳定。在吸湿过程中，每隔6 h测定试材三向尺寸，相邻两次不超过0.02 mm即为调温调湿完毕。

计算湿胀率：

amax=(lmax-l0)/l0×100%；

(2)

bmax=(Vmax-V0)/V0×100%。

(3)

式中：amax、bmax分别为试材吸湿至尺寸稳定时的长度方向、体积的湿胀率；lmax为试材吸湿至尺寸稳定时的长度；Vmax为试材吸湿至尺寸稳定时的体积；l0为试材经过热处理之后的长度；V0为试材经过热处理之后的体积。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，把0、5、10、20、50 mL的甲醛标准溶液分别移加到100 mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释到刻度。然后分别取出25 mL溶液，按照上述实验方法进行吸光度测量分析，并绘制标准曲线，斜率由标准曲线计算得出，保留4位有效数字。

标准曲线结果如图1所示，标准曲线为y=9.203 1x-0.740 4，R2=0.995 8，斜率f=9.203 1 mg/L≈9.203 mg/L。

图1 干燥法甲醛释放量标准曲线

2.2 甲醛释放量测试结果

表1为各组试材甲醛释放量测试结果。可知，对有贴面、无贴面两组试材进行热处理后，能有效降低试材甲醛释放量。随着热处理温度的升高，甲醛释放量有明显降低；相同热处理温度下，随着热处理时间的延长，甲醛释放量也略有降低。

从试件方面分析，在相同处理条件下，无贴面强化地板基材的甲醛释放量较小。这可能由于无贴面地板更有利于热处理的传热，在热改性过程中促进强化地板基材内的甲醛释放，使无贴面的强化地板基材内甲醛在热处理条件下大量溢出。可以看出，在相同处理条件下，无贴面强化地板基材的甲醛释放量的下降趋势明显大于有贴面强化地板基材，这可能是因为无贴面强化地板基材中的游离甲醛没有饰面材料的阻挡，更容易释放出来。

对同种板材相同处理时间下甲醛释放量随温度的变化进行分析。由图1可看出，在处理温度为140 ℃、处理时间为3 h时，热处理对甲醛释放量的降低效果较好，无贴面强化地板基材甲醛释放量为0.001 mg/m3，变化率为84.81%；有贴面强化地板基材甲醛释放量为0.006 mg/m3，变化率为67.68%。可以看出随着热处理温度的升高，强化地板基材甲醛释放量有明显下降趋势；随着热处理时间的延长，强化地板基材甲醛释放量也有下降趋势。这主要是因为，热处理会使封闭在饰面材料内游离甲醛分子加速运动，促进其向外界释放；另一方面，温度升高会改变板材孔径结构，从而导致强化地板基材对甲醛的吸附能力和吸附容量降低，更利于试材内部甲醛的释放。有贴面强化地板基材甲醛释放量也遵循这样的规律。而当处理温度上升到160 ℃时，甲醛释放量都有所回升，这可能是因为热处理温度过高，引起强化地板基材内部的游离甲醛基团发生变化。试验材料为中密度纤维板，由于脲醛反应是可逆反应，温度过高可能发生逆反应，因此试件甲醛释放量增加。

表1 甲醛释放量测试结果

进一步对同一处理温度下的板材进行处理时间的纵向对比，如表1所示，随着热处理时间的延长，强化地板基材甲醛释放量也有下降趋势。其中，经过120 ℃、1 h处理的无贴面强化地板基材甲醛释放量变化率为50.63%，3 h热处理后变化率为81.29%。而有贴面强化地板基材在120 ℃、1 h热处理条件下，甲醛释放量变化率为23.13%，3 h热处理后甲醛释放量变化率为49.34%。140 ℃热处理下两种地板的甲醛释放量随时间变化也有相似规律。

2.3 不同热处理条件对强化地板基材尺寸稳定性的影响

表2给出了两种强化地板基材在不同热处理时间和温度下，吸湿处理后长度方向的湿胀率和体积膨胀率。

无贴面的强化地板基材未处理时的长度方向湿胀率为0.35%，经过120 ℃、1 h热处理后湿胀率降低至0.26%，在相同热处理温度，处理时间延长到3 h时，湿胀率降低至0.25%；热处理温度提高至140 ℃时，经过1 h热处理无贴面强化地板基材长度方向湿胀率降低至0.24%，相同热处理温度下，经过3 h热处理长度方向湿胀率降低至0.22%；热处理温度为160 ℃、热处理时间为1 h时，热处理后湿胀率为0.20%，相同热处理温度下，经过3 h热处理后湿胀率降低至0.18%。可以看出，随着热处理温度的提高和时间的延长，湿胀率的降低幅度增大，其中热处理温度为160 ℃，处理时间为3 h时，试件尺寸稳定性最好。

表2 尺寸稳定性测试结果

有贴面强化地板基材的长度方向湿胀率也遵循这样的规律，有贴面的强化地板基材未处理时长度方向湿胀率为0.29%，经过热处理后湿胀率也有所下降，约降低0.10%。随着热处理温度的提高和时间的延长，湿胀率的降低幅度增大；在热处理温度为160 ℃，处理时间为3 h时，湿胀率最高约降低0.11%。可看出，有贴面的强化地板基材初始湿胀率及湿胀率的变化幅度均小于无贴面的强化地板基材，这可能是由于强化地板基材的饰面会增强其尺寸稳定性，使其在各种处理过程中尺寸维持较稳定的状态。

进一步探究体积膨胀率。未处理的无贴面强化地板基材体积湿胀率为3.81%，热处理时间为1 h，热处理温度为120、140、160 ℃时，热处理后体积湿胀率分别降低至2.85%、2.25%、2.03%；热处理时间为3 h，热处理温度为120、140、160 ℃时，热处理后体积湿胀率分别降低至2.72%、2.10%、1.80%。可以看出，经过热处理后的强化地板体积膨胀率有明显降低，随着热处理温度的上升和热处理时间的延长，体积膨胀率降低的幅度增大，且热处理温度对膨胀率的影响比热处理时间对体积膨胀率的影响更大。

未处理的无贴面强化地板基材体积膨胀率为3.81%，处理后降低0.96%以上，在热处理温度为160 ℃，热处理时间为3 h时，湿胀率降低最多，为2.01%；未处理的有贴面强化地板基材体积膨胀率为3.05%，处理后降低0.81%以上，在热处理温度为160 ℃，热处理时间为3 h时，湿胀率降低最多，为1.94%。进一步看出，热处理温度越高，热处理时间越长，强化地板基材的体积膨胀率越趋于稳定；且有贴面的强化地板基材在不同热处理条件下的体积膨胀率都略低于无贴面的强化地板基材，这可能是因为饰面材料会提高强化地板基材的尺寸稳定性。

3 结论

热处理能有效降低强化地板基材中的甲醛释放量。在相同处理条件下，无贴面强化地板基材的甲醛释放量较小，这可能由于无贴面地板更有利于热处理的传热过程，在热处理过程中促进强化地板基材内的甲醛释放。在热处理温度为120、140、160 ℃条件下，处理后的强化地板基材甲醛释放量均有明显降低，但热处理温度不宜过高；在热处理温度为160 ℃时，由于高温会使强化地板基材内部的游离甲醛基团发生变化，而脲醛反应是可逆反应，温度过高可能发生逆反应，使试件甲醛释放量增加。随着热处理时间的延长，强化地板基材甲醛释放量呈下降趋势。因此，本实验中，在温度140 ℃，时间3 h的处理条件下，热处理效果较好，强化地板基材的甲醛释放量下降相对较大。热处理能有效提高强化地板基材的尺寸稳定性。有贴面的强化地板基材的尺寸稳定性明显大于无贴面的强化地板基材，在不同热处理时间、热处理温度条件下，有贴面的强化地板基材尺寸变化均小于无贴面组，并且在不同热处理条件下，总体尺寸较为稳定。热处理对强化地板基材的尺寸稳定性有较大影响，随着热处理温度的升高，热处理时间的延长，热处理明显提高强化地板基材的尺寸稳定性。