定向刨花板（OSB）是以小径材、间伐材、木芯等为原料，经刨片、干燥、施胶、定向铺装、热压成型等工艺制成的一种木质结构板材^[1-3]。定向刨花板因具有强度高、抗弯强度大、甲醛释放量少、防腐、隔声性能好等优点，被广泛用作建筑板材和室内装饰装修材料^[4-6]。但定向刨花板的木质原料及胶黏剂会释放出部分挥发性有机化合物（VOCs），造成室内空气污染，损害人体健康^[7-8]。胶黏剂是影响定向刨花板VOCs释放量的主要因素之一，不少胶黏剂因甲醛释放量较高而被异氰酸酯胶黏剂替代^[9-14]。

现有研究表明人造板品种和胶黏剂种类对人造板VOCs释放量与组成成分有较大影响。郑允玲等^[15]研究发现脲醛胶胶合板释放的VOCs以烷烃类和芳香烃类为主，醛酮类、酯类及烯烃类次之。陈峰^[16]研究发现脲醛胶刨花板释放的VOCs主要为烷烃类和芳香烃类。赵政等^[17]研究发现脲醛胶中密度纤维板释放的VOCs主要为酯类和醛类。因此，深入研究异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的释放规律和组成成分，对促进定向刨花板的应用具有积极的意义。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

选用贵州某工厂生产的异氰酸酯胶定向刨花板为试验材料，规格尺寸为1220 mm × 2440 mm × 16 mm，木质原料为松木，木质原料含水率3%～5%，板材含水率10%，异氰酸酯胶黏剂施胶量20 ~ 22 kg/m³，热压压力 50 MPa，热压温度 220 ℃，热压时间15 ~ 30 s。

将异氰酸酯胶定向刨花板按不同装载率水平锯解成对应的规格尺寸和数量，如表1所示，并用铝箔纸对试件全封边后放置于1 m³气候箱中。

表  1  装载率与规格尺寸

Table  1.  Loading rate and specification size

装载率/（m2·m−3）	规格尺寸/（mm × mm）
1.0	500 × 500（2块）
1.5	500 × 750（2块）
2.0	500 × 500（4块）
2.5	500 × 850（6块）

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1.2   主要仪器设备

UNITY−XR热脱附仪（MARKES公司，英国），7890AGC−FID（Agilent公司，美国），JC−1000 1 m³气候箱（昇微公司，中国），Tenax−TA吸附管（MARKES公司，英国），Gilair−Plus恒流采样器（Sensidyne公司，美国），Standard Flow/0 ~ 500 cc皂膜流量计（Gilian公司，美国）。

1.3   试验方法

1.3.1   采样方法

依据GB/T 29899—2013《人造板中挥发性有机化合物释放量试验方法 小型释放舱法》^[18]调节1 m³气候箱的温度为23 ℃，湿度为50%，换气速率为1次/h。设置采样流量为200 mL/min，采样时间为50 min，共采10 L气体。分别于试验的第1、3、7、14、21、28天采集目标试样的VOCs释放量，并记录相关数据。

1.3.2   VOCs的组成成分

以购买的VOCs标准物质（CDAA−M−629081−AE−2 mL−2000 mg/L、CDAA−S−620076−AE−1 mL−2000 mg/L）为溶质，甲醇（色谱纯）为溶剂，配置1000、500、200、50、10 μg/mL的浓度阶梯溶液。随后，依据GB/T 29899—2013^[18]附录C中C4.3～C4.4，分析测试VOCs释放量与组成成分，VOCs的组成成分如表2所示。

表  2  VOCs的组成成分

Table  2.  Components of VOCs

类别	VOCs 物种
烷烃类	正己烷、正十四烷、正十六烷、正十一烷、正壬烷
烯烃类	三氯乙烯、苯乙烯、1−辛烯
芳香烃类	乙苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、苯、甲苯、 对二氯苯
醇类	异辛醇
酯类	乙酸丁酯
醛酮类	甲醛、乙醛、丙烯醛

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1.3.3   回归分析方法

使用Origin软件的“Log3P1”模型对试验数据进行非线性回归分析，获得异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量的回归方程为y=a−b × ln(x + c)，参数a反映不同装载率水平下异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的初始值，参数b反映异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的释放速率，c为补偿条款。异氰酸酯胶定向刨花板释放的VOCs拟合曲线相关度（R²）越接近1，表明回归方程拟合度越高。

2.   结果与分析

2.1   异氰酸酯胶定向刨花板的VOCs释放特征

不同装载率水平下异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量随测试时间变化的关系见图1。由图1可知，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量随测试时间的增加而减少^[19]，直至达到释放平衡。其中，VOCs释放量在测试的第1 ~ 7天约下降16%，下降甚快，为急速释放期；第8 ~ 14天VOCs释放量约下降8%，下降较快，为快速释放期；第15 ~ 28天，VOCs释放量约下降5%，下降平缓，为释放平衡期。不同装载率水平下VOCs释放的变化量在17 μg/m³以内，这与刨花板VOCs的释放规律相似^[20]。

图  1  异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量与测试时间的关系

Figure  1.  The relationship between testing time and VOCs emission from oriented strand board with isocyanate adhesive

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装载率水平在1.0 ~ 2.5 m²/m³范围内，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量在134 ~ 247 μg/m³之间。可知，在整个测试周期内不同装载率水平下异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量远低于GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》^[21]的限量值0.6 mg/m³。

异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量的回归方程参数见表3。由参数a和b的变化规律可知，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs初始值随装载率的增加而上升，VOCs初始值为180 ~ 210 μg/m³。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的释放速率随装载率的增加呈先快速下降后缓慢上升的趋势，释放速率为14 ~ 17 μg/(m³·h)，原因在于释放初期异氰酸酯胶定向刨花板与气箱体内浓度差较大，VOCs呈快速释放的趋势，随着两者间浓度差的减小，VOCs释放速率呈下降的趋势，达到释放平衡后VOCs会缓慢上升，但上升幅度很小。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量回归方程的拟合相关度（R²）高于0.980，表明拟合度较高，可用于预测和分析异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量。

表  3  异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量的回归方程参数

Table  3.  Regression equation parameter of VOCs emission from oriented strand board with isocyanate adhesive

拟合方程	装载率/(m2·m−3)	a	b	R2
y = a−b × ln(x + c)	1	182.928 ± 0.928	17.555 ± 0.938	0.999
	1.5	193.606 ± 3.068	11.380 ± 0.355	0.999
	2	197.388 ± 5.275	12.322 ± 2.055	0.985
	2.5	209.120 ± 2.965	14.895 ± 1.175	0.997

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2.2   异氰酸酯胶定向刨花板释放的VOCs组成成分

以装载率1.0 m²/m³为例，分析异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量达到平衡时的组成成分。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的成分含量总和约为134 μg/m³，见图2。

图  2  异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的组成成分含量

Figure  2.  Component amount of VOCs from oriented strand board with isocyanate adhesive

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在图2的基础上，计算得到图3中异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的各组成成分占比，由高至低依次为芳香烃类、烯烃类、酯类、烷烃类、醛酮类、醇类、其他类；其中，占比大于10%的组成成分是芳香烃类、烯烃类、酯类和烷烃类；占比在8% ~ 10%之间的组成成分是醛酮类；占比3% ~ 4%的组成成分是醇类和其他类。

图  3  异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的组成成分占比

Figure  3.  Composition ratio of VOCs from oriented strand board with isocyanate adhesive

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异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的组成成分主要为芳香烃类，约占VOCs释放量的37.62%。其中，对二氯苯和乙苯含量较高^[22]，分别约占芳香烃类含量的50%和40%，其他苯系物约占芳香烃类含量的10%。酯类占比排序第2，约占VOCs释放量的18.63%，主要单体为乙酸丁酯；烯烃类占比排序第3，约占VOCs释放量的15.82%，主要单体为三氯乙烯。酯类和烯烃类总占比约为34.45%，来源于异氰酸酯胶定向刨花板使用的松木类木质原料，这与黄山等^[23]、周游^[24]的研究结果相一致，即松木VOCs的主要组成成分是酯类和烯烃类。

参照相关文献^[17,25-27]，列出了4类人造板产品和实木制品VOCs的组成成分，见表4。由表4可知：定向刨花板、胶合板、刨花板、中密度纤维板VOCs的芳香烃类占比分别为实木制品的4.28、6.28、5.04、7.43倍，人造板VOCs的芳香烃类占比高于实木制品，原因是人造板胶黏剂会释放大量的芳香烃类化合物^[25]。实木制品VOCs的醛酮类占比分别为定向刨花板、胶合板、刨花板、中密度纤维板的8.16、28.35、2.99、20.19倍，实木制品VOCs的醛酮类占比远高于人造板，原因是实木原料中的树脂酸会氧化分解产生大量醛类化合物^[28]。由此可见，人造板和实木制品VOCs的醛酮类和芳香烃类占比具有极为明显的差异。

表  4  人造板和实木制品VOCs的组成成分及占比

Table  4.  Amount of VOCs from wood-based panels and solid wood products

产品	胶黏剂	VOCs/(μg·m−3)	芳香烃类/%	酯类/%	烯烃类/%	醛酮类/%	醇类/%	烷烃类/%	其他/%
定向刨花板	异氰酸酯剂	134.00	37.62	18.63	15.82	8.51	4.73	3.82	10.87
实木制品	—	128.39	8.77	1.83	0.37	69.46	1.51	3.75	14.44
胶合板	脲醛胶黏剂	248.92	55.12	3.34	6.59	2.45	—	20.97	12.55
刨花板	脲醛胶黏剂	289.21	44.25	20.01	—	23.16	—	12.58	—
中密度纤维板	脲醛胶黏剂	306.32	65.20	0.54	18.88	3.44	—	11.53	0.40

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异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的芳香烃类占比分别为胶合板、刨花板、中密度纤维板的68.25%、85.01%、57.70%，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的芳香烃类占比明显低于脲醛胶人造板。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的烷烃类占比分别为胶合板、刨花板、中密度纤维板的18.21%、30.36%、33.13%，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的烷烃类占比远远低于脲醛胶人造板。由此可见，异氰酸酯胶定向刨花板和脲醛胶人造板VOCs的组成成分差异较大，且异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的芳香烃类和烷烃类占比明显低于脲醛胶人造板。

VOCs释放量由低至高依次为实木制品、定向刨花板、胶合板、刨花板、中密度纤维板。对比发现，人造板VOCs释放量均高于实木制品，原因在于实木制品VOCs主要释放来源是天然木材和部分漆饰材料，VOCs释放量较少。而人造板除木质原料会释放部分VOCs外，生产制造过程中加入的胶黏剂、固化剂等化学原料会释放大量的VOCs，导致人造板VOCs释放量较高。中密度纤维板、刨花板、胶合板分别是定向刨花板VOCs释放量的1.85、2.16、2.28倍，人造板中的定向刨花板VOCs释放量最低^[29]。

图4为异氰酸酯胶定向刨花板VOCs主要释放单体含量对比，由高至低依次为对二氯苯、乙苯、乙酸丁酯、三氯乙烯、正己烷。其中，对二氯苯为含量最高的单体成分，其释放量为25.20 μg/m³，占比为18.80%。参照相关研究^[30]，发现脲醛胶人造板VOCs的主要单体是对二甲苯，占比约为脲醛胶人造板VOCs释放量的62.00%，而这与异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的主要单体成分种类及释放量有明显差异。

图  4  异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的主要单体含量

Figure  4.  The main releasing monomer of VOCs from oriented strand board with isocyanate adhesive

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3.   结论

异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量随测试时间的增加而减少，直至达到释放平衡。其中，VOCs释放量在测试的第1 ~ 7天为急速释放期；第8 ~ 14天为快速释放期；第15 ~ 28天为释放平衡期。装载率水平在1.0 ~ 2.5 m²/m³范围内，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量为134 ~ 247 μg/m³。

异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量的非线性回归方程形式为y=a−b × ln(x + c)，异氰酸酯胶定向刨花板VOCs释放量随装载率的增加而上升，释放速率随装载率的增加呈先快速下降后缓慢上升的趋势。

异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的组成成分占比由高至低依次为芳香烃类、烯烃类、酯类、烷烃类、醛酮类、醇类、其他类。人造板VOCs的芳香烃类占比最大，约为实木制品的4 ~ 8倍。实木制品VOCs的醛酮类占比最大，约为人造板的3 ~ 28倍。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的芳香烃类和烷烃类占比均低于脲醛胶人造板，其中芳香烃占比约低17% ~ 28%，烷烃类占比约低7% ~ 18%。VOCs释放量由低至高依次为实木制品、定向刨花板、胶合板、刨花板、中密度纤维板。异氰酸酯胶定向刨花板VOCs的主要单体是对二氯苯，而脲醛胶人造板VOCs的主要单体是对二甲苯。