CN102162812B - 一种建材散发关键参数的快速测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建材散发关键参数的快速测定方法及其测定装置，属于室内环境检验领域，该方法包括：建立建材VOC散发过程对测定装置内浓度的影响模型：用控温装置(如恒温水浴)控制测定装置的温度始终保持在设定值；将待测试建材置于测定装置中，密封测定装置；在建材散发过程中，多次测量测定装置内目标VOC的浓度；最后2～3次浓度结果的平均值作为平衡浓度，其余浓度结果作为逐时浓度；并整理成对数的形式，然后对散发时间进行线性拟合，获得斜率和截距，从而获得建材散发过程的三大关键参数-初始浓度、扩散系数和分配系数。本发明的环境舱系统及其测定方法简便、测试时间短，同时具有较高的精度，非常便于工程应用。

Description

一种建材散发关键参数的快速测定方法

技术领域

本发明属于室内环境检验领域，特别涉及用于快速测定中密度板、高密度板、刨花板、大芯板等建材中VOC散发关键参数的方法及其环境舱系统。 

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，新建建筑不断增多，建筑内各种建材的广泛使用导致室内空气品质问题日益严重，并越来越受到人们的关注。人类约有87％的时间在室内度过，室内空气品质将显著影响人们的健康、舒适和工作效率。影响室内空气品质的因素众多，而室内有机挥发性化合物(VOC)浓度过高是造成室内空气品质低劣的主要原因之一。在室内，VOC主要来源于各种装修装饰材料的散发，而散发过程主要受建材三大散发关键参数-初始浓度、扩散系数和分配系数的控制，因此，有必要对广泛使用的中密度板、高密度板、刨花板和大芯板等建材中VOC的散发关键参数进行测定，从而达到预测和控制建材散发特性的目的，进而为人类营造健康、舒适的室内环境。建材散发关键参数的测定一般在环境舱中进行，目前已经提出了一些方法进行测定。例如流化床解吸附法，先采用低温研磨技术将建材研磨成粉末，而后在室温条件下用流化床解吸附使VOC从粉末中释放出来。该方法存在一些缺点：实验系统复杂；实验过程中浓度逐渐降低，VOC的采样精度和频率会影响浓度的累积结果；实验时建材被研磨成粉末，破坏了建材的固有结构。再如常温萃取法，该方法亦是先将材料研磨成粉末，再将粉末置于机械振荡器中使VOC加速释放到一个环境舱中，当浓度达到平衡后，用高效液相色谱采样；然后向环境舱中持续通入一定流量的干净空气直至达到检测下限，再进行建材释放、平衡、吹风过程，形成多个散发周期。该方法亦存在下述缺陷：建材的测试状态和使用状态不一致；实验时间长，通常需要4周时间，不便于工程应用。 

发明内容

本发明的目的是要克服已有方法在测定建材散发关键参数时的不足，提出一种建材散发关键参数的快速测定方法及其测定装置，本发明的测定方法简便、测试时间短，同时具有较高的精度，测定装置结构简单，非常便于工程应用。 

为实现上述目的，本发明的方法包括将待测定材料放置在密封的测定装置中，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

1)建立建材VOC散发过程对测定装置内浓度的影响模型： 

$\ln \left(\frac{C_{\mathrm{equ}}-C_a\left(t\right)}{C_{\mathrm{equ}}}\right)=-D_m{L}^{-2}{q}_1^{2}t+\ln (-\frac{2(\mathrm{K\β}+1)\sin q_1}{q_1{A}_1})---\left(1\right)$

$C_0=\frac{\mathrm{K\β}+1}{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{equ}}---\left(2\right)$

式中： 

q₁为如下方程的第1个正根： 

$\frac{\tan q_1}{q_1}=\frac{1}{q_1^2{\mathrm{KBi}}_m^{-1}-\mathrm{K\β}}$

该模型中，C_a(t)为测定装置内VOC逐时浓度，单位为kg/m³；C_equ为建材散发达到平衡时环境舱内VOC浓度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；C₀为建材中VOC的初始浓度，单位为kg/m³；D_m为建材中VOC的扩散系数，单位为m²/s；L为建材的厚度，单位为m；K为分配系数，无单位；β为建材体积与环境舱体积之比；Bi_m为传质过程的毕渥数，无单位，定义为h_mL/D_m；h_m为对流传质系数，单位为m/s；方程(1)中 

项称为斜率，ln(-2(Kβ+1)sinq₁/q₁A₁)项称为截距； 

2)用控温装置(如恒温水浴)控制测定装置的温度始终保持在设定值； 

3)将待测试建材置于测定装置中，密封测定装置； 

4)在建材散发过程中，多次测量测定装置内目标VOC的浓度；最后2～3次浓度结果的平均值作为步骤1)所述模型的平衡浓度C_equ，其余浓度结果作为模型中的逐时浓度C_a(t)； 

5)按步骤1)中方程(1)将逐时浓度C_a(t)和平衡浓度C_equ数据整理成对数的形式，然后对散发时间t进行线性拟合，获得斜率和截距，最后根据步骤1)中方程(2)计算出C₀；从而获得建材散发过程的三大关键参数-初始浓度C₀、扩散系数D_m和分配系数K。 

本发明提出用于测定建材散发关键参数的测定装置，其特征在于，该测定装置包括顶端开口的不锈钢圆柱形环境舱、置于环境舱顶端的密封装置及与环境舱相连的控温装置；所述不锈钢圆柱形环境舱内外壁之间有环形空腔，环形空腔外壁下部和上部分别设有进水口和出水口，环境舱顶端两对称位置分别设有进气口和出气口，该环境舱顶端周边设有外缘，该外缘开有多个螺孔；所述密封装置为一圆盘，该圆盘周向均匀布置多个螺栓，用于与环境舱顶端密封连接，圆盘中心表面设有一轴流风扇，该圆盘还设有与环境舱内部相连通的气体注入孔。 

本发明的原理：先通过采样获得建材在密闭情形下散发时密封的测定装置内VOC的逐时浓度和平衡浓度，而后据模型将测量的浓度数据整理成对数的形式，建立浓度和散发时间之间的线性方程，此时进行线性拟合获得斜率和截距，而斜率和截距为关于扩散系数和分配系数的函数，解两个方程即可得到扩散系数和分配系数；最后，据求得的分配系数和测量的平衡浓度结合模型计算得到初始浓度；由此，获得了建材散发过程的三大关键参数。 

本发明的特点及效果： 

本发明的方法测试时间短，可在1天之内即可完成，同时具有较高的精度，称之为C-history方法。通过研究密闭测定装置中建材VOC的散发规律，并对测定装置内测量的VOC浓度数据进行数学处理来测定建材散发的关键参数，避免了已有方法中实验系统复杂、测试时间长及建材的固有结构被破坏的不足，此方法简便、测试时间短，同时具有较高的精度，非常便于工程应用。 

附图说明

图1为本发明的环境舱系统及建材置于环境舱中测试的总体示意图。 

图2为本发明的环境舱系统使用时实测的舱内VOC浓度变化。 

具体实施方式

本发明提出的用于快速测定建材散发关键参数的方法及测定装置结合附图及实施例详细说明如下： 

本发明采用环境舱系统作为测定装置及待测建材置于环境舱中测试的总体示意图，如图1所示。图中，该环境舱系统包括顶端开口的不锈钢圆柱形环境舱1、置于环境舱顶端的密封装置7及与环境舱相连的控温装置11。所述不锈钢圆柱形环境舱内外壁之间有环形空腔，环形空腔外壁下部和上部分别设有进水口和出水口，环境舱顶端两对称位置分别设有进气口和出气口，该环境舱顶端周边设有外缘，该外缘开有多个螺孔；所述密封装置为一圆盘，该圆盘周向均匀布置多个螺栓，用于与环境舱顶端密封连接，圆盘中心表面设有一轴流风扇，该圆盘还设有与环境舱内部相连通的气体注入孔。 

所述不锈钢圆柱形环境舱的体积可为30L～500L，环境舱内外壁之间环形空腔的宽度为5mm～15mm。 

所述控温装置可为恒温水浴，控温范围为0℃～99℃，控温精度不低于±0.5℃。 

在上述装置的一个实施例中，不锈钢圆柱形环境舱1内径为Φ300mm，高为430mm，环境舱内外壁之间有宽度为10mm、高为350mm的环形空腔2，壁厚为10mm，环形空腔外壁下部和上部分别设有进水口3和出水口4，距离环境舱顶端50mm处两对称位置分别设有进气口5和出气口6，环境舱顶端周边设有外缘，该外缘开有12个螺孔，密封装置7为直径Φ330mm、厚10mm的圆盘，圆盘周向均匀布置有12个螺栓8，用于与环境舱顶端密封连接，圆盘中心表面设有一轴流风扇9，距圆盘中心70mm处设有气体注入孔10；环境舱的温度由控温装置(恒温水浴)11控制，控温范围为0℃～99℃，控温精度为±0.5℃。 

所测试建材12置于环境舱底部位置，环境舱内建材散发的VOC气体浓度由环境舱出口处的固相微萃取仪SPME13采样，然后由气相色谱-质谱联用仪GC-MS14分析。 

本实施例的散发关键参数测定方法包括以下步骤： 

1)建立建材VOC散发过程对环境舱内浓度的影响模型： 

$\ln \left(\frac{C_{\mathrm{equ}}-C_a\left(t\right)}{C_{\mathrm{equ}}}\right)=-D_m{L}^{-2}{q}_1^{2}t+\ln (-\frac{2(\mathrm{K\β}+1)\sin q_1}{q_1{A}_1})---\left(1\right)$

$C_0=\frac{\mathrm{K\β}+1}{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{equ}}---\left(2\right)$

式中： q₁为如下方程的第1个正根： 

$\frac{\tan q_1}{q_1}=\frac{1}{q_1^2{\mathrm{KBi}}_m^{-1}-\mathrm{K\β}}$

该模型中，C_a(t)为环境舱内VOC逐时浓度，单位为kg/m³；C_equ为建材散发达到平衡时环境舱内VOC浓度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；C₀为建材中VOC的初始浓度，单位为kg/m³；D_m为建材中VOC的扩散系数，单位为m²/s；L为建材的厚度，单位为m；K为分配系数，无单位；β为建材体积与环境舱体积之比；Bi_m为传质过程的毕渥数，无单位，定义为h_mL/D_m；h_m为对流传质系数，单位为m/s；方程(1)中 

项称为斜率，ln(-2(Kβ+1)sinq₁/q₁A₁)项称为截距； 

2)将恒温水浴与环境舱环形空腔外壁的进、出水口相连，并控制环境舱的温度为25±0.2℃； 

3)将待测试建材置于环境舱中，所选取建材为市场上常见的中密度板，其尺寸为200mm×200mm×2.8mm，用螺栓密封连接顶部的圆盘和环境舱，并密封进、出气口和气体注入口(用橡胶管外连阀门控制)； 

4)在建材散发过程中，多次测量环境舱内目标VOC的浓度，本实施例所选取的目标VOC为苯(C₆H₆)，在第2、4、6、9、12、16、22、24小时8次用固相微萃取仪SPME在环境舱出气口处采样，然后用气相色谱-质谱联用仪GC-MS分析，环境舱内苯的浓度测量结果如图2所示，图中横坐标表示散发时间，纵坐标表示环境舱内VOC浓度，图中的数据点代表测量的浓度结果(苯浓度)；最后2次浓度测量结果的平均值作为平衡浓度C_equ，而前6次浓度测量结果作为步骤1)所述模型的逐时浓度C_a(t)； 

5)按步骤1)中方程(1)将逐时浓度C_a(t)和平衡浓度C_equ数据整理成对数的形式，然后对散发时间t进行线性拟合，获得的斜率和截距分别为-0.216和-0.93，该拟合过程的相关系数平方为0.99，精度比较高；而后解方程(1)获得扩散系数D_m和分配系数K的值分别为7.26×10^-11m²/s和1.02×10³；最后据步骤1)中方程(2)由分配系数K和平衡浓度C_equ计算出初始浓度C₀为23.3g/m³；从而获得建材散发过程的三大关键参数C₀、D_m和K，该方法测试时间短，1天之内即可完成，同时具有较高的精度，非常便于工程应用，称之为C-history方法。 

Claims (1)

1.一种建材散发关键参数的快速测定方法，包括将待测定材料放置在密封的测定装置中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）建立建材VOC散发过程对测定装置内浓度的影响模型：

$\ln =\left(\frac{C_{\mathrm{equ}}-C_a\left(t\right)}{C_{\mathrm{equ}}}\right)={-D}_m{L}^{-2}{q}_1^{2}t+\ln (-\frac{2(\mathrm{K\β}+1){\sin q}_1}{q_1{A}_1})---\left(1\right)$

$C_0=\frac{\mathrm{K\β}+1}{\mathrm{\β}}{C}_{\mathrm{equ}}---\left(2\right)$

式中： $A_1=(\mathrm{K\β}-q_1^2{\mathrm{KBi}}_m^{-1}+1)\cos q_1-(1+{2\mathrm{KBi}}_m^{-1})q_1{\sin q}_1,q_1$ 为如下方程的第1个正根：

$\frac{{\tan q}_1}{q_1}=\frac{1}{q_1^2{\mathrm{KBi}}_m^{-1}-\mathrm{K\β}}$

该模型中，C_a(t)为测定装置内VOC逐时浓度，单位为kg/m³；C_equ为建材散发达到平衡时环境舱内VOC浓度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；C₀为建材中VOC的初始浓度，单位为kg/m³；D_m为建材中VOC的扩散系数，单位为m²/s；L为建材的厚度，单位为m；K为分配系数，无单位；β为建材体积与环境舱体积之比；Bi_m为传质过程的毕渥数，无单位，定义为h_mL/D_m；h_m为对流传质系数，单位为m/s；方程（1）中

项称为斜率，ln(-2(Kβ+1)sinq₁/q₁A₁)项称为截距；

2）用控温装置控制测定装置的温度始终保持在设定值；

3）将待测定材料置于测定装置中，密封测定装置；

4）在建材散发过程中，多次测量测定装置内目标VOC的浓度；最后2～3次浓度结果的平均值作为步骤1）所述模型的平衡浓度C_equ，其余浓度结果作为模型中的逐时浓度C_a(t)；

5）按步骤1）中方程（1）将逐时浓度C_a(t)和平衡浓度C_equ数据整理成对数的形式，然后对散发时间t进行线性拟合，获得斜率和截距，最后根据步骤1）中方程（2）计算出C₀；从而获得建材散发过程的三大关键参数-初始浓度C₀、扩散系数D_m和分配系数K。

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