室内装饰涂料中voc的挥发特性及其影响因素

室内装饰涂料中VOC的挥发特性及其影响因素摘要：室内装饰涂料，如木材着色剂，油漆，地板蜡等广泛地应用在室内装修中。这些涂料内通常含有超过25%的有机溶剂。在涂料干燥过程中，这些有机溶剂会释放到空气中，从而成为重要的室内空气污染源。因此，了解室内装饰涂料中VOC挥发特性对避免室内空气污染有重要意义。本文详细论述了室内装饰涂料中VOC的挥发机理，并建立了相应的数学模型。这一模型考虑了VOC在涂层表面的散发过程，VOC在涂层中的扩散过程，以及涂料承载物（如地板，木材，墙壁等）对VOC的吸收过程，并分别给出了详细的数学描述。关键字：室内装饰涂料VOC数学模型建筑内装修涂料，如木材着色剂，油漆，墙壁表面喷涂材料等广泛地应用在建筑中。大多数这样的“湿”材料中有机溶剂的含量通常超过25%[1]。在“湿”材料干燥过程中，这些有机溶剂会逐渐散发到空气中，使装饰涂料成为重要的室内VOC散发源，从而加重了室内空气的污染，严重危害人体健康。近年来，装修造成的室内空气污染成为社会关注的问题。而装饰涂料是引起装修污染的重要污染源。同时，有调查表明，几乎所有的家庭都不定期地使用涂料。在一项为期一周的调查中，接受调查的家庭中有2-9%在调查期间使用涂料[2]。因此，了解湿材料的挥发特性对避免室内空气污染有重要意义。过去对于涂料中VOC挥发特性的研究主要采用实验方法。一般采用实验小室，测量不同条件下室内浓度，然后回推材料挥发系数[3]。实验方法周期长、费用高，并且由于影响材料挥发的因素众多，很多情况下采用实验方法是不现实的。近年来，越来越多的研究人员试图通过数学模拟方法对材料中VOC的散发过程进行研究，已建立的数学模型有几十种[4]。其中可用于涂料挥发性研究的主要有一阶模型、VB模型、数值模型等。一阶模型为经验模型，由于实验室条件与实际房间的差异，在实际应用中，其预测的准确性值得商榷。VB模型，即蒸汽压－边界层模型，由于没有考虑VOC在材料中的扩散，因此不适用于整个挥发过程。数值模型考虑了涂料层内部的传质，与实验结果吻合性良好，但是模型复杂，对每个具体环境都要通过计算流体力学方法（CFD）确定气流分布，因此影响了这一模型的应用。本文深入地分析了涂料中VOC的散发机理，并提出了一个新的数学模型，与实验结果吻合性良好，且形式简单。1．有机溶剂的散发机理早期的研究表明“湿”材料污染物的散发过程分为三个阶段[5]。第一个阶段为涂料使用后的一个较短的时间，在这一阶段中，VOC的散发率很高，材料中的VOC含量迅速减少。污染物的释放主要与材料表面的蒸发有关。第二阶段，材料逐渐干燥，污染物的释放变为由内部扩散与表面蒸发共同控制的过程。第三阶段，涂料已经相当干燥，污染物的释放率降低，但是持续时间很长。以前的研究还表明，涂料中污染物的释放与涂料本身的特性及环境因素有关（比如环境空气的温度、相对湿度、VOC浓度，以及涂层表面的风速、流态，等），同时与材料和承载物的物理化学特性有关（比如扩散系数）。为了简化问题，假设所用涂料的量很少，在涂料使用后，其中的液态部分可被承载物吸收。承载物中的VOC一部分以自由液体的形式存在于空隙之间，另一部分吸附在颗粒表面。涂上涂料的的承载物暴露于空气中时，VOC将逐渐从涂层表面放出。在这一过程中，内部和外部的VOC传质存在着几种不同的机理。这些机理包括表面的蒸发作用，自由态或受限态的VOC的运动，VOC在涂层中的蒸发扩散和VOC从涂层向承载物的扩散。由于篇幅所限，在这里不进行详细论述。2．建立模型基于以上机理，在原有模型的基础上，我们建立了一个新的数学模型，并作以下假设：1．单位面积上使用的涂料的量很少，因此在涂料很快被承载物吸收，并在承载物表面形成了一层有均一VOC浓度的湿层。湿层的上表面暴露于环境中，下表面即为承载物表面，且在挥发初期不受湿层的影响；2．涂料层与承载物在宏观上都为均质。因此，可以定义VOC的有效扩散系数；3．在挥发过程中，VOC的挥发只在涂层与空气的表面进行；4．VOC的浓度梯度被认为是唯一的传质动力；5．由于涂层与空气的传质率很低，因此与挥发有关的吸/放热可以忽略；6．VOC散发对涂层表面的空气流态没有影响；7．涂层与承载物中均不发生化学反应；8．周围环境中VOC浓度相同，VOC离开涂层即认为进入空气。下面针对VOC在涂料层，承载物，涂层-空气表面，涂层-承载物表面的传质分别建立模型。泳2.1蔽烘涂层内部的扩慕散群基于前面的讨因论荒，摇VO莲C忙在涂层内部的稠扩散过程可以洞表达为类似于浩菲克定律的形钱式。浆酿（稳1六）满由于假设涂层化为均质，则问拉题简化为一维朽扩散问题，所筹以上式可以简误化成爷惕（凯1-咐1甜）锻x猫为扩散方向的莲线性尺寸；愧D再m肚为涂料层鞋中册VO灯C惭的扩散系数面；沿C挡m预为涂料层天中输VO塘C信的浓度。呼应用等挡式释1帮的关键是如何戴决坦定级D那m墓。熔D革m革是承载物结构企，涂料类型，咸各组分所占比拳例，温度，以厘及涂层眨中艰VO蹈C斜浓度的函数。职对于给定的涂梨层椒-沉承载足物副-VO己C钱系统翅，悔D蚊m懂可以看作是一速个热活泼过程逆，可以用以下程类似于阿伦尼鸡乌斯方程的形穿式表达：轨D典m非（案C目m荒,尿T殊）边=D括m怠（后C智m漏）凤exp(-某)帽鼓女肃滚（含2嘴）药E笨d旺为卧VO皆C稀分子的活化能犁，副R卷为理想气体常店数喝，袖T疯为绝对温度。脚以往的研究表痛明大分子活化车能高于小分子融。同时有学者纺提畜出俭E数d嗓可能与溶质分脆子蒸发所需的旱能量有关。国构外早期的实验御数据表明聚合削体系中不同气嚷体宏的胞E家d猪值在一个的范红围内变化馋（刺4.0-12芝.0kcal述/mol惯e闹）。由于室内柱温度在一个很扮小的范围波动屠，斧E臣d笔的值可以估算勺出来朝。清Che鞠n授和领Lin代[6]惯在分析聚合溶局液中蒸汽时采揪用凉E狡d母=30.5k么J/mol谢e特，以后的研究南者一般都沿用川此值，本文中叼也采用此值。天浓度犯对趣D尿m受影响非常复杂落，近年来发展佣出的用于计算挺液态扩散系数岂的理论，都过医于理想化，没帐有一个可以提晨供拉D务m厕与浓度的确切络关系。侧本文中我们应陶用三阶经验模黎型来描述涂层龟中螺VO饰C扮浓度对扩散系练数的影响拐D续m毛（销C杯m胸）蒙=D皂0笑(迟)驱3朝禾傲偶献律(追3)健等券式樱3恭适用于湿气在旷吸湿材料中的研扩散过程，与卡我们这里讨论质的过程类似。脚为了方便，等剧式哨（标2窗）疾（祸3键）可以改写成档D飘m劫（旺C怖m甩,京T否）掩=D掏m,0号(是)咱3果析庭备如(脾4)宇D案m,0件=D要0剥exp(-木)弄。那拢摧算每（摔5桌）韵对于给定的涂仰层骤，顿VO无C鞠系统吴，兼D贼m,0贸需要通过实验誉方法得到。芹2.2伙肝承载物灭应用菲克定律习，承载物律中笔VO灶C枣的扩散过程可厨以表达为：师妈咱岛（素6筒）蝇C亏s骄承载物遵中擦VO跃C锋的浓度桐。牲D勿s飞承载物姜中躬VO喉C栋分子的扩散系吃数。卷与在涂层中的歉扩散过程相似凭，温度雾与葛VO宗C搁浓度脱对多D分s窝的影响也被考助虑。但尝是触Schwop石e栏等提出津当狼VO壶C洽的浓度比低买于竟1边%吼时可以忽略。和浓度比宣是守VO轨C跳浓度与材料密裙度的比。考虑化到似VO苗C撞在承载物中的仗浓度很低，浓皮度阅对涨D粥s肢的影响可以忽教略。假设温度详对遵D丢s站的影响遵循阿屯伦尼乌斯方程令，则杆D长s鱼=D容s,0姻exp(-痕)楼。掏扫熊突（趴7脊）米2.3刑址涂毯层帆-抓空气表面聪在涂层与空气折的表面股，价VO买C粮发生相变，由字液态或固态变惧为气态。这一统过程中主要的钻传质机理为蒸躬发和对流。只狮要浓度梯度存慧在，表面挥发山就会发生。应草用亨利定律可恶将涂层表面的遭挥发性物质的伏浓扶度期C性m勒与涂层表面蒸冈汽丑压顽C枝a齐联系起来。尽蛾管亨利定律只泉适用于低浓度琴溶液，但是有揉研究表明这一制定律同样适用因于绝大调部颤VO拉C禾的研究畏[7]阴。因此有以下片等式成立：任C悲m稻=K顺ma浓C相a辜其仅中牛K渴ma洒为涂层表蓄面公VO同C演的平衡常数。详不同涂料中各耳种奸VO梨C否在参考温度（踪一般为兽2奥3剧℃法）下西的灶K职ma寄值可以通过实她验测的。假全设渐K疾ma鸽在参考温穗度照T胜ref绒的值仁为曾K泳ma晚（送T揉ref仪），则在环境涝温度慈为献T怨时，（8）唤A伙为所研究组分示所占的比例。箱2.4矿锡环境空气然房间主流区空注气夏中赏VO密C滤的浓度方程为痒：（9）(10)仿V茅为房间的有效拒体积，葱为主流区空气预中窝VO熔C四的浓度终，遍N母为通风率杂，惕S棉为涂料的表面踢积详，围E堪为涂料的挥发恐系数。潮2.5坟缠边界条件唱：悲涂层与空气表赌面：(11)或h扭m葵为对流传质系畏数沾涂层与承载物稿表面：(12)召承载物没有使夕用涂料的一侧洲：(13)民2.6秘闲初始条件起：良TVO针C嗓的初始条件：(14)(15）(16）柿为液体的膨胀室系数。当涂料扛使用在多孔材心料表面，液体寺的体积膨胀使沾涂晴层伞VO拥C撞的初始浓度降铅低。脏2.7挺景传质系畅数遭h辅m姐的估算方法贯Sparks休[8]湿等提出了一种前简单的的估算下传质系数的方品法。(17)尿D宗为墙VO柄C立在空气中的扩向散系数饲，肚m腊2轧h煤-1增L诞c抛为涂层的特征舟长宵度世,嚷即涂层表面积皱的平方根粉，条m扯为涂层表面风孙速纹,mh议-1盲为空气密哗度肌gm贴-3卵为空气的黏度微，雄gh散-1趁m吩-1瑞2.8桥悠模型求解缠上述方程是封认闭的，因此可爹以通过数值计替算方法求解。雁在具体的求解钟过程中使用有着限差分法。有秩限差分法是用鸣离散点的浓度奔值代表离散时沸间内某一区域留的平均浓度，程因而数值求解则的精度与空间由和时间网格的倾划分有着密切灿的关系。离散庭网格划分的越才密，则准确性项越高，但同时影计算时间也相诸应提高。3．模型验证养表烟1家引部分实验参倍数蹲剩内容服符号骑数值切承载物中液体鼻膨胀系数慰1.33丑涂料密度洗1案(茄mg/m搏3月)把8.18羡10踩8滔涂料抽中板VO穷C睛初始浓度叼C裹1,0剃(窝mg/m门3响)眯6.9092凡10念8英涂层懒中仆VO雕C蹦初始浓度恼C券m,0倍(从mg/m包3嚼)甜5.915快10婆8正涂层厚度胞(词mm)接0.122疗VO怕C僻的蒸汽压喇C煌a,0浊(街mg/m铅3类)杠17131.垦7公VO格C聪在涂层中得初躁始扩散系数舱D除m,0健(昆m禁2奋/s)然1扫10港-11朱VO棒C精在承载物中的弱扩散系数刻D届s村(揉m迟2农/s)孟1监10录-14都为了验证模型箩的可用性，以公下引用文献旋[3]阶提供的实验数穿据，与应用模婚型模拟所得数轮据进行比较。鹊文献中，作者洽将地板蜡涂在箩尺寸为肾0.24m荒0.25m享的橡木板晒上，置于乎1.0m席0.8m幕0.5m趟的小室中，通街过电子天平测箱量屠VO暑C嘱挥发引起的木题板质量变化。贴实验过程中保券持涂料表面风丹速仰0.15m沾/嫌s辫，相对湿骗度咏50茅2协%恭，温度不23.夏5撒℃糕，换气次佛数盾1.稍0贱次冷/固小隆时峡节4援．影响因素分恋析饲以下应用模型宁从室内空气浓跳度乏与拨VO问C零相对残留量两嘉个角度对影响赤涂料挥发特性没的各因素进行蓬分析。相对残究留量筋（既%使）双=1-M贷挥发碧/M赛0洞。贱M狗挥发毫：挥发到空气蠢中价的阿VO梁C已的质量逆；幸M暖0昌：涂料中原绍有岸VO吴C谋的质量。毛4.1血麻风速的影响：师图诱2-1械斧不同风速下室乞内饭VO欲C桨浓度变化曲变线统垄残图客2-2监介不同风速尼下庭VO净C厅相对残留量变莫化曲线持图摆2-诸1省，取2-滨2牧分别给出了不窑同表面风速下灌，室内空气爱中扩VO边C篮浓度曲线和涂泰层吸中倾VO记C格的相对残留的修曲线。规如虑图摘2-涛1魄所示，表面风降速对室尊内搅VO盈C陶浓度的影响主涌要表现在挥发刃的初期敢（查6-持8步小时左右），减这一时间相对眉于整个挥发过伙程石（干1-秀2生周）是很短的的。此时，涂料嘱层中含有大量侍溶剂，涂料层聚整体上处于湿由态访，芬VO姓C堤在涂层表面的洪蒸发苗为是VO葛C僻传质过程的控荡制阶段。因此龙，当表面风速卖较大时，气态若传质系数随之电增大，涂料则中双VO敏C吊在涂层表面迅拾速蒸发，室提内评VO昨C公浓度很快达到康最高点。随着术干燥过程的继大续，涂层内部岸的传质过程逐确渐取代表面蒸侦发过程成跳为半VO干C堤挥发的控制阶延段。此时表面搬风速对蛇于庸VO侦C似的挥发影响基如本上可以忽略报。如痕图笛1-朝1弟所示求，业1罗2爪小时后威，吼3允条曲线逐渐重使合。由捷图助2-仓1熄我们还可以看华到，表面风速贞0.5m梯/洪s桶的曲线在达到狮最高点后迅速球下降。而表面材风速咐0.05m恐/泊s指的曲线在达到导最高点后下降阀趋势相对平缓懂，因此在挥发形约牌2甚小时后，室津内差VO戴C慈浓度反高于前扰者。这与文献辅[9]酱中的结论不同炭。这一情况的愁产生主要由于姥文杯献咏[9奋]匪没有考虑材料即中谨VO每C枣浓度对传质过侄程的影响。事己实上，涂料的陪干燥是一个由肠外向内的过程歼。表层的涂料绸最先干燥，涂妄层内部挖的葡VO乱C总到达奇涂层表面需要链克服更大的传庙质阻力，因痒此五VO稍C顷的散发速率降寒低。表面风速询较大时，涂层咳表面迅速干燥世，从而抑制了误内季部葵VO遭C颤的散发。同时室，由于涂料干无燥初州期盛VO盒C碌的散发率相对搂于中期和后期唤极大。较高的退表面风速会使星涂层中所顷含睛VO禽C现的量迅速减少检，干燥过程加喜快。述如船图得2-阁2齐所示，干私燥申1煎2默小时后，表面卧风速宅对右VO摇C坏的相对残留量弃影响很小。这循是由于此时，努涂层的内部传陆质成为挥发过冒程的控制步骤车。敢4.2民贸通风率的影热响之拣加大通风率可悟以有效的降低永室内踏的炭VO路C锦浓度，从而改胸善室内环境。物需要指出的一镇点是，当涂料禁层比较干燥时屿，眉VO论C僵的挥发率很低南，且随时间变忌化很小，可视体为恒定污染源宅[10]膀，室内浓度与炉通风率的关系男可由下式计算捐：。由于为恒萍定污染源宾，爽E抹为常数，因此粪室内空气堆中恩VO芹C镇的浓度与通风誓率旷N献的倒数成正比晓。此时，当通薄风率加大到一赛定程度后再增牲加通风率，对面室内环境没有驱明显的改善，拾因此应确定恰钟当的通风率，财以使能耗与室建内空气品质达剧到最佳值。款4.3稍况涂层厚度影响绸图梢4-谈1病，亮4-疾2村分别给出了，饭其它条件不变彼，涂料层厚度长不同时室内空连气域中猪VO久C尺浓度和涂料量中堆VO新C治相对残留量随民时间的变化。床如厌图轨4-秋1废所示，挥发刚应开始时，涂层给厚度对于室腹内吊VO孤C式浓度曲线几乎耳没有影响。但鲜是随着挥发的榴继续，涂层厚桂度较大的曲线野保持上升趋势走，其室内浓度挠最大值出现的聪时间滞后于厚方度较小的曲线求，此后三条曲邻线的下降趋势犯基本相同。徐如她图狂4-典2踩所示，涂层厚情度的增加，叼对缘VO伯C慕残留量的影响纵非常显著，远堪大于对室内浓同度的影响（妙前谣2旺4鹿小时）。这是窜因为，涂料层庆表面干燥后，裙抑制了涂层内祥部公VO桥C烛的挥发，使大乡量殊VO拣C吼残留在涂层和蚊承载物中。因追而涂层厚度的辱增加使干燥时朽间延长。股4.4僻富涂料挤中面VO讨C鞭初始浓度的影颜响宅涂料侍中匹VO督C休的初始浓度对酿室内浓度越大锡，空气饺中怀VO依C可的浓度越高。摸但室内浓度曲虚线的变化趋势弦一致。这与其受他研究者通过质实验得到的结容论吻合病[9]盐。不同初始浓舟度在任一时刻寇对应的室内浓呈度的比值预与储VO饶C瞧初始浓度的比渴值相同。由此浙可以推断，涂斤料扁中偏VO银C妙初始浓度的不婚同，可对穿VO序C煎相对残留量没糠有影响。辈4.5陡苍涂层筒中束VO冈C葵扩散系数的影白响筝图险6-2戏贯不同扩散系数荐下壳VOC

秆相对残留量变残化曲线芒图准6-锅1主，央6-降2叼给出了不同速的椒VO侧C假扩散系数对室桨内浓度湿和屿VO缓C单残留量的影响济。由胀图宵6-勾1附可见，扩散系雁数的增加将加阅大室内浓度的阔最大值，降低榴材料揪中烂VO利C奋的相对残留量剖。荣但尺5-烤6伐小时后室内浓塞度逐渐趋于一李致，而涂层虎中焦VO遇C禾的残留量会有纤显著的不同，殖宽三系数越大沈相对残留量越虹。糕少4.5穿坏其他影响因素伞环境温度的升蛋高，会使涂层幕中且VO板C门的扩散系数招，谎VO肺C横在空气中的扩冶散系数，以及泳涂层表面的传始质系数都将随则之增加。但当炭室温波动范围皇很小时，对室滑内网VO跨C葵浓度聋及绑VO腾C变残留量无显著坡影响。版除了上面讨论呜的影响因素外蒜，室内空气的惩相对湿度，室娘内材料嚷对辣VO汇C忘的吸附作用，宣以及涂料承载振物的物性参数婶等均会对涂料文中草VO完C狠的挥发产生影师响。其中，承办载物的物理化拿学性质狮对斥VO窄C千的挥发过程的开影响尤为显著筝，由于篇幅所控限，将另行撰汇文讨论。5．结论封本文在深入分毕析了装饰涂料叔中赌VO竞C忽挥发机理的，富并建立了相应装的数学模型。再所建模型与实以验结果吻合性丛良好。应用所顿建模型对影响肥装饰涂料存中染VO困C戚的各项因素进炸行了分析，得简到以下结论：欣（钻1等）膊激增大涂料层表形面风速，在干沉燥初期可以加蛋快其似中爆VO夕C讨的挥发。表面医风速越大涂，恐VO恼C提相对残留量越我小。但随着干岛燥过程的继续阿，这种影响逐甩渐减小；敌（世2乔）视捧加大通风率可垃有效降低室尽内牢VO甜C括的浓度。但是笨，当通风率加持大到一定程度聋后再增加通风镇率，对室内环塘境没有明显的慎改善；活（恢3暗）宴羊涂料层厚度的陡增加将加大室去内摩VO未C号的浓度，缸使岂VO骂C镇的相对残留量唱加大，也增加馒了干燥的所需卵的时间；抛（哨4梁）规掘涂料截中趟VO察C存初始浓度增加猾，室内浓度随其之增加，但盈对现VO挥C讽相对残留量影以响不大；狼（烂5酱）料显涂料层扩散系浆数越大跟，垂VO寄C煌散发的速度越烧快，涂层汁中魔VO跃C虑残留量越小。参考文献猴[1]L.签Z.Zhan蚊g,J.L悠Niu.B初uildin臭gand德Enviro昂nment虫38(20厦03)93拍9-946沸[2]Va呈nVeen刘MP,F塘ortezz蜡aF,B垮loemen甲HJT,挠Kliest伙JJ.J简ournal奏ofEx路posure瞒Analy索sisan苗dEnvi鸦ronmen抢talEp惜id