第1章　绪论
我国是世界上人造板及其制品生产、制造和销售的第一大国。目前世界范围内的人造板95%以上使用脲醛树脂(urea-formaldehyde resin，UF)胶[1]。脲醛树脂胶是由甲醛(formaldehyde)和尿素合成的，其中甲醛是高风险致癌物，它能够引起动物细胞交联、产生基因突变、染色体损伤，浓度过高时能直接导致人类死亡。在人造板胶黏剂的固化过程中总会有一部分甲醛未参与化学反应，形成游离甲醛和不稳定基团。游离甲醛和不稳定基团在人造板热压成型过程中被包裹在人造板内部，随着时间的推移甲醛将慢慢地释放到周围的环境中，且其释放期长达3～15年，严重威胁着人类的健康。遗憾的是，由于脲醛树脂胶高质、低价的特点，截止到目前仍未找到脲醛树脂胶的替代品。世界各国高度重视人造板及其制品释放的甲醛对人类健康危害的问题，分别以法律、法规和强制性标准等方式颁布实施相应的法律法规，限定人造板及其制品甲醛释放量，并在理论层面和制造技术方面进行研究。本书作者团队在近20年的科学研究中建立了我国人造板及其制品甲醛释放量检测技术体系[2-12]，用来检测人造板材料和人造板制品的甲醛释放量，确保人们使用健康安全的人造板及其制品。本书介绍人造板及其制品甲醛释放量的检测原理、检测方法和相应检测仪器的开发过程。同时还对科学研究、新技术开发与核心技术突破等过程提出的问题、解决策略和技术路线进行详细的阐述，并结合具体项目的实现给出实例，如用Visual Studio编写项目的人机交互、控制过程的实例，用OpenCV与C++结合编写复杂的人造板表面缺陷辨识系统的实例，用单片机开发地采暖地板蓄热性能、缓释性能的科学仪器，并在MATLAB中对开发的科学仪器所获取的数据，用深度神经网络、最小二乘支持向量机进行分析，得到温度梯度场的实时变化情况，进而把握类似地板这样的非均质生物质材料的蓄热、缓释、节能的特性。上述研究成果可为高等院校、科研单位和企事业单位的科学研究与开发人员提供有益的研究方法、研究思路和实现方法，希望本书成为一部在科学研究方法上有价值的参考资料。
1.1　甲醛概述
甲醛为无色气体，有刺激性气味。甲醛能引起哺乳动物细胞核的基因突变、染色体损伤。长期暴露于甲醛环境会降低机体的呼吸功能、神经系统的信息整合功能并影响机体的免疫应答，对人类的心血管系统、内分泌系统、消化系统、生殖系统、肾脏也具有毒副作用。甲醛慢性中毒后人体症状包括头痛、乏力、食欲缺乏、心悸、失眠、体重减轻及自主神经功能紊乱等。动物试验也证实上述相关系统的病理改变。美国国家癌症研究所公布的一项研究成果显示，频繁接触甲醛的化工厂工人死于血癌、淋巴癌等癌症的概率比接触甲醛机会较少的工人高很多[13-18]。
1.1.1　甲醛简介
甲醛是一种有机化学物质，化学式是HCHO或CH2O，分子量30.03，又称蚁醛。甲醛是一种无色有刺激性气味的气体，对人的眼、鼻等有刺激作用，气体相对密度为1.067(空气的密度为1)，液体密度为0.815g/cm3(?20℃)，熔点为?92℃，沸点为?19.5℃，易溶于水和乙醇。甲醛水溶液的浓度最高可达55%，一般为35%～40%，通常为37%，称为甲醛水，俗称福尔马林(formalin)溶液[19-21]。
甲醛具有还原性，尤其在碱性溶液中，还原能力更强，且能燃烧，甲醛蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为7%～73%(体积)，燃点约为300℃。
甲醛可由甲醇在银、铜等金属催化作用下脱氢或氧化制得，也可从烃类的氧化产物中分离出。它可作为酚醛树脂(phenolic resin，PF)、脲醛树脂、维纶、乌洛托品、季戊四醇、染料、农药和消毒剂等的原料。工业甲醛溶液一般含37%甲醛和15%甲醇，做阻聚剂，沸点为101℃。
酚醛树脂、脲醛树脂是人造板行业最重要的胶黏剂原料。截至2021年我国人造板材料年产量已达3.3亿m3，年脲醛树脂胶消费量达1400万t以上[1]，目前尚无更加低廉优质的胶黏剂替代脲醛树脂胶。因此，限定人造板及其制品的甲醛释放量就成为我国甲醛释放量检测行业的一个重大问题[22-26]。
1.1.2　人造板及其制品中甲醛的产生
由于脲醛树脂胶优异的黏合性及廉价的特征，我国人造板行业在人造板及其制品生产制造时，使用脲醛树脂胶作为胶黏剂。因此，在人造板及其制品中会释放出游离甲醛。人造板及其制品中甲醛的释放量既与外在条件(如湿度、温度)有关，也与内在因素(如木材种类、胶种及工艺条件)有关。人造板及其制品中甲醛产生的主要途径有以下几种：
(1)在胶黏剂生产过程中产生甲醛。例如，制胶时当甲醛与尿素反应不充分、不完全时，一部分甲醛未参与反应，形成游离甲醛；树脂合成时，已参与反应生成的不稳定基团的甲醛，在适当的条件下会释放出来；同时，吸附在胶体粒子周围已质子化的甲醛分子，在电解质的作用下同样会释放出来。
(2)人造板生产过程中的甲醛释放。人造板在热压过程中，在一定温度的作用下，树脂发生缩聚反应而固化，树脂在固化过程中会释放出甲醛。
(3)人造板中甲醛的延续释放。热压结束后，在人造板堆放和使用过程中会存有少量甲醛，由于受到环境温度、湿度等影响，产品内的胶层在老化过程中会继续释放出这部分甲醛；而且固化后的脲醛树脂中可能有极少的一部分也会因固化剂生成微量酸的催化作用而释放出甲醛。
1.1.3　甲醛的存在
在现实社会高速发展的今天，甲醛及其混合物广泛地应用于社会，从而产生甲醛源。最明显的实例是公共场合、居家办公环境中的建筑装饰装修材料、板式家居、软体家具、布艺沙发，以及窗帘、床单等轻工纺织品中都含有甲醛，这些都是甲醛的源头[27]。
1.木材中的甲醛
通常木材经过防腐处理后或者施加胶黏剂后便含有甲醛，但是这种甲醛在木材中的残留时间有限，经过一段时间后甲醛能够完全消失。木材中的甲醛不像人造板热压后材料内部形成的游离甲醛释放期长达3～15年，达不到对人体健康危害极大的那种程度。
2.空气中的甲醛
甲醛是极易挥发的有机化合物。当公共场合、居家办公环境中使用建筑装饰装修材料、板式家具和软体家具及轻纺产品时，所处环境的空气中就可能会有甲醛产生，室内环境甲醛的浓度视所使用的上述材料的质量而定。因此，选用优质环保的建筑装饰装修材料、板式家具、软体家具、布艺沙发、窗帘、床单等是保证公共场合、居家办公环境具有安全健康空气质量的关键。
3.水中的甲醛
水中甲醛的来源主要有两个方面：一是工业废水的排放；二是水中天然有机物(腐殖质)在臭氧化和氯化过程中氧化的产物，也就是水中有机物通过热解产生一定量的甲醛。
1.2　甲醛对人体健康的损害
建筑中室内空气质量问题一直是国内外建筑装饰装修环境空气质量研究的重要内容。建筑物室内装饰装修材料、人造板及其制品中向室内空气释放的甲醛严重威胁着人类健康。
1.2.1　甲醛对人体的危害性
欧盟委员会欧洲协调行动项目报告中阐述了短期内不同浓度甲醛对人类的危害，如表1.1所示。
由表1.1可以看出，当甲醛的浓度在0.06～1.2mg/m3时，人能嗅到甲醛的气味；当甲醛浓度在0.1～3.1mg/m3时会刺激人的眼睛；当甲醛浓度在2.5～3.7mg/m3时，会强烈地刺激人的喉咙；当甲醛浓度在5～6.2mg/m3时，会伤害人的眼睛、嗅觉系统；当甲醛浓度在12～25mg/m3时，会使人强流泪、流鼻涕并最多只能坚持1h；当甲醛浓度在37～60mg/m3时，会使人类生命受到威胁，会导致水肿、炎症和肺炎；当甲醛浓度在60～125mg/m3时，会直接导致人类死亡。
1.2.2　甲醛与人体健康
日本横滨国立大学花井义道对人造板及其制品释放的甲醛进行了多年的研究，结果表明人造板材料的甲醛释放期长达3～15年，人造板及其制品中释放的甲醛严重危害人类的健康。因此，WHO的国际癌症研究机构确认甲醛为人类致癌物质。世界各国高度关注甲醛的高致癌性，美国、日本和欧洲各国相继颁布法律或强制性标准，强制性规定人造板制品中甲醛的释放限量。我国2001年颁布实施了国家强制性标准GB18580—2001《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》，规定了人造板及其制品中甲醛的释放限量，并于2018年更新了标准中的检测方法要求，提高了甲醛释放限量标准，如将原来甲醛释放量的0.03mg/m3更严格地限定到0.01mg/m3。
1.3　人造板与醛类胶黏剂
脲醛树脂胶具有完美的胶合性能，同时具有优质廉价的特征。因此，全球范围内人造板总产量的95%以上使用的都是脲醛树脂胶，截止到目前没有脲醛树脂胶替代品。近几年来，国内外的一些学者开展了大豆胶、三聚氰胺、无甲醛胶黏剂(塑料胶黏剂)、木材热解油替代脲醛树脂等研究[28]，但是这些产品在人造板胶黏剂市场上占有的份额非常少，还未达到大批量用于实际生产的阶段。因此，国内外人造板材料的胶黏剂仍然以脲醛树脂胶为主。
1.3.1　脲醛树脂胶的制备
脲醛树脂是以甲醛与尿素为化学原料，在适当的酸碱度、温度、反应时间等因素的特定条件下使甲醛与尿素的缩合反应生成具有一定分子量的线性分子缩聚物。
世界上著名脲醛树脂生产公司的工业化生产工艺具有知识产权，因此本节只介绍在实验室条件下制备脲醛树脂的过程。
脲醛树脂的实验室合成工艺是在带有机械搅拌的?500mL?三颈反应瓶中加入100g浓度为37%的甲醛水溶液，用20%氢氧化钠水溶液调节pH至7～8后，按尿素、甲醛摩尔比1∶1.3的比例加入尿素。再按6∶3∶1的质量比，依次序分三次加入尿素。加入第一批尿素时，在45～50℃保温50min。加入第二批尿素时，加热升温使冷却釜内液体温度在30min内均匀升温到90～95℃，并保温40min。然后用10%的甲酸水溶液调整pH至5～6。随后观察胶液的混浊点，即胶液滴入40℃热水容器内能形成不溶的白雾团时即达到反应终点。再用10%的氢氧化钠水溶液调节pH至7～8减压脱水后，冷却釜内液体温度在70℃以下，加入第三批尿素和占尿素总量3%的三聚氰胺。继续搅拌30min，自然冷却至室温，最终制备成脲醛树脂胶。
1.3.2　人造板生产过程中甲醛的释放
从微观上来说，人造板(通常包括中密度纤维板、刨花板、胶合板、大芯板)皆为多孔结构材料。在这种多孔结构中，孔道的孔径大小各异，任意排列。人造板制造过程中经过加热固化使得胶黏剂与材料固缩反应形成人造板。但是胶黏剂与材料发生固缩反应之后，会产生没有参加反应的甲醛，称为游离甲醛。另外，部分参与反应的胶黏剂会生成不稳定的基团，这些基团在特殊条件下也会逆向生成甲醛，因此人造板中的甲醛分子就是通过人造板材料内的不规则孔隙慢慢地释放到室内空间中的。
1.4　甲醛释放机理与特征
人造板中甲醛的释放可分为三个过程：①甲醛在人造板内部运动，即分子发生扩散；②板面边界层热力学平衡，通过吸附、脱附和对流释放；③室内主流区对流，使环境空间内甲醛浓度逐时变化。研究表明，人造板甲醛释放特性由人造板中甲醛初始可散发浓度、甲醛在人造板中的扩散系数和甲醛在空气和人造板界面处的分离系数三个内在释放关键参数决定[29]。
1.4.1　甲醛释放机理
人造板材料脲醛树脂(UF)中尿素与甲醛摩尔比越高，制成的人造板强度越高，吸水厚度膨胀率越低，但甲醛的释放量越高。UF中的游离甲醛一部分随着制胶脱水进入废水中，另一部分在热压时以甲醛蒸气排到大气中，还有一部分遗留在人造板中。
研究表明，只要UF中有羟甲基和二次甲基醚键，固化时就会释放甲醛，原因有如下三个[30]：
(1)羟甲基脲中的羟甲基在H离子作用下很不稳定，易参与反应，导致正反应大于逆反应，造成UF中存在未反应的游离甲醛，即使正反应和逆反应平衡，也会产生游离甲醛。UF的加成反应是一种平衡反应，决定了UF中永久存在游离甲醛，在人造板中也会释放甲醛。
(2)羟甲基脲在酸性条件下，通过次甲基键把单个分子连成聚合物后仍

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 甲醛概述 1
1.1.1 甲醛简介 2
1.1.2 人造板及其制品中甲醛的产生 2
1.1.3 甲醛的存在 3
1.2 甲醛对人体健康的损害 3
1.2.1 甲醛对人体的危害性 4
1.2.2 甲醛与人体健康 4
1.3 人造板与醛类胶黏剂 5
1.3.1 脲醛树脂胶的制备 5
1.3.2 人造板生产过程中甲醛的释放 5
1.4 甲醛释放机理与特征 6
1.4.1 甲醛释放机理 6
1.4.2 人造板甲醛释放的特征 6
1.5 人造板甲醛释放限量标准 7
1.5.1 国内人造板甲醛释放标准综述 7
1.5.2 国外人造板甲醛释放量检测标准综述 8
1.6 人造板甲醛释放量测定方法 10
1.6.1 穿孔萃取法 10
1.6.2 干燥器法 10
1.6.3 气体分析法 10
1.6.4 小室法 11
1.6.5 大室法 11
1.7 甲醛定量分析方法 11
1.7.1 滴定分析法 12
1.7.2 光度分析法 12
1.7.3 色谱分析法 13
1.8 影响甲醛释放量测试结果的若干因素 13
1.8.1 木材原料 14
1.8.2 胶黏剂与用胶量 14
1.8.3 板材厚度 14
1.8.4 板材含水率 15
1.8.5 板材端面密封 15
1.8.6 板材表面处理 15
1.8.7 温度与相对湿度 15
1.9 降低人造板甲醛释放量的措施 15
1.9.1 采用无醛异氰酸酯胶黏剂 16
1.9.2 采用豆蛋白无醛胶黏剂 16
1.9.3 采用酚醛树脂胶黏剂 17
1.9.4 添加甲醛捕捉剂 17
第2章 人造板及其制品甲醛释放量检测仪器开发 18
2.1 气候室系统分析 18
2.1.1 气候室法检测原理 18
2.1.2 气候室构成装置功能研究 20
2.2 气候室系统设计与实现 21
2.2.1 检测室设计与实现 22
2.2.2 控温系统设计与实现 23
2.2.3 控湿系统设计与实现 24
2.2.4 新风空气交换系统设计与实现 26
2.2.5 空气循环系统设计与实现 27
2.2.6 控制系统设计与实现 28
2.3 气候室控制系统工作流程及原理 34
2.4 气候室机理模型数学描述 36
2.4.1 制冷装置建模 36
2.4.2 风泵建模 37
2.4.3 控温水箱建模 38
2.4.4 露点湿度发生器建模 39
2.4.5 气候室温度建模 40
2.4.6 含湿量建模及其与相对湿度的关系 40
2.4.7 气候室相对湿度建模 42
2.4.8 气候室系统模型 42
2.5 含有防结露约束的渐次跟踪控制算法研究与设计 44
2.5.1 防结露约束分析与约束模型的数学描述 45
2.5.2 渐次目标逼近方式设计及控制方法建模 50
2.6 实际应用 57
第3章 人造板及其制品表面缺陷检测技术——均值分类法与方差分类法 59
3.1 人造板及其制品表面缺陷检测技术研究背景 59
3.1.1 基于机器视觉的板材表面缺陷检测研究现状 60
3.1.2 机器视觉应用于刨花板表面缺陷在线检测所面临的技术瓶颈 64
3.1.3 机器视觉缺陷辨识的重要意义 66
3.1.4 主要内容和技术路线 66
3.2 基于机器视觉的刨花板表面缺陷检测系统硬件平台设计 67
3.2.1 光源 68
3.2.2 工业相机选型 70
3.2.3 检测精度计算 71
3.2.4 检测控制系统 71
3.3 板面区域自动获取与校正 72
3.3.1 径向畸变的校正方法 73
3.3.2 板面倾斜校正 80
3.3.3 基于边界线的板面区域提取 86
3.3.4 板面区域光照不均校正 87
3.4 刨花板表面缺陷在线检测算法 98
3.4.1 基于灰度均值分类器和灰度方差分类器的板面缺陷区域快速定位 99
3.4.2 自适应快速阈值分割算法 110
3.4.3 基于面积限定的小区域去除及孔洞填充 120
3.4.4 在线缺陷检测结果 123
3.5 板面缺陷类型识别 124
3.5.1 刨花板缺陷随机森林分类器构建 124
3.5.2 基于卷积神经网络的缺陷识别 137
3.6 系统实施应用 148
3.6.1 系统硬件平台 148
3.6.2 人机交互界面 148
3.6.3 应用效果 153
第4章 木结构古建筑计算机断层扫描健康侦测技术 155
4.1 CT成像背景 155
4.1.1 数据修正和中心校正综述 155
4.1.2 木材CT成像原理 156
4.1.3 扇形束成像 159
4.1.4 反投影坐标快速算法 160
4.1.5 旋转中心偏移校正 165
4.1.6 CT装置的构建与样本 167
4.1.7 正弦图旋转中心校正 169
4.2 三维图像重建 170
4.2.1 木材三视图重建算法 170
4.2.2 三维图像显示模块 173
第5章 单片机控制器解决木材热物性复杂问题 179
5.1 木质地采暖地板蓄热效能检测方法研究 179
5.1.1 研究背景 179
5.1.2 研究现状 180
5.1.3 问题的提出 189
5.1.4 研究依据和意义 191
5.2 蓄热效能检测原理及方法 191
5.2.1 检测方法的提出 191
5.2.2 密闭绝热检测空间的构建 192
5.3 蓄热效能检测仪的开发 197
5.3.1 检测仪主体结构 197
5.3.2 电控系统的开发 201
5.3.3 人机交互界面的开发 236
5.4 蓄热效能检测仪性能测试 239
5.4.1 系统功能测试 239
5.4.2 数据获取与预处理 242
5.4.3 检测仪各项性能指标测试 243
5.5 蓄热效能检测仪温度梯度场研究 245
5.5.1 木质地采暖地板的取样 245
5.5.2 密闭绝热空间温度场建模 246
参考文献 252
附录1 地采暖设备150个传感器编号与柱坐标对应关系 269
附录2 地采暖设备控制电路的电气原理图 271
附录3 地采暖设备主控制器电路原理及PCB图 272
附录4 地采暖设备控制器A、控制器B电路原理及PCB图 277