模糊综合评判在板材气味评价中的应用

2020-03-11鹿英爽王启繁

中南林业科技大学学报 2020年3期

鹿英爽，沈隽，王启繁

（东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

随着生活质量的提高，人们健康意识普遍增强，对室内空气质量要求也越来越高。世界卫生组织的数据显示，室内空气污染形势依然严峻，每年因室内空气污染致死人数高达160 万人[1]。而家具板材中释放出的有害气体是污染室内空气的重要原因，板材的环保质量直接影响人体健康，因此对家具制作板材的选取与评价有着十分重要的意义，改善室内空气质量刻不容缓[2]。

模糊综合评判法在环境质量评价领域应用较为广泛[3-4]。李德立[5]等在水环境的综合评价中，通过建立因素集、评价集、权重集和隶属度函数，实现对水体质量的综合评价和排序；李素峰等[6]通过建立隶属度矩阵、权重矩阵、模糊矩阵并运用插值法来对空气质量进行综合评价；卜程洪[7]通过建立地表水等级的隶属度、参评水质因子权重，对水质综合评价；冯雪萍[8]等通过建立模糊矩阵、隶属度函数，确定评价指标，评价分级，科学评价山西省地质环境并对其进行分区。实践证明，模糊综合评判是有效的多因素综合评价方法[9-11]。

目前家具制造业使用的板材所释放出的气味化合物种类繁多，且浓度、强度、毒性各不相同，很难找出一种科学的综合评价方法，本研究采用模糊综合评判法进行数学建模，通过建立因素集，评价集以及气味化合物的隶属度函数[12-13]，并参照物质的浓度和毒性，最终对其气味质量进行综合评价。

1 材料与方法

1.1 材料

使用广州某企业生产的三聚氰胺贴面刨花板与其素板，密度为0.60 g/cm3，产品初始尺寸为 1 200 mm×2 440 mm×8 mm。广东索菲亚家具厂生产的中密度纤维板及其素板,密度为0.74 g/cm3，其初始尺寸为1 200 mm×1 200 mm×8 mm。试验前将板材裁剪成直径为60 mm 的圆形试件4 块，为防止板材边部释放气味化合物，将样品边部用铝制胶带封边处理。封边后对板材进行真空密封处理，置于-30℃的冰箱中保存备用。

1.2 仪器

微池热萃取仪：型号为M-CTE250，产自英国Markes 国际公司。Tenax-TA 吸附管：产自英国Markes 公司。DSQII 气相质谱色谱联用仪（GCMS）：产自美国Thermo 公司。Sniffer 9100 嗅味检测仪：产自瑞士Brechbuhler 公司，型号为Sniffer9100。

1.3 方法

将解冻好的试件放入圆形微池萃取仪中，测试前对装置进行气密性检查。以8 h 为采样循环周期，待样品稳定后，将Tenax-TA 采样管插进测试舱采样。采集好的样品以自动进样器和热解析脱附仪相联合的方式对采样管内的气味化合物进行热脱附进样，解析样品同时进入气相质谱色谱联用仪（GC-MS）和Sniffer 9100 嗅味检测仪，本试验选GC-O 的分析方法中的时间强度法，在色谱出峰的同时，嗅辨员从ODP 端口感知并描述色谱柱流出组分，同时记录各流出组分的气味出现时间、气味类型、气味强度。实验做两组，取其平均数据，剩余两块板材为备用板，当数据偏差较大时使用。嗅辨员对气味强度的判断参照表1。

表1 气味强度判别标准（日本）Table 1 Odor intensity criteria (Japan)

同时，根据世界卫生组织标准[14]来划分化合物的急性毒性，见表2。

表2 世界卫生组织（WHO）外来化合物急性毒性分级Table 2 Acute toxicity classification of compounds by World Health Organization (WHO)

2 试验结果

表3 为三聚氰胺贴面刨花板、素板特征气味化合物的毒性分级、气味特征以及气味强度。表4为三聚氰胺贴面胶合板及其素板特征气味化合物的毒性分级，气味特征以及气味强度。

表3 三聚氰胺贴面刨花板、素板气味特征化合物组分Table 3 Odorant compounds components of melamine-veneered particleboard and particleboard

表4 三聚氰胺贴面中纤板及其素板气味特征化合物组分Table 4 Odorant compounds components of melamine-veneered MDF and MDF

3 板材的模糊综合评判

3.1 评价体系的建立

以三聚氰胺贴面刨花板为例构建一种具有递进层次结构的评价体系[15-16]，各层指标经过加权平均确定最终目标。将气味模糊综合指数当作最终目标，构建纯净，良好，合格，较差，很差5个级次的评价体系，这里最高层体系气味模糊综合指数是要评估的最终结果，为目标层。第二层中化合物是WHO 公布的致癌物，为相互较为独立的综合影响因素，其毒性分级关乎权重系数，具体毒性分级见表2。它既是下一层基本影响因素的结果，又是产生目标层的原因，是承上启下的层次，为准则层。第三层也就是气味强度，毒性，浓度，为指标层，它们是最基本的影响因素，相互独立，但又都交叉影响着准则层，可单独或同时对准则层因素产生影响。层次结构应满足内部独立的递阶层次需求，具体结构见图1。按照此结构划分，通过指标层中气味强度，毒性，浓度的计算得出准则层中化合物的权重系数，并通过准则层中权重系数以及隶属度进一步得出目标层中气味模糊综合指数。层层递进的关系使得各评价因子相互关联，均衡考虑在评判体系中，使最终评判结果更精准。

目标层中气味模糊综合指数的计算公式P=B·S，其中B为模糊综合评判结果，即计算出的各等级隶属度，S为板材级别标准向量，S=（1,2,3,4,5）T，根据这一构造，P的取值为1～5之间，最小值为1，最大值为5,。只有当板材各等级隶属度都达到一类标准时，P才等于1。当各等级隶属度都大于或等于第五类等级时，P才等于5，其余情况下，1 ＜P＜5.如果综合评价结果仍要以5 类去表示，那么可采用表5 的标准进行划分。

表5 板材气味评价等级Table 5 Odor rating of boards

评价结果可通过气味模糊综合指数来确定。当评价结果为纯净或良好时，表明板材对人体健康影响较小，可放心使用。当评价结果为合格时，表明板材对人体健康有影响，可采取措施提高质量后再使用。当评价结果为较差或很差时，表明板材气味对人体健康有较大影响，不建议使用。

3.2 气味强度指数

插值法是一种常见数学函数方法，用于弥补数据中不完整，有缺失等缺陷，解决了数据不连续问题。气味强度指数的计算采用线性内插法[17]，其公式为：

式中，Ii为某气味化合物的气味强度指数，Ci为该气味化合物的气味强度，Ijmin为第i个气味化合物在该等级下的最小值，Sij(2)与Sij(1)分别表示在气味化合物气味强度分级标准表中最贴近其测出的气味强度的两个值。计算出的气味强度指数相对于原始实验数据可以更加准确地反映化合物的气味强度。在表3 中，苯的Ci为0.75，Ijmin为0，Sij(2)与Sij(1)分别为1,0，将其带入公式（1）中，得出：

I苯=0+(0.75-0)/(1-0)=0.75

其他气味化合物的气味强度指数同理，可得到对二甲苯，1,3-二甲基苯，萘，1-甲基萘，二苯并呋喃，乙酸丁酯，己醛的气味强度指数分别为1.00，0.75，1.75，1.00，1.00，0.50，1.00。

3.3 模糊综合评判模型建立

3.3.1 因素集与评价集建立

因素集就是参与评价板材释放的n个气味化合物的气味强度，即U={U1,U2,…Un}。评价集是各个气味化合物气味强度标准等级的集合。即V={V1,V2,…Vn}。

3.3.2 隶属度函数建立

隶属函数是化合物气味强度和板材质量评价标准的函数，可按如下方法分析确定：

当x从mj变化到mj+1时，x对m（j）标准集隶属度逐渐减至为0，而对m（j+1）代表集的隶属度逐渐增加至1，为简化计算，设其变化函数为线性。

当x恰好变化至界限值mj时，1 ＜j＜m，其对mj代表的质量标准集的隶属度为1。mj按两相邻质量标准集的平均数取值，故给出的隶属函数如下：

当J=1 时

式中rij表示第i种污染物的气味强度可以被评为第j类板材的可能性，即i对j的隶属度。Ii为气味强度指数，m为气味评价等级数，因共有5个气味等级，故本文中取m=5，带入（2），（3），（4）后得到下式：

将苯按照公式带入可得苯在各等级下的隶属度：

同理得出其余气味化合物在5个等级下的隶属度，并制成表6。

IL21基因多态性与云南汉族人群非小细胞肺癌的相关性 … ………………… 赵淦，等(10):1227

3.3.3 化合物毒性权重建立

权重体现了各因素在评价过程中对评价目标不同的重要程度。权重的确定方法是否合理，对评价结果有着重要影响。本方法结合了化合物毒性与浓度综合确定权重系数。参照表2，依据毒性分级确定毒性权重，设整体为1，微毒为X，低毒为2X，中毒为3X，高毒为4x，剧毒为5x。然后列出下述公式：

2x+x+2x+3x+2x+2x+x+2x=1 解出x=1/15

表6 气味化合物各等级隶属度Table 6 Odorant compounds subordinate degrees of each rank

由此得出苯的毒性分级权重系数1/15×2= 2/15，同理计算出对二甲苯的毒性分级权重系数为1/15，1,3-二甲基苯为2/15，萘为3/15，1-甲基-萘为2/15，二苯并呋喃为2/15，乙酸丁酯为1/15，己醛为2/15。

由于浓度也是影响最后平均权重系数的重要因素，可能气味化合物的毒性很高，但浓度很低，将化合物的浓度除以其PC-TWA（8 h 时间加权平均容许浓度）[18]，再与毒性分级权重系数相乘得出最终的平均权重系数。例如：

苯的平均权重系数为：

X1=8.91×2/15/6000/(8.91×2/15/6000+133.9 5×1/15/50000+80.79×2/15/50000+69.56×3/15/ 50000+15.16×2/15/60000+11.42×2/15/500+77.1×1/15/200000+16.58×2/15/500)=0.0236

同理得出三聚氰胺贴面刨花板其余气味化合物与三聚氰胺贴面中纤板的权重系数，详见表7与表8。

表7 与表8 的权重综合了毒性，浓度以及化合物接触极限值，减少了主观法的不准确性，可以较好地反映出各化合物对板材相对重要程度的信息。

3.3.4 综合评判

将气味化合物的各等级隶属度矩阵与其权重系数相乘，即可得到各评价等级的隶属度，其结果为向量。为消除量纲影响，将其归一化，并根据最大隶属度原则判断评价等级。其公式为：

表7 三聚氰胺贴面刨花板权重系数Table 7 Power index of melamine-veneered particleboard

表8 三聚氰胺贴面中纤板化合物权重系数Table 8 Power index of melamine-veneered MDF

其中bj为各评价等级隶属度，为归一化后的结果。Wi为气味化合物的权重。

将表5 中，8 种化合物5个等级下的隶属度，分别与表7 中其权重系数对应相乘并代入公式（5）和（6）得到下式：

同理，b2=0.958 4，b3=0.880 9，b4=0.800 9，b5=0.720 9

b′1=0.886 4/4.247 5=0.208 7

同理，b′2=0.225 6，b′3=0.207 4，b′4=0.188 6，b′5=0.169 7

B={0.208 7，0.225 6，0.207 4，0.188 6，0.169 7}

其中B为模糊综合评判模型评价结果。

根据最大隶属度原则[19]，取b′1，b′2，b′3，b′4，b′5中的最大值，判断三聚氰胺贴面的刨花板评级等级为二级，选用板材对人体基本无伤害。

气味模糊综合指数亦可以客观地反映评价等级，其计算公式为：

代入以上计算结果到公式（7）得出P=2.885 0，参照表5，可判断板材为二级，质量为良好，验证了前面的评价结果。同理得出刨花板素板，三聚氰胺贴面胶合板及其素板的对比评价结果，详见表9。

表9 三聚氰胺贴面刨花板与中纤板及其素板对比评定结果Table 9 Comparative evaluation results ofmelamine-veneered particleboard,melamine-veneered MDF,particleboard and MDF

3.4 评判结果与讨论

根据表7，在三聚氰胺贴面刨花板评价中，己醛的权重系数为0.526 6，高于其他化合物，对板材的影响程度最大。根据表8，在三聚氰胺贴面中纤板板评价中，苯的权重系数为0.359 3，高于其他化合物，对板材的影响程度最大。根据表3，刨花板素板中释放了大量以芳香族化合物为主的有害物质，且平均气味强度高于三聚氰胺贴面刨花板。从表9 的评价结果来看，两种板材素板的气味综合质量评价等级均为三级，经过贴面处理后的气味综合质量评价等级均为二级。参照表5，两种板材素板的质量描述为合格，三聚氰胺贴面处理后的两种板材的质量描述为良好，且两种板材素板相比三聚氰胺贴面处理后模糊综合指数均偏高，证明素板的危害性要高于三聚氰胺贴面刨花板。三聚氰胺贴面中纤板的模糊综合指数2.977 3，高于三聚氰胺贴面刨花板。中纤板素板的模糊综合指数为3.061 3，亦高于刨花板素板，证明本实验选用的中纤板危害性稍高于刨花板。

模糊综合评判用隶属度进行定量分析，用权重得到了各评价等级的隶属度，用该方法对板材的危害性进行评估，鉴定结果比较准确。将质量进行分级，并根据板材中释放出的不同气味化合物，有针对性进行治理。它用科学的定量手段刻画板材质量评价中定性问题，又将其还原为等级评价和各评价指标的定量表示，使定性与定量分析较好融合，是一种较好的分析方法。