不同形態木質材料的燃燒特性分析范文

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《東北林業大學學報》2016年第四期

摘要

采用錐形量熱儀對3種木材不同形態試樣的燃燒性能進行對比分析，獲得了點燃時間、熱釋放速率、總熱釋放量等參數。結果表明:3種木材的粉末樣點燃時間遠小于其它形態樣;顆粒樣燃燒持續時間最短，燃燒更劇烈;粉末樣時間最長，但熱釋放速率及熱釋放速率峰值均最低，同時產煙速率也最低;同種木材不同形態試樣的熱釋放總量相差不大。組拼樣燃燒試驗的結果與標準樣較接近，顆粒樣和粉末樣與之則有較大差異。

關鍵詞

木材;不同形態;錐型量熱儀;燃燒性能

錐形量熱儀法因其試驗結果與大型燃燒試驗結果之間具有很好的相關性，越來越廣泛地被應用在火災科學、消防工程、材料阻燃等領域，現已成為國際公認的研究材料真實燃燒過程的權威方法［1－5］。但利用錐形量熱儀進行木材燃燒測試時其影響因素較多，如試樣的含水率、厚度、密度、試樣形態、環境溫濕度等。就試樣形態要求而言，根據ISO5660－1:2002《對火反應試驗熱釋放、產煙量及質量損失速率第1部分:熱釋放速率(錐形量熱儀法)》中待測制品的表面特性相關規定［6］:待測制品的暴露表面基本平整，即一般為100mm×100mm暴露面積的標準試樣，而當實際情況遇到難以提供或者不能提供滿足其規定的標準試樣制品時，繼而提出另外兩種要求:①在暴露的100mm×100mm面積內至少有50%的表面與暴露表面最高點所組成的平面間的距離在10mm以內;②對于含有寬度不超過8mm，深度不超過10mm裂紋、縫隙或孔洞的表面，其裂紋、縫隙或孔洞的總面積不得超過代表性的100mm×100mm暴露面積的30%。與規定的標準試樣不同時，針對其燃燒性能有無差異或差異大小的研究還未見報道。因此，筆者選取了木制品加工企業里3種具有代表性的木材———杉木、水曲柳、木莢豆，分別制備了滿足上述情況的幾種常見形態試樣，即標準樣、組拼樣、顆粒樣、粉末樣，采用錐形量熱儀對其燃燒性能進行對比分析，旨在探討不同形態木質材料的燃燒性能差別，為利用錐形量熱儀法評價木質材料燃燒性能遇到不能提供標準燃燒試樣(即100mm×100mm)的實際情況給予理論參考。

1材料與方法

1．1材料杉木:氣干密度約0．377g/cm3，產自江西。水曲柳:氣干密度約0．768g/cm3，產自東北。木莢豆(Xyliaxylocarpa(Roxb．)Taub):氣干密度約1．008g/cm3，產自緬甸。

1．2儀器設備采用英國FTT公司生產的標準型錐形量熱儀、電子天平、萬能粉碎機等。

1．3方法材料經去缺陷挑選后，制備了所需的不同形態單體，并按標準規定條件養生調質，絕干法測得含水率均為11%～12．5%，不添加任何膠黏劑及助劑，利用各單體分別制作了5種不同形態的試樣(見表1、圖1)。試驗按照ISO5660標準進行。試驗熱輻射功率為50kW/m2，對應溫度為780℃的外部點燃條件，未采用不銹鋼絲網;標準樣、三拼樣、五拼樣均采用鋁箔封閉底部及側面處理，而顆粒樣和粉末樣由自制試樣鋁盒盛放。試驗時各形態試樣暴露面與輻射錐下邊緣的距離均控制為25mm。每種形態試樣平行試驗5次，取平均值進行分析。

2結果與分析

3種木材不同形態試樣的主要燃燒性能測試值如表2所示。

2．1不同形態試樣對點燃時間的影響從表2可以看出，對于3種木材的不同形態而言，粉末樣的點燃時間均最短，且遠遠低于其它形態樣的點燃時間。這是因為粉末樣的組成單體相比最小，達到使其熱分解的溫度和時間最短;而其它形態的試樣表面熱量積累后向內部擴散較慢，所以點燃時間更長。總的來說，杉木、水曲柳的標準樣、組拼樣和顆粒樣點燃時間相差不大，而木莢豆的顆粒樣明顯比標準樣和組拼樣短，這可能與其材性有關，與杉木和水曲柳有別的是木莢豆屬含油脂豐富類木材。

2．2不同形態試樣對熱釋放速率和熱釋放速率峰值的影響熱釋放速率是指材料單位面積燃燒釋放熱量的速率，單位為kW/m2。錐形量熱儀可給出材料燃燒過程中熱釋放速率隨時間的動態變化，熱釋放速率的最大值即為熱釋放速率峰值。如圖2—圖4所示，3種木材的粉末樣點燃時間最短，燃燒初期熱釋放速率增大更迅速;但其燃燒持續時間長，燃燒態勢緩慢，熱釋放速率峰值相對更低，尤其是第二個熱釋放速率燃燒峰值比其它形態試樣更晚出現。這可能是由于粉末樣在試樣制作過程中壓緊密實，使得燃燒過程中熱量往試樣內部單向傳遞累積，而內部分解產生的可燃性氣體無法進入燃燒區，致使一段時間內的燃燒處于類似于“陰燃”的小火燃燒狀態;但燃燒達到某種程度后，隨聚積的熱流沖擊會出現一種“轟燃”現象。而標準樣和組拼樣燃燒時會出現應力開裂的現象，均不會出現這種“轟燃”現象。3種木材5種形態的試樣中，顆粒樣燃燒產生的第一個熱釋放速率峰值均最大，前后兩個熱釋放速率峰值間隔時間最短，表明顆粒樣燃燒最劇烈。這是因為顆粒樣之間的縫隙大，燃燒過程利于熱量向內層傳遞，同時可燃性氣體更容易釋放出來;而其它形態試樣則會由于表層燃燒后形成炭層使得進一步燃燒受阻［7－9］。另外，盡管試樣形態不一樣，但杉木的熱釋放速率峰值均相應出現在第一個燃燒高峰，水曲柳和木莢豆則在第二個燃燒高峰時達到。含油脂豐富的木莢豆燃燒時熱釋放速率及熱釋放速率峰值僅略高于杉木，比水曲柳低，并非是想像中由于含油脂豐富而燃燒會更加劇烈。

2．3不同形態試樣對熱釋放總量的影響熱釋放總量是指單位面積的試樣完全燃燒后所放出熱量的總和，單位為MJ/m2。表2列出了3種木材不同形態試樣的熱釋放總量值，其中粉末樣的熱釋放總量較其它形態試樣略小。總的來說，同種木材不同形態的熱釋放總量基本相同，是因為每種形態試樣燃燒的質量損失相差不大;3種木材在熱釋放總量從大到小依次為木莢豆、水曲柳、杉木。

2．4不同形態試樣對煙生成速率的影響圖5—圖7為3種木材不同形態試樣燃燒的產煙速率曲線，其與熱釋放速率有著很好的對應關系。可知，杉木和水曲柳的顆粒樣煙生成速率明顯高于其它形態樣，說明燃燒的劇烈程度不但影響著質量損失的快慢，也決定了煙塵的產生速率。從表2可以看出3種木材中粉末樣的產煙總量要稍低于其他形態試樣的產煙總量，粉末樣燃燒持續時間最長，因此其產煙速率最低。周期，可在相對較短時間得到大量高活漆酶。利用連續培養白腐菌得到的大量的粗漆酶來處理木粉，活化其木質素成分，增加了木粉中化學鍵的數量，使膠結點增多，可以替代一部分的脲醛樹脂膠。以適當的比例m(脲醛樹脂)∶m(木粉)=9∶1將二者混合后與漆酶活化后的木質纖維熱壓制成纖維板，力學性能都有所提高。

作者：杜安磊 李健男 黃彥慧 黃瓊濤 徐偉 單位：廣東省宜華木業股份有限公司 廣東省宜華木業股份有限公司 南京林業大學