顏龍，徐志勝，張軍，王勇

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五合板的燃燒特性及其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)生煙特性

顏龍1，徐志勝1，張軍2，王勇2

(1. 中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東青島，266042)

利用熱重分析儀(TGA)、差示掃描量熱儀(DSC)、錐形量熱儀(Cone)和塑料煙密度儀研究五合板的燃燒特性和生煙特性，并對(duì)燃燒特性與生煙特性的相關(guān)性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：五合板的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段，即干燥和粗揮發(fā)階段、熱解階段和炭化階段，其中熱解過(guò)程為先吸熱后放熱的過(guò)程。五合板的動(dòng)態(tài)煙釋放(比消光面積、生煙速率和總生煙量)及靜態(tài)煙釋放(比光密度和質(zhì)量光密度)與其燃燒過(guò)程有關(guān)且隨著輻射功率的增加而增大，其中錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中五合板的峰值生煙速率、總生煙量與峰值熱釋放速率之間存在較好的線性關(guān)系。五合板的靜態(tài)生煙特性還受火焰條件的影響，其中相同輻射功率下有焰燃燒的比光密度和質(zhì)量煙密度低于無(wú)焰燃燒條件下的，但質(zhì)量損失卻明顯高于無(wú)焰條件下的。

五合板；熱解特性；燃燒特性；生煙特性；錐形量熱儀；熱重分析；差熱分析

五合板作為室內(nèi)裝修的主要材料，在美化環(huán)境的同時(shí)也存在著一定的安全隱患，特別是在火災(zāi)中燃燒產(chǎn)生的煙氣是致人死亡的主要原因[1?2]。五合板的生煙特性對(duì)于室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展、蔓延及危害后果有重要影響，因此研究五合板燃燒時(shí)煙氣的生成情況對(duì)于減少火災(zāi)中人員傷亡有重要的意義[3]。目前采用的測(cè)煙試驗(yàn)方法在原理上大體分為2類，即質(zhì)量法和消光法。消光法主要是通過(guò)測(cè)定光束在煙氣中的透光率來(lái)計(jì)算煙的光密度以評(píng)價(jià)煙的生成量，其測(cè)煙結(jié)果同真實(shí)火災(zāi)中的能見度相關(guān)聯(lián)。而質(zhì)量法無(wú)法評(píng)價(jià)煙對(duì)能見度的影響及建立與實(shí)際燃燒的關(guān)聯(lián)性，因此利用消光法對(duì)五合板生煙特性進(jìn)行研究對(duì)火災(zāi)安全逃生通道設(shè)計(jì)中有一定的實(shí)用性[4]。消光法測(cè)煙可以劃分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方法，通常分別依據(jù)ISO 5659—2和ISO 5660—2進(jìn)行測(cè)試，其典型的測(cè)煙儀器分別為NBS煙箱和錐形量熱儀[5?6]。目前關(guān)于木材生煙特性的研究主要是針對(duì)其影響因素、測(cè)試方法及煙參數(shù)之間的相關(guān)性等方面進(jìn)行的。Quintiere[7]研究表明：材料的煙密度不僅與測(cè)煙試驗(yàn)方法有關(guān)，還與火場(chǎng)溫度、外部輻射功率、氧濃度、材料厚度及密度等因素有關(guān)。Grexa等[8?10]研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)裝飾材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)生煙特性因材質(zhì)的不同而存在明顯差異。Dietenberger等[11]研究表明，木質(zhì)裝飾材料在錐形量熱儀和ISO9705全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的動(dòng)態(tài)生煙參數(shù)SEA之間有較好的線性相關(guān)性。Mouritz等[12]研究還表明：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中的煙參數(shù)(SEA，CO及CO2生成量)與燃燒參數(shù)(PHRR，AHRR)之間有較好的線性相關(guān)性。煙作為火災(zāi)燃燒過(guò)程的一種結(jié)果，因此結(jié)合材料的燃燒特性可以更深入的理解其生煙特性及火災(zāi)危險(xiǎn)性[13?14]。本文作者采用基于GB/T 8323—2008“NBS方法的靜態(tài)測(cè)煙法”和錐形量熱儀動(dòng)態(tài)測(cè)煙法來(lái)評(píng)價(jià)五合板的生煙特性，考察測(cè)試方法及火源功率等因素對(duì)材料生煙特性的影響，并結(jié)合熱重分析和差熱分析探討材料的燃燒特性與生煙特性之間關(guān)聯(lián)性。

1 實(shí)驗(yàn)

所用原料為山東魯麗集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的厚度為12 mm的五合板(PLY)。靜態(tài)生煙性能依據(jù)GB/T 8323—2008在東莞劍橋設(shè)備有限公司標(biāo)準(zhǔn)型塑料燃燒性煙密度測(cè)定儀上測(cè)試，樣品長(zhǎng)×寬×高為75 mm×75 mm×12 mm，輻射功率分別選用25 kW/m2和50 kW/m2，并分別在有焰和無(wú)焰條件下進(jìn)行測(cè)試。燃燒特性和動(dòng)態(tài)生煙特性則依據(jù)ISO 5660—2002在英國(guó)FTT公司標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀上測(cè)試，樣品長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×12 mm，輻射功率分別選用25，35，50，60和75 kW/m2。熱重分析(TGA)和差熱分析(DSC)實(shí)驗(yàn)采用法國(guó)塞塔拉姆儀器公司的Labsys Evo STA型熱重?差熱分析儀，測(cè)試條件為氮?dú)鈿夥障?流量20 mL/min)，取大約10 mg樣品放置在坩堝中，然后以10 ℃/min的升溫速率從室溫加熱到800 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 五合板的熱解特性分析

圖1所示為五合板在氮?dú)庀碌腡G和DTG曲線。由圖1可以看出：五合板的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段，其中第1個(gè)階段對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間為50~200 ℃，該階段主要為五合板中的水分和揮發(fā)份的干燥和粗揮發(fā)階段，該區(qū)間的TG曲線較為平緩，其質(zhì)量損失為4.56%；第2個(gè)階段對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間為200~500 ℃，該階段為五合板中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的熱解階段，五合板在該階段TG曲線迅速下降，質(zhì)量損失明顯達(dá)到61.09%；第3個(gè)階段的溫度區(qū)間為500℃以上，該階段為五合板的炭化階段，五合板在該階段質(zhì)量損失較小并形成大量的殘?zhí)?，其最終殘?zhí)苛扛哌_(dá)27.49%。圖2所示為五合板在氮?dú)庀碌腄SC曲線。由圖2可以看出：五合板的DSC曲線分別存在一個(gè)明顯吸熱和放熱過(guò)程。其中吸熱過(guò)程的溫度區(qū)間為50~278 ℃，該階段主要從外界吸收熱量蒸發(fā)水分和揮發(fā)份，水分蒸發(fā)約在150 ℃結(jié)束；當(dāng)五合板被加熱到230 ℃左右時(shí)，開始熱解并釋放出揮發(fā)性可燃?xì)怏w，該階段的反應(yīng)仍以吸熱為主。放熱過(guò)程的溫度區(qū)間為278~740 ℃，該階段為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素?zé)峤夥艧崴?，是木材固相燃燒熱量的主要?lái)源，其中該過(guò)程中的3個(gè)波峰表示纖維素、半纖維素和木質(zhì)素存在不同分解溫度區(qū)間。綜上所述可知：五合板在干燥和粗揮發(fā)階段主要為吸熱過(guò)程，在熱解階段先為吸熱過(guò)程之后為放熱過(guò)程，炭化階段則為放熱過(guò)程。

1—TG曲線；2—DTG曲線

圖2 五合板在氮?dú)庀碌腄SC曲線

2.2 五合板的燃燒特性分析

圖3所示為不同輻射功率下五合板的熱釋放速率曲線。由圖3可以看出：不同輻射功率下五合板的熱釋放速率(RR)曲線形狀相似均呈雙峰型，其中五合板在點(diǎn)燃之后RR便迅速達(dá)到峰值，隨后下降并出現(xiàn)平臺(tái)，是典型的“前單峰”型，即燃燒中有炭層的形成，這與TG實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。隨著輻射功率的增加五合板的點(diǎn)燃時(shí)間縮短、峰值RR及燃燒時(shí)間明顯增加，以峰值RR為例，輻射功率為25 kW/m2時(shí)五合板的峰值RR為183.8 kW/m2，而輻射功率為35，50，60和75 kW/m2的峰值RR分別為218，262.9，320.5和367.7 kW/m2。同時(shí)在燃燒過(guò)程中，材料的裂解會(huì)為燃燒提供燃料，因此結(jié)合材料裂解(即材料的質(zhì)量損失速率)可以更好的理解材料的燃燒過(guò)程[4]。圖4所示為不同輻射功率下五合板的質(zhì)量損失速率曲線。結(jié)合圖4可以看出：五合板在不同輻射功率下的質(zhì)量損失速率(LR)曲線形狀相似，且LR隨著輻射功率的增加而增加，尤其是峰值增加明顯。以峰值LR為例，輻射功率為25 kW/m2時(shí)五合板的峰值LR為0.149 g/s，而輻射功率為35，50，60和75 kW/m2的LR峰值分別為0.166，0.211，0.232和0.255 g/s。這表明輻射功率增加使五合板的裂解程度增加，從而增加了五合板的燃燒性，這與圖3的熱釋放速率結(jié)果相一致。比較圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：五合板的RR和LR曲線變化趨勢(shì)相似，表明熱釋放速率與質(zhì)量損失速率密切相關(guān)，這可能與輻射功率增加后材料的裂解程度加大有關(guān)。圖5所示為不同輻射功率下五合板的有效燃燒熱曲線。由圖5可以看出：隨著輻射功率的增加，五合板的有效燃燒熱(HC)略有提高，其中輻射功率25 kW/m2下，五合板的有效燃燒熱為10.53 MJ/m2，而輻射功率為35，50，60和75 kW/m2的HC分別為11.05，11.43，11.16和11.31 MJ/m2。不同輻射功率下五合板在燃燒過(guò)程中受熱分解形成的揮發(fā)物中可燃物燃燒釋放的熱量基本相同，表明輻射功率增加對(duì)材料的有效燃燒熱沒(méi)有明顯的影響。綜上所述可以看出：五合板的熱釋放速率和質(zhì)量損失速率隨著輻射功率增加而增加，有效燃燒熱則趨于恒定值并受輻射功率影響較少。

輻射功率/(kW?m?2)：1—25；2—35；3—50；4—60；5—75

輻射功率/(kW?m?2)：1—25；2—35；3—50；4—60；5—75

輻射功率/(kW?m?2)：1—25；2—35；3—50；4—60；5—75

2.3 五合板的生煙特性分析

2.3.1 動(dòng)態(tài)生煙特性分析

輻射功率會(huì)影響五合板的燃燒階段的熱解歷程，從而進(jìn)一步影響其生煙特性，其中錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中的比消光面積(EA)、生煙速率(PR)和生煙總量(SP)可以表征材料的煙氣對(duì)減光性的影響并能與真實(shí)火災(zāi)中能見度相關(guān)聯(lián)，因此利用EA，PR和SP來(lái)評(píng)價(jià)材料的動(dòng)態(tài)生煙特性可為火災(zāi)中安全疏散及對(duì)火災(zāi)的施救提供參考和借鑒。EA表示揮發(fā)每單位質(zhì)量燃料所產(chǎn)生煙的能力，其中EA=·f/LR(式中：為消光系數(shù)，1/m；f為煙道的體積流速，m3/s；LR為材料的質(zhì)量損失速率，kg/s；PR為材料燃燒時(shí)煙霧生成速率的參數(shù)，PR=EA×LR；SP為材料單位面積燃燒時(shí)的累計(jì)總生煙量，SP=∫PR，五合板的EA，PR及SP越大則表明其動(dòng)態(tài)生煙性能越強(qiáng)。五合板在不同輻射功率下的比消光面積、生煙速率、生煙總量曲線見圖6。

(a) 比消光面積曲線；(b) 生煙速率曲線；(c) 生煙總量曲線

由圖6可以看出：不同輻射功率下五合板的EA和PR曲線呈雙峰型，其中EA和PR在點(diǎn)燃之后便迅速達(dá)到峰值，隨后下降并出現(xiàn)平臺(tái)，之后出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，而高輻射功率下的峰值EA、峰值PR及SP還明顯比低輻射功率下的高，在輻射功率25 kW/m2下五合板的峰值生煙速率為0.007 4 m2/s，總生煙量為1.23 m2/m2，而輻射功率為35，50，60和75 kW/m2的峰值生煙速率分別為0.017，0.022，0.026和0.038 m2/s，SP分別為2.7，3.24，5.3和6.62 m2/m2。同時(shí)，五合板的動(dòng)態(tài)生煙參數(shù)(EA，PR和SP)隨輻射功率增加而增大的趨勢(shì)與錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中輻射功率增加后樣品的點(diǎn)燃時(shí)間明顯提前、熱釋放速率及質(zhì)量損失速率增加相一致，表明五合板的生煙過(guò)程與其燃燒過(guò)程具有關(guān)聯(lián)性。圖7所示為五合板的峰值熱釋放速率HRR與生煙總量SP及峰值生煙速率PR的關(guān)系。由圖7可以看出：五合板的峰值生煙速率、總生煙量與峰值熱釋放速率之間有較好的線性相關(guān)性，其中熱釋放速率與生煙參數(shù)之間存在明顯的相關(guān)性則表明燃燒過(guò)程中五合板的吸熱分解反應(yīng)決定了其熱釋放速率及生煙特性。同時(shí)，五合板在燃燒中釋放的熱量還對(duì)煙氣生成有較大影響，這主要與五合板的熱解過(guò)程存在一個(gè)明顯的吸熱過(guò)程有關(guān)，因此，輻射功率越高，材料受熱越多，裂解速率越快，能在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的氣相裂解產(chǎn)物，使得高輻射下材料EA，PR和SP比低輻射功率條件下的大。

圖7 五合板的峰值熱釋放速率PHRR與生煙總量TSP及峰值生煙速率SPR的關(guān)系

不同輻射功率下五合板的動(dòng)態(tài)生煙特性的差異與其燃燒過(guò)程有關(guān)，其中可燃物生煙過(guò)程及物質(zhì)轉(zhuǎn)化示意圖見圖8。由圖8可以看出：可燃物在燃燒過(guò)程中先經(jīng)歷升溫脫水，之后開始裂解，形成固體殘余物和浮升到空氣中的凝聚態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)，凝聚態(tài)和氣態(tài)浮升物都會(huì)與空氣燃燒分別轉(zhuǎn)化為煙顆粒(主要為煙灰)和氣體產(chǎn)物，部分未反應(yīng)的則本身就構(gòu)成煙氣。由于五合板與其他木質(zhì)裝飾材料之間具有相似的組成成分及燃燒特性[14]，因此分析五合板的生煙特性可以得出木質(zhì)裝飾材料的生煙特性規(guī)律。結(jié)合五合板的燃燒特性和動(dòng)態(tài)生煙參數(shù)可以看出：五合板在高輻射功率下其生煙量增加，便與高輻射功率能釋放更多的熱量以促進(jìn)五合板裂解，從而在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生更多的煙，這還與五合板在熱解階段存在吸熱過(guò)程相一致。

圖8 可燃物燃燒生煙過(guò)程及物質(zhì)轉(zhuǎn)化示意圖

2.3.2 靜態(tài)生煙特性分析

根據(jù)GB/T 8323—2008通過(guò)測(cè)定材料燃燒時(shí)煙霧的透光率的變化，進(jìn)而計(jì)算出比光密度和質(zhì)量光密度來(lái)評(píng)價(jià)材料的靜態(tài)生煙特性，其中比光密度及質(zhì)量密度越大，表明材料的生煙性能越強(qiáng)。圖9所示為不同輻射功率和火焰條件下五合板的質(zhì)量損失、比光密度及質(zhì)量光密度曲線。由圖9可以看出：高輻射功率下五合板在有焰條件下的比光密度和質(zhì)量光密度比無(wú)焰條件下的低，而質(zhì)量損失率比無(wú)焰條件下的大，這與低輻射功率的規(guī)律相一致。同時(shí)，五合板在有焰及無(wú)焰條件下的比光密度和質(zhì)量光密度隨著輻射功率增加而降低，而質(zhì)量損失率則隨著輻射功率增加而增大。結(jié)合圖8的材料生煙過(guò)程可知：這主要是由于五合板熱解過(guò)程需要吸熱，因此高輻射功率及有焰條件下材料受熱越多，裂解速度越快，能在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的氣相裂解產(chǎn)物，使得高輻射功率及有焰條件下五合板的質(zhì)量損失率和比光密度均比低輻射功率及無(wú)焰條件下的大。同時(shí)，材料在高輻射功率下的質(zhì)量光密度比低輻射下的小，這主要是由于高輻射功率下材料的分解明顯提前，同時(shí)裂解產(chǎn)物能進(jìn)一步氧化成小分子，使單位質(zhì)量的芳香烴減少，從而降低材料的質(zhì)量光密度。而有焰條件的質(zhì)量光密度比無(wú)焰條件下的低，這主要是由于無(wú)焰條件下材料只有裂解而沒(méi)有燃燒，氣態(tài)和凝聚態(tài)浮升物就會(huì)構(gòu)成煙；而在有焰條件下，氣態(tài)和凝聚態(tài)浮升物都會(huì)與空氣燃燒分別轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和煙顆粒，從而降低材料的質(zhì)量光密度。

(a) 質(zhì)量損失率曲線；(b) 比光密度曲線；(c) 質(zhì)量光密度曲線

3 結(jié)論

1) 五合板的熱解過(guò)程分為3個(gè)階段，即干燥和粗揮發(fā)階段、熱解階段和炭化階段，其中干燥和粗揮發(fā)階段主要為吸熱過(guò)程，熱解階段先為吸熱過(guò)程之后為放熱過(guò)程，而炭化階段為放熱過(guò)程。

2) 五合板的熱解過(guò)程影響其燃燒特性和生煙特性。高輻射功率下五合板的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、動(dòng)態(tài)煙釋放(比消光面積、生煙速率和總生煙量)、靜態(tài)煙釋放(比光密度和質(zhì)量光密度)越大，其中峰值熱釋放速率與峰值生煙速率、總生煙量之間還存在線性相關(guān)性。

3) 火焰條件還影響五合板的靜態(tài)生煙特性，相同功率下五合板在有焰條件下的比光密度和質(zhì)量光密度比無(wú)焰燃燒條件下的低，而在有焰條件下質(zhì)量損失明顯比無(wú)焰條件下的高。

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Flammability, static and dynamic smoke properties of plywood

YAN Long1, XU Zhisheng1, ZHANG Jun2, WANG Yong2

(1. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China;2. College of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

The flammability and smoke properties of plywood were analyzed by thermo-gravimetric analyzer, differential scanning calorimeter, plastic smoke density tester and cone calorimeter. The correlations between flammability and smoke properties of plywood were revealed. The results show that the combustion process of plywood can be divided into three stages, i.e. dehydration and volatilization, pyrolyzation, and carbonization. An obvious endothermic process and an exothermic one were observed in procedure of plywood combustion. In addition, the higher level of external heat flux significantly increases the heat release rates, mass loss rates, dynamic smoke releases (specific extinction area, smoke production rate and total smoke production) and static smoke releases (special optical density and mass optical density).There are linear correlations between peak heat release rate and some dynamic smoke parameters (peak smoke production rate and total smoke production) in the cone calorimeter. Meanwhile, the application of an ignition source reduces both the mass and special optical densities, and increases the mass loss at the same incident heat flux.

plywood; pyrolysis; flammability; smoke properties; cone calorimeter; thermo-gravimetric analysis; differential scanning calorimeter

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.009

TQ038.7

A

1672?7207(2015)10?3619?06

2015?02?25；

2015?06?20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306097)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAK17B02，2014BAK17B03)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2014B071)(Project (51306097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (2014BAK17B02, 2014BAK17B03) supported by National Science and Technology Support Program; Project (CX2014B071) supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)

徐志勝，教授，博士生導(dǎo)師，從事土木工程防災(zāi)減災(zāi)研究；E-mail：xuzhsh82@163.com

(編輯 陳愛(ài)華)