杜安磊　　　　　李健男　　黃彥慧　黃瓊濤　　徐偉

(廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，汕頭，515834)　　(南京林業(yè)大學(xué))　　(廣東省宜華木業(yè)股份有限公司)　　(南京林業(yè)大學(xué))

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基于錐形量熱儀的不同形態(tài)木質(zhì)材料的燃燒特性分析1)

杜安磊李健男黃彥慧黃瓊濤徐偉

(廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，汕頭，515834)(南京林業(yè)大學(xué))(廣東省宜華木業(yè)股份有限公司)(南京林業(yè)大學(xué))

摘要采用錐形量熱儀對(duì)3種木材不同形態(tài)試樣的燃燒性能進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率、總熱釋放量等參數(shù)。結(jié)果表明：3種木材的粉末樣點(diǎn)燃時(shí)間遠(yuǎn)小于其它形態(tài)樣；顆粒樣燃燒持續(xù)時(shí)間最短，燃燒更劇烈；粉末樣時(shí)間最長(zhǎng)，但熱釋放速率及熱釋放速率峰值均最低，同時(shí)產(chǎn)煙速率也最低；同種木材不同形態(tài)試樣的熱釋放總量相差不大。組拼樣燃燒試驗(yàn)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣較接近，顆粒樣和粉末樣與之則有較大差異。

關(guān)鍵詞木材；不同形態(tài)；錐型量熱儀；燃燒性能

分類號(hào)TS67

Combustion Characteristics of Different Forms of wood in Conic Calorimeter Test

Du Anlei

(Guangdong Yihua Timber Industry CO., LTD., Shantou 515834, P. R. China); Li Jiannan(Nanjing Forestry University); Huang Yanhui, Huang Qiongtao(Guangdong Yihua Timber Industry CO., LTD.); Xu Wei(Nanjing Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(4)：74-76,89.

We studied the combustion properties of different forms samples of three kinds of wood using cone calorimeter for comparison and analysis, including time to ignition (TTI), heat release rate (HRR), total heat release (THR) and other parameters. TTI of powder samples of three kinds of wood were all far less than other forms samples. The combustion duration of particle samples were shortest with intense burning. The powder samples were the longest, but HRR and pkHRR were the lowest, and the smoke production rate were the lowest. THR of different forms samples of the same wood has a small difference. The combustion properties of combining samples were close to those of standard samples, but particle samples and powder samples had big difference with standard samples.

KeywordsWood； Different forms； Cone calorimeter； Combustion properties

錐形量熱儀法因其試驗(yàn)結(jié)果與大型燃燒試驗(yàn)結(jié)果之間具有很好的相關(guān)性，越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用在火災(zāi)科學(xué)、消防工程、材料阻燃等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的研究材料真實(shí)燃燒過(guò)程的權(quán)威方法[1-5]。但利用錐形量熱儀進(jìn)行木材燃燒測(cè)試時(shí)其影響因素較多，如試樣的含水率、厚度、密度、試樣形態(tài)、環(huán)境溫濕度等。就試樣形態(tài)要求而言，根據(jù)ISO 5660-1:2002《對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失速率第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)》中待測(cè)制品的表面特性相關(guān)規(guī)定[6]：待測(cè)制品的暴露表面基本平整，即一般為100 mm×100 mm暴露面積的標(biāo)準(zhǔn)試樣，而當(dāng)實(shí)際情況遇到難以提供或者不能提供滿足其規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣制品時(shí)，繼而提出另外兩種要求：①在暴露的100 mm×100 mm面積內(nèi)至少有50%的表面與暴露表面最高點(diǎn)所組成的平面間的距離在10 mm以內(nèi)；②對(duì)于含有寬度不超過(guò)8 mm，深度不超過(guò)10 mm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(guò)代表性的100 mm×100 mm暴露面積的30%。與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣不同時(shí)，針對(duì)其燃燒性能有無(wú)差異或差異大小的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，筆者選取了木制品加工企業(yè)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(jiàn)形態(tài)試樣，即標(biāo)準(zhǔn)樣、組拼樣、顆粒樣、粉末樣，采用錐形量熱儀對(duì)其燃燒性能進(jìn)行對(duì)比分析，旨在探討不同形態(tài)木質(zhì)材料的燃燒性能差別，為利用錐形量熱儀法評(píng)價(jià)木質(zhì)材料燃燒性能遇到不能提供標(biāo)準(zhǔn)燃燒試樣(即100 mm×100 mm)的實(shí)際情況給予理論參考。

1材料與方法

1.1材料

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)：氣干密度約0.377 g/cm3，產(chǎn)自江西。水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)：氣干密度約0.768 g/cm3，產(chǎn)自東北。木莢豆(Xyliaxylocarpa(Roxb.) Taub)：氣干密度約1.008 g/cm3，產(chǎn)自緬甸。

1.2儀器設(shè)備

采用英國(guó)FTT公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀(型號(hào)Dual Cone Calorimeter)、電子天平、萬(wàn)能粉碎機(jī)等。

1.3方法

材料經(jīng)去缺陷挑選后，制備了所需的不同形態(tài)單體，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件養(yǎng)生調(diào)質(zhì)，絕干法測(cè)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(tài)的試樣(見(jiàn)表1、圖1)。

表1　不同形態(tài)試樣及其制備方法

A.標(biāo)準(zhǔn)樣b.三拼樣c.五拼樣d.顆粒樣e.粉末樣

圖1不同形態(tài)試樣圖例

試驗(yàn)按照ISO 5660標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)熱輻射功率為50 kW/m2，對(duì)應(yīng)溫度為780 ℃的外部點(diǎn)燃條件，未采用不銹鋼絲網(wǎng)；標(biāo)準(zhǔn)樣、三拼樣、五拼樣均采用鋁箔封閉底部及側(cè)面處理，而顆粒樣和粉末樣由自制試樣鋁盒盛放。試驗(yàn)時(shí)各形態(tài)試樣暴露面與輻射錐下邊緣的距離均控制為25 mm。每種形態(tài)試樣平行試驗(yàn)5次，取平均值進(jìn)行分析。

2結(jié)果與分析

3種木材不同形態(tài)試樣的主要燃燒性能測(cè)試值如表2所示。

表2　3種木材不同形態(tài)試樣的主要燃燒性能測(cè)試值

注：以上數(shù)據(jù)取自試樣點(diǎn)燃到熄滅時(shí)間段。

2.1不同形態(tài)試樣對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的影響

從表2可以看出，對(duì)于3種木材的不同形態(tài)而言，粉末樣的點(diǎn)燃時(shí)間均最短，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它形態(tài)樣的點(diǎn)燃時(shí)間。這是因?yàn)榉勰拥慕M成單體相比最小，達(dá)到使其熱分解的溫度和時(shí)間最短；而其它形態(tài)的試樣表面熱量積累后向內(nèi)部擴(kuò)散較慢，所以點(diǎn)燃時(shí)間更長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，杉木、水曲柳的標(biāo)準(zhǔn)樣、組拼樣和顆粒樣點(diǎn)燃時(shí)間相差不大，而木莢豆的顆粒樣明顯比標(biāo)準(zhǔn)樣和組拼樣短，這可能與其材性有關(guān),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(tài)試樣對(duì)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(guò)程中熱釋放速率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)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(diǎn)燃時(shí)間最短，燃燒初期熱釋放速率增大更迅速；但其燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，燃燒態(tài)勢(shì)緩慢，熱釋放速率峰值相對(duì)更低，尤其是第二個(gè)熱釋放速率燃燒峰值比其它形態(tài)試樣更晚出現(xiàn)。這可能是由于粉末樣在試樣制作過(guò)程中壓緊密實(shí)，使得燃燒過(guò)程中熱量往試樣內(nèi)部單向傳遞累積，而內(nèi)部分解產(chǎn)生的可燃性氣體無(wú)法進(jìn)入燃燒區(qū)，致使一段時(shí)間內(nèi)的燃燒處于類似于“陰燃”的小火燃燒狀態(tài)；但燃燒達(dá)到某種程度后，隨聚積的熱流沖擊會(huì)出現(xiàn)一種“轟燃”現(xiàn)象。而標(biāo)準(zhǔn)樣和組拼樣燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂的現(xiàn)象，均不會(huì)出現(xiàn)這種“轟燃”現(xiàn)象。3種木材5種形態(tài)的試樣中，顆粒樣燃燒產(chǎn)生的第一個(gè)熱釋放速率峰值均最大，前后兩個(gè)熱釋放速率峰值間隔時(shí)間最短，表明顆粒樣燃燒最劇烈。這是因?yàn)轭w粒樣之間的縫隙大，燃燒過(guò)程利于熱量向內(nèi)層傳遞，同時(shí)可燃性氣體更容易釋放出來(lái)；而其它形態(tài)試樣則會(huì)由于表層燃燒后形成炭層使得進(jìn)一步燃燒受阻[7-9]。另外，盡管試樣形態(tài)不一樣，但杉木的熱釋放速率峰值均相應(yīng)出現(xiàn)在第一個(gè)燃燒高峰，水曲柳和木莢豆則在第二個(gè)燃燒高峰時(shí)達(dá)到。含油脂豐富的木莢豆燃燒時(shí)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(huì)更加劇烈。

圖2　杉木不同形態(tài)試樣的熱釋放速率曲線

圖3　水曲柳不同形態(tài)試樣的熱釋放速率曲線

圖4　木莢豆不同形態(tài)試樣的熱釋放速率曲線

2.3不同形態(tài)試樣對(duì)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(tài)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(tài)試樣略小?？偟膩?lái)說(shuō)，同種木材不同形態(tài)的熱釋放總量基本相同，是因?yàn)槊糠N形態(tài)試樣燃燒的質(zhì)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(tài)試樣對(duì)煙生成速率的影響

圖5—圖7為3種木材不同形態(tài)試樣燃燒的產(chǎn)煙速率曲線，其與熱釋放速率有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？芍?，杉木和水曲柳的顆粒樣煙生成速率明顯高于其它形態(tài)樣，說(shuō)明燃燒的劇烈程度不但影響著質(zhì)量損失的快慢，也決定了煙塵的產(chǎn)生速率。從表2可以看出3種木材中粉末樣的產(chǎn)煙總量要稍低于其他形態(tài)試樣的產(chǎn)煙總量，粉末樣燃燒持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，因此其產(chǎn)煙速率最低。

圖5　杉木不同形態(tài)試樣的產(chǎn)煙速率曲線

圖6　水曲柳不同形態(tài)試樣的產(chǎn)煙速率曲線

圖7　木莢豆不同形態(tài)試樣的產(chǎn)煙速率曲線

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收稿日期：2015年9月6日。

作者簡(jiǎn)介：第一杜安磊，男，1986年3月生，廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，助理工程師。E-mail：dal315@126.com。通信作者：黃瓊濤，廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，高級(jí)工程師。E-mail：huangqt@yihua.com。

1)廣東省宜華木業(yè)股份有限公司技術(shù)中心項(xiàng)目(2014RD04)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B091202015)。

責(zé)任編輯：戴芳天。