王海暉，朱 鳳

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

作為樹冠火的主要燃料來源，樹葉的燃燒特性直接左右著火災(zāi)的形成、火蔓延的速率以及火強(qiáng)度?；诖耍槍?duì)樹葉的燃燒和熱釋放特性的研究對(duì)于樹冠火的預(yù)防和控制有明確的應(yīng)用背景［1，2］。

特定輻射熱源作用下樹葉樣品的著火實(shí)驗(yàn)可以用來模擬植物葉片在野外現(xiàn)場遭受火災(zāi)熱源輻射的起火過程。具體實(shí)驗(yàn)可以直接由標(biāo)準(zhǔn)化了的錐形量熱儀來實(shí)現(xiàn)。這在以往的文獻(xiàn)中有過相關(guān)報(bào)道［2－5］?，F(xiàn)有的工作主要是評(píng)估樣品著火特性的，包括根據(jù)熱釋放速率出現(xiàn)陡升的位置確定著火延遲時(shí)間，再以此為依據(jù)比較和鑒別樣品間著火難易程度。田曉瑞等［3］在分析樹葉樣品著火特性差異的同時(shí)，展示了不同樣品在特定強(qiáng)度輻射熱流作用下形成的氣相產(chǎn)物、樣品質(zhì)量等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。另一項(xiàng)有影響的工作來自美國農(nóng)業(yè)部林業(yè)署下屬實(shí)驗(yàn)室的研究人員。他們根據(jù)若干樹種葉樣的測試結(jié)果，包括熱釋放速率峰值和測試過程中的質(zhì)量變化，推算出樣品的有效放熱量［4，5］。

樹葉樣品的測試過程中觀察到一個(gè)典型現(xiàn)象，即實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)明火時(shí)間相對(duì)較短，在火焰消失后通常只會(huì)出現(xiàn)陰燃燃燒。相應(yīng)在熱釋放速率的曲線上表現(xiàn)為尖銳的峰形［3－5］。這是樹葉樣品與木材這類多孔介質(zhì)的樣品測試結(jié)果明顯的不同之處［6，7］。很顯然，這一典型現(xiàn)象與樹葉樣品本身有關(guān)，應(yīng)可以從相應(yīng)的氧消耗速率以及氣相產(chǎn)物如CO 和CO2的濃度變化特征中找到線索。但是，迄今為止并沒有這方面的工作報(bào)道。

本文致力于呈現(xiàn)植物葉樣在外部熱輻射和值班火源作用下的燃燒特征并探索這些現(xiàn)象的成因和物理及化學(xué)本質(zhì)。運(yùn)用錐形量熱儀測試設(shè)備，觀測在特定強(qiáng)度熱輻射作用下樹葉樣品的熱響應(yīng)、著火模式以及熱釋放速率的變化特征，并通過跟蹤著火過程中氧消耗速率以及CO 和CO2產(chǎn)生速率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析不同強(qiáng)度外部熱源作用下相同樹葉樣品著火模式差異形成的根源，由此構(gòu)建著火模式和測試參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察并結(jié)合材料熱物性測試和電鏡觀察結(jié)果，探討樹葉樣品獨(dú)特?zé)後尫潘俾史逍闻c樣品分層特性和樹葉自身熱物性的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品包括針闊葉樹種。采集地點(diǎn)選擇在云南省易門縣龍泉國家森林公園（北緯24°39＇－24°41＇，東經(jīng)101°07＇－102°09＇，海拔1000m－3000m）和廣東省廣州市華南植物園（北 緯23°10＇－23°11＇，東 經(jīng)113°21＇－113°22＇，海拔20m－330m）等地。樹種均為5年生以上。由較粗樹干上取樣，葉片連著枝在低溫條件下封存。測試采用的樹種13種，對(duì)應(yīng)的科屬分類、厚度和密度以及工業(yè)分析結(jié)果如表1 所示。20 余種樹樣在去除水分和灰分后的元素分析結(jié)果表明，其C、H、O、N、S 含量只有少許波動(dòng)，其中C、H、O、N的比例基本符合34．3∶2．1∶22．8∶1．0，而S含量可以忽略［8］。

表1 樣品名稱、厚度和密度信息以及工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Thickness and density as well as proximate analysis of plant species adopted in the current study．

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

實(shí)驗(yàn)采用英國Fire Testing Technology Limited生產(chǎn)的錐形量熱儀。按照ISO 5660標(biāo)準(zhǔn)配備的測試單元，該設(shè)備能同步檢測標(biāo)準(zhǔn)化的樣品在特定火源作用下形成的煙氣、O2、CO 和CO2的濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，由此可以計(jì)算出包括材料熱釋放速率在內(nèi)的若干表征材料氧化和燃燒以及煙氣特性的動(dòng)態(tài)參數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)預(yù)熱的錐形量熱儀進(jìn)行校正，標(biāo)定煙粒子、O2、CO 和CO2濃度分析單元的零點(diǎn)和量程。管路中抽氣機(jī)空氣的流量調(diào)節(jié)為24Ls－1。然后設(shè)定輻射熱流強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的輻射熱流強(qiáng)度分別為35kW m－2、55kW m－2、70kW m－2和85kW m－2，其對(duì)應(yīng)錐形爐的溫度值以及有效發(fā)射率如表2所示。

表2 設(shè)定的輻射強(qiáng)度（熱流強(qiáng)度）所對(duì)應(yīng)的錐形爐爐溫及其有效發(fā)射率Table 2 Correspondence of the radiant heat flux set for the series of tests to the temperatures and effective emissivity of the cone heater．

實(shí)驗(yàn)樣品在約23℃的環(huán)境溫度下晾干40min以上。稱量出13．6g晾干后的新鮮樣品，均勻放置在表面尺寸100mm×100mm 的樣品盒中。通過在樣品盒底部墊石棉層將樣品的厚度控制在10mm。樣品的初始空隙度在0．9左右。石棉層的上面墊有錫箔紙，以保證邊緣效應(yīng)最小化，同時(shí)也便于保存最后的殘留物。為了阻止樣品的翹曲和膨脹，在樣品盒表面罩以1mm 粗鐵絲編成的十字架。沒有使用隨機(jī)配置隔柵的原因是避免太密的網(wǎng)格以及較粗的網(wǎng)格絲對(duì)輻射熱流的遮擋作用。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將錐形爐的功率設(shè)定在所需的水平。準(zhǔn)備好的空樣品盒置于電子稱重裝置上，調(diào)節(jié)高度使其位于加熱錐的中心位置下25mm，去皮。將稱量好的樣品均勻放置在樣品盒內(nèi)并重新置于稱量系統(tǒng)上。待讀數(shù)穩(wěn)定后，打開錐形爐擋板，同時(shí)將高壓火花產(chǎn)生器移至樣品盒正中央離樣品表面較近的位置，開始實(shí)驗(yàn)。在熱釋放速率曲線趨于平直并且樣品質(zhì)量基本不變時(shí)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間一般在160 至260s，取決于熱輻射強(qiáng)度的大小。測定出的熱釋放速率（HRR）、氧消耗速率（RO2）、CO 產(chǎn)生速率（RCO）以及CO2產(chǎn)生速率（RCO2）結(jié)果均可直接由設(shè)備產(chǎn)生的后綴為csv數(shù)據(jù)文件中讀取。

采用KYKY－AMRAY 1010B型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。該顯微鏡分辨率約10納米，最大放大倍數(shù)為3萬倍。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別將新鮮葉樣和過火后的樣品剪成直徑約為5mm 大小的片段，用雙面膠帶粘于樣品臺(tái)上，置于SP1離子濺射儀中進(jìn)行真空噴鍍20min。然后，將樣品臺(tái)放在顯微鏡下觀察，在2000倍下拍照并保留結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)過程中的基本現(xiàn)象

在特定強(qiáng)度的輻射熱流作用下，樣品在受熱升溫后將出現(xiàn)著火并進(jìn)入持續(xù)的燃燒階段。通常在實(shí)驗(yàn)初始數(shù)秒內(nèi)會(huì)觀察到大量氣霧形成，是水分蒸發(fā)和熱解現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。樣品著火通常表現(xiàn)為氣相火焰的形成，但有的則僅為瞬間閃火或燃料表面的陰燃燃燒。四個(gè)典型葉片樣品在35kW m－2輻射強(qiáng)度下測定出的HRR 隨時(shí)間變化結(jié)果見圖1。桂花和木荷樣品的 HRR 出現(xiàn)陡升，最高值達(dá)80．5kW m－2，標(biāo)志著氣相火焰的形成。HRR 在達(dá)到峰值后迅速下降，然后維持在較低水平直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。這直接對(duì)應(yīng)著氣相燃燒現(xiàn)象結(jié)束后轉(zhuǎn)變成固體材料表面的陰燃。油茶和大葉香樟兩個(gè)樣品則沒有出現(xiàn)顯著的跳躍，而是在相當(dāng)長時(shí)間后才開始出現(xiàn)緩慢的提升。這對(duì)應(yīng)著另類著火模式，即著火只表現(xiàn)為陰燃燃燒。

圖1 輻射強(qiáng)度35kW m－2下四個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)前160 秒HRR 對(duì)時(shí)間作圖。由于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，HRR 出現(xiàn)了負(fù)值，所以對(duì)曲線進(jìn)行了基線校正Fig．1 Time－dependent heat release rates for four typical leaf samples measured at the radiant heat flux of 35kW m－2 in the first 160s．Slight baseline adjustment was made for those containing negative values of HRR prior to the commencement of ignition．

對(duì)于出現(xiàn)氣相火焰的樣品來說，除到達(dá)著火的時(shí)間存在稍許差異外，樹種間結(jié)果的差異更多反映在HRR 峰值的變化幅度上。這些差異的成因可以由更基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析獲得。根據(jù)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件讀取出隨時(shí)間變化的氧消耗速率以及CO 和CO2的產(chǎn)生速率，其結(jié)果見圖2。RO2與HRR 展示出完全一致的變化規(guī)律：燃燒反應(yīng)造成熱量釋放的峰值大，對(duì)應(yīng)的氧消耗速率也高；當(dāng)樣品呈陰燃燃燒狀態(tài)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的氧消耗速率也同樣處于非常低的水平。這也在對(duì)應(yīng)的燃燒和氧化產(chǎn)物的形成速率上得到驗(yàn)證。當(dāng)然，這里所指的產(chǎn)物只是CO2。氧消耗速率與CO2的產(chǎn)生速率所表現(xiàn)出變化規(guī)律的高度一致性，反映了一個(gè)明顯的事實(shí)：氧消耗速率表征單位時(shí)間卷入化學(xué)反應(yīng)的氧氣量，直接對(duì)應(yīng)著燃燒和氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生速率和熱量釋放速率的數(shù)值。

圖2 輻射強(qiáng)度35kW m－2下四個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)前160 秒氧消耗速率、CO 和CO2產(chǎn)生速率對(duì)時(shí)間作圖Fig．2 Time－dependent rates of O2consumed（a），rates of CO produced（b）and rates of CO2produced（c）for four samples measured at the radiant heat flux of 35kW m－2 in the first 160s．

CO 產(chǎn)生速率的顯現(xiàn)略早于氧消耗速率、CO2產(chǎn)生速率以及HRR 熱釋放速率，進(jìn)入著火階段后同樣呈現(xiàn)明顯提升，并且在其它參數(shù)均呈下降趨勢(shì)時(shí)仍處于不斷增長的狀態(tài)，表明其形成機(jī)理與RO2、RCO2以及HRR 的變化沒有完全的對(duì)應(yīng)性。建立起來的認(rèn)識(shí)表明：CO 不但會(huì)來源于燃燒現(xiàn)象，同時(shí)也是樣品受熱分解和前期氧化的產(chǎn)物［9］。

不同輻射強(qiáng)度下大葉香樟樣品實(shí)驗(yàn)初始階段HRR 隨時(shí)間的變化見圖3?？梢钥吹剑谳椛鋸?qiáng)度提升后樣品的著火模式出現(xiàn)由單純陰燃向明火的轉(zhuǎn)變，并且熱釋放速率的峰值也有顯著提升。其轉(zhuǎn)變的機(jī)制和原因可以直接由圖3（b）中CO 產(chǎn)生速率的變化上看出。隨著輻射強(qiáng)度的增加，在實(shí)驗(yàn)初期RCO就出現(xiàn)顯著跳躍。這意味著輻射強(qiáng)度的提高，樣品升溫速度加快；相應(yīng)地，樣品的分解速度加快，釋放出更多的小分子氣體，如CO、CO2以及其它可燃的揮發(fā)性物質(zhì)［9－11］。這些物質(zhì)導(dǎo)致樣品上方附近區(qū)域較易聚集足夠高的可燃?xì)鉂舛?，氣相火焰迅速形成?/p>

測試結(jié)果表明，有些樹種（如鐵冬青和米老排）需要在較高的輻射強(qiáng)度作用下才會(huì)形成明火，個(gè)別樹種（如草海桐）甚至在最高輻射強(qiáng)度下也沒有出現(xiàn)明火。但是，這些都沒有影響其PHRR 值隨著輻射強(qiáng)度的提升而增加。

2.2 熱釋放速率峰值的意義以及與其它特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)

熱釋放速率的變化曲線直接展示特定樣品在實(shí)驗(yàn)過程中的燃燒狀況，其峰值（PHRR）可以作為特征參數(shù)表征樣品的燃燒特性以比較不同樣品間的差異［1］。測試設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如動(dòng)態(tài)氧消耗速率和CO2產(chǎn)生速率，則分別從氧消耗和形成氣相產(chǎn)物的角度反映樣品著火過程中的燃燒速率，其峰值同樣可以作為特征參數(shù)用以展示特定樣品的燃燒狀況以及樣品間燃燒特性的差異。前邊已經(jīng)討論過，CO產(chǎn)生速率特征值不適合用作表征樣品燃燒狀況的參數(shù)，因?yàn)镃O 更多是樣品熱解的產(chǎn)物，而不是燃燒或氧化的產(chǎn)物，尤其是在實(shí)驗(yàn)初期。

圖4展示了13種樣品在不同輻射強(qiáng)度下測試獲得的特征參數(shù)PHRR 和RCO2峰值（RCO2P）對(duì)RO2峰值（RO2P）的依賴關(guān)系。需要說明的是，少數(shù)樣品在高輻射強(qiáng)度下會(huì)出現(xiàn)二次有焰燃燒現(xiàn)象，相應(yīng)的峰值是讀取第一個(gè)峰的。結(jié)果表明，參數(shù)間存在高度的線性相關(guān)性。由于PHRR 是根據(jù)即時(shí)氧消耗量確定的，PHRR 與RO2P的線性關(guān)系是必然的。RO2P與RCO2P的線性關(guān)系，則進(jìn)一步確認(rèn)了燃燒或氧化現(xiàn)象的本質(zhì)：無論樣品出現(xiàn)峰值時(shí)處于明火燃燒還是陰燃狀態(tài)，其即時(shí)O2消耗速率、CO2產(chǎn)生速率和熱釋放速率，都是由氣相燃燒或固相表面氧化反應(yīng)控制的。

圖3 不同輻射強(qiáng)度下大葉香樟樣品實(shí)驗(yàn)前60 秒HRR（a）和CO 產(chǎn)生速率（b）對(duì)時(shí)間作圖。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)HRR 出現(xiàn)了負(fù)值，相應(yīng)對(duì)HRR 曲線進(jìn)行了基線校正Fig．3 Transient results of HRR（a）and the rates of CO produced（b）for C．septentrionale samples measured at different radiant heat flux in the first 60s．Slight baseline adjustment was made for those containing negative values of HRR prior to the commencement of ignition．

圖4 不同輻射強(qiáng)度下樣品的熱釋放速率的峰值與氧消耗速率峰值以及二氧化碳產(chǎn)生速率峰值的對(duì)比圖。部分樣品因只出現(xiàn)陰燃燃燒，其峰值不明顯而沒有加入Fig．4 Peak values of heat release rates and rates of CO2produced as a function of peak values of the rates of O2consumed for the samples measured at various levels of radiant heat flux．Some measurement results have not been included for their unreadable peak values．

值得一提的是，RCO2P與RO2P之間有接近恒定的質(zhì)量比率，1．12（即1∶0．89）。這反映了樣品在著火形成后，無論是明火抑或是陰燃，其燃燒或氧化反應(yīng)中氧消耗的量幾乎以恒定的比率轉(zhuǎn)變成氣態(tài)氧化產(chǎn)物，與植物的品種無關(guān)。這是植物葉樣氣相燃燒或固相表面氧化反應(yīng)機(jī)理相似性的明證，同時(shí)也反映了測試結(jié)果的可靠性。

樣品點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)和燃燒狀態(tài)與上述三個(gè)參數(shù)峰值結(jié)果的對(duì)應(yīng)性可以用圖5來展示。這里沒有再用氧消耗速率峰值或二氧化碳產(chǎn)生速率峰值的原因是，它們間存在高度的線性相關(guān)性，相應(yīng)的作圖只會(huì)給出相同的結(jié)果。圖5 表明，對(duì)于出現(xiàn)明火燃燒的樣品來說，其PHRR 數(shù)值會(huì)在很寬的范圍內(nèi)波動(dòng)；而閃火和純陰燃樣品對(duì)應(yīng)的峰值波動(dòng)范圍則比較窄。具體有：

PHRR≤17．5kW m－2， 單純陰燃 （1a）

17．5＜PHRR＜22．3kW m－2， 陰燃或閃火 （1b）

PHRR≥35．6kW m－2， 總有明火 （1c）

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷，樣品能否形成明火的臨界熱釋放速率峰值應(yīng)在22．3kW m－2和35．6kW m－2之間。這與文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果是一致的。Lyon 和Quintiere［12］從理論上推導(dǎo)出多種高分子多聚物在錐形量熱儀測試中出現(xiàn)火焰的臨界熱釋放速率為24kW m－2。出現(xiàn)明火的臨界熱釋放速率直接對(duì)應(yīng)著樣品熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的臨界質(zhì)量流率。建立起來的認(rèn)識(shí)表明［12－14］，在有輻射熱源和值班火焰的點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中，只要樣品表面熱解揮發(fā)分的質(zhì)量流率達(dá)到特定的值，火焰就會(huì)形成。表達(dá)式（1）反映了葉片樣品也遵循同樣的原則。

圖5 不同輻射強(qiáng)度下樣品的熱釋放速率峰值隨著火模式的分布。部分樣品因只出現(xiàn)陰燃燃燒，其峰值不明顯而沒有加入。這里SM 代表陰燃，F(xiàn)H 代表閃火，F(xiàn)M 則代表有焰燃燒Fig．5 Dependence of PHRR to the ignition modes for the samples measured at different levels of radiant heat flux．Some measurement results have not been included for their unreadable peak values．Here，SM denotes smoldering，F(xiàn)H stands for flashing，and FM represents flaming combustion．

2.3 樣品分層特性對(duì)熱釋放速率峰形的影響

有別于其它測試樣品，樹葉樣品是分層擺放的。其表層葉片數(shù)量及總層數(shù)主要取決于葉片的平均表面積和密度。樣品表層結(jié)構(gòu)及其在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)見圖6。施加上輻射熱源后，表層接受外部熱輻射，受熱升溫、析出水分并同時(shí)出現(xiàn)翹曲變形。變形的起始溫度一般在60°C 至80°C 之間，變形后至燃燼前則基本維持原狀。表層有效厚度相應(yīng)由葉片變形后的特征高度確定，一般在3mm 左右。由于單個(gè)葉片自身的厚度在0．2mm～0．4mm 之間（參見表1），樣品表層可以看成熱薄層［15］。在水分析出完畢后，表層迅速進(jìn)入熱解溫度段，其熱解產(chǎn)物是形成氣相火焰的物質(zhì)來源。

隨著表層的溫度提升，其吸收的部分熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)或?qū)娱g空隙中的熱輻射傳遞給內(nèi)層，從而導(dǎo)致內(nèi)層升溫。但由于樣品的分層和多孔特性加上植物葉樣自身熱物性的限制，由表層向內(nèi)層熱量輸運(yùn)的效率很低。對(duì)近十種所涉樹種葉片在接近熱解臨界溫度（180°C 左右）烘烤后進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定，測出的結(jié)果均不超過0．07W m－1K－1?？紤]樣品內(nèi)空隙的折合作用以及層間微弱的熱輻射效應(yīng)，層間等效熱傳導(dǎo)熱系數(shù)通常不超過0．05W m－1K－1［16，17］。基于此，在表層物質(zhì)受熱分解產(chǎn)生揮發(fā)分并轉(zhuǎn)變成焦炭層時(shí)，內(nèi)層沒有能夠升至足夠高的溫度以及時(shí)向火焰區(qū)補(bǔ)充可燃性揮發(fā)分。實(shí)際測量出熱釋放速率尖銳峰形，并通常難以再出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象就是明證。換句話說，這正是表層炭殼對(duì)后續(xù)輻射熱流向內(nèi)層滲透阻擋作用的具體表現(xiàn)。

作為比較，對(duì)于高分子有機(jī)材料或木塊樣品來說［6，7，12，14，18］，其內(nèi)部分布比較均勻，連續(xù)性較強(qiáng)，熱量輸運(yùn)的效率較高；與此同時(shí)，形成焦炭層是一個(gè)由表面起的漸進(jìn)過程。因此，揮發(fā)分的質(zhì)量流率只會(huì)出現(xiàn)逐步削弱的趨勢(shì)。相應(yīng)地，熱釋放速率的下降是緩慢的。這是分層樹葉樣品測試結(jié)果與其它致密和連續(xù)樣品或通常的多孔材料的不同之處。

樣品在特定熱輻射作用下是否會(huì)形成明火取決于其表層熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的質(zhì)量流率，亦即表層中材料熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的速率。根據(jù)熱解反應(yīng)的一般準(zhǔn)則可知，反應(yīng)速率可寫成反應(yīng)物即時(shí)濃度與反應(yīng)速率常數(shù)的乘積［6，10，18］。對(duì) 于化學(xué)組成接近的樹葉材料而言，其揮發(fā)分產(chǎn)生速率最大值主要取決于兩個(gè)基本參數(shù)，揮發(fā)分的初始擁有量和升溫速率。揮發(fā)分的初始擁有量反映樣品所能產(chǎn)生揮發(fā)分最大速率的物質(zhì)基礎(chǔ)，而升溫速率則決定材料達(dá)到其最大反應(yīng)速率所需時(shí)間。當(dāng)升溫速率較慢時(shí)，材料的熱解反應(yīng)速率增長緩慢，在達(dá)到最大值前反應(yīng)物消耗較多，相應(yīng)揮發(fā)分產(chǎn)生速率最大值被削減；反之，則相反。

當(dāng)樣品的含水率較高時(shí)，揮發(fā)分的擁有量相對(duì)較少（參見表1），加上樣品內(nèi)層的水分對(duì)樣品表層升溫速率的影響，揮發(fā)分的質(zhì)量流率最大值相對(duì)較小，相應(yīng)難以形成明火燃燒。這可以解釋在較低輻射強(qiáng)度下，部分含水率較高的樣品只會(huì)出現(xiàn)陰燃燃燒的原因。隨著輻射強(qiáng)度的提升，樣品表層的升溫速率迅速加快，導(dǎo)致其熱解速率加快，在質(zhì)量流率達(dá)到臨界值后即會(huì)形成氣相火焰。這與先前的論述完全一致。

圖6 樣品表層結(jié)構(gòu)和著火燃燒過程示意圖。這里的SEM 照片放大倍數(shù)均為2000倍。符號(hào)表示外部凈輻射熱流，而則代表樣品表層升溫后向內(nèi)層熱量輸運(yùn)的等效導(dǎo)熱Fig．6 An illustration of the structure of the sample surface layer and its burning process．Here，the magnification of the scanning electron microscope graphs is 2000timesstands for the net external radiant heat flux，anddenotes the equivalent thermal conduction of the heat transferring from the surface layer to the internal layers of the sample．

少數(shù)樹種樣品在高輻射強(qiáng)度下會(huì)出現(xiàn)兩次明火現(xiàn)象。這基本反映了少數(shù)樹種葉片在高強(qiáng)度輻射作用下較快燃燼，表層對(duì)輻射熱流的遮擋效應(yīng)會(huì)在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)部分喪失甚至完全喪失。因此，外部輻射熱流可以有效穿越表層，導(dǎo)致內(nèi)層迅速升溫。另外，再次明火現(xiàn)象也與不同樹種葉片單體的質(zhì)量（密度）、表面積、熱物性以及熱解特性有關(guān)。這些因素在影響樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和熱量輸運(yùn)效率的同時(shí)，相應(yīng)會(huì)改變內(nèi)層升溫過程中產(chǎn)生揮發(fā)分質(zhì)量流率的量階。

本文所涉樹葉樣品的燃燒特性與材料的燃燒性（Combustibility）有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。燃燒性是材料可燃性的重要組元之一，主要表征材料燃燒時(shí)的快慢或劇烈程度［1，2］。從表面上來看，樣品的PHRR 結(jié)果完全可以用來標(biāo)定材料潛在的燃燒強(qiáng)度和狀況以及對(duì)環(huán)境的影響力。但是，需要注意的是，對(duì)于空隙度較高的樣品來說，其熱釋放速率峰值或多或少會(huì)受到樣品表觀密度或空隙度的影響。這意味著直接用PHRR 為指標(biāo)評(píng)定材料而不是樣品的燃燒性會(huì)帶來偏差。

3 結(jié)論

相同熱輻射強(qiáng)度下樹葉樣品表現(xiàn)出迥然不同的著火模式，有的為明火，有的則為陰燃。對(duì)于出現(xiàn)明火的樣品來說，因火焰持續(xù)時(shí)間較短，熱釋放速率呈尖銳峰形。外部熱輻射強(qiáng)度的提升導(dǎo)致熱釋放速率峰值增大，是樣品熱解速率提升的結(jié)果。相應(yīng)地，低輻射強(qiáng)度下呈陰燃燃燒的樣品在高輻射強(qiáng)度下會(huì)出現(xiàn)有焰燃燒。

根據(jù)所涉樣品的測試結(jié)果可以推斷，出現(xiàn)明火的臨界熱釋放速率的峰值在22．3kW m－2和35．6kW m－2之間，這反映了形成氣相火焰的臨界揮發(fā)分質(zhì)量流率。氣相產(chǎn)物CO2產(chǎn)生速率的峰值與PHRR 呈高度線性性，表明了不同樣品間氣相燃燒或固相表面氧化（陰燃燃燒）反應(yīng)的相似性。

進(jìn)一步分析表明，樣品出現(xiàn)熱釋放速率尖銳峰形是樣品分層特性以及樹葉自身的物理屬性和熱物性共同作用的結(jié)果。具有熱薄特性的樣品表層，在實(shí)驗(yàn)初期是接受外部輻射熱的主體，其熱解的產(chǎn)物是形成氣相火焰的物質(zhì)來源；在轉(zhuǎn)變?yōu)榻固繉雍?，其?duì)輻射熱流向內(nèi)層的滲透具有阻擋作用。建立起來的認(rèn)識(shí)對(duì)于評(píng)估分層樣品的燃燒性有一定的指導(dǎo)意義。

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