顏龍，徐志勝，張軍，王勇

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五合板的燃燒特性及其動態(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，并對燃燒特性與生煙特性的相關(guān)性進行分析。研究結(jié)果表明：五合板的熱解過程可分為3個階段，即干燥和粗揮發(fā)階段、熱解階段和炭化階段，其中熱解過程為先吸熱后放熱的過程。五合板的動態(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，其中錐形量熱儀實驗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)量煙密度低于無焰燃燒條件下的，但質(zhì)量損失卻明顯高于無焰條件下的。

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煙氣的生成情況對于減少火災(zāi)中人員傷亡有重要的意義[3]。目前采用的測煙試驗方法在原理上大體分為2類，即質(zhì)量法和消光法。消光法主要是通過測定光束在煙氣中的透光率來計算煙的光密度以評價煙的生成量，其測煙結(jié)果同真實火災(zāi)中的能見度相關(guān)聯(lián)。而質(zhì)量法無法評價煙對能見度的影響及建立與實際燃燒的關(guān)聯(lián)性，因此利用消光法對五合板生煙特性進行研究對火災(zāi)安全逃生通道設(shè)計中有一定的實用性[4]。消光法測煙可以劃分為靜態(tài)和動態(tài)方法，通常分別依據(jù)ISO 5659—2和ISO 5660—2進行測試，其典型的測煙儀器分別為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其影響因素、測試方法及煙參數(shù)之間的相關(guān)性等方面進行的。Quintiere[7]研究表明：材料的煙密度不僅與測煙試驗方法有關(guān)，還與火場溫度、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)實驗中測得的動態(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：纖維增強復(fù)合材料在錐形量熱儀實驗中的煙參數(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)危險性[13?14]。本文作者采用基于GB/T 8323—2008“NBS方法的靜態(tài)測煙法”和錐形量熱儀動態(tài)測煙法來評價五合板的生煙特性，考察測試方法及火源功率等因素對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 實驗

所用原料為山東魯麗集團有限公司生產(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)備有限公司標準型塑料燃燒性煙密度測定儀上測試，樣品長×寬×高為75 mm×75 mm×12 mm，輻射功率分別選用25 kW/m2和50 kW/m2，并分別在有焰和無焰條件下進行測試。燃燒特性和動態(tài)生煙特性則依據(jù)ISO 5660—2002在英國FTT公司標準型錐形量熱儀上測試，樣品長×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)實驗采用法國塞塔拉姆儀器公司的Labsys Evo STA型熱重?差熱分析儀，測試條件為氮氣氣氛下(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所示為五合板在氮氣下的TG和DTG曲線。由圖1可以看出：五合板的熱解過程可分為3個階段，其中第1個階段對應(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個階段對應(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)量損失明顯達到61.09%；第3個階段的溫度區(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_27.49%。圖2所示為五合板在氮氣下的DSC曲線。由圖2可以看出：五合板的DSC曲線分別存在一個明顯吸熱和放熱過程。其中吸熱過程的溫度區(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；當五合板被加熱到230 ℃左右時，開始熱解并釋放出揮發(fā)性可燃氣體，該階段的反應(yīng)仍以吸熱為主。放熱過程的溫度區(qū)間為278~740 ℃，該階段為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素熱解放熱所致，是木材固相燃燒熱量的主要來源，其中該過程中的3個波峰表示纖維素、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)階段主要為吸熱過程，在熱解階段先為吸熱過程之后為放熱過程，炭化階段則為放熱過程。

1—TG曲線；2—DTG曲線

圖2 五合板在氮氣下的DSC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，其中五合板在點燃之后RR便迅速達到峰值，隨后下降并出現(xiàn)平臺，是典型的“前單峰”型，即燃燒中有炭層的形成，這與TG實驗結(jié)果相一致。隨著輻射功率的增加五合板的點燃時間縮短、峰值RR及燃燒時間明顯增加，以峰值RR為例，輻射功率為25 kW/m2時五合板的峰值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。同時在燃燒過程中，材料的裂解會為燃燒提供燃料，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材料的有效燃燒熱沒有明顯的影響。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 動態(tài)生煙特性分析

輻射功率會影響五合板的燃燒階段的熱解歷程，從而進一步影響其生煙特性，其中錐形量熱儀實驗中的比消光面積(EA)、生煙速率(PR)和生煙總量(SP)可以表征材料的煙氣對減光性的影響并能與真實火災(zāi)中能見度相關(guān)聯(lián)，因此利用EA，PR和SP來評價材料的動態(tài)生煙特性可為火災(zāi)中安全疏散及對火災(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為材料燃燒時煙霧生成速率的參數(shù)，PR=EA×LR；SP為材料單位面積燃燒時的累計總生煙量，SP=∫PR，五合板的EA，PR及SP越大則表明其動態(tài)生煙性能越強。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在點燃之后便迅速達到峰值，隨后下降并出現(xiàn)平臺，之后出現(xiàn)一個較大的峰值，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，五合板的動態(tài)生煙參數(shù)(EA，PR和SP)隨輻射功率增加而增大的趨勢與錐形量熱儀實驗中輻射功率增加后樣品的點燃時間明顯提前、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程與其燃燒過程具有關(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，五合板在燃燒中釋放的熱量還對煙氣生成有較大影響，這主要與五合板的熱解過程存在一個明顯的吸熱過程有關(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態(tài)生煙特性的差異與其燃燒過程有關(guān)，其中可燃物生煙過程及物質(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五合板裂解，從而在燃燒過程中產(chǎn)生更多的煙，這還與五合板在熱解階段存在吸熱過程相一致。

圖8 可燃物燃燒生煙過程及物質(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通過測定材料燃燒時煙霧的透光率的變化，進而計算出比光密度和質(zhì)量光密度來評價材料的靜態(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。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)量光密度比無焰條件下的低，而質(zhì)量損失率比無焰條件下的大，這與低輻射功率的規(guī)律相一致。同時，五合板在有焰及無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的材料生煙過程可知：這主要是由于五合板熱解過程需要吸熱，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焰條件下的大。同時，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，同時裂解產(chǎn)物能進一步氧化成小分子，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)量光密度比無焰條件下的低，這主要是由于無焰條件下材料只有裂解而沒有燃燒，氣態(tài)和凝聚態(tài)浮升物就會構(gòu)成煙；而在有焰條件下，氣態(tài)和凝聚態(tài)浮升物都會與空氣燃燒分別轉(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) 五合板的熱解過程分為3個階段，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)階段主要為吸熱過程，熱解階段先為吸熱過程之后為放熱過程，而炭化階段為放熱過程。

2) 五合板的熱解過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)量光密度比無焰燃燒條件下的低，而在有焰條件下質(zhì)量損失明顯比無焰條件下的高。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51306097)；國家科技支撐計劃項目(2014BAK17B02，2014BAK17B03)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(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 陳愛華)