不同木材燃燒性及阻燃處理的效能研究

徐洪錦

不同木材燃燒性及阻燃處理的效能研究

徐洪錦

(武警云南省消防總隊(duì)，云南 文山州 663700)

為有效預(yù)防和控制木質(zhì)材料引起的火災(zāi)，需對(duì)不同木材的燃燒性能加以研究分析。本研究主要利用錐形量熱儀對(duì)各種木材燃燒性能進(jìn)行測(cè)試，得出了燃燒過程中的有效燃燒熱量、熱釋放速率和總釋放的熱量等相關(guān)有效數(shù)據(jù)，并以此來進(jìn)行木材燃燒的降解和阻燃。

木材；燃燒；阻燃；未阻燃

隨著人類社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，木材作為國家建設(shè)和人民生活必需品的重要原料之一，在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍很廣。近年來不少木質(zhì)裝飾材料逐步進(jìn)入市場(chǎng)，成為人們選擇的對(duì)象。但是在日常生活中人們往往會(huì)出現(xiàn)對(duì)用火用電的管理不慎、電器設(shè)備出現(xiàn)故障等問題導(dǎo)致了火災(zāi)的發(fā)生，而木質(zhì)裝飾材料不僅使火災(zāi)荷載大大增加了，同時(shí)也釋放了許多有毒的煙氣，嚴(yán)重威脅到了人們的身心健康，甚至是生命財(cái)產(chǎn)安全。由于木質(zhì)裝飾材料具有燃燒特性，嚴(yán)重影響著建筑火災(zāi)的發(fā)生、蔓延乃至危害性的后果。因此，對(duì)不同木材的燃燒特性進(jìn)行分析研究，科學(xué)地對(duì)這些木質(zhì)裝飾材料的燃燒特性加以認(rèn)識(shí)，對(duì)安全使用木質(zhì)裝飾材料以及有效地預(yù)防和控制建筑火災(zāi)的發(fā)生具有重要意義。

在生活中常見的有：木材、人造板、各種紙制品等等。木材的組成成分包括木質(zhì)素、纖維素、半纖維素，這部分占主要成分的90%左右，其余的10%包括的是各種提取成分，包括樹脂、鞣質(zhì)、揮發(fā)油和其他酚類化合物等。木材是易燃的，如果按照對(duì)引起火災(zāi)的危險(xiǎn)程度將各種物質(zhì)劃分為甲、乙、丙、丁、戊5個(gè)等次，木材可以排在丙的等次，它是一種有機(jī)可燃物，而且會(huì)引起火災(zāi)危險(xiǎn)。木材除了易燃的特性以外，在它燃燒時(shí)，還能釋放出大量的熱量，平均熱值達(dá)到18 MJ/kg，發(fā)生火災(zāi)時(shí)強(qiáng)度和蔓延度都變得很大[1]。

本研究選取了幾種室內(nèi)裝潢常用的木材，將其燃燒性能的研究作為主線，同時(shí)還研究了經(jīng)過阻燃處理后燃燒性能產(chǎn)生的各種變化。首先在未進(jìn)行阻燃時(shí)他們的燃燒性能分別有什么規(guī)律，再研究了經(jīng)過阻燃處理后，這幾種材料在熱釋放速率等方面產(chǎn)生的規(guī)律變化，通過前后的比較得出了木材燃燒的一些規(guī)律，以應(yīng)用于實(shí)際生活。

目前，國際上對(duì)于木材燃燒性質(zhì)的研究主要運(yùn)用于火災(zāi)的預(yù)防和救災(zāi)方面，有些國外的國家還建立了專門的數(shù)據(jù)庫，以便運(yùn)用，比如：美國有NIST FAST Data數(shù)據(jù)庫，記錄了多種材料的燃燒性能，該數(shù)據(jù)庫是相對(duì)比較完善的數(shù)據(jù)庫之一，除了記錄材料的燃燒特性外，還配有錄像、圖片等資料[2]。美國在這方面的研究比較突出，現(xiàn)階段比較著名的有Andrew T. Grenier等人對(duì)于高速飛行器內(nèi)的物質(zhì)的火災(zāi)危險(xiǎn)性的研究，他們采用了錐形熱度測(cè)量計(jì)以及ISO9705墻角試驗(yàn)等裝置，目的是在這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立高速飛行器燃燒性能標(biāo)準(zhǔn)。另外，歐洲的這項(xiàng)研究也走在世界前列，比如：名為EUREFIC的工作組，通過對(duì)62種不同材料的燃燒性能的研究，建立了數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，對(duì)除鋪地材料以外的室內(nèi)建筑材料進(jìn)行研究分析，建立了燃燒的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為室內(nèi)材料的燃燒性能研究奠定了一定的基礎(chǔ)[3]。

國內(nèi)對(duì)于材料燃燒性能的研究才剛起步，這方面的研究論文也不是很多，我國的第一個(gè)燃燒材料及其組件的火災(zāi)特性的數(shù)據(jù)庫是由公安部四川消防科學(xué)研究所和中國科技大學(xué)、公安部天津消防研究所以及中國建筑科學(xué)研究院聯(lián)合研究建立的，他們?cè)趪鴥?nèi)外研究的基礎(chǔ)上，利用錐形熱度測(cè)量器進(jìn)行試驗(yàn)，得出了現(xiàn)在的成果。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料選擇的是在建筑裝修以及家具制作中比較常用的櫸木、松木、香紅木、樺木、青岡木、柏木等一些木材種類，在研究中，我們選擇了櫸木、松木、香紅木、樺木來準(zhǔn)備了兩套樣品，分別是經(jīng)過加壓注入阻燃劑處理的木材和一組沒有經(jīng)過阻燃處理的木材來進(jìn)行比較研究，樣品的尺寸為100 mm ×100 mm，厚度范圍為25～29 mm，并且在樣本的表面纏繞一層厚度為0.025 mm的鋁箔，將多余鋁箔剪去之后，鋁箔的式樣表面應(yīng)露出3 mm。

1.2 研究方法

通過錐形熱度測(cè)量計(jì)測(cè)量木材在燃燒過程中的熱量釋放的變化，然后對(duì)不同材料進(jìn)行阻燃處理，阻燃處理的方法主要有在表面涂敷阻燃化學(xué)劑或者是注入兩類。在表面涂敷的方式相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，是直接將阻燃劑涂抹在木材表面，涂抹必須按照一定的步驟。注入式處理有兩類，分別是加壓和常壓，常壓的情況下又分為兩種：（1）將木材在常壓的情況下浸泡在低粘度阻燃液體中，溫度保持室溫或加熱都可以，浸泡時(shí)間取決于木材本身的性質(zhì)和需要吸收的藥物劑量[4]。（2）在常壓的情況下將木材用熱阻燃劑先浸泡數(shù)小時(shí)，使木材內(nèi)氣體膨脹，繼續(xù)保持常壓下，換用冷阻燃劑浸泡，或者可以選擇直接冷卻之前的熱阻燃劑，這一步就導(dǎo)致剩下的空氣被壓縮從而形成真空，最后就借助了外部的壓力使得阻燃劑進(jìn)入木材內(nèi)部。加壓狀況下的注入阻燃劑的方法是同時(shí)將木材和要注入的阻燃劑放入封閉壓力容器中，通過容器里的壓力將阻燃劑阻壓入木材中[5]。在木材經(jīng)過阻燃處理后，我們?cè)倮猛瑯拥姆椒y(cè)量燃燒過程中釋放的熱量及相應(yīng)的時(shí)間，對(duì)前后的規(guī)律進(jìn)行比較，得出不同材料燃燒的不同特性，以便運(yùn)用于生活。

1.3 木材燃燒情況研究

對(duì)木材進(jìn)行加熱的過程是一個(gè)熱分解反應(yīng)的過程。反應(yīng)過程中一些復(fù)雜的高分子材料被分解成許多簡(jiǎn)單的低分子物質(zhì)，這些簡(jiǎn)單的物質(zhì)通過縮合或者聚合的反應(yīng)合成樹脂狀物質(zhì)，隨著燃燒的逐步進(jìn)行，反應(yīng)過程根據(jù)溫度的升高逐漸從吸熱轉(zhuǎn)化成放熱，這反過來又加速了木材本身的熱分解反應(yīng)。

我們根據(jù)燃燒的溫度來分析，從100 ℃～150℃時(shí)，木材在這一階段的燃燒主要是蒸發(fā)水分，此過程熱分解比較緩慢，其化學(xué)成分沒有顯著改變，且為吸熱反應(yīng)[6]。到了150 ℃～200 ℃時(shí)，熱分解速度明顯開始加快，組成部分的半纖維素分解開始，燃燒產(chǎn)生的氣體中，二氧化碳占70%，一氧化碳30%，木材顏色開始轉(zhuǎn)變成褐色，燃燒產(chǎn)生的熱量為4.8 MJ/m3。 所以木材如果一直處在100 ℃～200 ℃的環(huán)境下可能會(huì)產(chǎn)生自燃。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣本的燃燒熱釋放速率分析比較

所謂熱釋放速率指的是木材在單位面積燃燒時(shí)釋放熱量的速率，熱釋放速率以kw/m2為單位。熱釋放速率是描述木材燃燒的特性的最重要參數(shù)之一，也是記錄火災(zāi)和分析火災(zāi)傷害的最重要依據(jù)。熱釋放速率越大或者熱釋放速率的峰值越高就表明材料對(duì)于火災(zāi)的影響就越大，危險(xiǎn)就越高。由表1可以看出這幾種木材的熱釋放速率以及燃燒的峰值，其中櫸木的熱釋放速率和燃燒峰值都是幾種木材里面比較高的，而香紅木和松木在這兩方面相對(duì)于櫸木來說都低一些。所以，在選用進(jìn)行阻燃處理的木材時(shí)，香紅木和松木都比櫸木來的好一些，因?yàn)榛馂?zāi)的危險(xiǎn)性也小些，而櫸木的熱釋放速率和峰值都比較高，所以火災(zāi)的危險(xiǎn)性也比較大，所以在室內(nèi)使用時(shí)應(yīng)該不用或者盡量少用比較好。

表1 沒有阻燃處理的木材燃燒參數(shù)Table 1 Wood burning parameters of non-fire-retardant treatment

2.2 有效燃燒熱

所謂有效燃燒熱，簡(jiǎn)稱為EHC，指的是在木材燃燒的某個(gè)時(shí)刻，其釋放的熱量與其質(zhì)量消耗的比值，單位為MJ/kg，體現(xiàn)的是木材在一定時(shí)間內(nèi)燃燒的程度[7]。表1中的數(shù)據(jù)，表明不同的材料的木材的熱釋放速率和燃燒的峰值有著很明顯的差距，但是有效燃燒熱的差距卻很有限，這是以為有效燃燒熱直接取決于燃燒物體的本身結(jié)構(gòu)，我們研究的對(duì)象都是木質(zhì)材料，他們屬于同一種類型，所以化學(xué)構(gòu)成基本上是相同的，所以他們的有效燃燒熱也差距不大。

2.3 總釋放熱

總釋放熱，簡(jiǎn)稱為THR，這個(gè)概念相對(duì)比較好理解，指的是每單位面積的木材從一開始燃燒直到結(jié)束總共釋放的熱量，單位也是MJ/m2，如果總釋放的熱量越大，那木材在火災(zāi)中的危險(xiǎn)也越大。

從表1還可以看出選取的樣品的厚度是一樣的，而總釋放熱量是櫸木和青岡木的最大，所以他們?cè)诨馂?zāi)中的危險(xiǎn)性也就越高，而且其熱釋放速率和峰值也比其他幾種木材要高。一般來說，具有更大的熱釋放速率的材料的總熱釋放量也會(huì)偏高。木材阻燃處理后釋放的總熱量普遍下降，但是也有特殊情況，松木經(jīng)阻燃后熱量釋放卻會(huì)增加，原因目前正在研究。

2.4 樣本熱釋放速率

松木未進(jìn)行阻燃處理的，在進(jìn)行燃燒時(shí)大約55 s時(shí)達(dá)到峰值，大約為98 kW/m2，而經(jīng)過阻燃處理后，約經(jīng)過1 625 s才會(huì)達(dá)到峰值，為80 kW/m 左右。

樺木的情況是未阻燃處理時(shí)，大約1 205 s時(shí)達(dá)到峰值，約為148 kW/m2左右，經(jīng)過阻燃處理后，變化比較大，燃燒過程比較平穩(wěn)，釋放速率基本維持在20 kW/m2以內(nèi)。

櫸木情況與樺木基本相似，未阻燃前峰值為200 kW/m2左右，阻燃后則在10 kW/m2以內(nèi)。

香紅木的熱釋放速率的變化情況則跟松木比較相像，未阻燃處理時(shí)，于大約1 400 s的時(shí)候達(dá)到峰值，130 kW/m2左右，經(jīng)過阻燃處理后，會(huì)延遲到1 800 s才會(huì)達(dá)到峰值，且峰值降到80 kW/m2左右。

柏木和青岡木的變化都不是特別明顯，未阻燃處理時(shí)柏木于800 s時(shí)達(dá)峰值100 kW/m2左右，而青岡木則在1 700 s左右才能達(dá)到152 kW/m2左右的峰值。在經(jīng)過阻燃處理后，變化不是很明顯，相對(duì)來說趨于平緩。

木材在阻燃處理過后，他們的熱釋放速率都有一定程度的降低，而櫸木和樺木降低的程度最高，沒有經(jīng)過阻燃處理的木材燃燒具有一定的規(guī)律，在燃燒開始后比較短的時(shí)間內(nèi)，木材的熱釋放就會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，然后開始進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平緩的燃燒期，之后又會(huì)達(dá)到第二次峰值，然后才終于降下來，整個(gè)過程時(shí)間比較長[8]。但是經(jīng)過阻燃處理的木材，燃燒的時(shí)間會(huì)比沒有經(jīng)過處理的木材更加長，但峰值出現(xiàn)的時(shí)間推后了，而且波峰也相對(duì)平緩了。

對(duì)比表1和表2可以看出，4種木材在經(jīng)過阻燃處理以后，他們的熱釋放速率和峰值都降低了，可以看到比如櫸木，他的熱釋放速率經(jīng)過阻燃處理后降低了接近100 kW/m2，而變化相對(duì)較小的松木和香紅木也降了阻燃前的24.3%和23.9%，所以，我們可以得出在對(duì)木材進(jìn)行阻燃處理以后，他們的防火以及安全性能都得到了一定程度的提升，以便于他們能更廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)今的生活環(huán)境，被人們所信賴。也告訴人們，我們?cè)谶x擇木材時(shí)，出于對(duì)安全的考慮，應(yīng)該要盡量選擇經(jīng)過阻燃處理的木材。

表2 經(jīng)阻燃處理的木材的性能Table 2 Performance of fire-retardant treated wood

另外，還有一點(diǎn)我們發(fā)現(xiàn)，木材原本的熱釋放速率比較大的話在經(jīng)過阻燃處理之后他的熱釋放速率降低的程度也比熱釋放速率小的木材要明顯的多[9]。比如以櫸木為例，阻燃前后降低了將近100 kW，而松木和香紅木只有15 kW和14 kW左右，可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過阻燃之前的熱釋放速率比較高的木材在經(jīng)過阻燃后性能改善的空間相對(duì)大。

由表3可以看出，在樣本的質(zhì)量不等的情況下，樣本的質(zhì)量增加值基本等于灌入的阻燃劑的質(zhì)量，而樣本在相同的體積的狀況下，密度變化較大的木材的添加的阻燃劑也就越多，那么熱釋放速率變化也越大[10]。例如，櫸木的密度在加阻燃劑前后變化了0.152 kW，熱釋放速率卻從106.444 kW變化到了6.998 kW，影響為最大。而依舊拿香紅木和松木來看，他們的密度增加值比較小，所以熱釋放率的結(jié)果變化也是非常小的，密度對(duì)于熱釋放速率的影響主要說明的是木材本身對(duì)于阻燃劑的吸收情況，密度變化明顯的，說明阻燃劑的吸收情況良好，變化不明顯的則是對(duì)阻燃劑的吸收情況一般。

表3 木材在阻燃處理前后性能比較Table 3 Comparison on wood flame retardant performance before and after treatment

3 總 結(jié)

本研究采用錐型量熱儀法對(duì)各種木材在燃燒時(shí)所釋放的熱量、煙塵、廢氣等成分以及碳含量進(jìn)行研究和分析的，其結(jié)果表明：

(1) 木材在經(jīng)過阻燃處理之前進(jìn)行燃燒的時(shí)候，測(cè)量發(fā)現(xiàn)都會(huì)有兩個(gè)波峰，主要代表了兩個(gè)燃燒階段，首先是火焰燃燒階段，接下來是紅熱燃燒階段。

(2) 木材在經(jīng)過阻燃處理后，他們的熱釋放速率基本都會(huì)有所降低，其中以櫸木和樺木和櫸木最為明顯。

(3) 木材如果體積相等，在對(duì)其進(jìn)行阻燃處理后，密度的變化越大，木材的阻燃劑含量越多，同時(shí)，熱釋放速率也會(huì)減少的多。

(4) 在各種條件都相同時(shí)，不經(jīng)過阻燃處理的木材的有效燃燒熱基本上也是相同的。

(5) 木材在經(jīng)過阻燃處理后，其燃燒的時(shí)間會(huì)增加，但是燃燒峰值出現(xiàn)的時(shí)間會(huì)推后，總的燃燒時(shí)間加長，質(zhì)量減輕和損失也會(huì)降低，成碳量會(huì)明顯增加，這也就是達(dá)到木材阻燃目的的主要途徑之一，即提高木材成碳量。

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Study on combustibility of different wood and efficiency of fire-retardant treatment

XU Hong-jin
(Yunnan Fire Corps of Armed Police, Wenshan 663700, Yunnan, China)

In order to effectively prevent and control the fire caused by wood materials, it is necessary for us to analyze and study different kinds of woods’ burning performance. By using cone calorimeter, various woods’ burning performance were tested, the effective heat of combustion in the combustion process, heat release rate and total heat released and other related data were obtained,thus the studies of wood combustion degradation and flame retardant were carried out.

wood; burning; flame retardant; non-flame-retardant

S781.73

A

1673-923X(2012)08-0141-04

2012-05-06

云南省林業(yè)消防中心資助項(xiàng)目(2010-3010)

徐洪錦(1979—)，男，云南宣威人，工程師，碩士，主要從事消防安全、滅火救援等方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]