基于锥形量热仪的不同形态木质材料的燃烧特性分析1)

杜安磊　　　　　李健男　　黄彦慧　黄琼涛　　徐伟

(广东省宜华木业股份有限公司，汕头，515834)　　(南京林业大学)　　(广东省宜华木业股份有限公司)　　(南京林业大学)



基于锥形量热仪的不同形态木质材料的燃烧特性分析1)

杜安磊李健男黄彦慧黄琼涛徐伟

(广东省宜华木业股份有限公司，汕头，515834)(南京林业大学)(广东省宜华木业股份有限公司)(南京林业大学)

摘要采用锥形量热仪对3种木材不同形态试样的燃烧性能进行对比分析，获得了点燃时间、热释放速率、总热释放量等参数。结果表明：3种木材的粉末样点燃时间远小于其它形态样；颗粒样燃烧持续时间最短，燃烧更剧烈；粉末样时间最长，但热释放速率及热释放速率峰值均最低，同时产烟速率也最低；同种木材不同形态试样的热释放总量相差不大。组拼样燃烧试验的结果与标准样较接近，颗粒样和粉末样与之则有较大差异。

关键词木材；不同形态；锥型量热仪；燃烧性能

分类号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

锥形量热仪法因其试验结果与大型燃烧试验结果之间具有很好的相关性，越来越广泛地被应用在火灾科学、消防工程、材料阻燃等领域，现已成为国际公认的研究材料真实燃烧过程的权威方法[1-5]。但利用锥形量热仪进行木材燃烧测试时其影响因素较多，如试样的含水率、厚度、密度、试样形态、环境温湿度等。就试样形态要求而言，根据ISO 5660-1:2002《对火反应试验热释放、产烟量及质量损失速率第1部分：热释放速率(锥形量热仪法)》中待测制品的表面特性相关规定[6]：待测制品的暴露表面基本平整，即一般为100 mm×100 mm暴露面积的标准试样，而当实际情况遇到难以提供或者不能提供满足其规定的标准试样制品时，继而提出另外两种要求：①在暴露的100 mm×100 mm面积内至少有50%的表面与暴露表面最高点所组成的平面间的距离在10 mm以内；②对于含有宽度不超过8 mm，深度不超过10 mm裂纹、缝隙或孔洞的表面，其裂纹、缝隙或孔洞的总面积不得超过代表性的100 mm×100 mm暴露面积的30%。与规定的标准试样不同时，针对其燃烧性能有无差异或差异大小的研究还未见报道。因此，笔者选取了木制品加工企业里3种具有代表性的木材——杉木、水曲柳、木荚豆，分别制备了满足上述情况的几种常见形态试样，即标准样、组拼样、颗粒样、粉末样，采用锥形量热仪对其燃烧性能进行对比分析，旨在探讨不同形态木质材料的燃烧性能差别，为利用锥形量热仪法评价木质材料燃烧性能遇到不能提供标准燃烧试样(即100 mm×100 mm)的实际情况给予理论参考。

1材料与方法

1.1材料

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)：气干密度约0.377 g/cm3，产自江西。水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)：气干密度约0.768 g/cm3，产自东北。木荚豆(Xyliaxylocarpa(Roxb.) Taub)：气干密度约1.008 g/cm3，产自缅甸。

1.2仪器设备

采用英国FTT公司生产的标准型锥形量热仪(型号Dual Cone Calorimeter)、电子天平、万能粉碎机等。

1.3方法

材料经去缺陷挑选后，制备了所需的不同形态单体，并按标准规定条件养生调质，绝干法测得含水率均为11%～12.5%，不添加任何胶黏剂及助剂，利用各单体分别制作了5种不同形态的试样(见表1、图1)。

表1　不同形态试样及其制备方法

A.标准样b.三拼样c.五拼样d.颗粒样e.粉末样

图1不同形态试样图例

试验按照ISO 5660标准进行。试验热辐射功率为50 kW/m2，对应温度为780 ℃的外部点燃条件，未采用不锈钢丝网；标准样、三拼样、五拼样均采用铝箔封闭底部及侧面处理，而颗粒样和粉末样由自制试样铝盒盛放。试验时各形态试样暴露面与辐射锥下边缘的距离均控制为25 mm。每种形态试样平行试验5次，取平均值进行分析。

2结果与分析

3种木材不同形态试样的主要燃烧性能测试值如表2所示。

表2　3种木材不同形态试样的主要燃烧性能测试值

注：以上数据取自试样点燃到熄灭时间段。

2.1不同形态试样对点燃时间的影响

从表2可以看出，对于3种木材的不同形态而言，粉末样的点燃时间均最短，且远远低于其它形态样的点燃时间。这是因为粉末样的组成单体相比最小，达到使其热分解的温度和时间最短；而其它形态的试样表面热量积累后向内部扩散较慢，所以点燃时间更长。总的来说，杉木、水曲柳的标准样、组拼样和颗粒样点燃时间相差不大，而木荚豆的颗粒样明显比标准样和组拼样短，这可能与其材性有关,与杉木和水曲柳有别的是木荚豆属含油脂丰富类木材。

2.2不同形态试样对热释放速率和热释放速率峰值的影响

热释放速率是指材料单位面积燃烧释放热量的速率，单位为kW/m2。锥形量热仪可给出材料燃烧过程中热释放速率随时间的动态变化，热释放速率的最大值即为热释放速率峰值。

如图2—图4所示，3种木材的粉末样点燃时间最短，燃烧初期热释放速率增大更迅速；但其燃烧持续时间长，燃烧态势缓慢，热释放速率峰值相对更低，尤其是第二个热释放速率燃烧峰值比其它形态试样更晚出现。这可能是由于粉末样在试样制作过程中压紧密实，使得燃烧过程中热量往试样内部单向传递累积，而内部分解产生的可燃性气体无法进入燃烧区，致使一段时间内的燃烧处于类似于“阴燃”的小火燃烧状态；但燃烧达到某种程度后，随聚积的热流冲击会出现一种“轰燃”现象。而标准样和组拼样燃烧时会出现应力开裂的现象，均不会出现这种“轰燃”现象。3种木材5种形态的试样中，颗粒样燃烧产生的第一个热释放速率峰值均最大，前后两个热释放速率峰值间隔时间最短，表明颗粒样燃烧最剧烈。这是因为颗粒样之间的缝隙大，燃烧过程利于热量向内层传递，同时可燃性气体更容易释放出来；而其它形态试样则会由于表层燃烧后形成炭层使得进一步燃烧受阻[7-9]。另外，尽管试样形态不一样，但杉木的热释放速率峰值均相应出现在第一个燃烧高峰，水曲柳和木荚豆则在第二个燃烧高峰时达到。含油脂丰富的木荚豆燃烧时热释放速率及热释放速率峰值仅略高于杉木，比水曲柳低，并非是想像中由于含油脂丰富而燃烧会更加剧烈。

图2　杉木不同形态试样的热释放速率曲线

图3　水曲柳不同形态试样的热释放速率曲线

图4　木荚豆不同形态试样的热释放速率曲线

2.3不同形态试样对热释放总量的影响

热释放总量是指单位面积的试样完全燃烧后所放出热量的总和，单位为MJ/m2。表2列出了3种木材不同形态试样的热释放总量值，其中粉末样的热释放总量较其它形态试样略小。总的来说，同种木材不同形态的热释放总量基本相同，是因为每种形态试样燃烧的质量损失相差不大；3种木材在热释放总量从大到小依次为木荚豆、水曲柳、杉木。

2.4不同形态试样对烟生成速率的影响

图5—图7为3种木材不同形态试样燃烧的产烟速率曲线，其与热释放速率有着很好的对应关系。可知，杉木和水曲柳的颗粒样烟生成速率明显高于其它形态样，说明燃烧的剧烈程度不但影响着质量损失的快慢，也决定了烟尘的产生速率。从表2可以看出3种木材中粉末样的产烟总量要稍低于其他形态试样的产烟总量，粉末样燃烧持续时间最长，因此其产烟速率最低。

图5　杉木不同形态试样的产烟速率曲线

图6　水曲柳不同形态试样的产烟速率曲线

图7　木荚豆不同形态试样的产烟速率曲线

参考文献

[1]LI Yingwei， PENG Jinhui， LIU Bingguo， et al. Prediction model of ammonium uranyl carbonate calcination by microwave heating using incremental improved Back-Propagation neural network[J]. Nuclear Engineering and Design，2011，241(5)：1909-1913.

[2]张学工.关于统计学习理论与支持向量机[J].自动化学报，2000，26(1)：32-42.

[3]张国忠.智能控制系统及应用[M].北京：中国电力出版社，2007：88-90.

[4]BENNETT K P， CAMPBELL C. Support vector machines: hype or hallelujah[J]. ACM SIGKDD Explorations Newsletter，2000，2(2)：1-13.

[5]李延军，唐荣强，鲍滨福，等.高温热处理杉木力学性能与尺寸稳定性研究[J].北京林业大学学报，2010，32(4)：232-236.

[6]黄细霞.基于支持向量机的建模方法及其在材料加工中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2008：15-19.

收稿日期：2015年9月6日。

作者简介：第一杜安磊，男，1986年3月生，广东省宜华木业股份有限公司，助理工程师。E-mail：dal315@126.com。通信作者：黄琼涛，广东省宜华木业股份有限公司，高级工程师。E-mail：huangqt@yihua.com。

1)广东省宜华木业股份有限公司技术中心项目(2014RD04)；广东省科技计划项目(2012B091202015)。

责任编辑：戴芳天。