基于锥形量热法的常见人造木质板材燃烧性能研究

刘玲 刘义祥 邢政

随着我国经济的迅速发展和城市化进程的不断加快，建筑数量大幅度增加，建筑装修材料的选择也越来越多，其中人造木质板材凭借其成本低、易加工、耐久性好等优势，常被用来代替原木材料使用于装修中。发生建筑火灾时，人造木质板材是最主要的火灾荷载之一。由于人造木质板材是经过后期加工而成，在结构和性能等方面与原木材存在较大差别，因此对人造木质板材的燃烧性能进行深入研究，对木材材料的燃烧特性研究具有重要意义。

目前关于木材的火灾特性研究主要集中在利用锥形量热仪对木地板及天然木材的燃烧特性进行对比和分析。卢建国等[1]对香木、榉木、桦木、松木、柏木等木材采用锥形量热仪测定木材的热释放速率、烟密度等数值，发现普通木材燃烧时会形成两个释热峰;吴玉章等[2]采用锥形量热仪对杉木、杨木和马尾松的燃烧性进行了研究，同样也得到木材燃烧时有两个释热峰，以及失重和释热密切相关、木材碳化后烟气量最大的结果;张莹等[3]采用锥形量热仪研究了木材和高聚物材料的燃烧性能;张丽娟[4]采用锥形量热仪对实木板、三合板、多层板、高密度板、中密度板、低密度板的燃烧性能进行分析比较，得到实木板热释放速率、烟密度、火灾危险性相对最低。根据已有文献报道，现采用锥形量热仪对各类原木材的燃烧特性进行的研究已比较多，锥形量热法是较一般小尺寸燃烧性能测试方法更为全面综合的评价材料的燃烧性能的方法，锥形量热仪的参数和实验数据受外界干扰的因素相对较小，实验数据与全尺寸火灾实验中材料燃烧行为具有较好的相关性[5]，能够较为真实地模拟火灾环境，多角度全面评价材料燃烧性能。而经过加工以后的人造木质材料无论在结构还是性能各个方面都与原木材有较大区别，针对人造木质板材燃烧性能还缺少系统研究和横向对比。

本文利用锥形量热仪分析和傅里叶红外烟气分析仪等仪器对密度板、刨花板、细木工板和胶合板四种常见人造木质板材从点燃时间（TTI）、热释放速率（HRR）、火灾性能指数（FPI）、有毒气体等参数进行测定，分析其火灾危险性，有助于火灾调查人员分析火灾发展和蔓延情况。

1  实验部分

1.1  实验材料与装置

密度板、刨花板、细木工板和胶合板四种常见人造木质板材（市售），表面无裂缝、无瑕疵、无结疤、腐朽等缺陷;SXC-4-13C一体化程控高温炉;锥形量热仪，英国FTT公司;锥形量热仪配套的样品池（见图1）;WFT1200高温傅里叶红外多气体分析仪;点火器。

1.2  实验方法

将四种人造木质板材按ISO5660标准规定，分别制成100mm×12mm大小的试样，使用SXC-4-13C一体化程控高温炉模拟火灾条件对试样进行加热15min，加热温度分别为300℃、500℃、700℃、900℃，得到炭化试样。再将试样装入样品池中，置于加热锥中心下方25mm，调节热辐射通量为40kW/m2，用点火器点燃材料，产生的烟气通过气体分析仪进行检测CO、CO2、SO2、O2等组分的浓度变化，如圖2所示。电脑端连续记录数据，结合仪器数据采集软件，使用Origin8.0软件对数据进行分析绘图。为确保实验的准确性，每组样品进行了3～5组重复性实验。

2  实验结果与分析

2.1  点燃时间

点燃时间（TTI）能反映出材料在热辐射下燃烧的难易程度，是判断材料火灾危险性的重要参数。对此完成了5组平行实验，将获得的5组点燃时间数据求取平均数，结果如表1所示。可知四种板材中引燃最快的是细木工板，在约44s时被引燃。最难引燃的为刨花板，需要约140s，其余两者居中。点燃时间是判断材料火灾危险性的重要参数之一，在相同条件下，材料的点燃时间越短，越容易被引燃，其火灾危险性就越大[6]。这主要与板材的结构与密度有关，其中细木工板结构较稀松，密度较小，相对而言容易引燃，而刨花板结构致密，密度相对较大，较难引燃。

2.2  热释放速率

热释放速率（HRR）是评价材料燃烧性能的重要参数之一[6]。一般来说，热释放速率越大，反馈给材料表面的热就越多，从而使得材料的热解速度加快，产生更多的挥发性可燃物，火焰传播也相应加快，火灾危险性增大[7]。四种人造木质板材的热释放速率随时间的变化情况如图3所示。根据图3可以看出，在燃烧过程中，四种板材均出现两个热释放速率峰值，而且两个峰值之间存在一个稳定的燃烧阶段。其中胶合板出现热释放速率峰值最早，且第二个HRR峰值最高;细木工板两个HRR峰值没有太大变化;密度板第一个HRR峰值高于细木工板，第二个峰值则与细木工板近似;刨花板出峰时间明显滞后于其他板材，第一个HRR峰值高于第二个HRR峰值。

在相同的实验条件下，热释放速率的差异也主要是由材料的结构构成和密度决定的，变化情况与点燃时间基本相符。第一个热释放速率峰值是由着火初期材料热解产物快速燃烧形成的，随着材料表面不断热解炭化，形成的炭层有覆盖和隔热作用，减弱了热量向材料内部传递的速度，因而热释放速率减小。但随时间的延长，炭化层由于热作用而被破坏，露出下层未炭化材料，内部材料开始热解燃烧，从而形成第二个热释放速率峰值。

2.3  火灾性能指数

点燃时间（TTI）与pkHRR的比值（TTI/pkHRR）定义为火灾性能指数（FPI），可以综合评价材料潜在的轰燃威胁。FPI越大，轰燃发生的越晚，是设计消防逃生系统的重要时间依据[8]。FPI主要受燃烧初期行为的影响，与热释放速率性能不一定完全匹配。

试样FPI的数值计算结果如表2所示，其中pkHRR取较大的峰值。可以看出在同样的辐射热源下，四种人造木质板材的FPI值从大到小依次为0.726（刨花板）、0.308（密度板）、0.240（细木工板）、0.195（胶合板），即胶合板最先发生轰燃，其次是细木工板、密度板、刨花板。

2.4  烟气毒性

火灾发生时，可燃物燃烧会产生有毒烟气，CO和NO是主要的毒气气体，燃烧时烟气中毒性气体的浓度是衡量材料火灾危险性的重要参数。图4～7分别为四种常见人造木板燃烧产生的烟气中CO和NO相对O2的气体浓度随时间的变化曲线。

从图4中可以看出，密度板在33s左右开始燃烧，58s左右O2浓度开始下降达到峰谷浓度，同时NO浓度达到最大值26ppm，后续CO逐渐升高，当燃烧32min后，浓度达到峰顶192ppm。可见火灾现场存在密度板燃烧时产生CO更多，在扑救时要有针对性地准备应对CO的装备。

由图5可以看出刨花板58s时样品开始燃烧，O2浓度迅速下降到达峰谷，CO浓度迅速升高，100s时CO浓度第一次达到峰值368ppm，NO浓度达到最大值31ppm;在450s左右时O2浓度微微上升，CO下降至2ppm，NO下降至14ppm;至750s，O2浓度下降至第二个峰谷，NO上升至22ppm;1500～2000s时，CO浓度保持在157～168ppm之间。CO浓度同样远高于NO浓度。

由图6可知，细木工板在19s时开始燃烧，CO浓度迅速升高，燃烧经过41s后，O2浓度下降，生成的CO浓度第一次达到峰值72ppm，NO浓度达到87ppm;750s时，NO浓度达到最大值50ppm;O2浓度有所回升，直至260s，CO浓度降至18ppm，NO浓度降至27ppm;560s时，O2浓度到达峰谷，NO浓度上升至55ppm;200s后，CO浓度到达峰顶浓度为629ppm。由此看出，细木工板燃烧初期NO产量较大，燃烧中期CO、NO产量较少，燃烧后期，产生大量的CO，NO非常少。

由图7可以看出，胶合板在17s时开始燃烧，O2浓度下降，CO、NO浓度迅速升高;燃烧经过230s后，生成的CO浓度达到最大值170ppm;140s时，NO浓度达到最大值47ppm;在此之后CO、NO浓度随时间逐渐降低。由此看出，胶合板一旦被引燃，燃烧经过200s后CO等各种毒性气体释放量就可以达到峰值。

由上述可知，四种人造木质板材燃烧过程中CO和NO含量的变化曲线都存在两个峰值，同一种类板材燃烧初期NO产量较大，燃烧中期CO、NO产量较少，燃烧后期，产生的CO更多。从开始燃烧至毒性气体浓度达到峰值所需的燃烧时间，可以分析出材料燃烧危害性的相对大小，以含量最多的CO为例，密度板需32min（1920s），刨花板需1500～2000s，细木工板需200s，胶合板需230s，因此燃烧相对危害性由大到小依次为细工木板、胶合板、密度板、刨花板，其中细工木板和胶合板相差不大。

3  结语

（1）点燃时间由短到长依次为细木工板、胶合板、密度板、刨花板，火灾危险性逐渐降低。

（2）在燃烧过程中，四种人造木质板材均出现两个热释放速率峰值，而且两个峰值之间存在一个稳定的燃烧阶段。热释放速率峰值由大到小依次是胶合板、密度板、刨花板、细木工板。

（3）根据四种人造木质板材的FPI值，胶合板、细木工板、密度板、刨花板，轰燃危险性逐渐减弱。

（4）根据四种人造木质板材燃烧过程中CO和NO含量变化，燃烧烟气毒性由大到小依次为细木工板、胶合板、密度板、刨花板。

参考文献：

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Study on the combustion performance of

artificial wood-based board based on cone calorimeter

Liu Ling1， Liu Yixiang1，Xing Zheng2

（1.China People's Police University， Hebei  Langfang  065000;2.Hefei Municipal Fire Rescue Brigade， Anhui Province，Anhui  Hefei  230000）

Abstract：In the interior decoration of buildings， artificial wood panel is widely used in order to study the combustion performance of artificial wood panel. In this paper， four common artificial wood panels， density board， particleboard， joinery board and plywood， were studied. The ignition time （TTI）， heat release rate （HRR）， fire performance index （FPI）， toxic gas and other parameters of the four artificial wood panels were measured and analyzed by conical calorimeter. In this paper， conical calorimeter and Fourier infrared flue gas analyzer were used to analyze the combustion performance of four common artificial wood panels from the aspects of ignition time （TTI）， heat release rate （HRR）， fire performance index （FPI） and toxic gas. The results showed that： The lighting time from short to long is joinery board， plywood， density board， particleboard， the fire risk is gradually reduced; There were two peak heat release rates for the four kinds of artificial wood panels， and there was a stable burning stage between the two peaks， and the change was basically consistent with the lighting time. Flashover occurred in plywood first， followed by joinery board， density board and particleboard， and flashover threat gradually weakened. The variation curves of CO and NO contents in the combustion process have two peak values. For the same type of board， NO production is larger in the early stage of combustion， CO and NO production is less in the middle stage of combustion， and more CO is produced in the late stage of combustion. The relative hazards of combustion are particleboard， joinery board， plywood and density board in descending order.

Keywords：wood plate; cone calorimeter; heat release rate; fire hazard