細木工板燃燒熱解行為熱重試驗研究

2015年4月武警學(xué)院學(xué)報Apr.2015第31卷第4期JOURNAL OF CHINESE PEOPLE'S ARMED POLICE FORCE ACADEMYVol 31 No 4●消防理論研究細木工板燃燒熱解行為熱重試驗研究劉玲,劉義祥,戈劍,邢政(武警學(xué)院,河北廊坊065000摘要:利用熱重(TC)、微商熱重(DTG)分析法,在不同升溫速率條件下,對細木工板及其木質(zhì)原料試樣進(jìn)行了研究,并基于 Coasts- Refer法建立了主反應階段的反應動(dòng)力學(xué)模型。試驗結果表明,升溫速率對細木工板試樣熱解過(guò)程影響顯著(zhù),但對殘炭量無(wú)明昰影響;試樣熱解過(guò)程可以分為五個(gè)階段,其中第三階段為熱解主反應階段,該階段細木工板的表觀(guān)活化能為70.1kJ·mol-',木質(zhì)原料的表觀(guān)活化能為63.4kJ·mol;相對于木質(zhì)原料而言,膠黏劑的加入能夠在一定程度上抑制熱解反應,并增加成炭率。關(guān)鍵詞:細木工板;熱重;熱解;反應動(dòng)力學(xué)中圖分類(lèi)號:T653.5文獻標志碼:A文章編號:1008-2077(2015)04-0005-04目前,天然木材資源短缺現象日益加劇,而人造發(fā)展及蔓延過(guò)程,為準確認定起火部位提供理論參木質(zhì)板材可以充分利用木材的邊角廢料,提高木材考和依據。的利用率,所以各種人造木質(zhì)板材越來(lái)越多地被應用于建筑裝修當中,其中,細木工板是制造家具、門(mén)1試驗材料和方法板、壁板等的常用基材。細木工板又稱(chēng)大芯板,是由選用市售細木工板(主要成分為木質(zhì)原料和脲兩片單板中間膠壓拼接木條而成的,這種板材尺寸醛膠黏劑)及其木質(zhì)原料(主要成分為松木及少量其穩定,不易變形,使用方便,應用廣泛。但是一旦發(fā)他木質(zhì)材料)為試驗材料,粉碎后將其充分研磨呈粉生火災,它們也成為加劇火災發(fā)展和蔓延的主要載末狀并進(jìn)行篩分,粒徑為60~80目,在CS101-1E荷之電熱鼓風(fēng)干燥箱70℃溫度條件下烘干12h至恒質(zhì)目前,對木材及膠合板的熱解行為有一定程度量,放入干燥皿中待用。的研究1-5),主要集中在對天然木材的熱解理論、阻利用 Mettler TGa/sdta85le熱重分析儀對試樣燃處理等方面,但是對于細木工板的熱解行為及其進(jìn)行了熱分析試驗。測試條件為:樣品用量4~5與木質(zhì)原料的對比研究相對較少。本文應用材料熱mg,反應氣體為空氣,流量30mL·min1,保護氣為性能評價(jià)常用的熱重法(TG)和微商熱重法(DTG),高純氮氣,流量30mL·min-,升溫速率分別為10分析了細木工板在空氣氛圍下的熱解過(guò)程,與其木℃·min-1、20℃·min1、30℃·min,溫度范圍質(zhì)原料的熱解行為進(jìn)行了對比分析,并利用 Coats50~700℃。Redfern法進(jìn)行了熱解反應動(dòng)力學(xué)研究。研究細木工板的熱解行為,分析其燃燒性能,并與木質(zhì)原料的2試驗結果燃燒熱解特性對比,有助于火災調査人員分析火災2.Ⅰ升溫速率對熱重試驗的影響收稿日期:2015-02-06中國煤化工基金項目:公安部科技強警基礎工作專(zhuān)項項目“木質(zhì)裝修材料燃燒性能研究”CNMHG作者簡(jiǎn)介:劉玲(1978—),女,河北廊坊人,副教授;劉義祥(1970-),男,以漢又,又4)92—),女,河北滄州人,安全技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;邢政(1991—),男,山東文登人,消防材料學(xué)專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生?！段渚瘜W(xué)院學(xué)報》2015年第4期(總第228期)消防理論研究熱分析測量結果會(huì )因試驗條件的不同而有所差始分解溫度、反應區間外,一般還需考慮殘炭量這異,其中升溫速率是影響熱分析曲線(xiàn)的主要因素6。因素,由試驗結果可見(jiàn),不同升溫速率條件下,雖然在實(shí)際火場(chǎng)條件下,升溫速率也是影響可燃物熱解試樣反應終止溫度不同,但三組試樣殘炭量無(wú)明顯過(guò)程的主要參數之一,本文在升溫速率分別為10℃變化·min-、20℃·min-、30℃·min-的條件下,分2.2細木工板熱解過(guò)程分析析了細木工板試樣的TC曲線(xiàn)和DTG曲線(xiàn),分別如在10℃·min升溫速率,空氣氛圍條件下,細圖1、圖2所示木工板試樣的熱解曲線(xiàn)如圖3所示。20℃/min3℃mi=叫」000601t20030040050060070圖1不同升溫速率下的TG曲線(xiàn)圖3細木工板試樣熱解曲線(xiàn)隨著(zhù)試樣受熱溫度升高,細木工板熱解經(jīng)歷了10℃/mn20℃/min幾個(gè)不同階段,主要可以分為五個(gè)區域:第一區域是30℃/mn從50℃開(kāi)始到T1的部分,在該區域TG曲線(xiàn)出現小幅度下滑,DTG曲線(xiàn)出現第一個(gè)小峰,質(zhì)量損失約為1%,這主要是由于試樣開(kāi)始失去自由水而造成的;40004第二區域指T到T2的范圍,在此過(guò)程中TG曲線(xiàn)幾0006乎成一平臺,有微量失重,這個(gè)階段是細木工板中的纖維素發(fā)生解聚及“玻璃化轉變”現象的一個(gè)緩慢過(guò)0010程8;第三區域是從T到T3階段,該區域處于較低200300400500溫度段,為試樣熱解過(guò)程的主要階段,TG曲線(xiàn)下降溫度(℃)迅速,DTG曲線(xiàn)出現最大峰,在335℃左右失重速率圖2不同升溫速率下的DTG曲線(xiàn)達到最大值,主要是纖維素、半纖維素以及各種添加通過(guò)曲線(xiàn)分析可知,在10℃·min、20℃·物質(zhì)的熱分解;r3到T4階段為第四區域位于380min、30℃·min升溫速率條件下,試樣反應外推到533℃溫度范圍內處于較高溫度段,該反應溫起始分解溫度逐漸增大,分別為288℃、297℃、299度區間較寬試樣熱解速率明顯減慢峰值明顯小于℃,最大質(zhì)量損失速率的峰值溫度也相應右移,分別第三區域的峰值,這是因為該階段發(fā)生的是木質(zhì)素為335℃348℃、351℃,這主要是由于在快速升溫及其他炭化殘留物的分解,反應轉化率較小,質(zhì)量損的條件下,反應尚未來(lái)得及進(jìn)行,便進(jìn)入更高的溫失較小;第五個(gè)區域是指溫度高于T4的區域,在該度,因而形成了反應滯后現象。升溫速率較小時(shí),溫度范圍內,剩余殘留物分解緩慢,并在最后生成部DTG曲線(xiàn)峰形較窄,呈尖高狀,可以更好的分辨多階分炭和灰分。反應的各個(gè)反應階段,也有利于更為準確地確定峰由細木工板的熱解計程可知作為生產(chǎn)生活中值溫度,從而分析最大失重速率所對應的溫度,因此的常見(jiàn)可燃中國煤化于火場(chǎng)溫度較在對細木工板試樣熱解過(guò)程分析中采用10℃·低,細木工板CNMHG是隨著(zhù)火場(chǎng)溫mn的升溫速率。分析物質(zhì)的熱穩定性除考慮初度的升高,細木工板中水分揮發(fā)完全,開(kāi)始發(fā)生熱分劉玲,等:細木工板燃燒熱解行為熱重試驗研究解反應,且在335℃達到其燃點(diǎn),板材熱解迅速,在510℃基本分解完畢,殘炭量?jì)H為4.98%。2.3細木工板及其木質(zhì)原料熱解過(guò)程對比細木E板在10℃·min升溫速率,空氣條件下,細木工板及其木質(zhì)原料試樣的TG、DTG曲線(xiàn)分別如圖4、圖0.0065所示。0.010木質(zhì)原料一溫度(℃)圖5細木工板及其木質(zhì)原料DTG曲線(xiàn)木質(zhì)原料細木工板由上圖可以看出,細木工板及其木質(zhì)原料的熱解過(guò)程基本一致,但是由于細木工板和其木質(zhì)原料的理化性質(zhì)不同,兩種試樣的熱解行為特征參數還是有所區別,試樣熱解行為特征參數見(jiàn)表1。溫度(℃)從表1可知:就反應區間而言,從起始和終止分圖4細木工板及其木質(zhì)原料TG曲線(xiàn)解溫度可以看出,細木工板與木質(zhì)原料相差不大,細表1細木工板和木質(zhì)原料熱解行為特征參數比較起始溫度終止溫度峰值溫度/℃試樣種類(lèi)失重率/%/℃低溫段高溫段低溫段高溫段總失重率細木工板173.17527.83335.67487.3326.41木質(zhì)原料499.50475.3369.1597.53木工板終止溫度略大于木質(zhì)原料,這說(shuō)明細木工板 Redfern法是積分法的一種,所求解出的動(dòng)力學(xué)參數分解反應持續時(shí)間較長(cháng);峰值溫度是指試樣燃燒過(guò)是在某個(gè)選定的積分溫度段內的平均值。由圖3中程中質(zhì)量損失最大點(diǎn)所對應的溫度,失重率則反映DTC曲線(xiàn)可見(jiàn),細木工板在空氣氣氛下分兩個(gè)階段了材料的燃燒速度,細木工板在低溫段和高溫段的失重,其熱解應符合雙階段一級反應模型,當反應級峰值溫度均高于木質(zhì)原料,失重率則小于木質(zhì)原料,數n=1時(shí), Coats- Redfern方程為:且低溫段相差較大,這說(shuō)明細木工板燃燒速度相對AE(1-27nn(-a)l=ln「ARE較慢,熱穩定性較強;從總失重率可以看出,兩種試TE樣殘炭量較少,細木工板總失重率略低于木質(zhì)原料式中,a為t時(shí)刻材料的失重百分率(%),T為反應說(shuō)明細木工板的穩定性略好于木質(zhì)原料。其原因是溫度(K),B為升溫速率(計算中取值為20K由于細木工板中膠黏劑的添加,降低了板材中可燃min-),A為指前因子(min-),E為活化能(kJ揮發(fā)組分的釋放溫度,且膠黏劑中含有一定量的氮in1),R為摩爾氣體常量。元素化合物,起到抑制燃燒、增加殘炭的作用,使細由于對一般的反應溫區和大部分的E值而言木工板較其木質(zhì)原料有一定的耐燃性,同時(shí),膠黏E/RT>1,則(1-2RT/E)≈1,所以方程右端第項幾乎為常數。令x=1/T,當n=1時(shí),y=劑的存在在一定程度上增加了木材的成炭率。In(1-a)則動(dòng)力學(xué)方程可簡(jiǎn)化為y=a+3細木工板熱解反應動(dòng)力學(xué)分析bx,通過(guò)計算對于生物質(zhì)熱分解動(dòng)力學(xué)的研究,已經(jīng)有不少中國煤化工ER,截距為AR學(xué)者提出了模型,其中 Coasts- Redfern法在大分子CNMHG別求得E和化合物分解動(dòng)力學(xué)方面的應用較為廣泛。 Coats7《武警學(xué)院學(xué)報》2015年第4期(總第228期消防理論研究對試樣主反應區的熱解動(dòng)力學(xué)參數進(jìn)行了求的加入在一定程度上能夠抑制熱解反應,并增加成解,其結果如表2所示。炭率由表2可以看出,線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數均在0.99以上,說(shuō)明反應符合一級反應機理模型。一般參考文獻:來(lái)說(shuō)活化能越小,反應越容易,指前因子越大,活化1]LUNA. Modelling the Thermal Decompositions of Wood表2主反應階段熱解動(dòng)力學(xué)參數and Leaves under a Nitrogen Atmosphere [J]. Fire and板材種類(lèi)溫度范圍活化能,指前因子Materials,1998,(22):103-10kJ·mol相關(guān)系數2] Christopher Y H Chao. Comparison of the Thermal Decom細木工板260~38070.13.05E+99634osition Behavior of a Non-Fire Retarded and a Fire re-木質(zhì)原料37063.49.21E+060.99171tarded Flexible Polyurethane Foam with Phosphorus and分子間的有效碰撞次數越多,反應能力越強,反應程Brominated Additives [J].Journal of fire science, 2001度越劇烈。生物質(zhì)的熱解是一個(gè)非常復雜的物理化(19):137-156學(xué)變化過(guò)程,目前一般認為其熱解行為是纖維素、半[3]沈德奎,余春江,方夢(mèng)祥,等.熱輻射下常用木材的動(dòng)力學(xué)與燃燒特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2008,14(5):446-纖維素和木質(zhì)素這三種主要組分熱解行為的綜合表現6。在主反應階段,相對于木質(zhì)原料而言,細木工[4]黃志義,馮永順,于志明,等.楊木創(chuàng )花板的熱解動(dòng)力學(xué)板的活化能較高,指前因子較小,說(shuō)明細木工板在該分析[冂].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2012,32(5):84-87階段的反應相對比較緩和,也進(jìn)一步說(shuō)明了膠黏劑[5]李社峰火場(chǎng)可燃物熱解特性著(zhù)火研究[D].杭州:浙江對于細木工板的燃燒具有一定的抑制作用。大學(xué),2006[6]武書(shū)彬木質(zhì)纖維生物質(zhì)及其組分的理化特性與熱解規4結論律[M].北京:科學(xué)出版社,2013.4.1隨著(zhù)升溫速率的增大,細木工板試樣熱重曲線(xiàn)[7]劉振海.熱分析與量熱儀及其應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011會(huì )出現反應滯后現象,但熱解反應整體趨勢及殘炭8]廖艷芬.纖維素熱裂解機理試驗研究[D].杭州:浙江大量無(wú)明顯變化學(xué),200342細木工板的熱解過(guò)程可以分為五個(gè)階段,每個(gè)[9]岳海玲,楊守生,創(chuàng )花板及其木質(zhì)原材料燃燒熱解特性階段對應不同的物理化學(xué)變化,其中第三區域是主對比試驗[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,2(1):47-51反應階段,失重速率峰值溫度為335.67℃4.3試樣反應符合雙階段一級反應機理模型,主反(責任編輯馬龍)應階段細木工板的活化能為70.1kJ·mol-,膠黏劑a Kinetic Study on the Pyrolysis of BlockboardLIU Ling, LIU Yi-xiang, GE Jian, XING ZhengThe Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China)Abstract The thermo-decomposition of block board and its wood raw materials is analyzed by thermo-gravimetricTG)and derivative thermo-gravimetric(DtG)at different heating rates, and the kinetic model of main reactionis set up by Coasts -Redferns way. The results show that heating rate affects the thermo-decomposition obviouslywhile the effect on the residual charcoal is small; the thermo-decomposition procedure can be divided into five stages,and the third section is the main reaction, the degradation activation energy of block board is 70. 1 kJ. molwhile the degradation activation energy of the wood raw materials is 63 4 kJ mol-, relative to the wood raw mate-rials, the adhesive can suppress the pyrolysis of block board, and increase the char yieldKey words: block board; thermo-gravimetric(TG); thermo-decomg(DTC). L中國煤化工CNMHG8