常用實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)的熱重分析

消防理論研究常用實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)的熱重分析殷飛12,3,朱國慶23(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州22116;2.中國礦業(yè)大學(xué)消防工程研究所,江蘇徐州22116;3.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇徐州221116)摘要:采用熱重分析法對35種常用實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生保護,以10℃/min升溫速率從10℃升至1000℃并保物質(zhì)的熱解過(guò)程進(jìn)行研究,確定其失重規律、著(zhù)火溫度和燃燒溫2min,實(shí)驗結束后經(jīng)恒溫水浴降至室溫。樣品質(zhì)量5動(dòng)力學(xué)方程,并對比分析針葉樹(shù)類(lèi)和闊葉樹(shù)類(lèi)生物質(zhì)的失重規~6mg,天平精度1.0×10‘g。參比物質(zhì)為a-Al2O3。律。DTA曲線(xiàn)顯示大多教試樣著(zhù)火溫度比分解溫度高20~30表1樣品種類(lèi)及質(zhì)量統計℃。結果表明:常用實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)的失重分為脫水、木材平均質(zhì)量/mg木質(zhì)名稱(chēng)平均質(zhì)量/mg穩定、快速失重和慢速失重4個(gè)階段;其熱解機理滿(mǎn)足一階反白松紅花檻木5.3應動(dòng)力學(xué)方程,在高溫區域,活化能和頻率因子擬合方程相美油松系數接近1;活化能約為65~85kJ/(mol·K),而頻率因子變紅松5.5楂木5.4化范圍較大。為室內火災特性的研究提供基礎數據。樟子松5.4椴木關(guān)鍵詞:木質(zhì)美生物質(zhì);家具;燃燒特性,著(zhù)火溫度;熱重鐵杉5.4榆木分析5.5中圖分類(lèi)號:X9134,TK121文獻標志碼:A水杉5.4黑擅5.1文章編號:1009-0029(2014)09-0995-04銀杉普通檀木5.4銀杏木香樟我國提出加快城市化和小城鎮化建設步伐的舉措,水曲柳黃連木將進(jìn)一步促進(jìn)住宅建設,為各類(lèi)家具提供了發(fā)展空間。樺木5.7揀木5.2實(shí)木家具因其自然的材質(zhì)、天然、無(wú)化學(xué)污染的特性,迎5.1絲棉木合現代都市人崇尚自然的心理將得到廣泛的使用。5.4花旗木5.4實(shí)木家具的使用,加大了室內可燃物的載荷給建筑楊木5.1紅棒木5.7物的防火安全留下了火災隱患。目前,國際上許多國家槐木松楊木都在對室內材料的火災特性展開(kāi)研究并建立火災數據刺槐5.7皂角木庫,而我國相關(guān)研究機構和高校較少起步晚,對火災材[楓木56泡桐5.3料特性等方面的研究數據較少。筆者對常用實(shí)木家具木2實(shí)驗結果與分析質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)進(jìn)行熱解特性研究得到相對應的著(zhù)火溫度,2.1著(zhù)火溫度分析擴展了對實(shí)木家具燃燒特性的研究,為生物質(zhì)的特性研采用TG-DTA曲線(xiàn)能確定試樣著(zhù)火溫度,如圖1究和火災危險性提供了基礎數據。所示。從DTA曲線(xiàn)最初急劇上升點(diǎn)D作垂線(xiàn),交TG曲1實(shí)驗部分線(xiàn)于C點(diǎn),在該點(diǎn)作切線(xiàn),交過(guò)A點(diǎn)水平線(xiàn)于B點(diǎn),B點(diǎn)1.1實(shí)驗樣品所對應的溫度即為著(zhù)火溫度。試樣的各類(lèi)溫度如表2所采用35種長(cháng)江中下游地區常用實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生示,可以看出:物質(zhì)。將樣品用植物粉碎機粉碎,分樣篩篩分出100目(1)大多數試樣著(zhù)火溫度比分解溫度高20~30℃,以上的樣品粉末至干燥箱內50℃環(huán)境下干燥3h,并裝小部分試樣著(zhù)火溫度低于分解溫度。入磨砂口玻璃瓶。樣品種類(lèi)及質(zhì)量如表1所示。(2)木材著(zhù)火溫度約為250~270℃,針葉樹(shù)類(lèi)與闊1.2實(shí)驗條件葉樹(shù)類(lèi)的著(zhù)火溫度相差不大實(shí)驗儀器采用ZCT-A/B型綜合熱分析儀,升溫速(3)木材的T(外延起始溫度)可表示木材的穩定度:0.1~100℃/min,溫度范圍:0~1200℃,符合JB/T性,可以看出木材的穩定溫度約為320℃。針葉樹(shù)類(lèi)的6856-93《中華人民共和國機械行業(yè)標準》要求。溫度大部分約在300℃;闊葉樹(shù)類(lèi)的T。普遍高于針葉樹(shù)反應氣氛為空氣氣氛,實(shí)驗前30min進(jìn)行恒溫水浴類(lèi)T。中國煤化工CNMHG基金項目:江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2013111);江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設工程項目(PAPD)防科季與披術(shù)2014年9月第33卷第9期100明顯的吸熱峰溫度約為400℃,各類(lèi)試樣相差很大。DTA02004006008002004006008001000圖1著(zhù)火溫度測定方法圖表2試樣根據TG-DIA曲線(xiàn)所得到的各類(lèi)溫度(a)钅葉樹(shù)類(lèi)20°分解著(zhù)火解著(zhù)火水曲柳烏木木材T/℃溫度溫度木材|T./C溫度溫度/c/C/℃白松32084204269株木2894258428584油松32.228194楂木30.521.7|267.3在根木二腳紅343.7273.3271.1椴木|320.3257256.1樟子松431.1269.9272.4榆木309.3|263.0280.6煅木02004006008001000鐵杉|33.6265.1273.5烏木480.9257.0251.4枇杷木溫度℃香杉|313.5273.3282.3黑檀|436.5243.2260.4(b)闊葉樹(shù)類(lèi)水杉|304.6257.4|24.0普通檀木361.4253.5241.9圖2各類(lèi)試樣的TG曲線(xiàn)銀杉306.2265.6269.4香樟304.2253.2241.610銀杏木319.5258.2|250.4黃連木|403.3|259.1247.5水曲柳435.722.621.8楝木415.625.2126.4樟子松樺木447.7252.2253.1絲棉木434.5251.8246.2二櫟木318.3251.4247.5花旗木306.7257桑木|314.7246.2247.5紅櫸木301.8260.4280.60[楊木3:5241.12733松楊木36.8250.915槐木463.5262.5282.2皂角木290.9259.1247.52004008001000刺槐301.0250.1256.5泡桐313.3|257.8|284.1溫度℃楓木436.5260.8271.1枇杷木324.8|25.21|221.17(a)針葉樹(shù)類(lèi)10紅花橙木3432544245水曲柳烏木般木材中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素約占質(zhì)量的02%和30%單纖維素在2330c分解維1槐木素在325~375℃分解,木質(zhì)素在310~400℃分解。由圖2可以看出木材的熱解變化大致可分為4個(gè)階段,第紅花權木一紅階段為脫水階段,溫度范圍為10~100C,約占總重的b80情木5%~8%;第二階段為穩定階段,溫度范圍為100~25002004006008001000C,木質(zhì)的質(zhì)量基本不發(fā)生變化;第三階段為快速失重階溫度/C(b)闊葉樹(shù)類(lèi)段,溫度范圍為250~350℃,試樣中的半纖維素發(fā)生分圖3各類(lèi)試樣的TDA曲線(xiàn)解,試樣質(zhì)量急速降低,約占總重的50%;第四階段為慢2.2燃燒動(dòng)力學(xué)分析速失重階段,溫度范圍為350~500℃,如圖2所示。此試樣總的變化質(zhì)量如式(1)所示。階段有兩個(gè)不同下降趨勢,根據試樣的不同,部分試樣前△WW者不明顯,此時(shí)纖維素和木質(zhì)素發(fā)生分解,此階段相對于則試樣在任一時(shí)刻的轉化率如式(2)所示?？焖偈е仉A段下降速率有所減緩。由圖3可以看出,木材大致有明顯的放熱雙峰,后V中國煤化工(2)個(gè)峰值大于前一個(gè)峰值。各類(lèi)試樣的第一個(gè)峰值溫度約式中:W。為CNMHG樣最終質(zhì)量,mg;為330℃,第二個(gè)峰值約為470℃。雙峰之間存在不太W,為某一時(shí)刻試樣的質(zhì)量,mg。996Fire Science and Technologymber 2014, Vol 33, No 9根據質(zhì)量作用定律,如式(3)所示試樣的燃燒動(dòng)力學(xué)參數如表3所示。d=k(1-a)da(3)以y對x在失重最劇烈的階段作圖,可計算反應的活化能E與頻率因子A.對高溫和低溫區域進(jìn)行擬合式中:k為反應速度常數取k=Ae(A為頻率因子;E發(fā)現高溫區域擬合曲線(xiàn)方程相關(guān)系數接近1,低溫區域為活化能;R為氣體常數R=8.314J/(mol·K);T為絕擬合方程相關(guān)系數接近0,部分試樣無(wú)法線(xiàn)性相關(guān),得出對溫度);n為反應級數取n=1;t為反應時(shí)間將k=Ae那M代入式(3),可得式(4)。以下結論:木材的活化能普遍為約65~85kJ/(mol·K);高溫區域400~600℃,相關(guān)系數接近于1,斜率約為9~r”]-(-E)]+R7(10;低溫區域線(xiàn)性相關(guān)不明顯,相關(guān)系數接近0;頻率因子取7:y=-ln/-血n(InA差別很大,數量級范圍約為3結論aRTE)m=R·式(4)可轉變成式(5)(1)樣品失重一般分為脫水、穩定、快速失重、慢速失衰3試樣燃燒動(dòng)力學(xué)參數表名稱(chēng)溫度范圍/℃擬合方程E名稱(chēng)「溫度范圍/℃擬合方程502~606y=10.21x-3.564.02×1084.88527~606y=4.84x+47240.23紅花檵木340~350y=15.86x-28.94.03×101787.96304~3258.1×10y=8.73x-1.474.3×10572.58546~5982.27×10679.73油松315~348y=555x-1.442.66×1054617)株木y=2.632x+6526-609y=10.51x-4177.62×10533~598=894x-1.7685.99×10574.32紅松3435y=5.6x-0.38062×104655336~350=8.89x-82.87×1087391樟子L535~609y=8.52x-0.6551.89×10570.83y=9.1x-2.165×10575.63332~347y=7.602x-6.45.02×1076302)榆木24~346y=6.81x-4.1854.96×1055657鐵杉55-617y=8.908x-1.3684.02×10574.065x6-55s=67x+1.46鳥(niǎo)木334-350y=6.041x-1.683.65×10522316~336y=4.72x+0.1634.65×10439.21552-606y=10.329x-4.06.35×10°85529~595y=4.82x+5.3629333733-5.6582.31×107160.97黑檀315~342y=3.85x+3.181931526~591y=7.72x-09.39×10464.18531~595y=8.59x-1.3853.95×10571.42水杉檀木317~343y=5.354x-0,9131.52×1054.5335~348y=7.04x-25.76×105561~602y=9.363x-2.551.36×10677.84531~588y=10.4x-4.71.28×1086.46香樟319~3397.43x-7.431.37×10861.77335~352y=5.82x-1.482.89×10548.49571~606y=7.79x+0.038.9×10銀杏木7~331y=6.04x-5.041.1×1075328連木534-83y=8.18x-0.8325~341722.87×10507~591y=7.81x-0.029.27×1064.93534~5988.262x-0.651.83×1068.69水曲柳330~350y=804x-9249.43×10669.91樺木1323202×01s人;912=2-a(-17xa534~606y=6.781x+1.5171.78×1045638y=8.48x-82.74×10870537~602y=7x+1.1292.7×105820旗}505-606y=10.45x-3.95.77×10686.88321~335y=7.82x-9.1427.96×1065.02362~406=2.98x+9.652.5824.77529~609y=4.952x+4.4773641.17526~598y=10.08x-3.463.6×10683.80桑木紅樺333-347y=10.483x-16.772.15×101287.16333~3497.69x-6.113.8×10530~606y=8.293x-0.9922.59×10568.948537~588y=769x-0.21.1×10563.93松楊木318~33y=14.24x-27.811.78×1018.39309~33y=7.86x-9.51.14×10965.34515~609y=7.744x+0.358|6.3×1026~588y=8.67x-1.64.9×10572.08槐木皂角木331~350y=8.28x-82.69×10668.84324~344y=6.08x-3.141.57×10550.5530-342y=:82x-8.484.12×1065027480-69534~598y=7.44x+0.415.8×10461.85=9.14x-1.725.8×10575.99刺槐中國煤化工53-61-8.031-31×10ICNMHG楓木枇杷木322~346y=6.95x-5.62.0×10757.78305~335=5.43x-1.73.37×10545滴防科季與披術(shù)2014年9月第33卷第9期997重4個(gè)階段,溫度范圍分別為:常溫~100、100~250、250科技信息·~350、350~500℃。(2)通過(guò)對實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)TG一DTA曲線(xiàn)美國綠色環(huán)保型建筑物火災研究進(jìn)行分析,發(fā)現實(shí)木家具木質(zhì)著(zhù)火溫度約為250~270℃;一般有明顯的放熱雙峰和一個(gè)不太明顯的吸熱峰,溫來(lái)自美國伍斯特理工學(xué)院(WPI)的消防工程度分別約為300、470、400℃研究人員致力于考察綠色環(huán)保型建筑物存在的消防安全隱患。美國國土安全部投資100萬(wàn)美元支3)通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析,得到了實(shí)木家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)的熱解反應動(dòng)力學(xué)參數,得到了各類(lèi)試樣的活化能和頻持該研究項目。研究項目自2013年8月開(kāi)始,將率因子的關(guān)系式,采用了一階自然對數進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。于2016年7月完成。其研究目標為找到降低導致消防員與居住者死傷的、可能與綠色環(huán)保型建高溫區域燃燒動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)擬合較好,相關(guān)系數接近1;低筑物相關(guān)因素所導致的潛在火災威脅。溫區域線(xiàn)性相關(guān)不明顯,相關(guān)系數接近0。研究發(fā)現實(shí)木研究人員考察了美國火災事故數據報告與馬家具木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)活化能約為65~85kJ/(mol·K),而薩諸塞州火災事故調查報告,利用收集到的相關(guān)頻率因子變化較大。數據將綠色環(huán)保型建筑物與傳統建筑物進(jìn)行對比參考文獻分析。該研究項目同時(shí)提出對綠色環(huán)保型建筑物[]蒲舸雷強徐鵬板材類(lèi)生物質(zhì)燃燒及動(dòng)力學(xué)特性熱重研究[J.環(huán)的消防策略修正建議、相關(guān)培訓建議及規范與標準的修訂意見(jiàn)等。境工程學(xué)報,2012,(7):2431-2436[2]孫蘭軍,李?lèi)?ài)民,李潤東,等.常用木質(zhì)家具材料在不同氧濃度下的李艷艷供稿熱分析[J].火災科學(xué),2004,(1):43-4[3]趙翠,袁樹(shù)杰,何明霞.幾種典型木質(zhì)地板材料的熱重比較實(shí)驗研究Abstract: The pyrolysis characteristics of 35 species of lignocel[冂].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(6):37-41.lulosic biomass of solid wood furniture in common use were[4]顏龍賈曉林夏云春等.含阻燃涂料的裝飾材料熱穩定性的熱重tudied by the thermogravimetric analysis method. The gravity法研究[冂].青島科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,32(4):390losing, the ignition temperature and dyrquation of these394species were worked out respectively in the experiment and the[5]杜海清,王晶,白雪峰.木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)熱解過(guò)程的熱重分析研究[門(mén). contract analysis of coniferous and broadleaf biomass was giv黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2008,25(1):85-89n. The ignition temperature of most sample was 20-30 C[6]GB/T16734-1997中國主要木材名稱(chēng)[S]higher than the decomposition temperature. The result showed門(mén)]梁天白,周又玲,徐國華,等.差熱一熱重一微機聯(lián)用系統[.華東 that the weight loss process of lignocellulosic biomass of solid化工學(xué)院學(xué)報,1989,(2):197-204.wood furniture in common use was composed of dehydration[8】陳戈萍張思玉,王紅干.馬尾松針葉失重及煙氣的紅外光譜[J.消 stabilization, rapid weight loss and slow weight loss: The py防科學(xué)與技術(shù),2013,32(11):1189-1192rolysis mechanism of lignocellulosic biomass was suitable for[9高亞萍幾種松木在不同條件下的熱解失重研究門(mén)消防科學(xué)與技 first order kinetics equation and the correlation coefficient in the術(shù),2013,32(11):1196-1199fitting equation of activation energy and frequency factor ap-[10]施海云,王樹(shù)榮,方夢(mèng)祥,等典型火災可燃物生物質(zhì)熱失重特性比 proaches 1 approximately. The activation energy of lignocellu-較研究[.消防科學(xué)與技術(shù),2005,24(1):9-14losic biomass was between 65 kJ/(mol.K)and 85 kJ/(molK). The article aims to provide basic data for the study of comThermogravimetric analysis of lignocellulosicpartment fire characteristicsbiomass of solid wood furniture in common useKey words: lignocellulosic biomass; furniture: combustion char-ure; thermogravimetric analysisYIN Fei, 2.3, ZHU Guo-qing.2.3作者簡(jiǎn)介:殷飛(1990-),男,江蘇秦州人,中國(1. Faculty of Safety Engineering, China University of礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院碩士研究生,主要從事建筑火Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2.災防護和性能化防火設計方面的研究,江蘇省徐州市Fire Engineering Institute, China University of Mining and中國礦業(yè)大中國煤化工221116Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China: 3. Key Laborato-收稿日ry of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University ofCNMHGMining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)998Fire Science and Technology, September 2014, Vol 33, No 9