熱分析方法研究森林可燃物的燃燒性

宋彥彥+隋振環(huán)+趙忠林+李英愛+張言+管清成+汪兆洋+隋海新

摘要：本文主要介紹了常見的熱分析方法測定森林可燃物的燃燒性，并與其他的燃燒性測定方法進行了比較。

關鍵詞：熱分析；可燃物；燃燒性

中圖分類號：S762 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-14-60-2

熱分析是在程序控制溫度的條件下，測量物質的物理性質與溫度關系的一種技術（李玉增，1987）。在加熱或冷卻的過程中，隨著物質的結構、相態(tài)、化學性質的變化，都會伴隨相應的物理性質變化，這些物理性質包括質量、溫度、尺寸等性質。根據(jù)測量物質的物理性質的不同，熱分析方法的種類是多種多樣的（胡小安，2005）。如: 差熱分析（DTA）、熱重分析（TG）、微商熱重分析（DTG）、差示掃描量熱（DSC）和熱機械分析（TMA、DMA）等。其中在研究可燃物燃燒性方面，熱重分析法和微商熱重分析(DTG)相對較多，差熱分析和差熱掃描量熱法次之。國外在利用熱分析研究林火方向上較多，而國內利用熱分析方法研究燃燒性仍然很少。

森林可燃物可以簡單地定義為林內所有活的有機物和無機物，這些物質都具有潛在的燃燒性和釋放能量的能力（鄭煥能，1994）。國內的許多研究者在評價可燃物的燃燒性時，一般以含水率、含脂肪量、灰分量、發(fā)熱量、燃點等與燃燒性相關的理化參數(shù)為依據(jù)。但由于這些參數(shù)受測定使用的儀器、測定的方法、采樣時間及方法等因素的影響，而存在著不同的差異，因此只選擇其中的某幾個參數(shù)作為參考因子的依據(jù)就顯得不夠可靠。應該指出，林火過程是一個十分復雜的物理化學過程,受火環(huán)境（天氣條件、林地條件、林內小氣候和氧氣等），火源（自然火、人為火）以及不同類型可燃物自身的性質（如可燃物的大小、結構狀態(tài)、理化性質、數(shù)量分布等）的影響。因此從可燃物自身的熱解特性來探討，為可燃物的燃燒性的研究開辟了一個嶄新的渠道。所以，將熱分析技術應用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更準確地揭示森林可燃物的熱解過程，即燃燒各階段的溫度，通過熱解動力學模型深入探討其熱解機理（劉菲，2005）。

1 熱重分析法在研究森林可燃物燃燒性上的應用

熱重分析（TG）是指，在程序溫度下，測量物質的質量與溫度關系的一種技術（劉振海，2000）。它通過對被分析物質的降解過程加以記錄，得出其分析過程中的質量變化及失重速度，進而對其可燃性和燃燒過程中的穩(wěn)定性作出評估（胡源，1999）。Anderson（1970）指出，森林可燃物的燃燒性表征問題應包含Ignitability （著火性），Sustainability（著火后是否能夠燃燒）和Combustibility（燃燒的速度和強度）三個方面，其中判定可燃物的著火性是燃燒性表征問題的關鍵（Anderson，1970）。熱解是控制火災發(fā)生和發(fā)展的重要因素（袁兵，2004），材料熱解特征是其燃燒性的重要組成部分。Phipot（1970）等人首先提出用TG和DTG曲線來評價可燃物的相對燃燒（Philpot C W，1970）。應用熱分析研究燃料燃燒性具有重現(xiàn)性好，只考慮化學反應過程等優(yōu)點（駱介禹，1992）。Acma 研究了5 種生物質材料的著火溫度、燃燒峰值溫度、質量損失比等參數(shù)（Haykiri-Acma H，2003）。Dimitrakopoulos 對12 種生物質試樣在空氣氣氛下進行了熱解實驗，分析其揮發(fā)分平均釋放速率（Meanvolatilization Rate ，MVR），最大質量損失率等參數(shù)，并對這些參數(shù)進行Duncan 多元比較檢驗。根據(jù)揮發(fā)分平均釋放速率值把所分析的植物劃分為幾類具有相似燃燒性的植物，并在實際野火中得到證實，表明應用TGA 評價植物的燃燒性是合理的（Dimitrakopoulos A P， 2001）。

起初一些外國研究者推薦用熱分析法研究森林可燃物的熱學性質，20世紀80年代末提出用熱重法（TG）和微商熱重法（DTG）提供的燃燒分布曲線來評價可燃物的相對燃燒性（Rostam-Abadi M，1990）。駱介禹（1992）等運用熱重（TG）和微商熱重（DTG）技術對27 個樹種進行分析并對其燃燒性進行排序（駱介禹，1992）。孫才英（1998）等人對楊木進行熱重分析（TG）及差示掃描量熱分析（DSC） （孫才英，1998）。肖忠平（2002）等人采用動態(tài)熱重法對杉木間伐材和阻燃杉木間伐材的熱動力學特性進行分析（肖忠平，2002）。高亞萍（2007）等人利用熱重分析儀對常見木質裝飾裝修材料白楊、白樺、紅松進行分析（高亞萍，2007）。翟振崗（2008）等人采用熱重（TG）技術在空氣氣氛下對13 種樹種的樹葉試樣進行了實驗研究（翟振崗，2008）等等。

大多數(shù)研究者利用熱重分析法所得到的可燃物的曲線圖可以得知，在空氣氣氛條件下會出現(xiàn)兩個“失重平臺”。根據(jù)第一個“失重平臺”所在溫度區(qū)間可以判斷出，它是由于可燃物熱解反應所致。第二個“失重平臺”時，可燃物熱解已接近尾聲，殘留下焦炭灼熱的焦炭與氣氛中微量氧發(fā)生緩慢氧化反應，或者灼熱的焦炭與熱解產物發(fā)生次級反應所引起失重。也可以把曲線圖分為3個階段來解釋，第一階段是失水階段（40℃～100℃）；第二階段是纖維素和半纖維素物質的熱分解階段（250℃～360℃）；第三階段是炭化物的燃燒階段（360℃～650℃）。

還有少數(shù)研究者利用熱重法測定聚合物分解過程Arrhenius方程動力學參數(shù)（活化能Ea,指前因子A）K=Aexp（-Ea/RT），Arrhenius方程是表示反應速率常數(shù)Ｋ與溫度Ｔ關系的基本方程。這種調制式熱重儀（MTGA）是隨著科學技術不斷發(fā)展的結果，它提供了獨特的功能，整個重量損失反應過程中，MTGA 提供了活化能的連續(xù)確定的值，而不僅僅是在指定反應級別下得到的值。獲取連續(xù)活化能的功能，可允許反應期間活化能的變化作為溫度或轉換的函數(shù)進行跟蹤。活化能的計算是“無需模型”的，不要求具備動力學方程式構成的知識。與活化能的連續(xù)確定一樣，一階動力學模型的假設允許進行式前指數(shù)因子的自然對數(shù)計算。這種分析方法在林火方面研究的較少，內容不夠具體和深刻，通過熱分析技術所得到的參數(shù)（頻率因子E，活化能A）為可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加準確的基礎數(shù)據(jù)。

2 微商熱重分析法在研究森林可燃物燃燒性上的應用

微商熱重分析（DTG）大多數(shù)與熱重分析（TG）相結合，它是把熱重曲線進行微分，從而得到了微分熱重曲線，既為失重速率。同樣，駱介禹（1992）等運用熱重（TG）和微商熱重（DTG）技術對27 個樹種進行分析，并對其燃燒性進行排序（駱介禹，1992）。1994年駱介禹在《森林可燃物燃燒性研究的概述》一文上，利用熱重（TG）和微商熱重（DTG）分析曲線評價了林森可燃物相對燃燒性的研究（駱介禹，1994）。S. Liodakis（2002）等人通過利用DTG和TG分析方法，對地中海地區(qū)的主要5種樹種進行曲線分析比較燃燒性的強弱（S. Liodakis，2002）等等。

微商熱重分析是基于熱重分析基礎之上的，微商熱重曲線圖與熱重曲線圖是相對應的，與熱重曲線有一個“失重平臺”相應的微商熱重曲線上也有一個“失重速度峰”，因此森林可燃物的微商熱重曲線同樣也有兩個“失重速度峰”。第一個“失重速度峰”與第一個“失重平臺”相對應，由于熱解反應所致。第二次“失重速度峰”也與第二個“失重平臺”相對應，由于和氧接觸進行了有焰或無焰燃燒。通過一些文獻的曲線圖還可以看出，若“失重平臺”較陡，則“失重速度峰”較尖銳，根據(jù)“失重平臺”或“失重速度峰”所在溫度范圍，以及峰的面積，可知其可燃物的燃燒性排列的順序。

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3 差熱分析（DTA）和差示掃描量熱分析（DSC）在研究森林可燃物燃燒性上的應用

差熱分析（DTA）是指，在程序溫度下，測量物質和參比物的溫度差與溫度的關系的一種技術（駱介禹，1992）。差式掃描量熱分析（DSC），是指在程序溫度控制下，測量輸給被測物質和參照物的能量差與溫度或時間之間關系的一種技術（劉振海，2000）。在給定溫度下體系總是趨向于自由能最小的狀態(tài)，在程序升溫過程中物質可轉變?yōu)楦€(wěn)定的晶體結構或具有更低自由能的另一種狀態(tài)，伴隨著轉變有熱焓的變化，這就是差熱分析與差示掃描量熱法的基礎（胡小安，2005）。孫才英（1998）等人為了對使用木材及預測和撲滅火災提供理論依據(jù)，對楊木進行熱重分析（TG）及差示掃描量熱分析（DSC） （孫才英，1998）。胡源（1999）等人綜合利用熱重分析（TG）、差熱分析（DTA）和差式掃描量熱分析（DSC）對幾種阻燃材料的熱失重、穩(wěn)定性進行分析（胡源，1999）。隨著時間的推移和科學的發(fā)展，近幾年差熱分析（DTA）在植物研究領域有所提高。王書軍（2007）等人采用熱分析方法（ TG，DTA）對9種貝母類中藥材的熱重/差熱圖譜進行分析，結果得到了根據(jù)9種貝母中藥材熱分析圖譜之間的差異，可以很容易的對其進行區(qū)分和鑒別（王書軍，2007）。趙華（2009）等人對不同產地、不同等級的金銀花進行了差熱-熱重分析，6種樣品的差熱和熱重曲線均有差別，結果證明該方法簡便，可用于鑒別該類植物中藥材的產地及真?zhèn)危ㄚw華，2009）等等。隨著科學技術的進步，差熱分析（DTA）和差式掃描熱分析（DSC）在防火研究上也會有一定的發(fā)展。

4 熱分析與其他判定森林可燃物燃燒性的方法相比較

國內外學者在可燃物的理化性質，化學組成對其燃燒性的影響方面做了大量的研究工作，劉自強等（1993）對大興安嶺地區(qū)多種森林可燃物的含水率、燃點和灰分進行測定，并對其易燃性和燃燒性進行了評價（劉自強，1993）。胡海清（1995）對大興安嶺50余種森林可燃物的含水率、燃點、灰分、熱值和抽提物含量進行了室內測定（胡海清，1995）。王剛等（1996）對大興安嶺的樟子松、落葉松、樺樹、楊樹的含水率、灰分、醚抽提物、苯醇抽提物、木素、纖維素、含氮量、含磷量、熱解焦炭量九種化學組分進行測定，得出結論為：森林可燃物的化學組成對其燃燒性有明顯的影響（王剛，1996）。單延龍等（2003）對黑龍江大興安嶺主要16個樹種的含水率、風干、絕干、燃點、灰分含量、苯醇抽提物含量、熱值進行了測定（單延龍，2003）等等。

除此之外，可利用錐形量熱儀進行測試森林可燃物的燃燒性的研究。田曉瑞等（2001）利用錐形量熱儀比較了南方8個樹種的燃燒性和抗火能力（田曉瑞，2001）。田曉瑞等（2003）采用錐形量熱儀和野外火燒試驗方法研究木荷林帶的阻火能力（田曉瑞，2003）。吳玉章等（2004）利用錐形量熱儀對人工林杉木、楊木和馬尾松的燃燒性進行研究（吳玉章，2004）。盧鳳珠等（2005）利用錐形量熱儀對1～6年生的毛竹人工林竹材的燃燒性能指標進行了測定（盧鳳珠，2005）。等等。錐形量熱儀法測定森林可燃物的燃燒性也是最近幾年比較熱門的研究課題，它與熱分析方法測定燃燒性各有其不同的優(yōu)缺點，可以對同樣的可燃物樣本同時采用這兩種方法，測定其燃燒性，比較哪種更加精確，更能詳細的說明其燃燒過程，更好的判定其燃燒性。

5 結語

森林可燃物是森林火災發(fā)生的物質基礎，是火傳播的主要因素，是森林防火滅火的理論依據(jù)。加強對森林可燃物性質的研究，可以為林火預報、可燃物管理、滅火指揮、營林用火、生物防火等方面提供可靠的數(shù)據(jù)。將熱分析技術應用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更準確地揭示森林可燃物的熱解過程，更深入地探討其熱解機理。一，通過熱分析技術所得到的參數(shù)（頻率因子E活化能A）為可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加準確的基礎數(shù)據(jù)。二，綜合利用不同的熱分析方法測定可燃物的燃燒性，并與其他測定燃燒性的方法相比較，得到更加詳盡的燃燒過程。

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