建筑木材及桐油處理后熱釋放特性研究

＊王昊宇

（中國人民警察大學 河北 065000）

桐油屬于一種古老的天然植物油，因其具有防腐防潮等功效，因而從我國古代開始就被用在建筑及家具等領域。由于桐油屬于油脂類漆，因而涂刷后會對于木材燃燒性能產生一定的影響。而目前對于木材涂刷桐油后對于木材熱釋放的影響研究還相對較少，因此本實驗將通過錐形量熱法對于桐油處理后木材熱釋放特性進行研究分析。國內外學者基于錐形量熱對于材料熱釋放性能研究方法已經(jīng)取得了一定成熟的經(jīng)驗，因此在本實驗中通過汲取各方經(jīng)驗選取常用的兩種建筑木材杉木和松木進行桐油處理后，通過錐形量熱儀在30kW/m2輻射功率下實驗來對兩種常用建筑木材熱釋放特性進行分析研究。

1.材料與方法

(1)材料

該實驗選取市場上常見的兩種建筑木材杉木和松木。實驗前裁定為100mm×100mm×20mm板材，并保存在溫度23（±2）℃，濕度70%（±5%）中以保持質量恒定。

(2)實驗儀器

本實驗采用英國防火技術測試公司FTT型錐形量熱儀、電子天平等。

(3)材料處理方法

試樣經(jīng)挑選后制作了四種式樣（見表1），將錐形量熱試樣除受熱面外其它所有面用鋁箔紙包裹，放入不銹鋼樣品架中，在鋁箔底部用隔熱棉防止熱量從底部散失，在錐形加熱器下以30kW/m2的輻射功率進行加熱。

表1 試驗項目與材料

2.結果與分析

表2為熱輻射強度30kW/m2下不同木板及桐油處理后的主要燃燒性能，從表中可以看出它們間存在一定的差異。

表2 不同木板及桐油處理后燃燒性能參數(shù)

(1)引燃時間

引燃時間指物體表面在熱源加熱下燃燒至產生發(fā)光火焰的時間，是評價材料阻火性能參數(shù)之一。由表2杉木和松木對比可知，杉木板較松木板引燃時間更長，因而阻火性能更好。由杉木板和松木板分別進行桐油處理后可發(fā)現(xiàn)引燃時間明顯縮短10s左右，因而說明桐油在火災中會起到一定程度的助燃作用。

(2)熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）指材料在單位時間內釋放熱量的速率。通過錐形量熱儀可以測量材料燃燒過程中隨時間的動態(tài)變化。HRR是評價材料燃燒特性最重要參數(shù)之一，HRR越大材料燃燒熱解速度越快，產生揮發(fā)性可燃物越多。

由圖1可以看出兩種木材在燃燒過程中均出現(xiàn)了兩個釋熱峰，這是木質材料燃燒的一種基本特性。這種現(xiàn)象是由于木材燃燒時形成碳層減弱了熱量進入木材內層，并阻隔一部分揮發(fā)性燃燒物進入燃燒區(qū)由此導致熱釋放在第一個峰后趨于下降，隨著溫度不斷升高碳化層破裂后熱釋放繼續(xù)升高。由圖1可知在相同熱輻射條件下兩種材料達到兩個峰時間差別不大，但杉木熱釋放速率明顯高于松木且熱釋放峰更窄，這表明杉木較于松木熱釋放速度更快，在實際燃燒過程中反饋給表面熱量更多，從而加速了熱解速度及火焰的傳播，由此可說明杉木較于松木火災危險性更大。

圖1 杉木松木燃燒熱釋放HRR曲線圖

由圖2可知杉木熱釋放曲線與經(jīng)桐油處理后曲線對比可知二者達到第一個峰值時時間相差不大，但經(jīng)桐油處理后熱釋放速率峰值明顯高于未經(jīng)處理杉木板。由對比可知經(jīng)桐油處理后的杉木板到達第二個峰值時間高于未經(jīng)處理杉木板，但二者熱釋放速率峰值相差卻不大。造成兩種曲線差異原因如下：在同等熱輻射條件下，桐油處理后桐油在杉木表面熱解產生可燃性蒸汽，從而加大了熱釋放速率致使第一個峰值遠高于未經(jīng)處理杉木。在大約600s時，表面桐油燃燒殆盡，兩種材料都進入到碳化層內部燃燒接段，由于未經(jīng)處理杉木先較于處理后杉木到達峰值可以看出桐油對于杉木碳化層破裂具有一定的延時作用。

圖2 杉木桐油處理后熱釋放HRR曲線圖

由圖3兩個曲線對比可知，松木桐油處理后曲線對比可知處理后熱釋放速率要高于未處理的木板，到達第一個熱釋放峰值時間處理前后相差不大且到達第二個熱釋放峰值的時間也相差不大。通過與杉木桐油處理曲線對比可知，在到達第二個熱釋放峰值時間方面兩種木材桐油處理后產生一定的差異。

圖3 松木桐油處理后熱釋放HRR曲線圖

(3)小分子氣體

在木材燃燒階段主要析出的小分子氣體是CO和CO2。兩種木材CO釋放規(guī)律如圖4所示。由曲線對比可知，在初期的有焰燃燒時兩種木材的CO產量都比較低，這是由于初期燃燒比較充分主要氣體產生是CO2。此外由圖4明顯看出相較于杉木，松木的CO和CO2產量遠高于杉木。

圖4 杉木松木CO和CO2產量圖

由圖5對比可知，木材桐油處理后盡管在火災初期對于CO產量并沒有太大的影響，但對于燃燒后期木材碳化層裂解后CO釋放有著很大程度的抑制作用。但桐油對于杉木和松木CO2產量分別產生了不同的影響。對于杉木桐油處理曲線來看，桐油處理后CO2產量明顯升高達到了83kg/kg遠遠超出之前的產量。通過松木桐油處理后曲線可以看出，桐油處理后CO2產量卻發(fā)生了降低由原來的75kg/kg降到55kg/kg。就木材兩種氣體產生量分析可知由于桐油加速了木材碳化層破裂致使內層木材燃燒更加充分，且CO為木材燃燒產生的主要有毒氣體，桐油對于木材有毒氣體產生具有一定的抑制作用。

圖5 桐油處理后木材的CO和CO2產量圖

3.總結

該實驗通過對建筑木材及桐油處理后燃燒特性的測定后進行了一定的對比與分析得出以下結果。

（1）相較于松木來說杉木阻燃性更好，但發(fā)生燃燒后杉木熱釋放速率卻高于松木。

（2）對于桐油處理后木材的熱釋放曲線對比而言，桐油雖然加大了木材的熱釋放速率，但對于燃燒的有毒氣體產量卻有著一定的抑制作用。