基于錐形量熱法的常見人造木質(zhì)板材燃燒性能研究

劉玲 劉義祥 邢政

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑數(shù)量大幅度增加，建筑裝修材料的選擇也越來越多，其中人造木質(zhì)板材憑借其成本低、易加工、耐久性好等優(yōu)勢，常被用來代替原木材料使用于裝修中。發(fā)生建筑火災(zāi)時(shí)，人造木質(zhì)板材是最主要的火災(zāi)荷載之一。由于人造木質(zhì)板材是經(jīng)過后期加工而成，在結(jié)構(gòu)和性能等方面與原木材存在較大差別，因此對(duì)人造木質(zhì)板材的燃燒性能進(jìn)行深入研究，對(duì)木材材料的燃燒特性研究具有重要意義。

目前關(guān)于木材的火災(zāi)特性研究主要集中在利用錐形量熱儀對(duì)木地板及天然木材的燃燒特性進(jìn)行對(duì)比和分析。盧建國等[1]對(duì)香木、櫸木、樺木、松木、柏木等木材采用錐形量熱儀測定木材的熱釋放速率、煙密度等數(shù)值，發(fā)現(xiàn)普通木材燃燒時(shí)會(huì)形成兩個(gè)釋熱峰;吳玉章等[2]采用錐形量熱儀對(duì)杉木、楊木和馬尾松的燃燒性進(jìn)行了研究，同樣也得到木材燃燒時(shí)有兩個(gè)釋熱峰，以及失重和釋熱密切相關(guān)、木材碳化后煙氣量最大的結(jié)果;張瑩等[3]采用錐形量熱儀研究了木材和高聚物材料的燃燒性能;張麗娟[4]采用錐形量熱儀對(duì)實(shí)木板、三合板、多層板、高密度板、中密度板、低密度板的燃燒性能進(jìn)行分析比較，得到實(shí)木板熱釋放速率、煙密度、火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)最低。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)采用錐形量熱儀對(duì)各類原木材的燃燒特性進(jìn)行的研究已比較多，錐形量熱法是較一般小尺寸燃燒性能測試方法更為全面綜合的評(píng)價(jià)材料的燃燒性能的方法，錐形量熱儀的參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受外界干擾的因素相對(duì)較小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中材料燃燒行為具有較好的相關(guān)性[5]，能夠較為真實(shí)地模擬火災(zāi)環(huán)境，多角度全面評(píng)價(jià)材料燃燒性能。而經(jīng)過加工以后的人造木質(zhì)材料無論在結(jié)構(gòu)還是性能各個(gè)方面都與原木材有較大區(qū)別，針對(duì)人造木質(zhì)板材燃燒性能還缺少系統(tǒng)研究和橫向?qū)Ρ取?/p>

本文利用錐形量熱儀分析和傅里葉紅外煙氣分析儀等儀器對(duì)密度板、刨花板、細(xì)木工板和膠合板四種常見人造木質(zhì)板材從點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、火災(zāi)性能指數(shù)（FPI）、有毒氣體等參數(shù)進(jìn)行測定，分析其火災(zāi)危險(xiǎn)性，有助于火災(zāi)調(diào)查人員分析火災(zāi)發(fā)展和蔓延情況。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

密度板、刨花板、細(xì)木工板和膠合板四種常見人造木質(zhì)板材（市售），表面無裂縫、無瑕疵、無結(jié)疤、腐朽等缺陷;SXC-4-13C一體化程控高溫爐;錐形量熱儀，英國FTT公司;錐形量熱儀配套的樣品池（見圖1）;WFT1200高溫傅里葉紅外多氣體分析儀;點(diǎn)火器。

1.2? 實(shí)驗(yàn)方法

將四種人造木質(zhì)板材按ISO5660標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別制成100mm×12mm大小的試樣，使用SXC-4-13C一體化程控高溫爐模擬火災(zāi)條件對(duì)試樣進(jìn)行加熱15min，加熱溫度分別為300℃、500℃、700℃、900℃，得到炭化試樣。再將試樣裝入樣品池中，置于加熱錐中心下方25mm，調(diào)節(jié)熱輻射通量為40kW/m2，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃材料，產(chǎn)生的煙氣通過氣體分析儀進(jìn)行檢測CO、CO2、SO2、O2等組分的濃度變化，如圖2所示。電腦端連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，結(jié)合儀器數(shù)據(jù)采集軟件，使用Origin8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪圖。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組樣品進(jìn)行了3～5組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）能反映出材料在熱輻射下燃燒的難易程度，是判斷材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。對(duì)此完成了5組平行實(shí)驗(yàn)，將獲得的5組點(diǎn)燃時(shí)間數(shù)據(jù)求取平均數(shù)，結(jié)果如表1所示?？芍姆N板材中引燃最快的是細(xì)木工板，在約44s時(shí)被引燃。最難引燃的為刨花板，需要約140s，其余兩者居中。點(diǎn)燃時(shí)間是判斷材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一，在相同條件下，材料的點(diǎn)燃時(shí)間越短，越容易被引燃，其火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大[6]。這主要與板材的結(jié)構(gòu)與密度有關(guān)，其中細(xì)木工板結(jié)構(gòu)較稀松，密度較小，相對(duì)而言容易引燃，而刨花板結(jié)構(gòu)致密，密度相對(duì)較大，較難引燃。

2.2? 熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）是評(píng)價(jià)材料燃燒性能的重要參數(shù)之一[6]。一般來說，熱釋放速率越大，反饋給材料表面的熱就越多，從而使得材料的熱解速度加快，產(chǎn)生更多的揮發(fā)性可燃物，火焰?zhèn)鞑ヒ蚕鄳?yīng)加快，火災(zāi)危險(xiǎn)性增大[7]。四種人造木質(zhì)板材的熱釋放速率隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。根據(jù)圖3可以看出，在燃燒過程中，四種板材均出現(xiàn)兩個(gè)熱釋放速率峰值，而且兩個(gè)峰值之間存在一個(gè)穩(wěn)定的燃燒階段。其中膠合板出現(xiàn)熱釋放速率峰值最早，且第二個(gè)HRR峰值最高;細(xì)木工板兩個(gè)HRR峰值沒有太大變化;密度板第一個(gè)HRR峰值高于細(xì)木工板，第二個(gè)峰值則與細(xì)木工板近似;刨花板出峰時(shí)間明顯滯后于其他板材，第一個(gè)HRR峰值高于第二個(gè)HRR峰值。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，熱釋放速率的差異也主要是由材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和密度決定的，變化情況與點(diǎn)燃時(shí)間基本相符。第一個(gè)熱釋放速率峰值是由著火初期材料熱解產(chǎn)物快速燃燒形成的，隨著材料表面不斷熱解炭化，形成的炭層有覆蓋和隔熱作用，減弱了熱量向材料內(nèi)部傳遞的速度，因而熱釋放速率減小。但隨時(shí)間的延長，炭化層由于熱作用而被破壞，露出下層未炭化材料，內(nèi)部材料開始熱解燃燒，從而形成第二個(gè)熱釋放速率峰值。

2.3? 火災(zāi)性能指數(shù)

點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）與pkHRR的比值（TTI/pkHRR）定義為火災(zāi)性能指數(shù)（FPI），可以綜合評(píng)價(jià)材料潛在的轟燃威脅。FPI越大，轟燃發(fā)生的越晚，是設(shè)計(jì)消防逃生系統(tǒng)的重要時(shí)間依據(jù)[8]。FPI主要受燃燒初期行為的影響，與熱釋放速率性能不一定完全匹配。

試樣FPI的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中pkHRR取較大的峰值?？梢钥闯鲈谕瑯拥妮椛錈嵩聪?，四種人造木質(zhì)板材的FPI值從大到小依次為0.726（刨花板）、0.308（密度板）、0.240（細(xì)木工板）、0.195（膠合板），即膠合板最先發(fā)生轟燃，其次是細(xì)木工板、密度板、刨花板。

2.4? 煙氣毒性

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可燃物燃燒會(huì)產(chǎn)生有毒煙氣，CO和NO是主要的毒氣氣體，燃燒時(shí)煙氣中毒性氣體的濃度是衡量材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。圖4～7分別為四種常見人造木板燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO和NO相對(duì)O2的氣體濃度隨時(shí)間的變化曲線。

從圖4中可以看出，密度板在33s左右開始燃燒，58s左右O2濃度開始下降達(dá)到峰谷濃度，同時(shí)NO濃度達(dá)到最大值26ppm，后續(xù)CO逐漸升高，當(dāng)燃燒32min后，濃度達(dá)到峰頂192ppm?？梢娀馂?zāi)現(xiàn)場存在密度板燃燒時(shí)產(chǎn)生CO更多，在撲救時(shí)要有針對(duì)性地準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)CO的裝備。

由圖5可以看出刨花板58s時(shí)樣品開始燃燒，O2濃度迅速下降到達(dá)峰谷，CO濃度迅速升高，100s時(shí)CO濃度第一次達(dá)到峰值368ppm，NO濃度達(dá)到最大值31ppm;在450s左右時(shí)O2濃度微微上升，CO下降至2ppm，NO下降至14ppm;至750s，O2濃度下降至第二個(gè)峰谷，NO上升至22ppm;1500～2000s時(shí)，CO濃度保持在157～168ppm之間。CO濃度同樣遠(yuǎn)高于NO濃度。

由圖6可知，細(xì)木工板在19s時(shí)開始燃燒，CO濃度迅速升高，燃燒經(jīng)過41s后，O2濃度下降，生成的CO濃度第一次達(dá)到峰值72ppm，NO濃度達(dá)到87ppm;750s時(shí)，NO濃度達(dá)到最大值50ppm;O2濃度有所回升，直至260s，CO濃度降至18ppm，NO濃度降至27ppm;560s時(shí)，O2濃度到達(dá)峰谷，NO濃度上升至55ppm;200s后，CO濃度到達(dá)峰頂濃度為629ppm。由此看出，細(xì)木工板燃燒初期NO產(chǎn)量較大，燃燒中期CO、NO產(chǎn)量較少，燃燒后期，產(chǎn)生大量的CO，NO非常少。

由圖7可以看出，膠合板在17s時(shí)開始燃燒，O2濃度下降，CO、NO濃度迅速升高;燃燒經(jīng)過230s后，生成的CO濃度達(dá)到最大值170ppm;140s時(shí)，NO濃度達(dá)到最大值47ppm;在此之后CO、NO濃度隨時(shí)間逐漸降低。由此看出，膠合板一旦被引燃，燃燒經(jīng)過200s后CO等各種毒性氣體釋放量就可以達(dá)到峰值。

由上述可知，四種人造木質(zhì)板材燃燒過程中CO和NO含量的變化曲線都存在兩個(gè)峰值，同一種類板材燃燒初期NO產(chǎn)量較大，燃燒中期CO、NO產(chǎn)量較少，燃燒后期，產(chǎn)生的CO更多。從開始燃燒至毒性氣體濃度達(dá)到峰值所需的燃燒時(shí)間，可以分析出材料燃燒危害性的相對(duì)大小，以含量最多的CO為例，密度板需32min（1920s），刨花板需1500～2000s，細(xì)木工板需200s，膠合板需230s，因此燃燒相對(duì)危害性由大到小依次為細(xì)工木板、膠合板、密度板、刨花板，其中細(xì)工木板和膠合板相差不大。

3? 結(jié)語

（1）點(diǎn)燃時(shí)間由短到長依次為細(xì)木工板、膠合板、密度板、刨花板，火災(zāi)危險(xiǎn)性逐漸降低。

（2）在燃燒過程中，四種人造木質(zhì)板材均出現(xiàn)兩個(gè)熱釋放速率峰值，而且兩個(gè)峰值之間存在一個(gè)穩(wěn)定的燃燒階段。熱釋放速率峰值由大到小依次是膠合板、密度板、刨花板、細(xì)木工板。

（3）根據(jù)四種人造木質(zhì)板材的FPI值，膠合板、細(xì)木工板、密度板、刨花板，轟燃危險(xiǎn)性逐漸減弱。

（4）根據(jù)四種人造木質(zhì)板材燃燒過程中CO和NO含量變化，燃燒煙氣毒性由大到小依次為細(xì)木工板、膠合板、密度板、刨花板。

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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