水曲柳不同受熱時間下的形貌和成分分析

龐九磊

摘 要：隨著現代的室內裝修，水曲柳由于其諸多優點，被廣泛應用。筆者看到好多火災現場有水曲柳燃燒過的痕跡，不同時間的過火面有不同的形貌，筆者根據專家指點，模擬不同受熱時間，觀察其不同形貌的變化。為火災后的調查提供一定的參考，便于火災認定。

關鍵詞：不同受熱時間 微觀形貌 分析

中圖分類號：S762 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0245-01

木材一般分為針葉樹材和闊葉樹材。針葉樹材如紅松、落葉松、云杉等。針葉樹材往往密度較小，材質較松軟，通常稱為軟材，主要供建筑、家具、樁木等用途。闊葉樹材如樺木、水曲柳、櫟木、櫸木等，種類比針葉樹材多得多。大多數闊葉樹材密度較大，材質較堅硬，因此俗稱硬材，用途如家具、室內裝修、等。與針葉樹材相比，闊葉樹材更多地被用于家具和室內裝修。其中水曲柳樹質略硬、紋理直、結構粗、花紋美麗、耐腐、耐水性較好，易加工但不易干燥，韌性大，膠接、油漆、著色性能均好，具有良好的裝飾性能，是目前家具、室內裝飾用得較多的木材，是制膠合板的良好材料，也可供飛機、造船、中草藥等廣泛使用[1]。

1 木材的顯微結構

木材顯微結構是將常溫狀態下自然風干水曲柳原木在掃描電鏡下進行觀察，在掃描電鏡下觀察水曲柳是由無數的管狀細胞有序結合而成，一般情況下，木材沿縱向生長的細胞占絕大多數，少數細胞橫向生長[3]，但在掃描電鏡下可以觀察到水曲柳縱向生長細胞與橫向生長細胞數量大致相同，截面觀察細胞排列結構是由粗徑細胞、細徑細胞按層層疊生方式緊密排列在一起，粗徑細胞以圓形、橢圓形為主，細徑細胞以六邊形為主，兼雜圓形、橢圓形等。細胞壁主要由初生壁和次生生長組織層構成，細胞與細胞之間由紋孔相聯系[4]。細胞的內部結構對木材的燃燒特性有很大的影響[5]。

2 木材受熱后的炭化機理

木材由常溫逐漸加熱，在100 ℃開始蒸發水分，但溫度達到110 ℃時已經成為絕對干燥狀態，再加熱時就開始熱解析出一些不可燃氣體，此外外層開始分解出可燃氣態產物，同時放出大量的熱量，開始劇烈的氧化，在150 ℃左右開始放熱，到250 ℃左右熱分解速度急劇加快，分解出大量的可燃氣體，表面發生變色，在360 ℃時產生明顯炭化花紋，達到420 ℃～460 ℃時，木材會自行著火，直到出現有焰的燃燒，并且炭化層出現明顯炭化裂紋[6]，隨溫度升高，大裂紋被分解成小裂紋，溫度越高，炭化紋絡之間的間距越小，同時炭化層增厚，木材完全燃燒后，有焰的燃燒就會停止，而轉入木炭的無火焰燃燒階段，最終木材內部炭結構會趨近于石墨的結構[7]，這表明了木材炭化是一連串的物質分解及聚合等反應[8]。

經實驗，在掃描電鏡加速電壓為20 kV的情況下，對不同受熱時間以及原始水曲柳試樣的微觀形貌進行觀察、比較、分析，得如下結論。

3 不同受熱時間下水曲柳的微觀形貌特征分析

3.1 500 ℃5 min微觀形貌特征分析

從弦切面看，水曲柳在500 ℃5 min時橫向生長組織細胞內部有瘤狀物出現，細胞內部次生層變薄，細胞內、外表面單紋孔大量出現，紋孔外延部分不夠清晰，孔洞尚未完全打開，細胞壁橫截面斷面不光滑，壁層較厚。

從橫截面看，水曲柳在500 ℃5 min時細胞間紋孔切斷面殘余明顯，細胞內部次生層仍存在，部分細胞壁橫截面出現裂痕，細胞壁較厚，細胞內瘤狀物大量存在，細胞壁斷面出現裂痕。

3.2 500 ℃10 min微觀形貌特征分析

從弦切面看，水曲柳在500 ℃10 min時細胞間紋數量有所減少，但紋孔孔洞只有少量完全打開，紋孔外延邊緣變的棱角分明，細胞內、外表面出現條紋狀的凸起，細胞壁變薄，截面表面平滑。

從橫截面看，水曲柳在500 ℃10 min時細胞間紋孔切斷面殘余部分減少，細胞壁變薄，細胞內部的次生加厚層減薄，瘤狀物數量在逐步減少，細胞壁橫截面上的裂痕增多。

3.3 500 ℃15 min微觀形貌特征分析

由弦切面看，水曲柳在500 ℃15 min時縱向生長組織內部依然存有數量可觀的次生加厚層，但細胞腔壁變的光滑細膩，細胞壁表面的碎屑也隨溫度的升高而減少，細胞內、外壁橢圓型單紋孔數量又有所減少，少數紋孔空洞并未完全張開，破碎的細胞壁邊緣變的光滑。

由橫截面看，水曲柳在500 ℃15 min時，細胞內、外壁上單紋孔切斷面明顯，部分細胞內腔仍存在帶狀次生壁加厚層，細胞端部絮狀沉積物明顯，但數量已經較少，細胞孔徑較小，細胞壁較厚，橫截面上的裂痕數量越來越多，裂痕裂度不大。

3.4 500 ℃20 min微觀形貌特征分析

由弦切面看，水曲柳在500 ℃20 min時縱向生長組織內部次生加厚層減薄消失，細胞腔壁光滑細膩，橢圓型單紋孔數量稀少，紋孔孔洞完全張開，破碎的細胞壁邊緣變的平滑。

由橫截面看，水曲柳在500 ℃20 min時縱向生長組織內部次生加厚層減薄消失，細胞壁變薄，紋孔孔洞完全張開，紋孔切斷面殘余部分消失，細胞壁橫截面上裂痕很多，裂痕程度明顯可見，細胞內的瘤狀物消失。

由以上可見，隨受熱時間增長水曲柳試樣炭化物微觀形貌變化均有有以下規律。

（1）水曲柳細胞質、細胞間質逐漸減少消失，細胞壁表面逐漸趨向光滑細致，細胞壁逐漸變薄，細胞壁孔徑變大。

（2）細胞壁上的單紋孔數量先增加后減少，紋孔外展外延變化為先模糊不清后清晰可見，直至最后消失。

（3）細胞壁橫截面上出現細胞壁斷裂裂痕，并且裂痕數量逐步增多，裂痕裂度逐漸增大。

（4）部分細胞端部瘤狀沉積物不斷出現，后逐漸減少消失。

參考文獻

[1] 尹立輝，孫亞峰.水曲柳研究進展和展望[J].長春：長春大學學報，2006，16（3）：72-75.

[2] 陳洪章.纖維素生物技術[M].北京：化學工業出版社，2005：8-10.

[3] 羅斌.木炭的微觀形貌與受熱溫度關系的研究[D].廊坊：中國人民武裝警察部隊學院，2006：13-14.

[4] 劉玉環，阮榕生，蔣啟海，等.木質纖維素及其組分轉化木材膠粘劑的發展趨勢[J].世界林業研究，2006，19（5）：49-53.

[5] Jorg Fromm，Beate Rockel，Silke Lautner，et al.Lignin distribution in wood cell walls determined by TEM and backscattered SEM techniqu-es[J].Journal of Structural Biology，2003（143）：77-84.

[6] 任松發.火災調查[M].北京：警官教育出版社，1998：127-128.

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[8] R.Asakura，M.Morita，K.Maruyama，et al.Preparation of fibrous activated carbons from wood fiber[J].Journal of Materials Science，2004（39）：201-206.