汽油對杉木微觀形貌的影響研究

車 強，付師晗

(武警學院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前對于火災現場汽油的檢測研究主要集中于利用GC/MS方法檢測和鑒定汽油，而有關汽油對材料微觀形貌影響的研究比較少見[1-4]。杉木是我國南方常見的室內裝飾和家具材料，其炭化殘留物在火災現場隨處可見，而汽油等助燃劑的存在會影響炭化杉木的微觀形貌。本文利用掃描電鏡研究了汽油對炭化杉木微觀形貌的影響，可以幫助檢測和鑒定火災現場汽油。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料包括45 cm×30 cm×4 cm規格杉木板和92#汽油。

試驗儀器包括：(1)轟燃實驗箱。按照IS0 9705標準實驗房間的四分之一進行設計，主要應用于實體火試驗。實驗箱為不銹鋼結構，內部空間為90 cm×60 cm×60 cm，外部尺寸為100 cm×70 cm×70 cm。(2)掃描電鏡(SEM)。選用TM3030Plus日立臺式掃描電子顯微鏡，放大倍數支持15～60 000倍，圖片質量高，操作流程簡單，適用于觀察和記錄試驗樣品在不同條件下的微觀形貌。

1.2 試驗內容

在45 cm ×30 cm×4 cm規格杉木板表面潑灑50 mL92#汽油后放入轟燃實驗箱內進行明火燃燒，燃燒時間分別為3 min、6 min、9 min、12 min，結束后試塊降溫冷卻。

為避免炭化試塊本身不均勻等因素的干擾，從每個試塊炭化表面分布均勻地取出8份樣品，清潔后分別放入掃描電鏡內，利用TM3030Plus日立臺式掃描電鏡對杉木板的燃燒炭化物的橫切面及弦切面進行微觀形貌分析，分析時分別放大至200×、500×、1 000×倍數，對不同條件下制得的杉木炭化殘留物進行微觀形貌的觀察、分析、比較以及記錄。然后利用Image Pro Plus(IPP)對杉木板炭化物的弦切面和橫切面的500×微觀形貌照片進行分析，并測量出弦切面微觀形貌內部管腔的平均面積、平均周長以及平均直徑等參數。

2 試驗結果

2.1 杉木微觀形貌特征研究

圖1為不同時間明火作用下杉木板弦切面的微觀形貌圖。燃燒初期，杉木細胞紋理明顯，纖維結構緊密細致，層次分明，表面光滑平整，有零散氣孔，有明顯可見的雜質附著在表面。之后沿著細胞紋理出現毛刺狀物質，纖維結構及層次被破壞，纖維結構連接處出現破損和斷裂現象，氣孔逐漸被打開。再然后，隨著毛刺狀物質增多，細胞結構逐漸變得無序不規則，表面由光滑變得粗糙，氣孔數量明顯增多，表面雜質也逐漸消失。隨著燃燒時間的增加，細胞結構被嚴重破壞，表面破損和斷裂現象明顯，少量絮狀物出現，細胞結構變得混亂。

圖1 杉木板弦切面微觀形貌

圖2為不同時間明火作用下杉木板橫切面微觀形貌圖。一開始橫切面管狀細胞腔大多呈不規則多邊形，具有不均勻的大小，管壁較厚且粗糙，并附有較多毛刺狀物質，管腔內雜質比較多。隨著燃燒時間的增加，管壁表面逐漸變得光滑，明顯變薄，胞腔內雜質及沉淀物開始減少，內腔由不規則多邊形逐漸向規則形狀轉變，大小變得均勻。最后管腔大多以四邊形呈現，內腔明顯增大，輪廓明顯，管壁也有破裂情況出現。

圖2 杉木板橫切面微觀形貌

通過Image Pro Plus對樣品細胞腔面積、平均直徑以及周長進行測量，測量結果見表1。可以發現，平均孔洞面積、平均孔洞周長以及平均孔洞直徑等杉木內部結構參數將隨著燃燒時間的增長而發生巨大變化，并且均呈正相關。管狀細胞壁逐漸變薄，孔洞內雜質逐漸減少，孔洞漸漸被打開，內腔擴大，其面積周長等參數也隨之發生巨大變化。[5]

表1 無汽油情況下杉木微觀形貌參數

2.2 潑灑汽油后杉木微觀形貌特征研究

圖3為不同時間明火作用下潑灑汽油的杉木板弦切面的微觀形貌圖。最初，杉木弦切面細胞結構完整，纖維結構緊密細致，但表面雜質及沉淀物較多，紋理比較不明顯。之后表面雜質也逐漸消失，由粗糙變得光滑，紋理結構逐漸變得明顯，沿著細胞紋理出現毛刺狀物質，出現明顯褶皺，隱約可見少許氣孔。再然后，氣孔逐漸被打開，纖維結構連接處出現破損和斷裂現象，條狀結構變得明顯，并在表面出現白色絮狀物質，燃燒時間的增加以及助燃劑的存在，加劇了細胞內水分及氣體的大量流失，細胞纖維結構及層次被嚴重破壞，細胞結構逐漸變得無序不規則，細胞出現錯位、變形及扭曲現象，逐漸失去木材原有的結構層次，紋理結構不再清晰，表面由光滑變得粗糙[6]。

圖3 潑灑汽油的杉木板弦切面微觀形貌

圖4為不同時間明火作用下潑灑汽油的杉木板橫切面的微觀形貌圖。橫切面管狀細胞排列整齊，細胞腔大多呈不規則四邊形，具有不均勻的大小，細胞管壁附有較多毛刺狀物質，較厚且粗糙，管腔內存在雜質。但隨著燃燒時間的增加，管壁表面逐漸變薄，出現斷裂破損，胞腔內雜質及沉淀物逐漸消失，細胞管腔由不規則四邊形開始變得規則，大小變得均勻。最后管狀細胞排列整齊，內腔明顯增大，輪廓明顯，管壁也有破裂情況出現，由于管壁的破裂，存在多個細胞腔整合成為一個較大的細胞腔的情況[7]。

圖4 潑灑汽油的杉木板橫切面微觀形貌

通過Image Pro Plus對樣品細胞腔面積、平均直徑以及周長進行測量，潑灑汽油情況下杉木微觀形貌參數測量結果見表2。

表2 潑灑汽油情況下杉木微觀形貌參數

2.3 結果討論

圖5為潑灑汽油和不潑灑汽油的杉木板微觀參數與燃燒時間的關系圖。可以發現，隨著燃燒時間的增加，杉木內部管腔的面積、平均直徑、周長等參數將隨之增大，潑灑汽油燃燒相同時間的杉木板微觀參數明顯較大，說明汽油加劇了杉木板燃燒中的熱分解反應，分子間化學鍵大量斷裂，生成氣體析出表面，同時次生組織變薄，纖維發生破損、撕裂，纖維間間距開始加大，管壁變薄，管腔擴大。

(a) 孔洞面積

(b) 孔洞周長

(c) 孔洞平均直徑

3 結論

3.1 潑灑汽油燃燒后的杉木板弦切面和橫切面微觀形貌變化差別較大。

3.2 從杉木板弦切面微觀形貌觀察可知，隨著燃燒時間的增加，潑灑汽油后的杉木板纖維表面雜質及沉淀物消失得更快，氣孔及纖維連接處斷裂、破損現象更加嚴重，加劇細胞纖維大分子氫鍵的斷裂，導致纖維素及木質素內葡萄糖基嚴重脫水，細胞內水分氣體大量流失，整體纖維結構被破壞，層次結構變得混亂，表面還將出現扭曲、粘連和錯位等現象，失去木材原有的結構層次。

3.3 從杉木板橫切面微觀形貌定量測量可知，潑灑汽油燃燒后，杉木板內部結構變化更大，具體體現在管腔面積、平均直徑、周長有了明顯增大。

參考文獻：

[1] Moghtaderi B. The state-of-the-art in pyrolsis modelling of lignocellulosic solid fuels[J].Fire and Materials, 2006(30): 1-34.

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[3] 梁國福,王廣慧,魯志寶,等.汽油在材料表面燃燒痕跡特征規律的研究[J].消防科學與技術,2010,29(10):876-882.

[4] JR A. The detection and analysis of ignitable liquid residues ex-tracked from human skin using SPME/GC[J]. Journal of Forensic Sciences, 2000, 45(2): 461-469.

[5] 許潔.不同引燃方式下細木工板燃燒炭化痕跡[J].消防科學與技術,2016,35(3):426-428.

[6] 劉玲,趙敏,張世星,等.不同受熱溫度下炭化紅松表面微觀形貌和成分分析[J].火災科學,2008,17(3):150-154.

[7] 劉玲,趙敏, 張世星,等.炭化白松表面微觀結構和成分分析[J].火災科學,2008,27(2):83-85.