基于錐形量熱法的常見人造木質板材燃燒性能研究

劉玲 劉義祥 邢政

隨著我國經濟的迅速發展和城市化進程的不斷加快，建筑數量大幅度增加，建筑裝修材料的選擇也越來越多，其中人造木質板材憑借其成本低、易加工、耐久性好等優勢，常被用來代替原木材料使用于裝修中。發生建筑火災時，人造木質板材是最主要的火災荷載之一。由于人造木質板材是經過后期加工而成，在結構和性能等方面與原木材存在較大差別，因此對人造木質板材的燃燒性能進行深入研究，對木材材料的燃燒特性研究具有重要意義。

目前關于木材的火災特性研究主要集中在利用錐形量熱儀對木地板及天然木材的燃燒特性進行對比和分析。盧建國等[1]對香木、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、煙密度等數值，發現普通木材燃燒時會形成兩個釋熱峰;吳玉章等[2]采用錐形量熱儀對杉木、楊木和馬尾松的燃燒性進行了研究，同樣也得到木材燃燒時有兩個釋熱峰，以及失重和釋熱密切相關、木材碳化后煙氣量最大的結果;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]采用錐形量熱儀對實木板、三合板、多層板、高密度板、中密度板、低密度板的燃燒性能進行分析比較，得到實木板熱釋放速率、煙密度、火災危險性相對最低。根據已有文獻報道，現采用錐形量熱儀對各類原木材的燃燒特性進行的研究已比較多，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價材料的燃燒性能的方法，錐形量熱儀的參數和實驗數據受外界干擾的因素相對較小，實驗數據與全尺寸火災實驗中材料燃燒行為具有較好的相關性[5]，能夠較為真實地模擬火災環境，多角度全面評價材料燃燒性能。而經過加工以后的人造木質材料無論在結構還是性能各個方面都與原木材有較大區別，針對人造木質板材燃燒性能還缺少系統研究和橫向對比。

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密度板、刨花板、細木工板和膠合板四種常見人造木質板材從點燃時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、火災性能指數（FPI）、有毒氣體等參數進行測定，分析其火災危險性，有助于火災調查人員分析火災發展和蔓延情況。

1? 實驗部分

1.1? 實驗材料與裝置

密度板、刨花板、細木工板和膠合板四種常見人造木質板材（市售），表面無裂縫、無瑕疵、無結疤、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;點火器。

1.2? 實驗方法

將四種人造木質板材按ISO5660標準規定，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條件對試樣進行加熱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，調節熱輻射通量為40kW/m2，用點火器點燃材料，產生的煙氣通過氣體分析儀進行檢測CO、CO2、SO2、O2等組分的濃度變化，如圖2所示。電腦端連續記錄數據，結合儀器數據采集軟件，使用Origin8.0軟件對數據進行分析繪圖。為確保實驗的準確性，每組樣品進行了3～5組重復性實驗。

2? 實驗結果與分析

2.1? 點燃時間

點燃時間（TTI）能反映出材料在熱輻射下燃燒的難易程度，是判斷材料火災危險性的重要參數。對此完成了5組平行實驗，將獲得的5組點燃時間數據求取平均數，結果如表1所示。可知四種板材中引燃最快的是細木工板，在約44s時被引燃。最難引燃的為刨花板，需要約140s，其余兩者居中。點燃時間是判斷材料火災危險性的重要參數之一，在相同條件下，材料的點燃時間越短，越容易被引燃，其火災危險性就越大[6]。這主要與板材的結構與密度有關，其中細木工板結構較稀松，密度較小，相對而言容易引燃，而刨花板結構致密，密度相對較大，較難引燃。

2.2? 熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）是評價材料燃燒性能的重要參數之一[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，產生更多的揮發性可燃物，火焰傳播也相應加快，火災危險性增大[7]。四種人造木質板材的熱釋放速率隨時間的變化情況如圖3所示。根據圖3可以看出，在燃燒過程中，四種板材均出現兩個熱釋放速率峰值，而且兩個峰值之間存在一個穩定的燃燒階段。其中膠合板出現熱釋放速率峰值最早，且第二個HRR峰值最高;細木工板兩個HRR峰值沒有太大變化;密度板第一個HRR峰值高于細木工板，第二個峰值則與細木工板近似;刨花板出峰時間明顯滯后于其他板材，第一個HRR峰值高于第二個HRR峰值。

在相同的實驗條件下，熱釋放速率的差異也主要是由材料的結構構成和密度決定的，變化情況與點燃時間基本相符。第一個熱釋放速率峰值是由著火初期材料熱解產物快速燃燒形成的，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部傳遞的速度，因而熱釋放速率減小。但隨時間的延長，炭化層由于熱作用而被破壞，露出下層未炭化材料，內部材料開始熱解燃燒，從而形成第二個熱釋放速率峰值。

2.3? 火災性能指數

點燃時間（TTI）與pkHRR的比值（TTI/pkHRR）定義為火災性能指數（FPI），可以綜合評價材料潛在的轟燃威脅。FPI越大，轟燃發生的越晚，是設計消防逃生系統的重要時間依據[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的數值計算結果如表2所示，其中pkHRR取較大的峰值。可以看出在同樣的輻射熱源下，四種人造木質板材的FPI值從大到小依次為0.726（刨花板）、0.308（密度板）、0.240（細木工板）、0.195（膠合板），即膠合板最先發生轟燃，其次是細木工板、密度板、刨花板。

2.4? 煙氣毒性

火災發生時，可燃物燃燒會產生有毒煙氣，CO和NO是主要的毒氣氣體，燃燒時煙氣中毒性氣體的濃度是衡量材料火災危險性的重要參數。圖4～7分別為四種常見人造木板燃燒產生的煙氣中CO和NO相對O2的氣體濃度隨時間的變化曲線。

從圖4中可以看出，密度板在33s左右開始燃燒，58s左右O2濃度開始下降達到峰谷濃度，同時NO濃度達到最大值26ppm，后續CO逐漸升高，當燃燒32min后，濃度達到峰頂192ppm。可見火災現場存在密度板燃燒時產生CO更多，在撲救時要有針對性地準備應對CO的裝備。

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

由圖6可知，細木工板在19s時開始燃燒，CO濃度迅速升高，燃燒經過41s后，O2濃度下降，生成的CO濃度第一次達到峰值72ppm，NO濃度達到87ppm;750s時，NO濃度達到最大值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，O2濃度到達峰谷，NO濃度上升至55ppm;200s后，CO濃度到達峰頂濃度為629ppm。由此看出，細木工板燃燒初期NO產量較大，燃燒中期CO、NO產量較少，燃燒后期，產生大量的CO，NO非常少。

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

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

3? 結語

（1）點燃時間由短到長依次為細木工板、膠合板、密度板、刨花板，火災危險性逐漸降低。

（2）在燃燒過程中，四種人造木質板材均出現兩個熱釋放速率峰值，而且兩個峰值之間存在一個穩定的燃燒階段。熱釋放速率峰值由大到小依次是膠合板、密度板、刨花板、細木工板。

（3）根據四種人造木質板材的FPI值，膠合板、細木工板、密度板、刨花板，轟燃危險性逐漸減弱。

（4）根據四種人造木質板材燃燒過程中CO和NO含量變化，燃燒煙氣毒性由大到小依次為細木工板、膠合板、密度板、刨花板。

參考文獻：

[1]張瑩，唐前偉，陳愛平.木材和高聚物燃燒性能的錐形量熱儀研究[J].消防科學與技術，2009，28（02）：80-82.

[2]盧國建，劉松林，彭小芹.木材的燃燒性能研究——錐形量熱計法[J].消防科學與技術，2005，24（4）：414-418.

[3]吳玉章，原田壽郎.人工林木材燃燒性能的研究[J].林業科學，2004（02）：131-136.

[4]張麗娟.常用裝飾裝修板材的燃燒性能的實驗研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[5]鄧小波，王繼剛，劉白玲.錐形量熱儀在飾面型防火涂料防火性能研究中的應用[J].涂料工業，2011，41（12）：50-53.

[6]劉明利，周軍浩，王清文，等.聚甲基丙烯酸甲酯塑合木的燃燒性能[J].建筑材料學報，2010，13（03）：357-362.

[7]趙翠，袁樹杰，何明霞.幾種典型木質地板材料的熱重比較實驗研究[J].中國安全生產科學技術，2013，9（06）：37-41.

[8]曹偉城，王林江，謝襄漓，CharlesA.Wilkie.基于錐形量熱分析的聚丙烯/海泡石復合材料阻燃性能研究[J].材料導報，2012，26（16）：120-124.

[9]趙建民，翟龍江.木材概論[M].北京：高等教育出版社，2002.

[10]胡亞才.木材微結構對其傳熱特性影響的實驗研究[J].工程熱物理學報，2005，26（6）：210-212.

[11]王清文，李堅.木材阻燃工藝學原理[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2000.

[12]Jorg Fromm，Beate Rockel， Silke Lautner，et al.Lignin distribution in wood cell walls determined by TEM and backscattered SEM techniques[J].Journal of Structural Biology，2003，14（3）：77-84.

[13]ZUO Song-lin.A Study on Shrinkages during the

Carbonization of Bamboo[J].Journal of Nanjing Forestry University（Natural Sciences Edition），2003，27（3）：15-19.

[14]A.Celzard，O.Treusch，J.F.Mareche，et al.Electrical and

elastic properties of new monolithic wood-based carbon

materials[J].Journal of Materials Science，2005，40（8）：63-70.

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