DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.009

五合板的燃烧特性及其动态和静态生烟特性

颜龙¹，徐志胜¹，张军²，王勇²

(1. 中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙，410075；

2. 青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛，266042)

摘要：利用热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)、锥形量热仪(Cone)和塑料烟密度仪研究五合板的燃烧特性和生烟特性，并对燃烧特性与生烟特性的相关性进行分析。研究结果表明：五合板的热解过程可分为3个阶段，即干燥和粗挥发阶段、热解阶段和炭化阶段，其中热解过程为先吸热后放热的过程。五合板的动态烟释放(比消光面积、生烟速率和总生烟量)及静态烟释放(比光密度和质量光密度)与其燃烧过程有关且随着辐射功率的增加而增大，其中锥形量热仪实验中五合板的峰值生烟速率、总生烟量与峰值热释放速率之间存在较好的线性关系。五合板的静态生烟特性还受火焰条件的影响，其中相同辐射功率下有焰燃烧的比光密度和质量烟密度低于无焰燃烧条件下的，但质量损失却明显高于无焰条件下的。

关键词：五合板；热解特性；燃烧特性；生烟特性；锥形量热仪；热重分析；差热分析

中图分类号：TQ038.7             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)10-3619-06

Flammability, static and dynamic smoke properties of plywood

YAN Long¹, XU Zhisheng¹, ZHANG Jun², WANG Yong²

(1. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China;

2. College of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

Abstract: The flammability and smoke properties of plywood were analyzed by thermo-gravimetric analyzer, differential scanning calorimeter, plastic smoke density tester and cone calorimeter. The correlations between flammability and smoke properties of plywood were revealed. The results show that the combustion process of plywood can be divided into three stages, i.e. dehydration and volatilization, pyrolyzation, and carbonization. An obvious endothermic process and an exothermic one were observed in procedure of plywood combustion. In addition, the higher level of external heat flux significantly increases the heat release rates, mass loss rates, dynamic smoke releases (specific extinction area, smoke production rate and total smoke production) and static smoke releases (special optical density and mass optical density).There are linear correlations between peak heat release rate and some dynamic smoke parameters (peak smoke production rate and total smoke production) in the cone calorimeter. Meanwhile, the application of an ignition source reduces both the mass and special optical densities, and increases the mass loss at the same incident heat flux.

Key words: plywood; pyrolysis; flammability; smoke properties; cone calorimeter; thermo-gravimetric analysis; differential scanning calorimeter

五合板作为室内装修的主要材料，在美化环境的同时也存在着一定的安全隐患，特别是在火灾中燃烧产生的烟气是致人死亡的主要原因^[1-2]。五合板的生烟特性对于室内火灾发展、蔓延及危害后果有重要影响， 因此研究五合板燃烧时烟气的生成情况对于减少火灾中人员伤亡有重要的意义^[3]。目前采用的测烟试验方法在原理上大体分为2类，即质量法和消光法。消光法主要是通过测定光束在烟气中的透光率来计算烟的光密度以评价烟的生成量，其测烟结果同真实火灾中的能见度相关联。而质量法无法评价烟对能见度的影响及建立与实际燃烧的关联性，因此利用消光法对五合板生烟特性进行研究对火灾安全逃生通道设计中有一定的实用性^[4]。消光法测烟可以划分为静态和动态方法，通常分别依据ISO 5659—2和ISO 5660—2进行测试，其典型的测烟仪器分别为NBS烟箱和锥形量热仪^[5-6]。目前关于木材生烟特性的研究主要是针对其影响因素、测试方法及烟参数之间的相关性等方面进行的。Quintiere^[7]研究表明：材料的烟密度不仅与测烟试验方法有关，还与火场温度、外部辐射功率、氧浓度、材料厚度及密度等因素有关。Grexa等^[8-10]研究发现木质装饰材料的静态和动态生烟特性因材质的不同而存在明显差异。Dietenberger等^[11]研究表明，木质装饰材料在锥形量热仪和ISO9705全尺寸火灾实验中测得的动态生烟参数SEA之间有较好的线性相关性。Mouritz等^[12]研究还表明：纤维增强复合材料在锥形量热仪实验中的烟参数(SEA，CO及CO₂生成量)与燃烧参数(PHRR，AHRR)之间有较好的线性相关性。烟作为火灾燃烧过程的一种结果，因此结合材料的燃烧特性可以更深入的理解其生烟特性及火灾危险性^[13-14]。本文作者采用基于GB/T 8323—2008“NBS方法的静态测烟法”和锥形量热仪动态测烟法来评价五合板的生烟特性，考察测试方法及火源功率等因素对材料生烟特性的影响，并结合热重分析和差热分析探讨材料的燃烧特性与生烟特性之间关联性。

1  实验

所用原料为山东鲁丽集团有限公司生产的厚度为12 mm的五合板(PLY)。静态生烟性能依据GB/T 8323—2008在东莞剑桥设备有限公司标准型塑料燃烧性烟密度测定仪上测试，样品长×宽×高为75 mm×75 mm×12 mm，辐射功率分别选用25 kW/m²和50 kW/m²，并分别在有焰和无焰条件下进行测试。燃烧特性和动态生烟特性则依据ISO 5660—2002在英国FTT公司标准型锥形量热仪上测试，样品长×宽×高为100 mm×100 mm×12 mm，辐射功率分别选用25，35，50，60和75 kW/m²。热重分析(TGA)和差热分析(DSC)实验采用法国塞塔拉姆仪器公司的Labsys Evo STA型热重-差热分析仪，测试条件为氮气气氛下(流量20 mL/min)，取大约10 mg样品放置在坩埚中，然后以10 ℃/min的升温速率从室温加热到800 ℃。

2  结果与讨论

2.1  五合板的热解特性分析

图1所示为五合板在氮气下的TG和DTG曲线。由图1可以看出：五合板的热解过程可分为3个阶段，其中第1个阶段对应的温度区间为50~200 ℃，该阶段主要为五合板中的水分和挥发份的干燥和粗挥发阶段，该区间的TG曲线较为平缓，其质量损失为4.56%；第2个阶段对应的温度区间为200~500 ℃，该阶段为五合板中的纤维素、半纤维素和木质素的热解阶段，五合板在该阶段TG曲线迅速下降，质量损失明显达到61.09%；第3个阶段的温度区间为500 ℃以上，该阶段为五合板的炭化阶段，五合板在该阶段质量损失较小并形成大量的残炭，其最终残炭量高达27.49%。图2所示为五合板在氮气下的DSC曲线。由图2可以看出：五合板的DSC曲线分别存在一个明显吸热和放热过程。其中吸热过程的温度区间为50~278 ℃，该阶段主要从外界吸收热量蒸发水分和挥发份，水分蒸发约在150 ℃结束；当五合板被加热到230 ℃左右时，开始热解并释放出挥发性可燃气体，该阶段的反应仍以吸热为主。放热过程的温度区间为278~740 ℃，该阶段为纤维素、半纤维素和木质素热解放热所致，是木材固相燃烧热量的主要来源，其中该过程中的3个波峰表示纤维素、半纤维素和木质素存在不同分解温度区间。综上所述可知：五合板在干燥和粗挥发阶段主要为吸热过程，在热解阶段先为吸热过程之后为放热过程，炭化阶段则为放热过程。

2.2  五合板的燃烧特性分析

图3所示为不同辐射功率下五合板的热释放速率曲线。由图3可以看出：不同辐射功率下五合板的热释放速率(H_RR)曲线形状相似均呈双峰型，其中五合板在点燃之后H_RR便迅速达到峰值，随后下降并出现平台，是典型的“前单峰”型，即燃烧中有炭层的形成，这与TG实验结果相一致。随着辐射功率的增加五合板的点燃时间缩短、峰值H_RR及燃烧时间明显增加，以峰值H_RR为例，辐射功率为25 kW/m²时五合板的峰值H_RR为183.8 kW/m²，而辐射功率为35，50，60和75 kW/m²的峰值H_RR分别为218，262.9，320.5和367.7 kW/m²。同时在燃烧过程中，材料的裂解会为燃烧提供燃料，因此结合材料裂解(即材料的质量损失速率)可以更好的理解材料的燃烧过程^[4]。图4所示为不同辐射功率下五合板的质量损失速率曲线。结合图4可以看出：五合板在不同辐射功率下的质量损失速率(M_LR)曲线形状相似，且M_LR随着辐射功率的增加而增加，尤其是峰值增加明显。以峰值M_LR为例，辐射功率为25 kW/m²时五合板的峰值M_LR为0.149 g/s，而辐射功率为35，50，60和75 kW/m²的M_LR峰值分别为0.166，0.211，0.232和0.255 g/s。这表明辐射功率增加使五合板的裂解程度增加，从而增加了五合板的燃烧性，这与图3的热释放速率结果相一致。比较图2和图3可以发现：五合板的H_RR和M_LR曲线变化趋势相似，表明热释放速率与质量损失速率密切相关，这可能与辐射功率增加后材料的裂解程度加大有关。图5所示为不同辐射功率下五合板的有效燃烧热曲线。由图5可以看出：随着辐射功率的增加，五合板的有效燃烧热(E_HC)略有提高，其中辐射功率25 kW/m²下，五合板的有效燃烧热为10.53 MJ/m²，而辐射功率为35，50，60和75 kW/m²的E_HC分别为11.05，11.43，11.16和11.31 MJ/m²。不同辐射功率下五合板在燃烧过程中受热分解形成的挥发物中可燃物燃烧释放的热量基本相同，表明辐射功率增加对材料的有效燃烧热没有明显的影响。综上所述可以看出：五合板的热释放速率和质量损失速率随着辐射功率增加而增加，有效燃烧热则趋于恒定值并受辐射功率影响较少。

图1  五合板在氮气下的TG和DTG曲线

Fig. 1  TG and DTG curves of plywood under N₂ atmosphere

图2  五合板在氮气下的DSC曲线

Fig. 2  DSC curve of plywood under N₂ atmosphere

图3  不同辐射功率下五合板的热释放速率曲线

Fig. 3  H_RR curves of plywood at different external heat fluxes

图4  不同辐射功率下五合板的质量损失速率曲线

Fig. 4  M_LR curves of plywood at different external heat fluxes

图5  不同辐射功率下五合板的有效燃烧热曲线

Fig. 5  E_HC curves of plywood at different external heat fluxes

2.3  五合板的生烟特性分析

2.3.1  动态生烟特性分析

辐射功率会影响五合板的燃烧阶段的热解历程，从而进一步影响其生烟特性，其中锥形量热仪实验中的比消光面积(S_EA)、生烟速率(S_PR)和生烟总量(T_SP)可以表征材料的烟气对减光性的影响并能与真实火灾中能见度相关联，因此利用S_EA，S_PR和T_SP来评价材料的动态生烟特性可为火灾中安全疏散及对火灾的施救提供参考和借鉴。S_EA表示挥发每单位质量燃料所产生烟的能力，其中S_EA=k·V_f/M_LR(式中：k为消光系数，1/m；V_f为烟道的体积流速，m³/s；M_LR为材料的质量损失速率，kg/s；S_PR为材料燃烧时烟雾生成速率的参数，S_PR=S_EA×M_LR；T_SP为材料单位面积燃烧时的累计总生烟量，T_SP=∫S_PR，五合板的S_EA，S_PR及T_SP越大则表明其动态生烟性能越强。五合板在不同辐射功率下的比消光面积、生烟速率、生烟总量曲线见图6。

图6  不同辐射功率下五合板的比消光面积、生烟速率及生烟总量曲线

Fig. 6  Dynamic smoke properties curves of plywood at different external heat fluxes

图7  五合板的峰值热释放速率P_HRR与生烟总量T_SP及峰值生烟速率S_PR的关系

Fig. 7  Relationship among P_HRR, T_SP and peak S_PR for plywood

由图6可以看出：不同辐射功率下五合板的S_EA和S_PR曲线呈双峰型，其中S_EA和S_PR在点燃之后便迅速达到峰值，随后下降并出现平台，之后出现一个较大的峰值，而高辐射功率下的峰值S_EA、峰值S_PR及T_SP还明显比低辐射功率下的高，在辐射功率25 kW/m²下五合板的峰值生烟速率为0.007 4 m²/s，总生烟量为1.23 m²/m²，而辐射功率为35，50，60和75 kW/m²的峰值生烟速率分别为0.017，0.022，0.026和0.038 m²/s，T_SP分别为2.7，3.24，5.3和6.62 m²/m²。同时，五合板的动态生烟参数(S_EA，S_PR和T_SP)随辐射功率增加而增大的趋势与锥形量热仪实验中辐射功率增加后样品的点燃时间明显提前、热释放速率及质量损失速率增加相一致，表明五合板的生烟过程与其燃烧过程具有关联性。图7所示为五合板的峰值热释放速率P_HRR与生烟总量T_SP及峰值生烟速率S_PR的关系。由图7可以看出：五合板的峰值生烟速率、总生烟量与峰值热释放速率之间有较好的线性相关性，其中热释放速率与生烟参数之间存在明显的相关性则表明燃烧过程中五合板的吸热分解反应决定了其热释放速率及生烟特性。同时，五合板在燃烧中释放的热量还对烟气生成有较大影响，这主要与五合板的热解过程存在一个明显的吸热过程有关，因此，辐射功率越高，材料受热越多，裂解速率越快，能在较短时间内产生大量的气相裂解产物，使得高辐射下材料S_EA，S_PR和T_SP比低辐射功率条件下的大。

不同辐射功率下五合板的动态生烟特性的差异与其燃烧过程有关，其中可燃物生烟过程及物质转化示意图见图8。由图8可以看出：可燃物在燃烧过程中先经历升温脱水，之后开始裂解，形成固体残余物和浮升到空气中的凝聚态和气态物质，凝聚态和气态浮升物都会与空气燃烧分别转化为烟颗粒(主要为烟灰)和气体产物，部分未反应的则本身就构成烟气。由于五合板与其他木质装饰材料之间具有相似的组成成分及燃烧特性^[14]，因此分析五合板的生烟特性可以得出木质装饰材料的生烟特性规律。结合五合板的燃烧特性和动态生烟参数可以看出：五合板在高辐射功率下其生烟量增加，便与高辐射功率能释放更多的热量以促进五合板裂解，从而在燃烧过程中产生更多的烟，这还与五合板在热解阶段存在吸热过程相一致。

图8  可燃物燃烧生烟过程及物质转化示意图

Fig. 8  Diagram of smoke generation process and substance conversion on combustion process

2.3.2  静态生烟特性分析

根据GB/T 8323—2008通过测定材料燃烧时烟雾的透光率的变化，进而计算出比光密度和质量光密度来评价材料的静态生烟特性，其中比光密度及质量密度越大，表明材料的生烟性能越强。图9所示为不同辐射功率和火焰条件下五合板的质量损失、比光密度及质量光密度曲线。由图9可以看出：高辐射功率下五合板在有焰条件下的比光密度和质量光密度比无焰条件下的低，而质量损失率比无焰条件下的大，这与低辐射功率的规律相一致。同时，五合板在有焰及无焰条件下的比光密度和质量光密度随着辐射功率增加而降低，而质量损失率则随着辐射功率增加而增大。结合图8的材料生烟过程可知：这主要是由于五合板热解过程需要吸热，因此高辐射功率及有焰条件下材料受热越多，裂解速度越快，能在较短时间内产生大量的气相裂解产物，使得高辐射功率及有焰条件下五合板的质量损失率和比光密度均比低辐射功率及无焰条件下的大。同时，材料在高辐射功率下的质量光密度比低辐射下的小，这主要是由于高辐射功率下材料的分解明显提前，同时裂解产物能进一步氧化成小分子，使单位质量的芳香烃减少，从而降低材料的质量光密度。而有焰条件的质量光密度比无焰条件下的低，这主要是由于无焰条件下材料只有裂解而没有燃烧，气态和凝聚态浮升物就会构成烟；而在有焰条件下，气态和凝聚态浮升物都会与空气燃烧分别转化为气体产物和烟颗粒，从而降低材料的质量光密度。

图9  不同辐射功率和火焰条件下五合板的质量损失、比光密度及质量光密度曲线

Fig. 9  Static smoke properties curves of plywood at different external heat fluxes and combustion models

3  结论

1) 五合板的热解过程分为3个阶段，即干燥和粗挥发阶段、热解阶段和炭化阶段，其中干燥和粗挥发阶段主要为吸热过程，热解阶段先为吸热过程之后为放热过程，而炭化阶段为放热过程。

2) 五合板的热解过程影响其燃烧特性和生烟特性。高辐射功率下五合板的热释放速率、质量损失速率、动态烟释放(比消光面积、生烟速率和总生烟量)、静态烟释放(比光密度和质量光密度)越大，其中峰值热释放速率与峰值生烟速率、总生烟量之间还存在线性相关性。

3) 火焰条件还影响五合板的静态生烟特性，相同功率下五合板在有焰条件下的比光密度和质量光密度比无焰燃烧条件下的低，而在有焰条件下质量损失明显比无焰条件下的高。

参考文献：

[1] XU Zhisheng, YAN Long, LIU Yong. Study on correlations between the flammability and dynamic smoke properties of four decorative materials[J]. Procedia Engineering, 2014, 84: 498–505.

[2] ZHANG Jun, YANG Fengke, Shields T J, et al. Effects of surface flame spread of plywood lining on enclosure fire in a modified ISO room[J]. Journal of Fire Sciences, 2003, 21(1): 67-83.

[3] Chew M Y L, Wong L P, Lim S M. Heat, smoke and toxicity of ceiling and wall linings and finishes[J]. Architectural Science Review, 1999, 42(4): 265-270.

[4] 张军, 纪奎江, 夏延致. 聚合物燃烧与阻燃技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004: 443-449.

ZHANG Jun, JI Kuijiang, XIA Yanzhi. Polymer combustion and fire-retardant technology[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004: 443-449.

[5] ISO Standard 5659—2, Plastics—Smoke generation (Part 2): Determination of optical density by a single-chamber test[S].

[6] ISO Standard 5660—2, Reaction-to-fire tests—Heat release, smoke production and mass loss rate (Part 2): Smoke production rate (dynamic measurement)[S].

[7] Quintiere J G. Smoke measurements: An assessment of correlations between laboratory and full-scale experiments[J]. Fire and Materials, 1982, 6(3/4): 145-160.

[8] Grexa O, Lübke H. Flammability parameters of wood tested on a cone calorimeter[J]. Polymer Degradation and Stability, 2001, 74(3): 427-432.

[9] Tran H C. Quantification of smoke generated from wood in the NBS smoke chamber[J]. Journal of fire sciences, 1988, 6(3): 163-180.

[10] Rajulu K C V, Nandanwar A, Kiran M C. Evaluation of smoke density on combustion of wood based panel products[J]. International Journal of Materials and Chemistry, 2012, 2(5): 225-228.

[11] Dietenberger M A, Grexa O. Correlation of smoke development in room tests with cone calorimeter data for wood products[C]//Osvald A. Proceedings of the 4th International Scientific Conference on Wood and Fire Safety. Strbske Pleso: Slovak Republic, 2000: 45-55.

[12] Mouritz A P, Mathys Z, Gibson A G. Heat release of polymer composites in fire[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2006, 37(7): 1040-1054.

[13] LI Bin. Influence of polymer additives on thermal decomposition and smoke emission of poly (vinyl chloride)[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003. 82(3): 467-476.

[14] Lee B H, Kim H S, Kim S, et al. Evaluating the flammability of wood-based panels and gypsum particleboard using a cone calorimeter[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(7): 3044-3050.

(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-02-25；修回日期：2015-06-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51306097)；国家科技支撑计划项目(2014BAK17B02，2014BAK17B03)；湖南省研究生科研创新项目(CX2014B071)(Project (51306097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (2014BAK17B02, 2014BAK17B03) supported by National Science and Technology Support Program; Project (CX2014B071) supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)

通信作者：徐志胜，教授，博士生导师，从事土木工程防灾减灾研究；E-mail：xuzhsh82@163.com