不同木材燃烧性及阻燃处理的效能研究

徐洪锦

不同木材燃烧性及阻燃处理的效能研究

徐洪锦

(武警云南省消防总队，云南 文山州 663700)

为有效预防和控制木质材料引起的火灾，需对不同木材的燃烧性能加以研究分析。本研究主要利用锥形量热仪对各种木材燃烧性能进行测试，得出了燃烧过程中的有效燃烧热量、热释放速率和总释放的热量等相关有效数据，并以此来进行木材燃烧的降解和阻燃。

木材；燃烧；阻燃；未阻燃

随着人类社会文明的不断进步，木材作为国家建设和人民生活必需品的重要原料之一，在生活和生产中的应用范围很广。近年来不少木质装饰材料逐步进入市场，成为人们选择的对象。但是在日常生活中人们往往会出现对用火用电的管理不慎、电器设备出现故障等问题导致了火灾的发生，而木质装饰材料不仅使火灾荷载大大增加了，同时也释放了许多有毒的烟气，严重威胁到了人们的身心健康，甚至是生命财产安全。由于木质装饰材料具有燃烧特性，严重影响着建筑火灾的发生、蔓延乃至危害性的后果。因此，对不同木材的燃烧特性进行分析研究，科学地对这些木质装饰材料的燃烧特性加以认识，对安全使用木质装饰材料以及有效地预防和控制建筑火灾的发生具有重要意义。

在生活中常见的有：木材、人造板、各种纸制品等等。木材的组成成分包括木质素、纤维素、半纤维素，这部分占主要成分的90%左右，其余的10%包括的是各种提取成分，包括树脂、鞣质、挥发油和其他酚类化合物等。木材是易燃的，如果按照对引起火灾的危险程度将各种物质划分为甲、乙、丙、丁、戊5个等次，木材可以排在丙的等次，它是一种有机可燃物，而且会引起火灾危险。木材除了易燃的特性以外，在它燃烧时，还能释放出大量的热量，平均热值达到18 MJ/kg，发生火灾时强度和蔓延度都变得很大[1]。

本研究选取了几种室内装潢常用的木材，将其燃烧性能的研究作为主线，同时还研究了经过阻燃处理后燃烧性能产生的各种变化。首先在未进行阻燃时他们的燃烧性能分别有什么规律，再研究了经过阻燃处理后，这几种材料在热释放速率等方面产生的规律变化，通过前后的比较得出了木材燃烧的一些规律，以应用于实际生活。

目前，国际上对于木材燃烧性质的研究主要运用于火灾的预防和救灾方面，有些国外的国家还建立了专门的数据库，以便运用，比如：美国有NIST FAST Data数据库，记录了多种材料的燃烧性能，该数据库是相对比较完善的数据库之一，除了记录材料的燃烧特性外，还配有录像、图片等资料[2]。美国在这方面的研究比较突出，现阶段比较著名的有Andrew T. Grenier等人对于高速飞行器内的物质的火灾危险性的研究，他们采用了锥形热度测量计以及ISO9705墙角试验等装置，目的是在这些实验的基础上建立高速飞行器燃烧性能标准。另外，欧洲的这项研究也走在世界前列，比如：名为EUREFIC的工作组，通过对62种不同材料的燃烧性能的研究，建立了数据库，同时，对除铺地材料以外的室内建筑材料进行研究分析，建立了燃烧的分级标准，为室内材料的燃烧性能研究奠定了一定的基础[3]。

国内对于材料燃烧性能的研究才刚起步，这方面的研究论文也不是很多，我国的第一个燃烧材料及其组件的火灾特性的数据库是由公安部四川消防科学研究所和中国科技大学、公安部天津消防研究所以及中国建筑科学研究院联合研究建立的，他们在国内外研究的基础上，利用锥形热度测量器进行试验，得出了现在的成果。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料选择的是在建筑装修以及家具制作中比较常用的榉木、松木、香红木、桦木、青冈木、柏木等一些木材种类，在研究中，我们选择了榉木、松木、香红木、桦木来准备了两套样品，分别是经过加压注入阻燃剂处理的木材和一组没有经过阻燃处理的木材来进行比较研究，样品的尺寸为100 mm ×100 mm，厚度范围为25～29 mm，并且在样本的表面缠绕一层厚度为0.025 mm的铝箔，将多余铝箔剪去之后，铝箔的式样表面应露出3 mm。

1.2 研究方法

通过锥形热度测量计测量木材在燃烧过程中的热量释放的变化，然后对不同材料进行阻燃处理，阻燃处理的方法主要有在表面涂敷阻燃化学剂或者是注入两类。在表面涂敷的方式相对来说比较简单，是直接将阻燃剂涂抹在木材表面，涂抹必须按照一定的步骤。注入式处理有两类，分别是加压和常压，常压的情况下又分为两种：（1）将木材在常压的情况下浸泡在低粘度阻燃液体中，温度保持室温或加热都可以，浸泡时间取决于木材本身的性质和需要吸收的药物剂量[4]。（2）在常压的情况下将木材用热阻燃剂先浸泡数小时，使木材内气体膨胀，继续保持常压下，换用冷阻燃剂浸泡，或者可以选择直接冷却之前的热阻燃剂，这一步就导致剩下的空气被压缩从而形成真空，最后就借助了外部的压力使得阻燃剂进入木材内部。加压状况下的注入阻燃剂的方法是同时将木材和要注入的阻燃剂放入封闭压力容器中，通过容器里的压力将阻燃剂阻压入木材中[5]。在木材经过阻燃处理后，我们再利用同样的方法测量燃烧过程中释放的热量及相应的时间，对前后的规律进行比较，得出不同材料燃烧的不同特性，以便运用于生活。

1.3 木材燃烧情况研究

对木材进行加热的过程是一个热分解反应的过程。反应过程中一些复杂的高分子材料被分解成许多简单的低分子物质，这些简单的物质通过缩合或者聚合的反应合成树脂状物质，随着燃烧的逐步进行，反应过程根据温度的升高逐渐从吸热转化成放热，这反过来又加速了木材本身的热分解反应。

我们根据燃烧的温度来分析，从100 ℃～150℃时，木材在这一阶段的燃烧主要是蒸发水分，此过程热分解比较缓慢，其化学成分没有显著改变，且为吸热反应[6]。到了150 ℃～200 ℃时，热分解速度明显开始加快，组成部分的半纤维素分解开始，燃烧产生的气体中，二氧化碳占70%，一氧化碳30%，木材颜色开始转变成褐色，燃烧产生的热量为4.8 MJ/m3。 所以木材如果一直处在100 ℃～200 ℃的环境下可能会产生自燃。

2 结果与分析

2.1 样本的燃烧热释放速率分析比较

所谓热释放速率指的是木材在单位面积燃烧时释放热量的速率，热释放速率以kw/m2为单位。热释放速率是描述木材燃烧的特性的最重要参数之一，也是记录火灾和分析火灾伤害的最重要依据。热释放速率越大或者热释放速率的峰值越高就表明材料对于火灾的影响就越大，危险就越高。由表1可以看出这几种木材的热释放速率以及燃烧的峰值，其中榉木的热释放速率和燃烧峰值都是几种木材里面比较高的，而香红木和松木在这两方面相对于榉木来说都低一些。所以，在选用进行阻燃处理的木材时，香红木和松木都比榉木来的好一些，因为火灾的危险性也小些，而榉木的热释放速率和峰值都比较高，所以火灾的危险性也比较大，所以在室内使用时应该不用或者尽量少用比较好。

表1 没有阻燃处理的木材燃烧参数Table 1 Wood burning parameters of non-fire-retardant treatment

2.2 有效燃烧热

所谓有效燃烧热，简称为EHC，指的是在木材燃烧的某个时刻，其释放的热量与其质量消耗的比值，单位为MJ/kg，体现的是木材在一定时间内燃烧的程度[7]。表1中的数据，表明不同的材料的木材的热释放速率和燃烧的峰值有着很明显的差距，但是有效燃烧热的差距却很有限，这是以为有效燃烧热直接取决于燃烧物体的本身结构，我们研究的对象都是木质材料，他们属于同一种类型，所以化学构成基本上是相同的，所以他们的有效燃烧热也差距不大。

2.3 总释放热

总释放热，简称为THR，这个概念相对比较好理解，指的是每单位面积的木材从一开始燃烧直到结束总共释放的热量，单位也是MJ/m2，如果总释放的热量越大，那木材在火灾中的危险也越大。

从表1还可以看出选取的样品的厚度是一样的，而总释放热量是榉木和青冈木的最大，所以他们在火灾中的危险性也就越高，而且其热释放速率和峰值也比其他几种木材要高。一般来说，具有更大的热释放速率的材料的总热释放量也会偏高。木材阻燃处理后释放的总热量普遍下降，但是也有特殊情况，松木经阻燃后热量释放却会增加，原因目前正在研究。

2.4 样本热释放速率

松木未进行阻燃处理的，在进行燃烧时大约55 s时达到峰值，大约为98 kW/m2，而经过阻燃处理后，约经过1 625 s才会达到峰值，为80 kW/m 左右。

桦木的情况是未阻燃处理时，大约1 205 s时达到峰值，约为148 kW/m2左右，经过阻燃处理后，变化比较大，燃烧过程比较平稳，释放速率基本维持在20 kW/m2以内。

榉木情况与桦木基本相似，未阻燃前峰值为200 kW/m2左右，阻燃后则在10 kW/m2以内。

香红木的热释放速率的变化情况则跟松木比较相像，未阻燃处理时，于大约1 400 s的时候达到峰值，130 kW/m2左右，经过阻燃处理后，会延迟到1 800 s才会达到峰值，且峰值降到80 kW/m2左右。

柏木和青冈木的变化都不是特别明显，未阻燃处理时柏木于800 s时达峰值100 kW/m2左右，而青冈木则在1 700 s左右才能达到152 kW/m2左右的峰值。在经过阻燃处理后，变化不是很明显，相对来说趋于平缓。

木材在阻燃处理过后，他们的热释放速率都有一定程度的降低，而榉木和桦木降低的程度最高，没有经过阻燃处理的木材燃烧具有一定的规律，在燃烧开始后比较短的时间内，木材的热释放就会达到一个峰值，然后开始进入一个相对平缓的燃烧期，之后又会达到第二次峰值，然后才终于降下来，整个过程时间比较长[8]。但是经过阻燃处理的木材，燃烧的时间会比没有经过处理的木材更加长，但峰值出现的时间推后了，而且波峰也相对平缓了。

对比表1和表2可以看出，4种木材在经过阻燃处理以后，他们的热释放速率和峰值都降低了，可以看到比如榉木，他的热释放速率经过阻燃处理后降低了接近100 kW/m2，而变化相对较小的松木和香红木也降了阻燃前的24.3%和23.9%，所以，我们可以得出在对木材进行阻燃处理以后，他们的防火以及安全性能都得到了一定程度的提升，以便于他们能更广泛的应用于现今的生活环境，被人们所信赖。也告诉人们，我们在选择木材时，出于对安全的考虑，应该要尽量选择经过阻燃处理的木材。

表2 经阻燃处理的木材的性能Table 2 Performance of fire-retardant treated wood

另外，还有一点我们发现，木材原本的热释放速率比较大的话在经过阻燃处理之后他的热释放速率降低的程度也比热释放速率小的木材要明显的多[9]。比如以榉木为例，阻燃前后降低了将近100 kW，而松木和香红木只有15 kW和14 kW左右，可以发现，在经过阻燃之前的热释放速率比较高的木材在经过阻燃后性能改善的空间相对大。

由表3可以看出，在样本的质量不等的情况下，样本的质量增加值基本等于灌入的阻燃剂的质量，而样本在相同的体积的状况下，密度变化较大的木材的添加的阻燃剂也就越多，那么热释放速率变化也越大[10]。例如，榉木的密度在加阻燃剂前后变化了0.152 kW，热释放速率却从106.444 kW变化到了6.998 kW，影响为最大。而依旧拿香红木和松木来看，他们的密度增加值比较小，所以热释放率的结果变化也是非常小的，密度对于热释放速率的影响主要说明的是木材本身对于阻燃剂的吸收情况，密度变化明显的，说明阻燃剂的吸收情况良好，变化不明显的则是对阻燃剂的吸收情况一般。

表3 木材在阻燃处理前后性能比较Table 3 Comparison on wood flame retardant performance before and after treatment

3 总 结

本研究采用锥型量热仪法对各种木材在燃烧时所释放的热量、烟尘、废气等成分以及碳含量进行研究和分析的，其结果表明：

(1) 木材在经过阻燃处理之前进行燃烧的时候，测量发现都会有两个波峰，主要代表了两个燃烧阶段，首先是火焰燃烧阶段，接下来是红热燃烧阶段。

(2) 木材在经过阻燃处理后，他们的热释放速率基本都会有所降低，其中以榉木和桦木和榉木最为明显。

(3) 木材如果体积相等，在对其进行阻燃处理后，密度的变化越大，木材的阻燃剂含量越多，同时，热释放速率也会减少的多。

(4) 在各种条件都相同时，不经过阻燃处理的木材的有效燃烧热基本上也是相同的。

(5) 木材在经过阻燃处理后，其燃烧的时间会增加，但是燃烧峰值出现的时间会推后，总的燃烧时间加长，质量减轻和损失也会降低，成碳量会明显增加，这也就是达到木材阻燃目的的主要途径之一，即提高木材成碳量。

[1] 姚春花,吴义强,胡云楚.3种无机镁系化合物对木材的阻燃特性及作用机理[J].中南林业科技大学学报,2012,32(1):18-23.

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Study on combustibility of different wood and efficiency of fire-retardant treatment

XU Hong-jin
(Yunnan Fire Corps of Armed Police, Wenshan 663700, Yunnan, China)

In order to effectively prevent and control the fire caused by wood materials, it is necessary for us to analyze and study different kinds of woods’ burning performance. By using cone calorimeter, various woods’ burning performance were tested, the effective heat of combustion in the combustion process, heat release rate and total heat released and other related data were obtained,thus the studies of wood combustion degradation and flame retardant were carried out.

wood; burning; flame retardant; non-flame-retardant

S781.73

A

1673-923X(2012)08-0141-04

2012-05-06

云南省林业消防中心资助项目(2010-3010)

徐洪锦(1979—)，男，云南宣威人，工程师，硕士，主要从事消防安全、灭火救援等方面的研究

[本文编校：文凤鸣]