常用实木家具木质类生物质的热重分析

消防理论研究常用实木家具木质类生物质的热重分析殷飞12,3,朱国庆23(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州22116;2.中国矿业大学消防工程研究所,江苏徐州22116;3.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221116)摘要:采用热重分析法对35种常用实木家具木质类生保护,以10℃/min升温速率从10℃升至1000℃并保物质的热解过程进行研究,确定其失重规律、着火温度和燃烧温2min,实验结束后经恒温水浴降至室温。样品质量5动力学方程,并对比分析针叶树类和阔叶树类生物质的失重规~6mg,天平精度1.0×10‘g。参比物质为a-Al2O3。律。DTA曲线显示大多教试样着火温度比分解温度高20~30表1样品种类及质量统计℃。结果表明:常用实木家具木质类生物质的失重分为脱水、木材平均质量/mg木质名称平均质量/mg稳定、快速失重和慢速失重4个阶段;其热解机理满足一阶反白松红花檻木5.3应动力学方程,在高温区域,活化能和频率因子拟合方程相美油松系数接近1;活化能约为65~85kJ/(mol·K),而频率因子变红松5.5楂木5.4化范围较大。为室内火灾特性的研究提供基础数据。樟子松5.4椴木关键词:木质美生物质;家具;燃烧特性,着火温度;热重铁杉5.4榆木分析5.5中图分类号:X9134,TK121文献标志码:A水杉5.4黑擅5.1文章编号:1009-0029(2014)09-0995-04银杉普通檀木5.4银杏木香樟我国提出加快城市化和小城镇化建设步伐的举措,水曲柳黄连木将进一步促进住宅建设,为各类家具提供了发展空间。桦木5.7揀木5.2实木家具因其自然的材质、天然、无化学污染的特性,迎5.1丝棉木合现代都市人崇尚自然的心理将得到广泛的使用。5.4花旗木5.4实木家具的使用,加大了室内可燃物的载荷给建筑杨木5.1红棒木5.7物的防火安全留下了火灾隐患。目前,国际上许多国家槐木松杨木都在对室内材料的火灾特性展开研究并建立火灾数据刺槐5.7皂角木库,而我国相关研究机构和高校较少起步晚,对火灾材[枫木56泡桐5.3料特性等方面的研究数据较少。笔者对常用实木家具木2实验结果与分析质类生物质进行热解特性研究得到相对应的着火温度,2.1着火温度分析扩展了对实木家具燃烧特性的研究,为生物质的特性研采用TG-DTA曲线能确定试样着火温度,如图1究和火灾危险性提供了基础数据。所示。从DTA曲线最初急剧上升点D作垂线,交TG曲1实验部分线于C点,在该点作切线,交过A点水平线于B点,B点1.1实验样品所对应的温度即为着火温度。试样的各类温度如表2所采用35种长江中下游地区常用实木家具木质类生示,可以看出:物质。将样品用植物粉碎机粉碎,分样筛筛分出100目(1)大多数试样着火温度比分解温度高20~30℃,以上的样品粉末至干燥箱内50℃环境下干燥3h,并装小部分试样着火温度低于分解温度。入磨砂口玻璃瓶。样品种类及质量如表1所示。(2)木材着火温度约为250~270℃,针叶树类与阔1.2实验条件叶树类的着火温度相差不大实验仪器采用ZCT-A/B型综合热分析仪,升温速(3)木材的T(外延起始温度)可表示木材的稳定度:0.1~100℃/min,温度范围:0~1200℃,符合JB/T性,可以看出木材的稳定温度约为320℃。针叶树类的6856-93《中华人民共和国机械行业标准》要求。温度大部分约在300℃;阔叶树类的T。普遍高于针叶树反应气氛为空气气氛,实验前30min进行恒温水浴类T。中国煤化工CNMHG基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK2013111);江苏省高校优势学科建设工程项目(PAPD)防科季与披术2014年9月第33卷第9期100明显的吸热峰温度约为400℃,各类试样相差很大。DTA02004006008002004006008001000图1着火温度测定方法图表2试样根据TG-DIA曲线所得到的各类温度(a)钅叶树类20°分解着火解着火水曲柳乌木木材T/℃温度温度木材|T./C温度温度/c/C/℃白松32084204269株木2894258428584油松32.228194楂木30.521.7|267.3在根木二脚红343.7273.3271.1椴木|320.3257256.1樟子松431.1269.9272.4榆木309.3|263.0280.6煅木02004006008001000铁杉|33.6265.1273.5乌木480.9257.0251.4枇杷木温度℃香杉|313.5273.3282.3黑檀|436.5243.2260.4(b)阔叶树类水杉|304.6257.4|24.0普通檀木361.4253.5241.9图2各类试样的TG曲线银杉306.2265.6269.4香樟304.2253.2241.610银杏木319.5258.2|250.4黄连木|403.3|259.1247.5水曲柳435.722.621.8楝木415.625.2126.4樟子松桦木447.7252.2253.1丝棉木434.5251.8246.2二栎木318.3251.4247.5花旗木306.7257桑木|314.7246.2247.5红榉木301.8260.4280.60[杨木3:5241.12733松杨木36.8250.915槐木463.5262.5282.2皂角木290.9259.1247.52004008001000刺槐301.0250.1256.5泡桐313.3|257.8|284.1温度℃枫木436.5260.8271.1枇杷木324.8|25.21|221.17(a)针叶树类10红花橙木3432544245水曲柳乌木般木材中纤维素、半纤维素和木质素约占质量的02%和30%单纤维素在2330c分解维1槐木素在325~375℃分解,木质素在310~400℃分解。由图2可以看出木材的热解变化大致可分为4个阶段,第红花權木一红阶段为脱水阶段,温度范围为10~100C,约占总重的b80情木5%~8%;第二阶段为稳定阶段,温度范围为100~25002004006008001000C,木质的质量基本不发生变化;第三阶段为快速失重阶温度/C(b)阔叶树类段,温度范围为250~350℃,试样中的半纤维素发生分图3各类试样的TDA曲线解,试样质量急速降低,约占总重的50%;第四阶段为慢2.2燃烧动力学分析速失重阶段,温度范围为350~500℃,如图2所示。此试样总的变化质量如式(1)所示。阶段有两个不同下降趋势,根据试样的不同,部分试样前△WW者不明显,此时纤维素和木质素发生分解,此阶段相对于则试样在任一时刻的转化率如式(2)所示。快速失重阶段下降速率有所减缓。由图3可以看出,木材大致有明显的放热双峰,后V中国煤化工(2)个峰值大于前一个峰值。各类试样的第一个峰值温度约式中:W。为CNMHG样最终质量,mg;为330℃,第二个峰值约为470℃。双峰之间存在不太W,为某一时刻试样的质量,mg。996Fire Science and Technologymber 2014, Vol 33, No 9根据质量作用定律,如式(3)所示试样的燃烧动力学参数如表3所示。d=k(1-a)da(3)以y对x在失重最剧烈的阶段作图,可计算反应的活化能E与频率因子A.对高温和低温区域进行拟合式中:k为反应速度常数取k=Ae(A为频率因子;E发现高温区域拟合曲线方程相关系数接近1,低温区域为活化能;R为气体常数R=8.314J/(mol·K);T为绝拟合方程相关系数接近0,部分试样无法线性相关,得出对温度);n为反应级数取n=1;t为反应时间将k=Ae那M代入式(3),可得式(4)。以下结论:木材的活化能普遍为约65~85kJ/(mol·K);高温区域400~600℃,相关系数接近于1,斜率约为9~r”]-(-E)]+R7(10;低温区域线性相关不明显,相关系数接近0;频率因子取7:y=-ln/-血n(InA差别很大,数量级范围约为3结论aRTE)m=R·式(4)可转变成式(5)(1)样品失重一般分为脱水、稳定、快速失重、慢速失衰3试样燃烧动力学参数表名称温度范围/℃拟合方程E名称「温度范围/℃拟合方程502~606y=10.21x-3.564.02×1084.88527~606y=4.84x+47240.23红花檵木340~350y=15.86x-28.94.03×101787.96304~3258.1×10y=8.73x-1.474.3×10572.58546~5982.27×10679.73油松315~348y=555x-1.442.66×1054617)株木y=2.632x+6526-609y=10.51x-4177.62×10533~598=894x-1.7685.99×10574.32红松3435y=5.6x-0.38062×104655336~350=8.89x-82.87×1087391樟子L535~609y=8.52x-0.6551.89×10570.83y=9.1x-2.165×10575.63332~347y=7.602x-6.45.02×1076302)榆木24~346y=6.81x-4.1854.96×1055657铁杉55-617y=8.908x-1.3684.02×10574.065x6-55s=67x+1.46鸟木334-350y=6.041x-1.683.65×10522316~336y=4.72x+0.1634.65×10439.21552-606y=10.329x-4.06.35×10°85529~595y=4.82x+5.3629333733-5.6582.31×107160.97黑檀315~342y=3.85x+3.181931526~591y=7.72x-09.39×10464.18531~595y=8.59x-1.3853.95×10571.42水杉檀木317~343y=5.354x-0,9131.52×1054.5335~348y=7.04x-25.76×105561~602y=9.363x-2.551.36×10677.84531~588y=10.4x-4.71.28×1086.46香樟319~3397.43x-7.431.37×10861.77335~352y=5.82x-1.482.89×10548.49571~606y=7.79x+0.038.9×10银杏木7~331y=6.04x-5.041.1×1075328连木534-83y=8.18x-0.8325~341722.87×10507~591y=7.81x-0.029.27×1064.93534~5988.262x-0.651.83×1068.69水曲柳330~350y=804x-9249.43×10669.91桦木1323202×01s人;912=2-a(-17xa534~606y=6.781x+1.5171.78×1045638y=8.48x-82.74×10870537~602y=7x+1.1292.7×105820旗}505-606y=10.45x-3.95.77×10686.88321~335y=7.82x-9.1427.96×1065.02362~406=2.98x+9.652.5824.77529~609y=4.952x+4.4773641.17526~598y=10.08x-3.463.6×10683.80桑木红桦333-347y=10.483x-16.772.15×101287.16333~3497.69x-6.113.8×10530~606y=8.293x-0.9922.59×10568.948537~588y=769x-0.21.1×10563.93松杨木318~33y=14.24x-27.811.78×1018.39309~33y=7.86x-9.51.14×10965.34515~609y=7.744x+0.358|6.3×1026~588y=8.67x-1.64.9×10572.08槐木皂角木331~350y=8.28x-82.69×10668.84324~344y=6.08x-3.141.57×10550.5530-342y=:82x-8.484.12×1065027480-69534~598y=7.44x+0.415.8×10461.85=9.14x-1.725.8×10575.99刺槐中国煤化工53-61-8.031-31×10ICNMHG枫木枇杷木322~346y=6.95x-5.62.0×10757.78305~335=5.43x-1.73.37×10545滴防科季与披术2014年9月第33卷第9期997重4个阶段,温度范围分别为:常温~100、100~250、250科技信息·~350、350~500℃。(2)通过对实木家具木质类生物质TG一DTA曲线美国绿色环保型建筑物火灾研究进行分析,发现实木家具木质着火温度约为250~270℃;一般有明显的放热双峰和一个不太明显的吸热峰,温来自美国伍斯特理工学院(WPI)的消防工程度分别约为300、470、400℃研究人员致力于考察绿色环保型建筑物存在的消防安全隐患。美国国土安全部投资100万美元支3)通过动力学分析,得到了实木家具木质类生物质的热解反应动力学参数,得到了各类试样的活化能和频持该研究项目。研究项目自2013年8月开始,将率因子的关系式,采用了一阶自然对数进行曲线拟合。于2016年7月完成。其研究目标为找到降低导致消防员与居住者死伤的、可能与绿色环保型建高温区域燃烧动力学曲线拟合较好,相关系数接近1;低筑物相关因素所导致的潜在火灾威胁。温区域线性相关不明显,相关系数接近0。研究发现实木研究人员考察了美国火灾事故数据报告与马家具木质类生物质活化能约为65~85kJ/(mol·K),而萨诸塞州火灾事故调查报告,利用收集到的相关频率因子变化较大。数据将绿色环保型建筑物与传统建筑物进行对比参考文献分析。该研究项目同时提出对绿色环保型建筑物[]蒲舸雷强徐鹏板材类生物质燃烧及动力学特性热重研究[J.环的消防策略修正建议、相关培训建议及规范与标准的修订意见等。境工程学报,2012,(7):2431-2436[2]孙兰军,李爱民,李润东,等.常用木质家具材料在不同氧浓度下的李艳艳供稿热分析[J].火灾科学,2004,(1):43-4[3]赵翠,袁树杰,何明霞.几种典型木质地板材料的热重比较实验研究Abstract: The pyrolysis characteristics of 35 species of lignocel[冂].中国安全生产科学技术,2013,9(6):37-41.lulosic biomass of solid wood furniture in common use were[4]颜龙贾晓林夏云春等.含阻燃涂料的装饰材料热稳定性的热重tudied by the thermogravimetric analysis method. The gravity法研究[冂].青岛科技大学学报(自然科学版),2011,32(4):390losing, the ignition temperature and dyrquation of these394species were worked out respectively in the experiment and the[5]杜海清,王晶,白雪峰.木质类生物质热解过程的热重分析研究[门. contract analysis of coniferous and broadleaf biomass was giv黑龙江大学自然科学学报,2008,25(1):85-89n. The ignition temperature of most sample was 20-30 C[6]GB/T16734-1997中国主要木材名称[S]higher than the decomposition temperature. The result showed门]梁天白,周又玲,徐国华,等.差热一热重一微机联用系统[.华东 that the weight loss process of lignocellulosic biomass of solid化工学院学报,1989,(2):197-204.wood furniture in common use was composed of dehydration[8】陈戈萍张思玉,王红干.马尾松针叶失重及烟气的红外光谱[J.消 stabilization, rapid weight loss and slow weight loss: The py防科学与技术,2013,32(11):1189-1192rolysis mechanism of lignocellulosic biomass was suitable for[9高亚萍几种松木在不同条件下的热解失重研究门消防科学与技 first order kinetics equation and the correlation coefficient in the术,2013,32(11):1196-1199fitting equation of activation energy and frequency factor ap-[10]施海云,王树荣,方梦祥,等典型火灾可燃物生物质热失重特性比 proaches 1 approximately. The activation energy of lignocellu-较研究[.消防科学与技术,2005,24(1):9-14losic biomass was between 65 kJ/(mol.K)and 85 kJ/(molK). The article aims to provide basic data for the study of comThermogravimetric analysis of lignocellulosicpartment fire characteristicsbiomass of solid wood furniture in common useKey words: lignocellulosic biomass; furniture: combustion char-ure; thermogravimetric analysisYIN Fei, 2.3, ZHU Guo-qing.2.3作者简介:殷飞(1990-),男,江苏秦州人,中国(1. Faculty of Safety Engineering, China University of矿业大学安全工程学院硕士研究生,主要从事建筑火Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2.灾防护和性能化防火设计方面的研究,江苏省徐州市Fire Engineering Institute, China University of Mining and中国矿业大中国煤化工221116Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China: 3. Key Laborato-收稿日ry of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University ofCNMHGMining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)998Fire Science and Technology, September 2014, Vol 33, No 9