密度板炭化痕跡特征的研究

許　潔

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

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密度板炭化痕跡特征的研究

許潔

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊065000)

選用市場上常見的密度板作為研究對象，采用明火引燃和潑灑易燃液體引燃兩種方式制備燃燒炭化痕跡，觀察其宏觀特征；利用掃描電鏡觀察其炭化物微觀形貌，利用圖像處理技術(shù)，對不同引燃方式下板材燃燒炭化物形貌進行分析，研究炭化痕跡特征。研究結(jié)果表明，密度板燃燒炭化痕跡為不規(guī)則的多邊形，隨著溫度的升高，炭化程度逐漸增加、裂紋寬度變寬；纖維表面雜質(zhì)逐漸減少，表面逐漸光滑，裂紋多出現(xiàn)在纖維黏結(jié)處。另外，密度板燃燒時的熱釋放速率和質(zhì)量損失速率對其燃燒炭化裂紋有明顯影響。

密度板；炭化痕跡；微觀形貌

目前木質(zhì)人造板材由于其自身的特點被廣泛應(yīng)用在建筑內(nèi)裝飾材料中，作為一種可燃物，木質(zhì)板材直接增大了火災(zāi)荷載和火勢蔓延速度，而且其燃燒炭化痕跡在火場也十分常見。由于火災(zāi)燃燒過程的復(fù)雜性、火災(zāi)本身的破壞性、不同火場的特殊性等原因，給火災(zāi)調(diào)查工作帶來了極大的困難，因此對木質(zhì)人造板材炭化痕跡進行研究已經(jīng)變得十分重要。本文選用市場上常見的密度板為研究對象，研究其炭化痕跡特征。

1　試樣制備

試驗選用的纖維板為中密度纖維板,主要成分為木材原料、一定量的纖維、其他植物原料和脲醛樹脂膠黏劑。試樣厚度為8 mm，密度為775.9 kg·m-3，含水量為4.96%。將試樣切割成30 cm×30 cm大小，放于火災(zāi)物證綜合試驗臺上，用液化氣灶引燃，距離為3 cm，時間為5 min、10 min、15 min，制得明火引燃不同時間的炭化樣品。

試驗選用汽油和酒精兩種易燃液體，量取等體積的易燃液體潑灑到試樣表面，采用人為干預(yù)和不干預(yù)兩種方式對其進行試驗。人為干預(yù)的情況下，是將易燃液體潑灑于試樣表面并將試樣放于火災(zāi)物證試驗臺上，用液化氣灶對其進行持續(xù)加熱，距離為3 cm，時間為5 min、10 min、15 min，制得潑灑易燃液體燃燒炭化樣品。不干預(yù)情況下，是將易燃液體潑灑于試樣表面并將試樣放于火災(zāi)物證試驗臺上，將試樣引燃后讓其自行燃燒。

利用掃描電子顯微鏡對密度板燃燒后的炭化物進行微觀形貌分析。利用IPP和KYKY掃描電鏡圖像處理軟件對密度板裂紋形態(tài)及炭化物微觀形貌照片進行分析。

2　試驗結(jié)果

2.1密度板炭化痕跡宏觀特征

2.1.1明火作用下密度板炭化痕跡

密度板明火燃燒時非常猛烈，并能放出大量的熱和煙氣。在明火作用下，板材中心炭化塊呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，面積較小，邊緣裂紋呈現(xiàn)放射狀，隨著燃燒時間的延長，整體出現(xiàn)卷曲的現(xiàn)象，并且隨著溫度的升高，在多邊形炭化塊上又會出現(xiàn)許多類似魚鱗形狀的細小裂紋。溫度越高板材炭化程度越嚴重，炭化層厚度增加，裂紋越深，寬度越寬。如圖1所示。

(a)5 min

(b)15 min

2.1.2潑灑易燃液體不干預(yù)情況下密度板燃燒炭化痕跡

圖2(a)為潑灑酒精燃燒炭化痕跡。潑灑酒精后液體滲透到密度板內(nèi)部，點燃后在液體流淌部位形成黑色的炭化痕跡。邊緣部位炭化痕跡較重，中間部位炭化痕跡較輕。圖2(b)為潑灑汽油燃燒炭

(a)潑灑酒精

(b)潑灑汽油

化痕跡。點燃后在液體流淌部位形成黑色的炭化痕跡。與潑灑酒精不同的是，炭化區(qū)域中間和邊緣的炭化程度相一致。

2.1.3潑灑易燃液體人為干預(yù)情況下密度板燃燒炭化痕跡

隨著燃燒時間的增加，炭化程度明顯增加。從圖3中可以看出，潑灑汽油引燃后炭化痕跡明顯比潑灑酒精引燃后炭化痕跡重、裂紋寬度寬。另外，在潑灑易燃液體干預(yù)的情況下，密度板燃燒形成的裂紋、炭化痕跡與明火相類似；相同燃燒時間下與明火燃燒相比，炭化裂紋深度較深，裂紋長度較短。

(a)潑灑酒精

(b)潑灑汽油

2.2密度板炭化層微觀形貌

從圖4中可以看到，密度板纖維顆粒小，纖維顆粒之間致密度大，無明顯的空隙度，纖維顆粒之間由膠黏劑錯綜復(fù)雜的交粘在一起，密度板原始纖維細胞結(jié)構(gòu)不明顯，表面粗糙，并覆蓋有白色的膠黏劑。由圖5可知，密度板相對于常溫下其內(nèi)部微觀形貌也發(fā)生了明顯的變化。隨著燃燒時間的增加，溫度的升高，纖維表面雜質(zhì)逐漸減少，表面逐漸光滑，纖維與纖維之間分散，區(qū)分比較明顯。

2.3密度板炭化痕跡分析

利用圖像分析軟件，測量炭化痕跡的裂紋寬度，炭化塊面積等相關(guān)參數(shù)，并對炭化痕跡照片進行分析。圖6為不同燃燒時間、不同溫度與炭化裂紋寬度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著燃燒時間的增加，溫度的升高，炭化裂紋寬度增大。

圖4　密度板原樣微觀形貌

圖5　密度板炭化物微觀形貌

(a)不同燃燒時間

(b)不同溫度

圖7為密度板炭化塊形態(tài)變化關(guān)系圖，從圖中可以看出，質(zhì)量損失速率和熱釋放速率越大，炭化塊面積越小，周長越短，并且變化幅度較大。

(a)平均MRL

(b)平均HRR

3　分析與討論

由于板材的特殊加工工藝和自身的一些物理特性，其燃燒炭化痕跡明顯區(qū)別于天然木材。密度板破壞了木材原始結(jié)構(gòu)，燃燒后形成面積較小的多邊形炭化塊。原因是密度板纖維方向性差異小，最大差異也只有10%，并且纖維之間存在許多空隙，導(dǎo)致其熱量傳遞速率大，裂紋多出現(xiàn)在纖維黏結(jié)處，形成面積較小的多邊形炭化塊。隨著溫度的升高，在多邊形炭化塊上又會出現(xiàn)許多類似魚鱗形狀的細小裂紋。溫度越高板材炭化越嚴重，炭化層厚度越厚，裂紋越深，寬度越寬。

潑灑易燃液體不干預(yù)的情況下，在密度板表面都形成了黑黃相間的炭化痕跡。人為干預(yù)的情況下，潑灑汽油引燃后炭化痕跡比潑灑酒精燃燒炭化痕跡嚴重、裂紋寬度寬。原因是與酒精相比較汽油潑灑后不易揮發(fā)，點燃后火焰溫度高，燃燒放出的熱量多，反饋給板材表面的熱量大。另外，在潑灑易燃液體干預(yù)的情況下，密度板燃燒形成的裂紋、炭化痕跡與明火相類似；相同燃燒時間下與明火燃燒相比，炭化裂紋深度較深，裂紋長度較短。

另外，觀察密度板炭化痕跡微觀形貌發(fā)現(xiàn)：由于內(nèi)部木質(zhì)素、半纖維素及纖維素的熱裂解和熱分解的揮發(fā)性產(chǎn)物從母體上脫落，導(dǎo)致了炭化物內(nèi)部微觀形貌發(fā)生了明顯的變化。隨著燃燒時間的增加，溫度的升高，纖維表面雜質(zhì)逐漸減少，表面逐漸光滑；另外，由于密度板本身的炭化和內(nèi)部膠黏劑的分解，釋放出大量的熱和煙氣，使得纖維與纖維之間分散，黏結(jié)度降低，空隙增大，從而導(dǎo)致了密度板燃燒炭化裂紋多出現(xiàn)在纖維黏結(jié)處。

密度板的質(zhì)量損失速率和熱釋放速率對其炭化裂紋形態(tài)有明顯影響。由于密度板的特殊加工工藝，在燃燒過程中質(zhì)量損失速率大，內(nèi)部揮發(fā)分和氣體析出速率快，體積收縮明顯，使得各個方向上受力不均勻，裂紋數(shù)量增多。另外，其熱釋放速率大，熱量傳遞快，導(dǎo)致其積炭層開裂，發(fā)生了明顯收縮，從而燃燒炭化后炭化塊的面積小，數(shù)量多，周長小。

4　結(jié)論

4.1密度板燃燒炭化痕跡明顯區(qū)別于天然木材。由于密度板破壞了木材原始結(jié)構(gòu)，每個纖維之間存在許多空隙，導(dǎo)致其熱量傳遞速率大，所以裂紋多出現(xiàn)在纖維黏結(jié)處。

4.2潑灑易燃液體人為干預(yù)的情況下，潑灑汽油引燃后炭化痕跡比潑灑酒精燃燒炭化痕跡嚴重、裂紋寬度寬。相同燃燒時間下與明火燃燒相比，炭化裂紋深度較深，裂紋長度較短。

4.3觀察密度板炭化痕跡微觀形貌發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒時間的增加、溫度的升高，內(nèi)部膠黏劑的分解，釋放出大量的熱和煙氣，使得纖維空隙增大，從而導(dǎo)致了密度板燃燒炭化裂紋多出現(xiàn)在纖維黏結(jié)處。

4.4密度板的熱釋放速率和質(zhì)量損失速率對其炭化裂紋形態(tài)有明顯影響。在燃燒炭化過程中，內(nèi)部揮發(fā)分和氣體析出速率快，體積收縮明顯，使其表面的受熱不均勻，表層收縮，裂紋數(shù)量增多，炭化塊面積小。

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(責任編輯、校對李蕾)

A Study on the Charring Trace Characteristic of Density Board

XU Jie

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In this paper, density board for sale is selected. The burning trace sample is obtained in two ways: ignited with an open flame and ignited with an open flame after a flammable liquid spilled. The micro-characteristic is studied with a scanning electron microscope, the combustion carbonized trace was analyzed, and the macro-characteristic of charring trace studied under the different ignition types with image processing. The result shows that the charring trace is irregular polygon. With the temperature increasing, carbonization gradually increases and a crack width becomes bigger. Impurities on the fiber surface gradually are reduced, and the surface smooth and cracks appear in the fiber bonding. In addition, heat release rate and mass loss rate have an effect on the burning carbonized crack.

density board; charring trace; micro-morphology

2015-12-10

許潔(1983—)，女，河北廊坊人，講師。

X928.7

A

1008-2077(2016)04-0089-04