車 強，付師晗

(武警學(xué)院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊 065000)

0 引言

目前對于火災(zāi)現(xiàn)場汽油的檢測研究主要集中于利用GC/MS方法檢測和鑒定汽油，而有關(guān)汽油對材料微觀形貌影響的研究比較少見[1-4]。杉木是我國南方常見的室內(nèi)裝飾和家具材料，其炭化殘留物在火災(zāi)現(xiàn)場隨處可見，而汽油等助燃劑的存在會影響炭化杉木的微觀形貌。本文利用掃描電鏡研究了汽油對炭化杉木微觀形貌的影響，可以幫助檢測和鑒定火災(zāi)現(xiàn)場汽油。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料包括45 cm×30 cm×4 cm規(guī)格杉木板和92#汽油。

試驗儀器包括：(1)轟燃實驗箱。按照IS0 9705標(biāo)準(zhǔn)實驗房間的四分之一進(jìn)行設(shè)計，主要應(yīng)用于實體火試驗。實驗箱為不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間為90 cm×60 cm×60 cm，外部尺寸為100 cm×70 cm×70 cm。(2)掃描電鏡(SEM)。選用TM3030Plus日立臺式掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)支持15～60 000倍，圖片質(zhì)量高，操作流程簡單，適用于觀察和記錄試驗樣品在不同條件下的微觀形貌。

1.2 試驗內(nèi)容

在45 cm ×30 cm×4 cm規(guī)格杉木板表面潑灑50 mL92#汽油后放入轟燃實驗箱內(nèi)進(jìn)行明火燃燒，燃燒時間分別為3 min、6 min、9 min、12 min，結(jié)束后試塊降溫冷卻。

為避免炭化試塊本身不均勻等因素的干擾，從每個試塊炭化表面分布均勻地取出8份樣品，清潔后分別放入掃描電鏡內(nèi)，利用TM3030Plus日立臺式掃描電鏡對杉木板的燃燒炭化物的橫切面及弦切面進(jìn)行微觀形貌分析，分析時分別放大至200×、500×、1 000×倍數(shù)，對不同條件下制得的杉木炭化殘留物進(jìn)行微觀形貌的觀察、分析、比較以及記錄。然后利用Image Pro Plus(IPP)對杉木板炭化物的弦切面和橫切面的500×微觀形貌照片進(jìn)行分析，并測量出弦切面微觀形貌內(nèi)部管腔的平均面積、平均周長以及平均直徑等參數(shù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 杉木微觀形貌特征研究

圖1為不同時間明火作用下杉木板弦切面的微觀形貌圖。燃燒初期，杉木細(xì)胞紋理明顯，纖維結(jié)構(gòu)緊密細(xì)致，層次分明，表面光滑平整，有零散氣孔，有明顯可見的雜質(zhì)附著在表面。之后沿著細(xì)胞紋理出現(xiàn)毛刺狀物質(zhì)，纖維結(jié)構(gòu)及層次被破壞，纖維結(jié)構(gòu)連接處出現(xiàn)破損和斷裂現(xiàn)象，氣孔逐漸被打開。再然后，隨著毛刺狀物質(zhì)增多，細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸變得無序不規(guī)則，表面由光滑變得粗糙，氣孔數(shù)量明顯增多，表面雜質(zhì)也逐漸消失。隨著燃燒時間的增加，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，表面破損和斷裂現(xiàn)象明顯，少量絮狀物出現(xiàn)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)變得混亂。

圖1 杉木板弦切面微觀形貌

圖2為不同時間明火作用下杉木板橫切面微觀形貌圖。一開始橫切面管狀細(xì)胞腔大多呈不規(guī)則多邊形，具有不均勻的大小，管壁較厚且粗糙，并附有較多毛刺狀物質(zhì)，管腔內(nèi)雜質(zhì)比較多。隨著燃燒時間的增加，管壁表面逐漸變得光滑，明顯變薄，胞腔內(nèi)雜質(zhì)及沉淀物開始減少，內(nèi)腔由不規(guī)則多邊形逐漸向規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變，大小變得均勻。最后管腔大多以四邊形呈現(xiàn)，內(nèi)腔明顯增大，輪廓明顯，管壁也有破裂情況出現(xiàn)。

圖2 杉木板橫切面微觀形貌

通過Image Pro Plus對樣品細(xì)胞腔面積、平均直徑以及周長進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，平均孔洞面積、平均孔洞周長以及平均孔洞直徑等杉木內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)將隨著燃燒時間的增長而發(fā)生巨大變化，并且均呈正相關(guān)。管狀細(xì)胞壁逐漸變薄，孔洞內(nèi)雜質(zhì)逐漸減少，孔洞漸漸被打開，內(nèi)腔擴大，其面積周長等參數(shù)也隨之發(fā)生巨大變化。[5]

表1 無汽油情況下杉木微觀形貌參數(shù)

2.2 潑灑汽油后杉木微觀形貌特征研究

圖3為不同時間明火作用下潑灑汽油的杉木板弦切面的微觀形貌圖。最初，杉木弦切面細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，纖維結(jié)構(gòu)緊密細(xì)致，但表面雜質(zhì)及沉淀物較多，紋理比較不明顯。之后表面雜質(zhì)也逐漸消失，由粗糙變得光滑，紋理結(jié)構(gòu)逐漸變得明顯，沿著細(xì)胞紋理出現(xiàn)毛刺狀物質(zhì)，出現(xiàn)明顯褶皺，隱約可見少許氣孔。再然后，氣孔逐漸被打開，纖維結(jié)構(gòu)連接處出現(xiàn)破損和斷裂現(xiàn)象，條狀結(jié)構(gòu)變得明顯，并在表面出現(xiàn)白色絮狀物質(zhì)，燃燒時間的增加以及助燃劑的存在，加劇了細(xì)胞內(nèi)水分及氣體的大量流失，細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)及層次被嚴(yán)重破壞，細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸變得無序不規(guī)則，細(xì)胞出現(xiàn)錯位、變形及扭曲現(xiàn)象，逐漸失去木材原有的結(jié)構(gòu)層次，紋理結(jié)構(gòu)不再清晰，表面由光滑變得粗糙[6]。

圖3 潑灑汽油的杉木板弦切面微觀形貌

圖4為不同時間明火作用下潑灑汽油的杉木板橫切面的微觀形貌圖。橫切面管狀細(xì)胞排列整齊，細(xì)胞腔大多呈不規(guī)則四邊形，具有不均勻的大小，細(xì)胞管壁附有較多毛刺狀物質(zhì)，較厚且粗糙，管腔內(nèi)存在雜質(zhì)。但隨著燃燒時間的增加，管壁表面逐漸變薄，出現(xiàn)斷裂破損，胞腔內(nèi)雜質(zhì)及沉淀物逐漸消失，細(xì)胞管腔由不規(guī)則四邊形開始變得規(guī)則，大小變得均勻。最后管狀細(xì)胞排列整齊，內(nèi)腔明顯增大，輪廓明顯，管壁也有破裂情況出現(xiàn)，由于管壁的破裂，存在多個細(xì)胞腔整合成為一個較大的細(xì)胞腔的情況[7]。

圖4 潑灑汽油的杉木板橫切面微觀形貌

通過Image Pro Plus對樣品細(xì)胞腔面積、平均直徑以及周長進(jìn)行測量，潑灑汽油情況下杉木微觀形貌參數(shù)測量結(jié)果見表2。

表2 潑灑汽油情況下杉木微觀形貌參數(shù)

2.3 結(jié)果討論

圖5為潑灑汽油和不潑灑汽油的杉木板微觀參數(shù)與燃燒時間的關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著燃燒時間的增加，杉木內(nèi)部管腔的面積、平均直徑、周長等參數(shù)將隨之增大，潑灑汽油燃燒相同時間的杉木板微觀參數(shù)明顯較大，說明汽油加劇了杉木板燃燒中的熱分解反應(yīng)，分子間化學(xué)鍵大量斷裂，生成氣體析出表面，同時次生組織變薄，纖維發(fā)生破損、撕裂，纖維間間距開始加大，管壁變薄，管腔擴大。

(a) 孔洞面積

(b) 孔洞周長

(c) 孔洞平均直徑

3 結(jié)論

3.1 潑灑汽油燃燒后的杉木板弦切面和橫切面微觀形貌變化差別較大。

3.2 從杉木板弦切面微觀形貌觀察可知，隨著燃燒時間的增加，潑灑汽油后的杉木板纖維表面雜質(zhì)及沉淀物消失得更快，氣孔及纖維連接處斷裂、破損現(xiàn)象更加嚴(yán)重，加劇細(xì)胞纖維大分子氫鍵的斷裂，導(dǎo)致纖維素及木質(zhì)素內(nèi)葡萄糖基嚴(yán)重脫水，細(xì)胞內(nèi)水分氣體大量流失，整體纖維結(jié)構(gòu)被破壞，層次結(jié)構(gòu)變得混亂，表面還將出現(xiàn)扭曲、粘連和錯位等現(xiàn)象，失去木材原有的結(jié)構(gòu)層次。

3.3 從杉木板橫切面微觀形貌定量測量可知，潑灑汽油燃燒后，杉木板內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化更大，具體體現(xiàn)在管腔面積、平均直徑、周長有了明顯增大。

參考文獻(xiàn)：

[1] Moghtaderi B. The state-of-the-art in pyrolsis modelling of lignocellulosic solid fuels[J].Fire and Materials, 2006(30): 1-34.

[2] 魯志寶.火災(zāi)現(xiàn)場中易燃液體物證鑒定方法的研究[D].天津:天津大學(xué),2003.

[3] 梁國福,王廣慧,魯志寶,等.汽油在材料表面燃燒痕跡特征規(guī)律的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(10):876-882.

[4] JR A. The detection and analysis of ignitable liquid residues ex-tracked from human skin using SPME/GC[J]. Journal of Forensic Sciences, 2000, 45(2): 461-469.

[5] 許潔.不同引燃方式下細(xì)木工板燃燒炭化痕跡[J].消防科學(xué)與技術(shù),2016,35(3):426-428.

[6] 劉玲,趙敏,張世星,等.不同受熱溫度下炭化紅松表面微觀形貌和成分分析[J].火災(zāi)科學(xué),2008,17(3):150-154.

[7] 劉玲,趙敏, 張世星,等.炭化白松表面微觀結(jié)構(gòu)和成分分析[J].火災(zāi)科學(xué),2008,27(2):83-85.