全 文 ：林业科学研究 2007, 20( 5): 726~ 730
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2007) 05072605
不同加热面毛竹材燃烧性能研究
卢凤珠 1, 陈 飞 2, 马灵飞 1, 马乃训3
( 1. 浙江林学院工程学院,浙江 临安 311300; 2. 浙江省临安市锦城镇林业工作站,浙江 临安 311300;
3.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,浙江富阳 311400 )
关键词: 毛竹材;竹壁层; 加热面;燃烧性能 ;锥形量热仪
中图分类号: S795. 7 文献标识码: A
收稿日期: 20061121
基金项目: 浙江省科技厅重大项目 速生林木与竹类资源精深加工及高效利用共性关键技术及产品开发 ( 2003C12009 )
作者简介: 卢凤珠 ( 1964! ) ,女,浙江临安人,高级实验师,从事木材科学与技术等研究.
Study on Burning Behaviour ofPhy llostachys pubescens
w ith D ifferentHeated Surface
LU Fengzhu1, CHEN Fei2, MA L ingf ei1, MA Naixun3
( 1. Schoo l ofEngineering, Zhejiang Forestry Col lege, L in∀ an 311300, Zhejiang, Ch ina; 2. ForestryW ork S tat ion of Jincheng T own,
L in∀ an 311300, Zhejiang, Ch ina; 3. Research Inst itu te of Subtrop ical Forestry, CAF, Fuyang 311400, Zhejiang, Ch ina)
Abstract: Burning behav iour o fPhyllostachys pubescens aged 6 years w ith d ifferent heated surface w ere tested by
cone ca lorim eterw ith the heat irradiance 50 kW # m - 2. The results show ed that the ign it ion time o f bamboo w ood
w as in order of outer cu lm > inner culm> m idd le culm when the tangen tial section was used as a heated surface.
M eanwh ile, w ith the rad ia l section o r cross section w as used as a heated surface, the ignition tim e of bamboo w ood
w as in order o f outer culm> m idd le culm > inner culm. When the tangential section, the radia l section and cross sec
t ion o fm idd le culm w ere used as heated surface, the longest ignit ion tim ew as produced by the cross sect ion. The to
tal heat re lease o f 600 s of bamboow ood w as in order o f ou ter cu lm> inner cu lm> m iddle cu lm. The pkHRR o f out
er culm and inner culm w as at first peak, the t ime of the 2
nd
pkHRR of bamboo wood w as delayed from inner culm
to outer culm. W hen the cross section used as the heat surface, thew idth of the 2
nd
pkHRR increased. The carbon i
zation time became shorter. There w ere tw o stronger process of smoke, onew as before the ign iting and ano therw as
after the charring finished. The w eakest smoke appears in the charr ing and flameless combustion stage. The mass
loss and the heat re lease ind icated the same chang ing curves.
Key words:Phy llostachys pubescens; rad ial positions; heated surface; burn ing behav iour; cone ca lorim eter
锥形量热仪 (简称 CONE )是当前用以表征材料
燃烧性能的主要试验仪器, 能同时获得材料燃烧时
有关释热、点燃时间、释烟、毒性、质量变化参数等多
种重要的动态信息, 其实验的结果与大型燃烧实验
结果之间存在良好的相关性, 已成为评价材料燃烧
性能的主要手段。利用 CONE对木质材料燃烧性能
的研究已有许多报道 [ 1~ 6] , 但对竹材不同加热面燃
烧性能的研究尚未见报道。本文采用 CONE法对 6
年生的毛竹 ( Phy llostachy s pubescens Mazel ex H. de
Leha ie)人工林竹材燃烧性能进行了测定与分析, 旨
在为毛竹材合理利用提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 试材采集与加工
1. 1. 1 试材来源 于 2005年 7月在浙江省临安市
三口镇采集胸径为 105~ 110mm、6年生毛竹 10株。
第 5期 卢凤珠等: 不同加热面毛竹材燃烧性能研究
毛竹齐地砍倒后, 由刀口 (基部 )向上截取 1 100
mm, 编号后运回实验室。
1. 1. 2 试件加工 ( 1)试件要求: 试件长 ∃宽为
100mm ∃ 100mm,厚度不超过 50 mm。试样由小竹
条组成,如图 1所示。 ( 2)试件加工:根据实验要求
将试材毛竹筒剖开,加工成 15 mm宽的竹条, 每根
竹条由下而上截取 100 mm的竹块, 截取时跃过竹
节。将截得的竹块沿纵向从竹青到竹黄剖成三等
份,得竹材的外层 (含竹青 )、中层 (竹肉 )、内层 (含
竹黄 )竹片, 每块竹片的规格长 (纵向 ) ∃厚 (径向 )
∃宽 (弦向 )为 100 mm ∃ tmm ∃ 15 mm ( t约为 1 /3
竹壁厚 )。径切面试件: 用竹扦把竹片沿厚度方向
(径向 )串接成 100 mm, 其规格长 (纵向 ) ∃宽 (径
向 ) ∃厚 (弦向 )为 100mm ∃ 100 mm ∃ 15 mm; 弦切
面试件:同样用竹扦把竹片以弦向平拼成 100 mm,
然后相叠成厚度为 15 mm, 规格长 (纵向 ) ∃宽 (弦
向 ) ∃厚 (径向 )为 100mm ∃ 100 mm ∃ 15 mm; 横切
面试件: 100 mm长的竹片依次截取 15 mm, 用竹扦
将 15 mm长的小竹片以弦向平拼成 100mm, 然后又
把平拼成 100 mm的竹片以径向串接成 100 mm, 规
格长 (径向 ) ∃宽 (弦向 ) ∃厚 (纵向 )为 100 mm ∃
100mm ∃ 15mm。每组试件 4个, 即 3(层 ) ∃ 3 (个
加热面 ) ∃4(个 ), 共 36个试件。
图 1 试件示意图
1. 2 试验仪器
锥形量热仪 (按 ISO 56601& ASTM E 135493
标准进行测试 ) , 英国燃烧测试技术 ( FTT )公司生
产; DGG9240型电热恒温鼓风干燥箱, 上海森信实
验仪器有限公司生产; EL10KA高低交变湿热试验
机, 广州爱斯佩克环境仪器有限公司生产; JA 2003
型电子天平, 上海精密仪器厂生产。
1. 3 试验方法
先将毛竹材于 60 % 下干燥, 然后在相对湿度
65%、温度 20 % 的高低交变湿热试验机中, 调节含
水率恒定为 11% ~ 12% 后用于燃烧实验。为了使
实验温度接近真实火灾温度, 本实验采用热辐射功
率 50 kW# m- 2, 相应温度为 740 % 左右。根据测试
结果,利用计算机辅助分析,确定竹材的燃烧特性。
本文中竹壁外层弦切面是指竹青面, 竹壁内层
弦切面是指竹黄面,各表中的数据均为所有试件 (每
组 4个 )部分燃烧参数的平均值。
2 结果与分析
2. 1 点燃时间分析
点燃时间为达到材料表面产生有焰燃烧所需要
的持续点火时间 [ 4]。一般来说点燃时间越长, 说明
材料越不易点燃。点燃时间是评价材料阻燃性的重
要指标之一。
2. 1. 1 试样取材部位对点燃时间的影响 从表 1可
以看出,毛竹材弦切面加热时,从外层 (竹青 )到中层
(竹肉 )的点燃时间迅速下降, 加热面为内层 (竹黄 )
时点燃时间又迅速增大。产生这种现象的原因主要
是由于竹材中硅质细胞中 S iO2含量和竹壁厚度方向
的密度分布不均匀。在竹材中,表层竹青的硅质细胞
中 S iO2含量 ( 4. 35% ~ 4. 60% )是竹黄中含量 ( 0. 13%
~ 0. 18% )的 30倍左右 [ 7]。S iO2为不燃物质, SiO2含
量的变化显然会影响材料的点燃时间, SiO 2含量越
高,其点燃时间越长;但 SiO2含量的变化对点燃时间
的影响仅仅是一个方面,材料密度对点燃时间也产生
影响,点燃时间与材料密度、热传导率、比热成正比,
与热辐射强度成反比 [ 3]。因此, 竹材的密度越大, 点
燃时间越长。从毛竹材竹壁厚度方向看,竹材微密度
从竹青到竹黄径向变化时, 开始迅速降低, 约到 1 /3
部位时下降梯度变缓, 密度变化在一个很窄的范围
内,到接近竹黄时密度达最小值, 而后在竹黄层密度
又有所上升,通常比最小密度高 50%以上 [ 8] ,二者的
共同影响导致了毛竹材弦切面加热时点燃时间外层
最长,内层次之,中层最短。
表 1 毛竹材不同加热面的点燃时间
项目
加热面
弦切面竹壁层
外层 中层 内层
径切面竹壁层
外层 中层 内层
横切面竹壁层
外层 中层 内层
点燃时间 / s 34. 0 13. 3 19. 3 27. 3 13. 1 10. 3 44. 3 16. 7 14. 3
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林 业 科 学 研 究 第 20卷
2. 1. 2 毛竹材径切面、横切面对点燃时间的影响
由表 1可知,毛竹材径切面、横切面加热的点燃时间
为竹壁外层 >中层 >内层。这是竹材在竹壁厚度方
向的密度变化引起的,在竹壁厚度方向,秆茎密度自
内向外呈逐渐增大的变化规律 [ 9, 10] ,而点燃时间与
材料密度成正比,竹材密度增大,其点燃时间延长。
2. 1. 3 竹壁中层弦切面、径切面、横切面对点燃时
间的影响 由表 1可知, 毛竹材竹壁中层加热面为
弦切面、径切面、横切面时的点燃时间分别是 13. 3、
13. 1、16. 7s,竹壁中层横切面加热时点燃时间最长。
加热面对点燃时间的影响主要是由同一材料在加热
方向热传导率的不同引起的, 点燃时间与热传导率
成正比 [ 1~ 3]。竹材与木材有类似的结构,木材在顺
纤维方向加热时热传导率约为垂直纤维方向加热时
热传导率的 2. 0~ 2. 5倍,而同为垂直纤维方向加热
时径向、弦向热传导率差异不大 [ 11]。因此, 毛竹材
在不同方向加热时,点燃时间存在一定差别,即横切
面的点燃时间比在垂直纤维方向加热的弦切面、径
切面点燃时间长,而弦切面、径切面加热时点燃时间
差异不大。
2. 2 释热速率和释热总量分析
2. 2. 1 试样取材部位对释热速率和释热总量的影
响 材料释热越快或释热量越大, 一般情况下在火
灾中的危险性就越大 [ 4]。由表 2可知, 毛竹材从着
火到表面燃烧 60、180、300 s快速放热时的平均释热
速率以及着火后 300、600 s间释热总量, 以竹材弦切
面加热时最大,两者大小关系均为竹壁外层 (竹青 )
>内层 (竹黄 ) >中层 (竹肉 ) ; 而径切面、横切面加
热时, 竹青 (外层 )、竹黄 (内层 )的平均释热速率、释
热总量较小,但着火后 600 s间释热总量均为竹壁外
层 >内层 >中层;着火后 300、600 s间竹青加热面的
释热总量 ( 1 653、7 410M J# m- 2 )是同一加热时段
外层径切面、外层横切面释热总量的 1. 5 ~ 2. 0倍。
从图 2中可知, ( 1)竹材加热面快速放热阶段第一释
热速率峰值为弦切面外层 (竹青 ) >内层 (竹黄 ) >
中层 (竹肉 ) ,完全燃烧第二释热速率峰值为弦切面
外层 (竹青 ) >中层 (竹肉 ) > 内层 (竹黄 ) ; 竹青、竹
黄加热面燃烧的最大释热速率峰值 ( pkHRR )均出
现在第一释热峰。这可能首先是由于竹青表面光滑
并附有 1层蜡质,竹黄表面光滑,由数层至数十层高
度木质化的石细胞组成,竹青、竹黄的表面物质以及
这些物质对热传导作用而加速表面燃烧放热所产生
的结果;其次当竹黄组织致密光滑的表面层燃烧后,
热量向组织疏松、质地脆弱、密度最小的内部传递,
使第二释热峰最早出现,且峰值最低;第三毛竹材外
层微密度最大, 导致竹青面燃烧第一释热峰大于第
二释热峰, 即释热速率与毛竹材微密度成正比。
( 2)竹材弦切面燃烧时, 热量进一步向试件内部传
递以及炭化过程所需的时间自竹材秆茎由内向外呈
增加的变化规律,即第二释热峰出现的时间依次为
竹黄 <竹肉 <竹青。这是因为毛竹材竹秆由内向外
单位面积维管束密度、纤维含量增加,即基本密度增
加 [ 9, 10 ] ,从而延长了热量向毛竹材内部传递的时间。
这与吴玉章等 [ 1]研究人工林木材燃烧性能的研究结
果相一致。
表 2 毛竹材不同加热面的燃烧释热性能
加热面 竹壁层
着火后平均释热速率
/ ( kW# m - 2 )
60 s间 180 s间 300 s间
着火后释热总量
/ (M J# m - 2 )
300 s间 600 s间
弦切面
外层 202. 5 207. 5 198. 7 1 653 7 410
中层 103. 6 104. 0 100. 1 826 3 102
内层 188. 3 169. 2 168. 1 1 362 5 803
径切面
外层 148. 4 138. 2 122. 2 982 3 855
中层 139. 9 112. 5 99. 7 911 3 420
内层 128. 0 106. 5 95. 0 894 3 569
横切面
外层 122. 6 114. 9 103. 3 749 3 648
中层 129. 0 99. 6 85. 0 804 3 284
内层 134. 5 108. 2 94. 8 890 3 628
图 2 试件取材部位对释热速率的影响
2. 2. 2 毛竹材弦切面、径切面、横切面对释热速率
和释热总量的影响 毛竹材加热面对释热速率和释
热总量的影响主要表现在第二释热峰的变化。从图
3可知, ( 1)加热面为横切面时, 第二释热峰宽度增
加,释热速率变慢,热量进一步向试件内部传递以及
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第 5期 卢凤珠等: 不同加热面毛竹材燃烧性能研究
图 3 加热面对释热速率的影响
炭化过程所需的时间缩短, 使第二释热峰提早出现,
释热峰宽窄变化反映了释热速率的快慢。从表 2也
能看出,毛竹材横切面加热时, 从着火到表面燃烧
60、180、300 s快速放热时的平均速率以及着火后
300、600 s间释热总量比弦切面、径切面加热时相对
小一些。这可能是由于毛竹材横切面上有无数个维
管束孔状细胞,使单位面积竹材有效燃烧物质减少,
单位时间内单位面积燃烧释放热量减少, 而维管束
孔状又加快了热量向试件内部传递, 促进试件的炭
化,试件炭化越快质量损失也越快, 从而加快了热量
的提前释放。 ( 2)最大释热速率峰值 ( pkHRR )出现
的时间最迟的是径切面,而最早的是横切面加热, 这
是因为径切面的热传导率小,传热时间、炭化过程所
需的时间相对延长。由表 2可知,径切面加热时, 着
火后 300 s前的平均释热速率及释热总量自竹材秆
茎由内向外呈逐渐增大的变化规律, 与竹材秆茎密
度的变化一致 [ 9, 10]。
2. 3 质量损失速率分析
由图 4可知,竹材质量损失与发热过程有着相
似的变化曲线。外层弦切面 (竹青 )加热面质量损
失峰极值发生在第一质量损失峰, 第二质量损失峰
出现时间最迟,即传热时间、炭化过程所需的时间最
长。横切面加热时对质量损失的影响主要表现在第
二质量损失峰出现的时间提前并且质量损失峰宽度
增加,试件传热及炭化的时间减少, 热传导率大的横
切面加热时炭化速度、释热速率比纵切面加热时要
快,质量损失也同步加快。反映了试件在热辐射源
作用下,不同加热面试件热解的反应速度, 揭示出质
量损失与释热速率的密切关系。
图 4 竹壁外层质量损失速率、释热速率
2. 4 释烟总量分析
图 5是竹壁中层各加热面随时间变化的释烟总
量曲线,竹壁外层、内层与之相似。从该曲线可知,热
传导率大的横切面加热时的释烟总量也大 (从表 3也
能证实 ) ,并与释热曲线的各个过程相对应, 释烟总量
从直线上升 (第一释热速率峰值 )到平缓部分 (炭化过
程 )时间缩短, 进入到强发烟阶段 (第二释热速率峰
值 )时间最早,整个释烟过程与释热过程相对应。
图 5 竹壁中层释烟总量曲线
表 3 毛竹材不同加热面的释烟总量
项目
加热面
弦切面竹壁层
外层中层内层
径切面竹壁层
外层中层内层
横切面竹壁层
外层中层 内层
释烟总量 / (m2# m- 2 ) 454 203 170 605 285 312 715 367 364
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3 小结
( 1)通过锥形量热仪对 6年生毛竹人工林竹材
竹壁层的不同加热面的实验测定表明, 毛竹材弦切
面加热时,从外层 (竹青 )到中层 (竹肉 )的点燃时间
迅速下降,而加热面为内层 (竹黄 )时点燃时间又迅
速增大;加热面为径切面、横切面时的点燃时间, 竹
壁外层 >中层 >内层;毛竹材竹壁中层横切面加热
时的点燃时间最长。毛竹材不同加热面的点燃时间
不仅取决于自身的物质,还与毛竹材各加热面的密
度、热传导率有关。
( 2)毛竹材弦切面加热时, 从着火到表面燃烧
60、180、300 s快速放热时的平均释热速率依次为竹
青 >竹黄 >竹肉, 快速放热阶段第一释热速率峰值
为竹青 >竹黄 >竹肉,而完全燃烧第二释热速率峰
值为竹青 >竹肉 >竹黄,第二释热峰出现的时间自
竹材秆茎由内向外呈延迟的变化规律。毛竹材横切
面加热时,第二释热峰宽度增加, 释热速率变慢, 热
量进一步向试件内部传递以及炭化过程所需的时间
缩短,使出现第二释热峰的时间比弦切面、径切面加
热时都提前。释热速率与毛竹材微密度变化成正
比。竹青加热面着火后 300、600 s间释热总量是同
一竹壁层同一加热时段其它加热面的 1. 5~ 2. 0倍
左右。在相同加热面的条件下,着火后 600 s间释热
总量为竹壁外层 >内层 >中层 (竹肉 )。
( 3)毛竹材从开始受热到着火前和炭化过程结
束后即第二释热峰产生之前释烟量最大, 炭化过程
和无焰燃烧阶段释烟量最低, 热传导率大的横切面
加热时的释烟总量也大; 毛竹材质量损失过程与释
热过程有着相似的变化曲线。
参考文献:
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