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The Burning Behaviour of Plantation Wood Treated with Ammonium Phosphate

磷酸铵盐处理人工林木材的燃烧性能


利用锥形量热仪对磷酸铵盐处理的人工林杉木、杨木和马尾松木材的燃烧性能进行研究。结果表明:磷酸铵盐阻燃处理木材的引燃时间与阻燃剂量有关,对3种木材而言,阻燃剂量超过100kg·m-3,木材才不会被点燃;磷酸铵盐对降低木材的释热性能效果明显,释热速度降低,释热总量减少,气相燃烧放热降低,而且随着阻燃剂量的增加,降低程度更加明显;经磷酸铵盐阻燃处理,木材失重降低,这对保证结构外形的稳定性具有重要作用;磷酸铵盐阻燃剂的抑烟作用不理想,虽然降低了最强发烟过程的强度,但是也提高了最弱发烟过程的强度,而且随着阻燃剂量的增加,发烟量呈增加的趋势;在阻燃研究中,阻燃剂在木材内分布状态是一个不可忽视的影响因素,特别是木材这种非均质性材料,阻燃剂分布的不均匀性将会影响材料整体的耐火性能

The burning behaviour of the plantation wood (two softwoods and one hardwood) treated with ammonium phosphate (NH4H2PO4) was tested by cone calorimeter in the study. The sample with size of 100 mm by 100 mm (LT or LR section) by 10 mm (thickness) was prepared for fire retardant treatment and cone calorimeter test. The heated area was on LT or LR section, heat flux was 50 kW·m-2. The results showed that the ignition time of the treated wood depended on the amount of the fire retardant and the treated wood could not be ignited when the amount of fire retardant was higher than 100 kg·m-3. The fire retardant was efficient in reduction in the heat release and mass loss and the efficiency in reduction in the heat release was increased with the amount of the fire retardant increased. But the fire retardant was unsatisfactory in retarding smoking. The smoke of the treated wood appears on the whole process of heating, and the strongest and stronger process of smoke production was reduced. However, the weakest process of smoke production became stronger and it was increased with the amount of the fire retardant increase. The distribution of the fire retardant in wood structure was important and it could affect the burning behaviour as a material.


全 文 :第 wt卷 第 u期
u s s x年 v 月
林 业 科 学
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¤µqou s s x
磷酸铵盐处理人工林木材的燃烧性能 3
吴玉章t 原田寿郎u
kt q中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|t ~ u q日本森林综合研究所 茨城县 vsx p {y{zl
摘 要 } 利用锥形量热仪对磷酸铵盐处理的人工林杉木 !杨木和马尾松木材的燃烧性能进行研究 ∀结果表明 }磷
酸铵盐阻燃处理木材的引燃时间与阻燃剂量有关 o对 v种木材而言 o阻燃剂量超过 tss ®ª#°pv o木材才不会被点燃 ~
磷酸铵盐对降低木材的释热性能效果明显 o释热速度降低 o释热总量减少 o气相燃烧放热降低 o而且随着阻燃剂量
的增加 o降低程度更加明显 ~经磷酸铵盐阻燃处理 o木材失重降低 o这对保证结构外形的稳定性具有重要作用 ~磷酸
铵盐阻燃剂的抑烟作用不理想 o虽然降低了最强发烟过程的强度 o但是也提高了最弱发烟过程的强度 o而且随着阻
燃剂量的增加 o发烟量呈增加的趋势 ~在阻燃研究中 o阻燃剂在木材内分布状态是一个不可忽视的影响因素 o特别
是木材这种非均质性材料 o阻燃剂分布的不均匀性将会影响材料整体的耐火性能 ∀
关键词 } 燃烧性能 ~阻燃性能 ~人工林木材 ~锥形量热仪
中图分类号 }≥z{u1vv 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsu p sttu p sx
收稿日期 }ussv p sw p tw ∀
基金项目 }中日国际合作 Œ≤„项目/中国人工林木材研究0的子专题 ∀
3 本文得到日方长期专家志水一允 !林良兴 o濑户山幸一 !池田敦等的指导 o在此表示感谢 ∀
Τηε Βυρνινγ Βεηαϖιουρ οφ Πλαντατιον Ωοοδ Τρεατεδ ωιτη Αµ µονιυµ Πηοσπηατε
• ∏≠∏½«¤±ªt ײ¶«¬µ² ‹¤µ¤§¤u
kt qΡεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t ~u qΦορεστρψ ανδ Φορεστ Προδυχτσ Ρεσεαρχη Ινστιτυτε o ϑαπαν Ιβαρακι vsx p {y{zl
Αβστραχτ } ׫¨ ¥∏µ±¬±ª¥¨«¤√¬²∏µ²©·«¨ ³¯¤±·¤·¬²± º²²§k·º²¶²©·º²²§¶¤±§²±¨ «¤µ§º²²§l·µ¨¤·¨§º¬·«¤°°²±¬∏° ³«²¶³«¤·¨
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Κεψ ωορδσ} ¥∏µ±¬±ª¥¨«¤√¬²∏µ~©¬µ¨ µ¨·¤µ§¤±¦¼~³¯¤±·¤·¬²± º²²§~¦²±¨ ¦¤¯²µ¬°¨ ·¨µ
阻燃处理是木质材料走进建筑材料市场的一个关键环节 ∀关于木质材料阻燃国内已经进行了大量的研
究工作 o但阻燃性能大多还停留在传统的评价方法上 o尤其是利用锥形量热仪这一先进评价手段的研究还不
多见 ∀李坚等kussul !王清文等kussul曾利用锥形量热仪研究了 ƒ• • 木材阻燃剂的阻燃性能和抑烟性能 ~
吴玉章等kusswl利用锥形量热仪对人工林杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl !杨木k Ποπυλυσ ≅ χαναδενσισ ¦√ q
−Œp utw. l和马尾松k Πινυσ µασσονιαναl木材固有的燃烧性进行了研究分析 o结果表明 }未经阻燃处理的木材
很容易被点燃 o而且燃烧释放出大量的热 ∀因此 o作为建筑材料必须进行阻燃处理 ∀
用于木材的阻燃剂主要是含磷 !氮 !硼等阻燃元素的化合物以及含有这些元素的复合型化合物或混合
物 ∀磷类化合物的作用机制主要是脱水炭化作用 ~如果有含氮的化合物 o在高温下可形成膨胀性焦碳层 o起
到隔热阻氧的作用 ~硼类化合物是低熔点的化合物 o加热形成玻璃状涂膜 o覆在聚合物表面 o起到隔热阻氧的
作用k薛恩钰等 ot|{{ ~王元宏 ot|{{ ~李坚 ot||vl ∀由于环保要求的提高 o阻燃材料的环保要求也相应加强 o
而含有磷 !氮 !硼等元素的化合物及其复合型或混合型的阻燃剂不仅具有良好的阻燃性能 o而且处理时或燃
烧释放出的物质对环境和人类的危害也小 o处理成本也较低 ∀
本文就磷氮复合型阻燃剂处理的人工林木材 o利用锥形量热仪对其燃烧性能进行评价 o掌握阻燃处理后
木材燃烧性能的变化 o进一步探讨阻燃剂量对燃烧性能的影响 ∀
t 材料与方法
111 材料
试验树种为采自江西大岗山林场的杉木和马尾松 o以及产地在辽宁的杨木 ∀取气干材按Œ≥’ xyys p t制
成加热面为 ≅ ×或 ≅ • 面 o幅面尺寸 tss °° ≅ tss °° o厚度 ts °°的样品 ∀每种条件试验 v次 ∀
阻燃剂为磷酸盐类中的磷酸二氢铵k‘‹w ‹u°’wl o化学纯 o北京化学试剂公司 ∀
1 .2 方法
首先 o将磷酸二氢铵配制成质量分数分别为 ts h !ux h和 vx h的水溶液 o然后真空浸注到木材样品中 o
ys ε 下干至恒重 o放在干燥器内 o准备进行燃烧试验 ∀本研究采用 ≤v型锥形量热仪k日本东洋制机l o热源
辐射强度为 xs ®• #°pu ∀为了减少外界的影响 o将样品除加热面外的所有面用铝箔纸包覆 o放入不锈钢制的
样品固定架内 o并用隔热棉隔断热量从样品背面向外传递 ∀数据每 u ¶读取一次 o由计算机自动完成 ∀
1 .3 评价指标
tl引燃时间k¬ª±¬·¬²±·¬°¨ l o即样品从加热开始到出现稳定火焰的时间 o它主要反映了木材被点燃的难易
程度 ~ul释热速度≈«¨¤·µ¨¯¨ ¤¶¨ µ¤·¨ k‹• • l 和释热总量≈·²·¤¯ «¨¤·µ¨¯¨ ¤¶¨§k׋• l  o木材受热分解释放热的速
率和量 ~vl有效燃烧热≈ ©¨©¨¦·¬√¨ «¨ ¤·²©¦²°¥∏¶·¬²± k‹’≤l  ~wl失重率≈°¤¶¶ ²¯¶¶µ¤·¨ k• l  o反映木材受热分
解质量减少的速率 ~xl减光系数≈ ¬¨·¬±¦·¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·k∞≤l 和发烟总量≈·²·¤¯ ¶°²®¨ ³µ²§∏¦·¬²± k×≥°l  o反映木
材受热分解时某一时刻释放出烟的浓度和某一时间段内发烟的总量 ∀
u 结果与分析
2 .1 引燃时间
引燃时间越长 o说明木材越不易被点燃 ∀表 t给出了阻燃处理前后 v种木材引燃时间的变化情况 ∀由
表可知 o阻燃剂量低于 tss ®ª#°pv时 ov种木材的引燃时间与未处理的相比变化不明显 o有的甚至小于未处
理材 ∀原田寿郎kusssl用 us h ‘‹w ‹u°’w 和 ‘‹w …µ水溶液处理 t类柳安k Παρασηορεαστελλαταl胶合板时也发现
有些样品不会被点燃 o有些不仅被点燃 o而且引燃时间小于未处理材的情况 ∀原田认为这主要取决于阻燃剂
种类和处理量 ∀李坚等kussul研究阻燃处理的红松k Πινυσ κοραιενσισl和紫椴k Τιλια αµυρενσισl木材 o引燃时间
有的略有延长 o有的与素材相同 ∀本研究进一步增加阻燃剂的用量 o当阻燃剂量超过 tss ®ª#°pv时 o杨木和
马尾松木材未被点燃 ∀由于杉木木材的浸注性问题 o本试验未能获得阻燃剂量超过 tss ®ª#°pv的样品 o但由
表 t可说明杉木木材也需要超过 tss ®ª#°pv ∀
表 1 阻燃剂吸收量对燃烧性的影响
Ταβ .1 Τηε εφφεχτσ οφ ρετεντιον οφ τηε φιρε ρεταρδαντ ον τηε βυρνινγ βεηαϖιουρ
树种
≥³¨¦¬¨¶
吸收量
• ·¨¨±·¬²±Πk®ª#°pvl
有效燃烧热
‹’≤Πk#®ªptl
平均失重率
„√ µ¨¤ª¨ •Πkª#¶pt °p ul
引燃时间
Œª±¬·¬²±·¬°¨ Π¶
s tu q{{ x q|y tv q{
杉木 ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ w{ q{ { qsw x qwu { q{
|{ qv z qt| w qxx tt qs
s tt q{t ts q{z tt qs
杨木 °²³¯¤µ x{ qz z qvx y qxw | qtttv qx s qx| w qxt 未点燃 ‘²¬ª±¬·¬²±
uu| qv t qsu w q|t u{s qs
s tu qtz tv qys tz qz
马尾松 ¤¶¶²± °¬±¨ z| qw x qt| { qwt us qzt{s qx s qzx x qxz 未点燃 ‘²¬ª±¬·¬²±
uty qs s qvv x q|x 未点燃 ‘²¬ª±¬·¬²±
阻燃剂分布均匀性对阻燃效果也有很大影响 ∀由于木材的非均质性及渗透性问题 o可导致阻燃剂分布
vtt 第 u期 吴玉章等 }磷酸铵盐处理人工林木材的燃烧性能
的不均匀性 o这对评价阻燃处理木材的燃烧性能有一定影响 ∀例如 o表 t中杨木阻燃剂量达到 uvs ®ª#°pv
时 o引燃时间 u{s ¶o与 ttv ®ª#°pv时未点燃相比 o结果相矛盾 ∀试验中观察到样品是在局部被点燃 o这是阻
燃剂分布不均匀影响所至 ∀
2 .2 释热速度和释热总量
图 v 马尾松木材释热速度和释热总量
ƒ¬ªqv ‹ ¤¨·µ¨¯¨ ¤¶¨ µ¤·¨ ¤±§·²·¤¯ «¨ ¤·µ¨¯¨ ¤¶¨§©²µ¤¶¶²± °¬±¨
t }s ®ª#°pv ~u }z| qw ®ª#°pv ~v }t{s qx ®ª#°pv ~w }uty qs ®ª#°pv q
图 u 杨木木材释热速度和释热总量
ƒ¬ªqu ‹ ¤¨·µ¨¯¨ ¤¶¨ µ¤·¨ ¤±§·²·¤¯ «¨ ¤·µ¨¯¨ ¤¶¨§©²µ°²³¯¤µ
t }s ®ª#°pv ~u }x{ qz ®ª#°pv ~v }ttv qx ®ª#°pv ~w }uu| qv ®ª#°pv q
图 t 杉木木材释热速度和释热总量
ƒ¬ªqt ‹ ¤¨·µ¨¯¨ ¤¶¨ µ¤·¨ ¤±§·²·¤¯ «¨ ¤·µ¨¯¨ ¤¶¨§©²µ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ
t }s ®ª#°pv ~u }w{ q{ ®ª#°pv ~v }|{ qv ®ª#°pv q
图 t ∗ v给出了 v种人工
林木材阻燃处理后的释热速度
和释热总量的变化情况 ∀由图
看出 o阻燃处理后木材试样的
释热速度和释热总量都明显降
低 ou 个释热峰明显减弱 ∀当
阻燃剂量增加到 tss ®ª#°pv以
上k杉木除外l时 o释热峰完全
消失 o释热总量大幅度降低 o整
个释热过程以低速平缓方式进
行 ∀上述结果与原田寿郎
kusssl的结果相似 ∀根据日本
建筑材料燃烧等级的界定标
准 o燃烧 ts °¬±的释热总量小
于 { #°pu的材料为准不燃
材料 o所以阻燃剂量在 tss ®ª#
°pv左右的杨木和阻燃剂最大
量在 t{s ®ª#°pv左右的马尾松
已经达到准不燃等级材料 ∀
2 .3 有效燃烧热
有效燃烧热反映的是木材
受热分解每损失 t h质量的物
质k即木材热解产生的可挥发
性物质l燃烧所放出的热量 ∀
表 t给出了阻燃处理前后 v种
木材有效燃烧热的变化情况 ∀
阻燃处理前 v种木材的有效燃
烧热差异不大 o平均在 tu #
®ªpt左右 ∀这与 v种木材的主
要组成成分都是纤维素 !半纤
维素和木质素 o热解过程和可
挥发性物都比较相近相关 ∀阻
燃处理后木材的有效燃烧热降
低 ∀当阻燃剂量在 tss ®ª#°pv
以内时 o杉木 !杨木和马尾松木
材的有效燃烧热从 tu #®ªpt
左右分别降到 z #®ªpt !z 
#®ªpt !x #®ªpt左右 ∀当阻
燃剂量超过 tss ®ª#°pv以后 o杨木和马尾松木材的有效燃烧热从 tu #®ªpt左右分别降到 s1y #®ªpt !s1{
#®ªpt o甚至更低 ∀这与所用阻燃剂的阻燃机理有关 ∀磷酸铵盐阻燃剂的作用机制在于促进木材的脱水炭
wtt 林 业 科 学 wt卷
化 o同时自身分解产生水蒸气 !氨气等不燃性气体 o所以阻燃剂量越多有效燃烧热就会越低 ∀
2 .4 失重率
图 w !x给出了阻燃处理前后杉木和杨木木材失重率的变化过程 o马尾松木材的变化情况与杨木情况相
似 ∀由图看出 o阻燃处理降低了失重率 o尤其是与释热速度峰值相对应的 u个失重率峰强度减弱 ∀随着阻燃
剂量的增加 o失重率的 u个峰消失 o失重以低速平缓的过程发生 ∀阻燃剂量增加到一定程度变化很小 ∀表 t
给出了 v种木材阻燃处理前后平均失重率的变化情况 ∀阻燃处理后木材的失重减少 o而且随着阻燃剂剂量
的增加而减少的程度也有所增加 ∀吸收量增加到一定程度后变化不甚明显 ∀
失重率的降低与磷酸铵盐类阻燃剂作用机制密切相关 ∀磷酸铵盐最重要的作用机制在于促进木材脱水
炭化作用 o使木材中的纤维素 !半纤维素和木质素以固态炭的形式保留下来 o减少热分解造成的挥发性物质
的产生k石原茂久 ot|{| ~李坚 ot||vl ∀
图 w 杉木木材失重率
ƒ¬ªqw ¤¶¶ ²¯¶¶µ¤·¨©²µ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ
t }s ®ª#°pv ~u }w{ q{ ®ª#°pv ~v }|{ qv ®ª#°pv q
图 x 杨木木材失重率
ƒ¬ªqx ¤¶¶ ²¯¶¶µ¤·¨©²µ°²³¯¤µ
t }s ®ª#°pv ~u }x{ qz ®ª#°pv ~v }ttv qx ®ª#°pv ~w }uu| qv ®ª#°pv q
2 .5 减光系数和发烟总量
图 y !z反映了阻燃处理前后杉木和杨木木材的减光系数变化情况 o马尾松木材的情况与杨木的相似 ∀
吴玉章等kusswl对未阻燃处理木材的发烟量情况做了详述 o点燃前和炭化过程结束以后发烟最强 o炭化过程
中以及无焰燃烧阶段发烟最弱 ∀阻燃处理后木材的发烟量发生了变化 ∀阻燃剂量在 tss ®ª#°pv左右以内
时 o表征烟气浓度的第二尖锐峰减弱 o并随着阻燃剂量的增加而消失 ∀这与原田寿郎kusssl的结果以及王清
文等kussul研究阻燃处理红松和紫椴的结果相近 ∀当阻燃剂量超过 tss ®ª#°pv时 o烟气浓度大幅度增加 o而
且有随着阻燃剂量增加而继续增加的趋势 ∀阻燃处理后木材从受热开始到结束都有烟气产生 ∀
未处理木材在炭化过程中和无焰燃烧阶段发烟最弱 o但阻燃处理后情况发生了变化 ∀图 { !|是杨木和
马尾松木材发烟总量曲线 ∀由图看出 o阻燃处理后发烟量与时间基本呈直线关系 o说明阻燃处理木材从受热
开始到结束 o发烟量随时间而增加 ∀特别是与原来发烟最弱的炭化过程和无焰燃烧阶段k即 t曲线的平坦部
分l对应的部分 o阻燃处理后由与横轴近乎平行的曲线变成直线 ∀随着阻燃剂量的增加 o直线倾斜的角度也
在增加k如杨木l ∀如果用与曲线相切直线的斜率反映单位时间内的发烟量的话 o那么切线斜率越大发烟速
度k即单位时间内的发烟量l也越大 ∀由图看出 o阻燃处理前发烟速度是变化的 o即点燃前发烟速度最大 o其
次是炭化过程结束后 o炭化过程中及无焰燃烧阶段发烟速度最低 o而阻燃处理后发烟速度基本不变 ∀由此说
明 o阻燃处理提高了炭化过程和无焰燃烧阶段的发烟速度 ∀
由图 { !|还可看出 o相对于未处理木材k即 t曲线l的 u个强发烟过程 o阻燃处理后曲线的斜率比这 u个
过程曲线的斜率都要小 ∀由此说明阻燃处理降低了木材点燃前和炭化结束后 u个强发烟过程的发烟速度 ∀
xtt 第 u期 吴玉章等 }磷酸铵盐处理人工林木材的燃烧性能
图 y 杉木木材减光系数
ƒ¬ªqy ∞¬·¬±¦·¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·©²µ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ
t }s ®ª#°pv ~u }w{ q{ ®ª#°pv ~v }|{ qv ®ª#°pv q
图 z 杨木木材减光系数
ƒ¬ªqz ∞¬·¬±¦·¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·©²µ°²³¯¤µ
t }s ®ª#°pv ~u }x{ qz ®ª#°pv ~v }ttv qx ®ª#°pv ~w }uu| qv ®ª#°pv q
图 { 杨木木材发烟总量
ƒ¬ªq{ ײ·¤¯ ¶°²®¨ ³µ²§∏¦·¬²±©²µ°²³¯¤µ
t }s ®ª#°pv ~u }x{ qz ®ª#°pv ~v }ttv qx ®ª#°pv ~w }uu| qv ®ª#°pv q
图 | 马尾松木材发烟总量
ƒ¬ªq| ײ·¤¯ ¶°²®¨ ³µ²§∏¦·¬²±©²µ¤¶¶²± °¬±¨
t }s ®ª#°pv ~u }z| qw ®ª#°pv ~v }t{s qx ®ª#°pv ~w }uty qs ®ª#°pv q
v 结论
阻燃处理使木材的燃烧性能发生变化 ∀阻燃处理木材的引燃时间与阻燃剂量有关 o当阻燃剂量超过
tss ®ª#°pv时 o木材才不会被点燃 ∀磷酸铵盐处理的木材释热性能大幅降低 o释热速度降低 o释热总量减少 o
气相燃烧放热也被降低 o而且随着阻燃剂量的增加效果更加明显 o这对降低火灾引起的危害具有重要作用 ∀
阻燃处理使木材失重减少 o对以建筑材料为主的木材来讲 o这在保持结构外形的稳定性方面具有重要的作
用 ∀磷酸铵盐阻燃剂的抑烟作用不理想 o虽然降低了最强发烟过程的强度 o但是也提高了最弱发烟过程的强
度 o而且随着阻燃剂量的增加 o发烟总量也呈增加的趋势 ∀
阻燃剂在木材内分布状态对阻燃效果有影响 o特别是木材这种非均质性材料 o阻燃剂分布的不均匀性将
会影响材料整体的耐火性能 ∀
参 考 文 献
李 坚编著 qt||v q新型木材 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 oz| p tsw
李 坚 o王清文 o李淑君 o等 qussu q用 ≤’‘∞法研究木材阻燃剂 ƒ• • 的阻燃性能 q林业科学 ov{kxl }ts{ p ttw
王清文 o李 坚 o吴绍利 o等 qussu q用 ≤’‘∞法研究木材阻燃剂 ƒ• • 的抑烟性能 q林业科学 ov{kyl }tsv p ts|
石原茂久 qt|{| q木材 Ν燃烧 Η = Ν制御 q木材学会 ovxk|l }zzx p z{x
吴玉章 o原田寿郎 qussw q人工林木材燃烧性能的研究 q林业科学 owskul }tvt p tvy
王元宏 qt|{{ q阻燃剂化学及其应用 q上海 }上海科学技术文献出版社 o|z p uv|
薛恩钰 o曾敏修 qt|{{ q阻燃科学及应用 q北京 }国防工业出版社 o|y p tsy
原田寿郎 qusss q木材 Ν燃烧性 ∗ η Σ耐火性能 Κ关 9 κ研究 q森林综合研究所研究报告 ousss
ytt 林 业 科 学 wt卷