热分析方法研究森林可燃物的燃烧性

宋彦彦+隋振环+赵忠林+李英爱+张言+管清成+汪兆洋+隋海新

摘要：本文主要介绍了常见的热分析方法测定森林可燃物的燃烧性，并与其他的燃烧性测定方法进行了比较。

关键词：热分析；可燃物；燃烧性

中图分类号：S762 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-14-60-2

热分析是在程序控制温度的条件下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术（李玉增，1987）。在加热或冷却的过程中，随着物质的结构、相态、化学性质的变化，都会伴随相应的物理性质变化，这些物理性质包括质量、温度、尺寸等性质。根据测量物质的物理性质的不同，热分析方法的种类是多种多样的（胡小安，2005）。如: 差热分析（DTA）、热重分析（TG）、微商热重分析（DTG）、差示扫描量热（DSC）和热机械分析（TMA、DMA）等。其中在研究可燃物燃烧性方面，热重分析法和微商热重分析(DTG)相对较多，差热分析和差热扫描量热法次之。国外在利用热分析研究林火方向上较多，而国内利用热分析方法研究燃烧性仍然很少。

森林可燃物可以简单地定义为林内所有活的有机物和无机物，这些物质都具有潜在的燃烧性和释放能量的能力（郑焕能，1994）。国内的许多研究者在评价可燃物的燃烧性时，一般以含水率、含脂肪量、灰分量、发热量、燃点等与燃烧性相关的理化参数为依据。但由于这些参数受测定使用的仪器、测定的方法、采样时间及方法等因素的影响，而存在着不同的差异，因此只选择其中的某几个参数作为参考因子的依据就显得不够可靠。应该指出，林火过程是一个十分复杂的物理化学过程,受火环境（天气条件、林地条件、林内小气候和氧气等），火源（自然火、人为火）以及不同类型可燃物自身的性质（如可燃物的大小、结构状态、理化性质、数量分布等）的影响。因此从可燃物自身的热解特性来探讨，为可燃物的燃烧性的研究开辟了一个崭新的渠道。所以，将热分析技术应用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更准确地揭示森林可燃物的热解过程，即燃烧各阶段的温度，通过热解动力学模型深入探讨其热解机理（刘菲，2005）。

1 热重分析法在研究森林可燃物燃烧性上的应用

热重分析（TG）是指，在程序温度下，测量物质的质量与温度关系的一种技术（刘振海，2000）。它通过对被分析物质的降解过程加以记录，得出其分析过程中的质量变化及失重速度，进而对其可燃性和燃烧过程中的稳定性作出评估（胡源，1999）。Anderson（1970）指出，森林可燃物的燃烧性表征问题应包含Ignitability （着火性），Sustainability（着火后是否能够燃烧）和Combustibility（燃烧的速度和强度）三个方面，其中判定可燃物的着火性是燃烧性表征问题的关键（Anderson，1970）。热解是控制火灾发生和发展的重要因素（袁兵，2004），材料热解特征是其燃烧性的重要组成部分。Phipot（1970）等人首先提出用TG和DTG曲线来评价可燃物的相对燃烧（Philpot C W，1970）。应用热分析研究燃料燃烧性具有重现性好，只考虑化学反应过程等优点（骆介禹，1992）。Acma 研究了5 种生物质材料的着火温度、燃烧峰值温度、质量损失比等参数（Haykiri-Acma H，2003）。Dimitrakopoulos 对12 种生物质试样在空气气氛下进行了热解实验，分析其挥发分平均释放速率（Meanvolatilization Rate ，MVR），最大质量损失率等参数，并对这些参数进行Duncan 多元比较检验。根据挥发分平均释放速率值把所分析的植物划分为几类具有相似燃烧性的植物，并在实际野火中得到证实，表明应用TGA 评价植物的燃烧性是合理的（Dimitrakopoulos A P， 2001）。

起初一些外国研究者推荐用热分析法研究森林可燃物的热学性质，20世纪80年代末提出用热重法（TG）和微商热重法（DTG）提供的燃烧分布曲线来评价可燃物的相对燃烧性（Rostam-Abadi M，1990）。骆介禹（1992）等运用热重（TG）和微商热重（DTG）技术对27 个树种进行分析并对其燃烧性进行排序（骆介禹，1992）。孙才英（1998）等人对杨木进行热重分析（TG）及差示扫描量热分析（DSC） （孙才英，1998）。肖忠平（2002）等人采用动态热重法对杉木间伐材和阻燃杉木间伐材的热动力学特性进行分析（肖忠平，2002）。高亚萍（2007）等人利用热重分析仪对常见木质装饰装修材料白杨、白桦、红松进行分析（高亚萍，2007）。翟振岗（2008）等人采用热重（TG）技术在空气气氛下对13 种树种的树叶试样进行了实验研究（翟振岗，2008）等等。

大多数研究者利用热重分析法所得到的可燃物的曲线图可以得知，在空气气氛条件下会出现两个“失重平台”。根据第一个“失重平台”所在温度区间可以判断出，它是由于可燃物热解反应所致。第二个“失重平台”时，可燃物热解已接近尾声，残留下焦炭灼热的焦炭与气氛中微量氧发生缓慢氧化反应，或者灼热的焦炭与热解产物发生次级反应所引起失重。也可以把曲线图分为3个阶段来解释，第一阶段是失水阶段（40℃～100℃）；第二阶段是纤维素和半纤维素物质的热分解阶段（250℃～360℃）；第三阶段是炭化物的燃烧阶段（360℃～650℃）。

还有少数研究者利用热重法测定聚合物分解过程Arrhenius方程动力学参数（活化能Ea,指前因子A）K=Aexp（-Ea/RT），Arrhenius方程是表示反应速率常数Ｋ与温度Ｔ关系的基本方程。这种调制式热重仪（MTGA）是随着科学技术不断发展的结果，它提供了独特的功能，整个重量损失反应过程中，MTGA 提供了活化能的连续确定的值，而不仅仅是在指定反应级别下得到的值。获取连续活化能的功能，可允许反应期间活化能的变化作为温度或转换的函数进行跟踪。活化能的计算是“无需模型”的，不要求具备动力学方程式构成的知识。与活化能的连续确定一样，一阶动力学模型的假设允许进行式前指数因子的自然对数计算。这种分析方法在林火方面研究的较少，内容不够具体和深刻，通过热分析技术所得到的参数（频率因子E，活化能A）为可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加准确的基础数据。

2 微商热重分析法在研究森林可燃物燃烧性上的应用

微商热重分析（DTG）大多数与热重分析（TG）相结合，它是把热重曲线进行微分，从而得到了微分热重曲线，既为失重速率。同样，骆介禹（1992）等运用热重（TG）和微商热重（DTG）技术对27 个树种进行分析，并对其燃烧性进行排序（骆介禹，1992）。1994年骆介禹在《森林可燃物燃烧性研究的概述》一文上，利用热重（TG）和微商热重（DTG）分析曲线评价了林森可燃物相对燃烧性的研究（骆介禹，1994）。S. Liodakis（2002）等人通过利用DTG和TG分析方法，对地中海地区的主要5种树种进行曲线分析比较燃烧性的强弱（S. Liodakis，2002）等等。

微商热重分析是基于热重分析基础之上的，微商热重曲线图与热重曲线图是相对应的，与热重曲线有一个“失重平台”相应的微商热重曲线上也有一个“失重速度峰”，因此森林可燃物的微商热重曲线同样也有两个“失重速度峰”。第一个“失重速度峰”与第一个“失重平台”相对应，由于热解反应所致。第二次“失重速度峰”也与第二个“失重平台”相对应，由于和氧接触进行了有焰或无焰燃烧。通过一些文献的曲线图还可以看出，若“失重平台”较陡，则“失重速度峰”较尖锐，根据“失重平台”或“失重速度峰”所在温度范围，以及峰的面积，可知其可燃物的燃烧性排列的顺序。

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3 差热分析（DTA）和差示扫描量热分析（DSC）在研究森林可燃物燃烧性上的应用

差热分析（DTA）是指，在程序温度下，测量物质和参比物的温度差与温度的关系的一种技术（骆介禹，1992）。差式扫描量热分析（DSC），是指在程序温度控制下，测量输给被测物质和参照物的能量差与温度或时间之间关系的一种技术（刘振海，2000）。在给定温度下体系总是趋向于自由能最小的状态，在程序升温过程中物质可转变为更稳定的晶体结构或具有更低自由能的另一种状态，伴随着转变有热焓的变化，这就是差热分析与差示扫描量热法的基础（胡小安，2005）。孙才英（1998）等人为了对使用木材及预测和扑灭火灾提供理论依据，对杨木进行热重分析（TG）及差示扫描量热分析（DSC） （孙才英，1998）。胡源（1999）等人综合利用热重分析（TG）、差热分析（DTA）和差式扫描量热分析（DSC）对几种阻燃材料的热失重、稳定性进行分析（胡源，1999）。随着时间的推移和科学的发展，近几年差热分析（DTA）在植物研究领域有所提高。王书军（2007）等人采用热分析方法（ TG，DTA）对9种贝母类中药材的热重/差热图谱进行分析，结果得到了根据9种贝母中药材热分析图谱之间的差异，可以很容易的对其进行区分和鉴别（王书军，2007）。赵华（2009）等人对不同产地、不同等级的金银花进行了差热-热重分析，6种样品的差热和热重曲线均有差别，结果证明该方法简便，可用于鉴别该类植物中药材的产地及真伪（赵华，2009）等等。随着科学技术的进步，差热分析（DTA）和差式扫描热分析（DSC）在防火研究上也会有一定的发展。

4 热分析与其他判定森林可燃物燃烧性的方法相比较

国内外学者在可燃物的理化性质，化学组成对其燃烧性的影响方面做了大量的研究工作，刘自强等（1993）对大兴安岭地区多种森林可燃物的含水率、燃点和灰分进行测定，并对其易燃性和燃烧性进行了评价（刘自强，1993）。胡海清（1995）对大兴安岭50余种森林可燃物的含水率、燃点、灰分、热值和抽提物含量进行了室内测定（胡海清，1995）。王刚等（1996）对大兴安岭的樟子松、落叶松、桦树、杨树的含水率、灰分、醚抽提物、苯醇抽提物、木素、纤维素、含氮量、含磷量、热解焦炭量九种化学组分进行测定，得出结论为：森林可燃物的化学组成对其燃烧性有明显的影响（王刚，1996）。单延龙等（2003）对黑龙江大兴安岭主要16个树种的含水率、风干、绝干、燃点、灰分含量、苯醇抽提物含量、热值进行了测定（单延龙，2003）等等。

除此之外，可利用锥形量热仪进行测试森林可燃物的燃烧性的研究。田晓瑞等（2001）利用锥形量热仪比较了南方8个树种的燃烧性和抗火能力（田晓瑞，2001）。田晓瑞等（2003）采用锥形量热仪和野外火烧试验方法研究木荷林带的阻火能力（田晓瑞，2003）。吴玉章等（2004）利用锥形量热仪对人工林杉木、杨木和马尾松的燃烧性进行研究（吴玉章，2004）。卢凤珠等（2005）利用锥形量热仪对1～6年生的毛竹人工林竹材的燃烧性能指标进行了测定（卢凤珠，2005）。等等。锥形量热仪法测定森林可燃物的燃烧性也是最近几年比较热门的研究课题，它与热分析方法测定燃烧性各有其不同的优缺点，可以对同样的可燃物样本同时采用这两种方法，测定其燃烧性，比较哪种更加精确，更能详细的说明其燃烧过程，更好的判定其燃烧性。

5 结语

森林可燃物是森林火灾发生的物质基础，是火传播的主要因素，是森林防火灭火的理论依据。加强对森林可燃物性质的研究，可以为林火预报、可燃物管理、灭火指挥、营林用火、生物防火等方面提供可靠的数据。将热分析技术应用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更准确地揭示森林可燃物的热解过程，更深入地探讨其热解机理。一，通过热分析技术所得到的参数（频率因子E活化能A）为可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加准确的基础数据。二，综合利用不同的热分析方法测定可燃物的燃烧性，并与其他测定燃烧性的方法相比较，得到更加详尽的燃烧过程。

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