不同受热温度下炭化红松表面微观形貌和成分分析.doc

精品论文推荐不同受热温度下炭化红松表面微观形貌和成分分析刘玲 1，2，赵敏 1，张世星 1，白俊 31.中国人民武装警察部队学院消防工程系，河北廊坊（065000）2.中国人民武装警察部队学院研究生队，河北廊坊（065000）3.青海省消防总队，西宁（810000）e-mail：liu_摘要：红松的微观形貌及其成分含量与受热温度关系密切。本文对模拟火灾不同受热温度 条件下的炭化红松样品，进行了扫描电镜（sem）和 x射线能谱仪（eds）分析。结果表 明：受热后，炭化红松管胞切面逐渐变得光滑；管胞胞腔逐渐增大；管胞纤维间距逐渐加大； 胞壁逐渐变薄，在高温作用下变形明显；管胞纤维结构仍然存在，但在高温时会出现明显断 裂和破碎。随着受热温度升高，炭化红松表面的含碳量变大，含氧量减小，含钾量和含钙量 变大。对炭化红松的微观形貌以及成分随受热温度的变化的研究，可以帮助火灾调查人员判 断火灾蔓延路线，认定起火点，查明火灾原因。 关键词：炭化红松；微观形貌；受热温度；扫描电镜；能谱分析1 前言红松是优良的建筑和造船用材，在国内和国际市场上很受欢迎，被誉为“木材王座”1。 在火灾现场经常遗留有红松燃烧的残留物炭化红松。由于炭化红松的表面微观形貌及成 分含量与受热温度密切相关，所以研究炭化红松可以为火灾痕迹物证鉴定工作中木材受热温 度的鉴定提供对比材料。目前，我国对木材炭化痕迹的常用鉴定方法主要有：观察木材炭化裂纹形态、测量炭化 深度、测量木材炭化层导电性2等。但目前未见有针对火灾现场中木材表面微观形貌和成分 变化与受热温度关系的系统研究。本文主要利用扫描电镜来分析和研究炭化红松的表面微观 形貌，以确定不同受热温度下的微观形貌特征，并利用 x射线能谱仪对炭化红松在不同受 热温度下的表面元素变化进行了分析，总结其在受热变化过程中的规律。2材料与方法实验选取的红松试样表面无裂缝、无瑕疵、无结疤、腐朽等缺陷，将红松分别切成30mm30mm60mm 规格的试块，使用 sxc-4-13c 一体化程控高温炉模拟火灾条件对试样 进行加热，加热温度分别为 300、500、700、900，加热时间为 15min，得到炭化红 松试样。试样在室温下自然冷却后，分别在径向和弦向取样，并利用导电胶将其固定到样品杯上。 使用 sbc12 小型离子溅射仪对试样表面溅金镀膜处理 3min，以提高试样表面的导电性, 得到待测试样。利用 kyky2800b 型扫描电子显微镜观察试样表面微观形貌。利用 eds2100 x射线能谱仪，定性、定量地分析试样表面元素的变化。3实验结果分析3.1 不同受热温度对炭化红松径向切面（横截面）微观形貌的影响观察不同温度下受热 15min 的炭化红松试样横截面的表面微观形貌，结果如图 1 所示。- 3 -1-a1-b1-c1-d1-e图1 不同受热温度下红松横截面的微观形貌，1-a、1-b、1-c、1-d、1-e的受热温度分别为常温、300、500、700、900。fig 1 cross section microtopography of korean pine at normal temperature and a heated temperature of 300、500、700、900 separately, which are showing in fig.1-a、1-b、1-c、1-d、1-e.通过分析比较可见：（1）常温下，红松试样细胞结构完整，管胞切面粗糙，孔隙呈六角 蜂窝状排列，并且间杂有盲孔3。（2）随着受热温度的升高，管胞切面逐渐变得光滑。特别 是在 500以上时变化更加明显。（3）随着温度的升高管胞胞腔逐渐增大，胞壁逐渐变薄； 胞壁在 700以上出现明显变形，孔隙不再是规则的六角蜂窝状结构。3.2 受热温度对炭化红松弦切面微观形貌的影响观察不同温度下受热 15min 的炭化红松试样弦切面的表面微观形貌，结果如图 2 所示。2-a2-b2-c2-d2-e图2: 不同受热温度下红松弦切面的微观形貌，2-a、2-b、2-c、2-d、2-e的受热温度分别为常温、300、500、700、900。fig 2: tangential section microtopography of korean pine at normal temperature and a heated temperature of300、500、700、900 separately, which are showing in fig.2-a、2-b、2-c、2-d、2-e.通过分析比较可见：（1）受热后，炭化红松管胞纤维结构仍然存在，但是受热 900时 出现明显的断裂和破碎。（2）随着温度的升高，炭化红松管胞纤维的间距逐渐加大。（3）随 着温度的升高，管胞壁切面上的毛刺状物质及沉积物的数量逐渐减少，壁面由粗糙逐渐变得 光滑。特别是在受热温度达到 500之后，上述变化更加明显。3.3受热温度对炭化红松表面成分的影响利用 x-射线能谱仪对受热温度为 700，受热时间为 15min 的炭化红松试样表面元素 成分进行了定性分析，结果如图 3 所示。炭化红松试样表面碳（c）、氧（o）、钾（k）、钙（ca）四种元素的光子计数强度较大。此外，定性谱图还存在金（au）元素，那是由于在 实验前对试样进行了溅金镀膜处理，其含量变化取决于试样溅金镀膜的程度，它不属于炭化 红松的元素成分，故对其不做定量分析。图 3 炭化红松的 x-射线能谱图fig.3 eds x-ray spectrum of korean pine carbonization利用 x-射线能谱仪分别对受热时间为 15min 的不同受热温度条件下的炭化红松试样表 面元素进行了定量分析，通过多点采样记录的方法，平均含量结果如表 1 所示。结果表明，随着受热温度的升高，试样中碳的原子百分比含量呈现逐渐增大的趋势；氧的原子百分比含量呈现逐渐减小的趋势。特别是当受热温度达到 300以上时，会发生陡变，在达到 500 以后变化又趋于平缓。从定量分析结果中还发现，钾元素和钙元素的原子百分比含量总体上 随受热温度升高的变化而逐渐加大。表 1 炭化红松表面主要元素种类及其相对含量table.1 elements and their relative contents in surface of korean pine carbonization元素种类及其相对含量（）温度elements and their relative contents()cokca常温37.6462.3530046.0653.7450072.2227.450.130.2070084.28390091.944 实验结果讨论4.1 受热温度对炭化红松表面微观形貌的影响炭化红松表面微观形貌的上述变化与木材受热过程关系密切。木材在常温时韧性较大， 进行试样制备时其切面（尤其是径向切面）比较粗糙，存在大量毛刺。随着受热温度的升高 木材发生炭化，其脆性增大，易于切断，因而其切面毛刺减少，比较光滑。木材受热变化主要包括木材炭化和木炭燃烧两个阶段4 。在木材炭化阶段（200 400），木材中的不稳定部分开始先后发生热分解反应，纤维素、木素的置换基和侧链上发 生脱氢和脱水反应，生成大量气体、醋酸和焦油等产物5。这些非碳物质大量从炭化物表面 脱离出去，导致管胞胞壁变薄；胞腔变大。在木炭燃烧阶段（400450以上），主要是依靠外热使木炭中残存的挥发物质充分排出的过程6，由于受热温度较高对木炭微观形貌的影响较大，所以在高温作用下上述变化更加明显。 同时，由于木材细胞壁本身存在一定厚度、密度以及纹孔结构，在受热温度增加的情况下，细胞内部不同部位的传质传热大小程度不同，细胞失水干燥收缩的程度出现了差异，导 致某些部位发生错位断裂，但细胞的整体结构并未遭到破坏7。只是使纤维结构出现断裂、 破碎和变形。4.2受热温度对炭化红松表面成分的影响含碳量与炭化红松的受热温度密切相关。在低于 250时，红松碳元素主要以化合态存 在8，炭化速率低，含碳量较低；在温度为 250600时，红松炭化速率急剧升高，热分解 出大量气体，同时生成大量游离态碳，所以含碳量迅速增加；当温度升到 500600以上 时，大多数红松已完全炭化，因此受热 500以后含碳量随温度的升高变化不明显。炭化红松表面的含氧量随温度降低而减小，这是因为在热解、炭化的过程中，氧元素参加了化学反应而被大量消耗，而且反应在 500以后更为剧烈，所以含氧量的减小更为明显。 常温及受热温度较低的情况下，红松中钾、钙的含量很低，均小于 1，所以在 eds- 5 -定量分析中的检出结果无效。随着红松试样受热温度的升高，有机分子分解燃烧，试样总质量减少，而钾、钙元素却不会从木炭表面挥发出去，其总量不变，所以钾、钙的相对含量逐 渐变大。5 结论本文利用 sem/eds 研究了受热温度对炭化红松微观形貌的影响。结果表明：(1)从径向切面来看，受热后，炭化红松管胞切面逐渐由粗糙变得光滑；管胞胞腔逐渐 增大，胞壁逐渐变薄，胞壁在高温作用下变形明显，孔隙不再是规则的六角蜂窝状结构。(2)从弦切面来看，受热后，炭化红松管胞纤维结构仍然存在，但在 900时出现明显断 裂和破碎；管胞纤维间距逐渐加大；管胞壁切面由粗糙逐渐变得光滑。(3)随着受热温度升高，炭化红松表面的含碳量逐渐变大，含氧量逐渐减小，含钾量、 含钙量逐渐变大。根据微观形貌特征和能谱分析结果可以分析比较炭化红松的受热温度，而明确受热温 度有助于判断实际火场温度和火灾蔓延路线，进而确定起火点和火灾原因。参考文献1 赵建民,翟龙江.木材概论m.北京:高等教育出版社,2002:51-52.2 金河龙.火灾痕迹物证与原因认定m.吉林:吉林科学技术出版社,2005:172.3 胡亚才,范利武,俞自涛,黄君丽,田甜,方梦祥,岑可法.木材微结构对其传热特性影响的实验研究j. 工程 热物理学报,2005,26(6):210-212.4 徐晓楠.防火涂料m.北京:化学工业出版社,2004:695 王清文,李坚.木材阻燃工艺学原理m.哈尔滨:东北林业大学出版社,2000:128.6 jorg fromm, beate rockel, silke lautner, et al. lignin distribution in wood cell walls determined by tem and backscattered sem techniquesj. journal of structural biology, 2003(143):77-84.7 zuo song-lin. a study on shrinkages during the carbonization of bamboo j. journal of nanjing forestryuniversity (natural sciences edition), 2003, 27(3):15-19.8 a.celzard, o.treusch, j.f.mareche, et al. electrical and elastic properties of new monolithic wood-based carbon materials j. journal of materials science, 2005(40):63-70.the surface microtopography and elements study of korean pine carbonizations at different heated temperatureliu ling1,2，zhao min1，zhang shixing1，bai jun31.department of fire engineering，langfang，hebei （065000）2. graduate team，the armed police academy，langfang，hebei （065000）3.fire prevention detachment of xining，xining（810000）abstractthere are relationships between the microtopography、element contents of korean pine and the heatedconditions. in this paper, korean pine carbonization samples were analyzed by scanning electron microscope (sem) and x-ray energy dispersive analysis (eds) at different simulating fire temperatures. the result showed that the main structure of fiber tracheids still exited, but had some fractures at high temperatures; as the heated temperature rised, the surface