（安全技术及工程专业论文）常用可燃装潢材料热解规律的研究.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t p y r o l y s i si st h em o s ti n i t i a ls t a g eo fc o m b u s t i b l ed e c o r a t i o nm a t e r i a l s f i r e ，w h i c h p r o v i d e sn e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h ei g n i t i o na n dt h ef i r es p r e a dp r o c e s s e s p y r o l y s i s i s i m p o r t a n tf o r t h ei g n i t i o na n df i r es p r e a dp r o c e s s e s ad e e pr e s e a r c ho nt h e p y r o l y s i sr e g u l a r i t ya n dm e c h a n i s m ，p l a y sa l li m p o r t a n c er o l eo dp r e v e n t i n gt h ef i r e ， w h i c hi st h ec o n t e n to ft h i sp a p e r t h e r m o - g r a v i m e t r i ce x p e r i m e n to fp i n e w o o d 、 c h i n e s ef i r 、p l y w o o d 、s o l i dw o o df l o o rb o a r da n dc o m p o s i t ef l o o rb o a r di su s e dt o s t u d yp y r o l y s i sr e g u l a r i t yo ft h ec o m b u s t i b l ed e c o r a t i o nm a t e r i a l s t h ec o n d i t i o n o f e x p e r i m e n ti sd i f f e r e n th e a t i n gr a t e ，s u c ha s5 。c m i n 、1 0 。c r a i n 、1 5 。c m i na n d t e c h n o l o g yo fe x p e r i m e n ti st g d s c t h ea n a l y s i sr e s u l to ft h et g 、d t g a n dd s c c u r v e ss h o wt h a t ，p y r o l y s i so fc o m b u s t i b l ed e c o r a t i o nm a t e r i a l sa r ed i v i d e di n t ot h r e e o b v i o u sp h a s e s ，w h i c ha r em o i s t u r ee v a p o r a t i o np h a s e 、h e m i c e l l u l o s e - c e l l u l o s e s p y r o l y s i sp h a s ea n dt h ep y r o l l y s i so fl i g u i n t h eh e a t i n gr a t ei n f l u e n c e st h ei n i t i a t i v e t e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r er a n g eo fp y r o l y s i si ne v e r yr e a c t i o np h a s e 。e n h a n c eo f t h eh e a t i n gr a t e ，t h er e a c t i o nc a r r i e si nh i g ht e m p e r a t u r e t h r o u g hb u i l d i n gk i n e t i c m o d e l ，w ec a ng a i nm e c h a n i s mf u n c t i o n 、t h ep y r o l y s i sa c t i v a t i o ne n e r g yea n d p r e e x p o n e n t i a lf a c t o raw i t hc o a s t r e d f e r nm e t h o da n da c h a rm e t h o d f i g u r e 【4 6 】t a b l e 9 】r e f e r e n c e 【3 0 】 k e y w o r d s ：p y r o l y s i sr e g u l a r i t y ；t h e r m a la n a l y s i s ；p y r o l l y s i sk i n e t i c sp a r a m e t e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t 0 3 5 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：圈函篓日期：z o 丑。年j 月旦日学位论文作者签名：削j 日是 日期： 2 年6 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徽堡王盘堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：闽丽受签字日期：j 。t 年5 月。日 导师签名 百忍律签字日期：歹哆年g 月 引言 引言 火灾现象一直伴随着人类的社会经济活动，人类在利用火的同时，还必须不 断地与火灾进行斗争，保护人身和财产免受火灾的侵害。火灾是各种灾害中发生 最频繁且极具毁灭性的灾害之一，它不仅损害人的生命财产，还对环境和生态系 统造成不同程度的破坏。建筑火灾是火灾的一种，在所有火灾中占有较大的比例。 随着经济的增长，建筑火灾的次数逐年增加。另外，随着建筑装潢业的发展，人 们用各种装潢材料对自己的生活和活动空间进行装饰，装潢材料在给人们带来愉 悦的同时，也带来了火灾隐患。在我国火灾统计中，全国城市居民火灾死伤总数 分别占全国城市火灾死伤总数的8 8 8 和7 2 6 。在美国，家庭火灾死伤总数占 全部火灾死伤总数的8 0 和6 7 。统计数据显示家居建筑火灾在所有建筑火灾中 所占比率是相当高的。因此，我们人类必须重视对火灾的防治。 。 对于防治火灾，最常见的方法是建立消防队伍和结构、研制各种防灭火设备、 完善防火法律法规等，在火灾发生后采取一定的灭火措施。要想减少火灾预防火 灾，对火灾初期的发展机理，可燃物的热解规律的研究至关重要。通过实验，建 立理论模型，研究可燃物燃烧的共性问题，为有效地控制火灾提供新的理论和方 法，从而系统认识火灾发生、发展的规律。本文利用t g d s c 联用技术，对常用 可燃装潢材料热解规律进行研究。 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 1 1 选题背景 随着我国经济的快速发展，建筑装饰业发展步伐加快，以年均2 0 以上的速 度增长。2 0 0 5 年我国的室内装修和建材需求突破6 5 0 0 亿元人民币，预计到2 0 1 0 年戒国室内装修建材工业产值将达到1 2 1 2 6 亿元人民币【”。建筑装饰业的快速发 展带动了建筑装潢的消费，目前建筑装潢成为新的消费热点，而且有进一步发展 的趋势。建筑装潢材料与人类的关系日益密切，人们用各色的材料装点生活和活 动的空间，紧密地将美学和艺术融入到现实生活中，应用到了私人家居、办公楼、 商城、歌舞厅建筑中。然而，由于安全意识的不足和科学技术的局限，装潢材料 在给人们带来愉悦地的同时也带来火灾，因为大部分装潢材料都具有可燃性，在 外加热量“突袭”时，由于对火的抵抗能力低( 即热稳定性差) 而容易发生火灾， 火灾时释放有毒气体和浓烟严重威胁人类身体健康，甚至会使人中毒或窒息死亡。 据世界火灾统计中心以及欧洲联盟的研究结果，许多发达国家每年火灾直接 损失占国民经济总产值的2 左右，相当于人均每年2 0 英镑，而整个火灾代价约 占国民经济总产值的1 ，人员死亡率在十万分之二左右【列。我国的火灾形势也越 来越严峻。据统计，1 9 9 8 年全国发生火灾1 4 3 2 6 起( 不包括森林、草原、军队火 灾) ，死2 3 8 9 ，伤4 9 0 9 ，直接财产损失1 4 4 亿元，其中特大火灾7 8 起，死1 1 7 ， 伤2 3 7 ，直接财产损失2 9 亿元：2 0 0 2 年全国火灾事故( 不包括森林、草原等火 灾) 2 5 8 3 1 5 起，死亡2 3 9 3 人；2 0 0 3 年衡阳1 1 3 特大火灾是我国典型的重大建筑 火灾，国外莫斯科2 0 0 3 年1 1 月2 4 日的宿舍火灾以及澳大利亚森林火灾，这些都 造成大量的人员伤亡和巨大财产损失。 火灾是在时间和空间上失去控制的燃烧造成的灾害，火灾是往往引起油类、 可燃气和可燃粉尘爆炸。火灾发生的必要条件为可燃物、空气和火源同时存在。 其发生和发展规律具有随机性和确定性双重特点。所谓随机性主要是指火灾在何 时、何处发生等是不定的，它要受到多种因素的影响，但却遵循一定的统计规律。 而确定性则是指火灾的发生是按其确定的过程发展，火灾燃烧、烟气流动等都遵 循确定的流体流动、传热传质、物质守恒等定律。 近年来，随着社会经济的发展、科学技术的进步，虽然人们对火灾的抗御能 力不断提高。但伴随着高层建筑、大型化工企业、大型商贸大厦、大型宾馆、大 型饭店和写字楼等的涌现，新工艺、新设备、新兴装饰材料的广泛使用，用火用 电量的增加，火灾的发生也相应增加。下面简要介绍几个典型火灾案例。 1 绪论 1 9 9 8 年1 月3 日，吉林省通化市东珠宾馆( 与香港合资，6 层，高2 0 米，面 积4 2 0 0 平方米) 发生火灾，造成2 4 人死亡( 跳楼摔死4 人) 1 4 人受伤，烧毁建 筑1 6 8 0 平方米及物品一批，直接财产损失3 1 6 万元。 1 9 9 9 年1 0 月3 0 日，韩国仁川市一幢4 层楼的地下卡拉o k 厅发生火灾，有 5 7 人被烧死，7 1 人被烧伤。 2 0 0 0 年1 2 月2 5 日，洛阳东都商厦火灾，造成3 0 9 人死亡，占全年火灾死亡 人数的4 8 1 。 2 0 0 1 年5 月1 2 日，辽宁凌源市河东木材加工厂发生重大火灾，烧毁建筑面 积达1 1 7 0 平方米，受火住户达1 1 户之多，其直接经济损失为8 4 5 4 5 5 元。 2 0 0 2 年6 月1 6 日，位于海淀区学院路2 0 号的“蓝极速”网吧发生火灾，造 成2 5 人死亡，1 2 人受伤。烧毁建筑9 5 平方米，烧毁台式电脑7 1 台。 从上述几个典型火灾案例可以看出，随着中国经济的发展，火灾次数逐年增 加，特大火灾造成的损失巨大，仅1 9 9 5 年一年时间，高层建筑共发生1 2 起火灾 事故，导致7 3 人死亡、4 7 人受伤、o 7 5 亿元经济损失。统计结果还表明，随着 国民经济和技术的发展，火灾以每年均4 0 的增长率吞噬着人民的生命财产。 同时火灾还对环境和生态系统造成不同程度的破坏，火灾会给社会带来不安定的 因素。因此，无论是在中国还是在其他国家，减少火灾对生产生活及其资源环境 的危害已经成为重大问题。 所有火灾都会产生大量的烟气，它是由以下三类物质组成的具有较高温度的 均匀混合物 4 】，即( 1 ) 气相燃烧产物：( 2 ) 未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物 微小颗粒；( 3 ) 未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。从其组成上不难看出， 火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等，加之火灾环境高 温、缺氧，导致火灾中很多人因烟气窒息和中毒而死亡。 此外，由于高温烟气的迅逑流动和蔓延，有时甚至掺混着一定的末燃可燃气 体，容易引起火势的迅速蔓延和扩大，造成生命和财产的损失。因此，我们人类 必须重视对火灾的防治。 近年来，我国的火灾次数和火灾损失都呈上升趋势，特大和重大火灾的发生 率仍然相当高，迅速采取有效措施，抑制火灾上升的势头，已经成为党、政府和 全国人民普遍关心的问题。在与火灾长期斗争中，人们逐渐认识到有必要建立训 练有素的防火、灭火队伍和管理机关1 5 】。党和政府十分关心消防事业的发展和消 防队伍的建设，建立了新型的公安消防部队，经过多年的努力，这支队伍的知识 化、专业化、正规化水平都有了极大的提高，并且以较先进的防灭火、运输、通 安徽理工大学硕士论文 讯、管理等设备武装起来，具有很强的战斗力，已经成为我国社会安定的重要支 柱之一。目前各国都建立了许多专门生产消防器材的厂家，它们不仅品种多样， 而且随着社会发展和实践的需要，产品不断更新，性能不断提高完善。2 0 世纪以 来，随着高层建筑、大型商场、写字楼的增加，逐渐开始使用了火灾自动报警系 统、各种自动灭火系统、防排烟系统等，还利用了飞机进行灭火和营救等等。我 们相信，随着科学技术的进步，消防安全措施还将进一步得到改进和发展。从1 7 世纪中期开始，人们逐渐对火有了较深刻的了解，在此基础上产生了各种各样的 法规和标准，并随着对火认识的加深而不断修订完善。我国于1 9 9 8 年4 月2 9 日 通过了中华人民共和国消防法，并于1 9 9 8 年9 月1 日起实施，这标志着我国 消防工作已经步入法制化轨道。中华人民共和国消防法由总则、火灾预防、消 防组织、灭火救援、法律责任和附则六章组成，共5 4 条。 以上是从建立消防队伍和结构、研制各种防灭火设备、完善法律法规方面来 防治火灾，主要是在火灾发生后期采取的措施。要想减少火灾，控制火灾，对于 火灾初期的发展机理研究很重要。研究可燃物燃烧的共性问题，通过实验和理论 建立数学物理模型，为有效地控制火灾提供新的理论和方法，从而系统认识火灾 发生、发展的全过程。 可燃物的热解失重过程，为引发可燃物的着火以及随后的火蔓延过程提供必 要的挥发性燃料。从某种意义上讲，热解为对着火过程是否发生，以及着火发生 后火蔓延过程是否能够得以维持，均起着关键作用。深入理解材料的热解行为及 其规律性，对减少火灾，控制火灾至关重要。 随着城市化的发展，可燃家庭装潢材料的增多给人们带来了安全隐患。一是 因为可燃高分子材料为建筑火灾增加了火灾载荷；二是因为其为火灾向邻区蔓延 提供了通道，扩大了火灾面积并强化了室内火灾。在我国火灾统计中，全国城市 居民火灾死伤总数分别占全国城市火灾死伤总数的8 8 8 和7 2 6 。在美国，家 庭火灾死伤总数占全部火灾死伤总数的8 0 和6 7 。统计数据显示家居建筑的火 灾在所有建筑火灾中所占比率是相当高的。 因此，对可燃装潢材料热解过程的规律进行深入研究，掌握材料对火反应特 性( 主要是热释放速率、总释放热) 和热物理性( 主要是着火温度) 是十分必要的。深 入理解可燃装潢材料热解机理及热解规律，对减少和控制火灾的发生至关重要。 这将带来持续的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 绪论 近年来，对于装潢材料引起火灾的起因及过程，国内外许多专家、学者从建 材的燃烧特性，火灾前期的热解特性，室内装修材料火灾的数值模拟等多方面进 行了研究探索。 1 2 1 国内研究现状 1 、刘乃安等【6 l 对林木热解动力学模型进行了研究。实验对热解的非等温动力 学过程进行了推断，结果表明林木的两步主要热解过程均可用简单反应动力学模 型进行模拟，表观反应级数为2 ，并且绝大多数林木的每步热解过程均由两步主 导反应控制。 2 、文丽华等f 7 i 对杉木、花梨木和水曲柳在不同升温速率下( 1 0 、2 0 、4 0 k r a i n ) 进行了t g 、d t g 和d s c 研究。将木材热解过程分为四个阶段，分析了每个阶段 的化学物理变化以及热效应的变化。研究了不同升温速率对热解过程的影响，建 立试样的热解模型，通过f r e e m a n c a r r o l l 法求出了其动力学参数，并认为一级反 应模型可以对热解机理进行较好的描述。 o 3 、旅海云【8 】等对建筑装潢中几种常用板材的热解行为进行了热重分析( t g ) 和差分热重分析( d t g ) ，并提出了热解过程的动力学模型。对典型火灾可燃物生 物质热失重特性比较研究，对典型火灾可燃物纺织品热解特性及动力学进行研究， 根据d t g 曲线上峰的个数，将热解过程分为若干阶段，建立“多阶段热解虚拟模 型”，并得出了几种天然纤维的动力学参数。 4 、闵凡飞f 2 】对生物质燃烧模式及燃烧特性的研究，采用t g d t g - d t a ( 热重一 微分热重差热) 热分析联用技术研究了两种生物质的燃烧模式和燃烧特性。考察 了着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参数 计算了综合燃烧指数和燃烧动力学参数。结果表明，两种生物质在燃烧模式上仔 在差别，生物质的着火温度在2 8 04 c 左右，燃尽温度在5 0 0 。c 左右，生物质的综合 燃烧特性指数明显高于煤的综合燃烧指数，生物质的燃烧过程可以用一级动力学 方程描述。 5 、王正洲1 1 】等通过小尺寸实验，如锥型量热计对常用高分子装饰材料的燃烧 和着火特性( 包括点火性、热释放性、烟气及毒性气体的产生等) 进行了研究。 6 、李引擎1 6 l 等倡导以锥型量热计试验结果为依据对建筑装饰材料进行防火分 级和评估。 1 2 2 国外研究现状 安徽理工大学硕士论文 1 、建材燃烧性能等级的合理划分瑞典在1 9 9 2 年的s p 报告中研究了壁面和 顶棚材料的分类【l j 。 2 、建筑装饰材料燃烧特性即对火反应特性的实验研究 运用金尺寸大型i s o 房间屋角实验以及小尺寸锥型量热计实验，国际上已对 一些常用建筑装饰板材开展了重要研究，包括：1 9 9 0 前后欧盟e u r e f i c ( e u r o p e a n r e a c t i o nt of i r ec l a s s i f i c a t i o n ) 项目，主要对材料火灾行为及易燃分级评估方法进 行了研究，对火灾动力学方面的研究不多；瑞典l u n d 大学开展以装饰板材表面 火焰传播及室内火灾发展为重点的研究，但对室内火灾引起的不稳定热传导及燃 烧时气体流动等与火灾动力学密切相关的方面未作必要的研究；瑞典u l f g o r a n s s o n 等人开展的室内可燃材料的大尺寸火灾实验、壁面和顶棚材料全尺寸和 小尺寸实验的研究；1 9 9 6 2 0 0 0 ，英国u l s t e r 大学主要进行了室内建筑装饰板 材火灾特性及火灾动力学过程的实验研究：美国国家标准技术院( n i s d 从1 9 7 , * 年 开始确立研究各类型建筑及其内部物品( 结构材料、壁面覆盖材料、涂层和装饰材 料1 的火灾行为和特征。 3 、室内装修材料火灾的数值模拟 z h e n g h u ay a n 等对i s 0 9 7 0 5 房间暗角试验中可燃墙面衬料的火灾发展参数 f 热释放速率、墙面表面温度、炭区厚度、气体温度和辐射通量) 进行了c f d 数值 模拟，并和实验测试的相应结果进行了比较1 1 1 。h e n r i e m i t l e r 等认为一个准确的 室内火灾模型和火焰向上蔓延的模型相结合，可以提供一个房间装饰物和墙面衬 料潜在火灾危险性的评估手段，从而提供室内火灾增长的信息 1 3 1 。 4 、有关实验技术 v b a b r a u s k a s 等在欧洲套装家具( u p h o l s t e r e df u r n i t u r e ) 燃烧行为( c b u f ) 研究 项目的执行过程中，提出了一种适于在锥型量热计中测试套装家具复合材料的改 迸的样品制备程序，以实现实验结果更好的重现性和重复性。 由以上调研可以看出，装饰材料火灾的研究应趋向于真实化条件的实验模拟， 各类装饰材料的火灾动力学和热力学分析以及建立各种类型建筑和不同场景下的 装饰材料火灾的数值模拟分析。另外，所有实验和理论研究应该为提升实际建筑 工程火灾安全性服务。 1 3 研究目的 火灾产生的机理很复杂，它是一种失去控制的燃烧过程，导致火灾的因素很 多，最基本就是“燃烧三角”：可燃物、助燃物和点火源。就常见的木材等固体 1 绪论 可燃物而言；初始处于热力学平衡状态下的固体可燃物，如果受到外部热源的作 用，则当热量传导入可燃物时，材料首先吸收热量发生水分蒸发，此时材料内部 的温度保持为水蒸气此时的饱和温度：水蒸气在材料里面形成一个压力，从而驱 使水分析出；当水分完全析出后，材料内部的温度才会上升，热解过程就会发生， 产生挥发性产物和炭；随着挥发性产物的温度越来越高，在达到某个i 临界点时， 着火发生了；随后气相燃烧又会将燃烧产生的热量反馈回未分解的固体可燃物， 加速其热解过程，产生越来越多的挥发性产物，这些产物又会继续扩散，参与到 气相燃烧过程中去，使得燃烧愈发剧烈，如果不及时地控制就会引发火灾。 解决火灾最好的方法就是在火灾的起始阶段进行有效的控制，预防火灾的蔓 延。在一旦火灾进入轰然阶段，人们很难控制。可燃物的热解是火灾的初始的阶 段，随后的火灾蔓延过程是非常复杂的物理化学过程，其中不仅包含极其复杂的 化学动力学过程，而且包含许多复杂的物理过程，如热传导、热对流等传热过程 以及这些过程的相互作用等。对热解过程机理的深入研究，对控制火灾，减少火 灾发生具有重要意义。 可燃装潢材料的热解过程十分复杂，与许多因素有关，热解的初始产物还可 能发生不希望的二次反应。因此，对常见生物质进行热解实验，系统地研究生物 质的热解反应规律及有关动力学参数，对有效的防治火灾发生具有重大作用。 然而在我国有关可燃装潢材料热解特性、规律及反应动力学的研究还相当缺 乏，鉴于此，本课题采用热重法、微商热重法、差式扫描量热法对常见的五种可 燃装潢材料的热解特性和反应动力学进行研究，旨在揭示可燃装潢材料热解规律 的基础上，建立可燃装潢材料的热解反应动力学模型，为预防火灾提供理论依掘。 1 4 主要研究内容 由于研究时间有限，本课题选取常用可燃装潢材料作为研究对象。研究内容 主要有以下几个方面： 1 、可燃装潢材料的热分析实验。应用美国t a 公司生产的2 9 6 0s d t 型热重 分析仪，采用动态热重法( t g ) 、微商热重法( d t g ) 和差示扫描量热法( d s c ) 联用，在流速为1 0 0 m l m i n 的空气气流中，升温速率分别为5 、1 0 和1 5 m i n ， 加热至燃尽温度，进行了可燃装潢材料热分析实验，研究其热解特性以及升温速 率对可燃装潢材料热解特性的影响，找出可燃装潢材料热解过程中的规律。 2 、通过热分析实验，采集热重实验数据，利用热分析t a 软件，绘制可燃装 潢材料t g 、d t g 、d s c 曲线，并对曲线进行分析，找出可燃装潢材料热解过程 安徽理工大学硕士论文 的关键温度。 3 、可燃装潢材料热解动力学的研究。用热分析技术研究可燃装潢材料的热解 过程的特性，根据阿伦尼乌斯公式建立可燃装潢材料热解失重动力学模型，分别 采用c o a s t r e d f e r n 法和a c h a r 法求解可燃装潢材料的反应机理函数及其热解动力 学参数。 4 、对反应机理函数及热解动力学参数进行验证，进而确保机理函数选择的正 确性。 1 5 技术路线 本课题的技术路线框图如图1 所示。 匝画 收集有代表性的 可燃装潢材料 上 制作样品 用t a 软件绘制 t g ，d t g 、d s c 曲 线，找出关键温度 建立可燃 装潢材料 的热解动 力学模型 求解可燃装 潢材料热解 过程中的各 个反应阶段 的机理函数 通过实验数 据，利用微分 和积分相结 合方法求解 动力学参数 热重实验广_ 数据处理h验证 分析不同升温速 率对热解反应的 影响 用线性拟和的方法验 证机理函数，用m o l l 法和动力学补偿效应 验证动力学参数 图1 技术路线框图 f j 舀t e c h n o l o g yr o u t ec h a f f 2 可燃装潢材料 2 可燃装潢材料 2 1 可燃装潢材料的分类陬“”3 建筑装潢材料范围很广，其分类方法也很多。 按使用场合可划分为室外用装潢材料和室内用装潢材料，分别称为外装材料 和内装材料。 按装修部位分类，一般分为地面装潢材料、内墙装潢材料、顶棚装潢材料、 外墙装潢材料。 按销售品种分类，一般可分为：骨架材料、板材、地板、地毯、壁纸、油漆 涂料、装饰线条、管线材料、胶凝材料等。 本论文主要研究常用可燃装潢材料的热解规律，在此详细介绍一下板材、地 板和壁纸这三类材料。 2 1 1 板材类 在居室装潢中使用各种板材制作饰面、吊顶、橱柜、隔间等，板材主要有木 芯板、胶合板、薄木贴面板、纤维板、刨花板、人造装饰板，防火板、铝塑板、 吊顶扣板、矿棉装饰吸声板、阳光板。 木芯板又称大芯板( 细木工板) ，是使用长短不一的实木条拼合成板芯，在上 下两面胶贴一层、两层胶合板或其他饰面板，再经过压制而成。表面平整，物理 性能和力学性能良好。其板芯常用松木、杉木、榆木、杨木等树种。 木芯板大量使用于家居装饰装修中，可用于作各种家具、隔墙、门窗套及装 饰饰面基层骨架制作等。 胶合板是将椴木、桦木、榉木、水曲柳、楠木、杨木等软化后，沿年轮悬切 或刨切成大张单板，这些多层单板经过干燥后纵横交错排列，使相邻两单板的纤 维互相垂直，再经加热制成的一种人造板材。 胶合板主要用于居室装修中木质制品的背板、底板。由于厚薄尺度多样，质 地柔韧，易弯曲，也可配合木芯板用于结构细腻处，弥补木芯厚度均一的缺陷， 使用面广泛。 2 1 2 地板类 一 在琳琅满目的地板装饰材料中，木地板是人们的首选，由于木地板是由天然 的木质材料加工而成，它具有独特的质感和纹理，迎合了人们回归自然，追求质 安徽理工大学硕士论文 朴的心理，因此，备受消费者的青睐。 木地板的种类有原始的实木地板，发展至今，新品纷呈，已由单一的实木地 板衍生为众多的木地板品神。但是按木地板的结构和材料来分，可以分为实木地 板、实木复合地板、强化木地板、竹地板、软木地板五大类。 。 第一类实木地板 实木地板的特点是使用天然材料一木材，不经过任何粘结处理，用机械设备 加工而成的地板。因此，该地板特点保持原有材料的性能和本色。 常见的实木地板有平口地板、指接地板、集成指接地板。 第二类实木复合地板 实木复合地板是总称，实际上它又可分为多层实木复合地板、三层实木复合 地板。由于结构的特点，该类地板尺寸稳定性较好。 i 、多层实木复合地板 多层实木复合地板的结构是以多层实木胶合板为基材，在其基材上复贴一定 厚度的珍贵木材薄片镶拼板或刨切单板为面板，通过合成树脂胶一脲醛树脂胶或 酚醛树脂胶，热压而成的板再通过机械设备加工成多层实木地板。 2 、三层实木复合地板 三层实木复合地板的结构就如人们吃的快餐“三明治”一样的结构，即表层采 用优质珍贵硬木规格板条的镶拼板，中心层的基材采用软质的速生材，底板采用 速生材杨木或中硬杂木。三层板材通过合成树脂胶热压而成，然后再用机械设备 加工成地板。这种结构的地板，人们称为三层实木复合地板。 第三类强化木地板 强化木地板的学名为浸渍纸层压木质地板。它也为三层结构，表层是含有耐 磨材料的三聚氰胺树脂浸渍装饰纸，芯层为中、高密度纤维板或刨花板，底层为 浸渍酚醛树脂的平衡纸，三层通过合成树脂胶热压而成，由于它特有的结构，因 此，耐磨性与尺寸稳定性较好。 第四类竹地板 1 、竹材地板 竹地板虽然采用的材料是竹材，但是由于竹材也是植物类具有纤维素、木质 索等成分，因此，历来把竹材放于木材学中，所以其材料虽然不是木材，也归在 木地板行列中。 竹材的特点是耐磨，比重大于传统的木材，经过防虫、防腐处理加工而成， 颜色有漂白和碳化两种。 2 可燃装潢材料 2 、竹木复合地板 竹木复合地板表层和底层都是竹材，中间为软质木材，通常采用杉木，该类 结构的地板不易变形。 第五类软木地板 软木地板实际上不是用木材加工成地板而是以栓皮栎树的树皮为原料，经过 粉碎，热压而成板材，再通过机械设备加工成地板，这种板材外形类似于软质厚 木板，因此，人们误称其为“软木”一直延伸到现在，故人们至今还把该地板称为 软木地板。其特点轻、软、足感好。 2 1 3 壁纸类 壁纸因其图案的丰富多彩、施工方便快捷，而在家庭装饰中受到广泛的采用， 主要做内墙的装饰材料。 1 、纸面壁纸 在纸面上印有各种花纹图案，透气性好，价格便宜，由于其不耐水、不耐擦 洗，容易破裂已逐渐被淘汰，属于低档墙纸。 2 、塑料壁纸 它是以优质木浆纸为基层，以聚氯乙烯为面层，经印刷、压花、发泡等工序 加工而成。 。 3 、纺织壁纸 纺织壁纸是较高档的品种，主要用丝、羊毛、棉、麻等纤维织成。质感好、 透气，用它装饰居室，给人以高雅、柔和、舒适的感觉。纺织壁纸分为锦缎壁纸、 棉纺壁纸和化纤装饰壁纸。 4 、天然壁纸 它是一种用草、麻、木材、树叶等天然植物制成的壁纸，如麻草壁纸。它是 以纸作为底层，编织的麻草为面层，经复合加工而成。也有用珍贵树木的木材切 成薄片制成的。具有阻燃、吸声、散潮的特点，装饰风格自然、古朴、粗犷，给 人以置身自然原野的美感。 5 、静电植绒壁纸 它是用静电植绒法将合成纤维的短绒植于纸基上而成。壁纸有丝绒的质感和 手感，不反光，有一定的吸声效果，无气味，不褪色，缺点是不耐湿，不耐脏， 不便擦洗。一般用于点缀性的局部装饰。 6 、金属膜壁纸 安徽理工大学硕士论文 它是在纸基上涂上一层电化铝箔而制得，具有不锈钢、黄金、白银、黄铜等 金属质感与光泽。无毒，无气味，无静电，耐湿、耐晒，可擦洗，不褪色，是一 种高档裱糊材料。用该壁纸装修的建筑室内给人以金鸹交辉、富丽堂皇的感受。 此外还有一些特种壁纸，如防污灭菌壁纸、健康砂纸、发光壁纸等。 2 2 可燃装潢材料的化学组成和结构“h ”1 可燃装潢材料是由多种有机高分子化合物组成，基本有机组分主要是纤维素、 半纤维素和木质素。有机高分子化合物主要由碳、氢、氧元素构成，其中也有少 量的氮和硫。由于可燃装潢材料的种类繁多，组成各异，因此，当前尚不能对其 整体的分子结构加以系统和准确的说明。只能了解基本有机组分的分子结构，了 解可燃装潢材料有机组分的分子结构有助于对热解机理的理解。 2 2 1 纤维素的结构 h o ho丰nichh c o h ，jl ：i ，i i ：量到 ；il h c _ j o h 图3 纤维素的分子链结构式 f i 9 3c h e m i c a ls t r u c t u r eo fc e l l u l o s e 纤维素是由6 一d 吡哺葡萄糖苷( 如图2 ) 以糖苷键连接而成的线性高分子化 怍 o 2 可燃装潢材料 合物( ( c 6 h z 0 0 5 ) 。) ，n 称为聚合度，其值随不同木种的变化而有不同的变化，一般 在1 0 4 以上，其结构中c o c 键比c c 键弱，易断开而使纤维素分子发生降解。 构成纤维素的基环为d 吡哺葡萄糖。两分子葡萄糖彼此通过糖昔键相连 形成纤维二糖。纤维二糖相互通过糖苷键聚合形成纤维素，其结构如图3 所示。 2 2 2 半纤维素的结构 半纤维素不像纤维素那样，仅有d 吡哺葡萄基相互以b ( 1 - 4 ) 联接方式形成 直链结构的均一聚糖的单一型式，而半纤维既可形成均一聚糖也可形成非均聚糖， 它还可以由不同的单糖基以不同的联接方式连接成结构互不相同的多种结构的各 种聚糖，所以半纤维素的结构是非常复杂的。不同种类的半纤维素的组成差别很 大。松木中主要半纤维素为聚半乳糖葡萄糖甘露糖，其结构如图4 所示。 2 2 3 木质素的结构 。睁。睁 c h ，o h r ：c h 2 0 h 或h c h 2 0 h 图4 松木的半纤维素的分子结构 f i 9 4c h e m i c a ls t r u c t u r eo fp i n w o o dh e m i c e l l u l o s e 木质素是一种重要的有机高聚物，最为复杂的天然聚合物之一。木质素分子 结构中相对弱的是连接单体的氧桥键和单体苯环上的侧链键，受热易发生断裂， 形成活泼的含苯环的自由基，极易与其它分子或自由基发生缩合反应生成结构更 为稳定的大分子，进而结炭。木质素的结构如图5 ： 安徽理工大学硕士论文 图5 木质素的结构模型 f i 9 5c h e m i c a ls t r u c t u r eo fl i g n i n 2 3 可燃装潢材料的热解机理 2 3 1 从组成的角度分析 可燃装潢材料的主要组成成分为：纤维素、半纤维素和木质素组成【1 3 】。当对 材料加热时，首先经历的水分析出阶段，随着温度的升高，因为半纤维素的聚合 度比纤维素小、结构稳定性、热稳定性比纤维素差，热解相对容易。所以半纤维 素比纤维素先发生分解，产生挥发性产物。然后是纤维素的分解，伴随纤维素的 分解同样会伴随挥发分的形成。最后是木质素的分解，木质素分解的温度相对高， 大部分分解为炭。 1 、纤维素的热解机理【1 4 1 纤维素是由d 葡萄糖通过b ( 1 - 4 ) 糖菅键相连形成的高聚物。纤维素的热 解产生小分子化合物。葡萄糖经过二次反应，中间产物脱水，生成羟甲基糠醛， 拼 c 2 可燃装潢材料 羟甲基糠醛的羟甲基很活跃，在一定温度下可以分解生成糠醛和甲醛。甲醛进一 步分解会有c o 的生成。主要反应式如下： c 一删m 一一觚h 。 h c h o _ c o + h 2 2 、半纤维素的热解机理 半纤维是由木糖、甘露糖、葡萄糖等构成的一类多糖化合物，它由不同的糖 单元构成，分子链短且带有支链，支链越多稳定性就越差，因此它比纤维素更易 降解，其降解机制与纤维素相似。在热解过程，其支链的乙酰基断裂，生成乙酸， 进一步反应，有c o 放出，有很少固定炭生成。 3 、木质素的热解机理 木质素是一类复杂的有机聚合物，木质素的基本单元具有苯甲烷骨架，同时 连接多个羟基。它的结构单元通过氧桥键和c c 键相联，结构较纤维素、半纤维 素要复杂得多，木质素在高温下，发生c o 键，c c 键的断裂，有大量炭的形成。 2 3 2 从能量传递的角度分析“5 在对可燃装潢材料加热的过程中，热量首先传递到可燃装潢材料的表面，随 着温度的升高，热量逐渐由表面传递到颗粒的内部。热解过程是由外向内逐层进 行的，可燃装潢材料被分解为挥发分和木炭。可燃装潢材料的热解阶段主要有两 个阶段：挥发分释出阶段和木炭燃烧阶段。 安徽理工大学硕士论文 一3 可燃装潢材料热分析实验 3 1热分析的概述n 6 。3 热分析技术是在程序温度( 指等速升温、等速降温、恒温或步级升温等) 控 制下测量物质的物理性质随温度变化，用于研究物质在某一特定温度时所发生的 热学、力学、声学、光学、电学、磁学等物理参数的变化。由此进一步研究物质 的结构和性能之问的关系，研究反应规律等。 3 1 1 热分析的发展史 热分析的起源可以追溯到1 9 世纪末。1 8 8 7 年法国勒撒特尔第一次用热电 偶测温的方法研究了粘土矿物在升温过程中的热性质的变化。1 8 8 9 年英国罗伯特 奥斯汀第一次使用了差式热电偶和参比物，大大提高了测定的灵敏度。正式发明 了差热分析技术。1 9 1 5 年日本东北大学本多光太郎，在分析天平的基础上研制了 “热天平”即热重法，后来法国人也研制了热天平技术。4 0 年代中期到6 0 年代 中期的2 0 年间，热分析仪向着自动化、定量化、微型化、商品化方向发展。热分 析研究领域不断扩展，研究队伍不断扩大，资料日渐积累，技术日臻完善，逐步 形成一门独立的学科，一门跨越许多领域的边缘学科。1 9 6 4 年美国瓦特逊和奥涅 尔在d t a 技术的基础上发明了差式扫描量热法，美国p e 公司最先生产了差式扫 描量热仪，为热分析热量的定量做出了贡献。据统计，1 9 7 9 年热分析文摘( t a a ) 从1 6 5 种杂志摘录了2 3 2 1 篇热分析文章。同年热分析杂志( j t a ) 出版了三卷( 1 5 ， 1 6 ，1 7 卷) ，正文及其题录共2 8 7 2 篇热分析文章。据有关人士估计，我国目前有 四百多台热分析仪，从事热分析的专业人员在千人以上。这说明热分析技术在国 内外都是迅速发展的。1 9 6 5 年英国麦肯才和瑞德弗等人发起，在苏格兰亚伯丁召 开了第一次国际热分析大会，并成立了国际热分析协会，至1 9 8 8 年己召开了九次 大会。 我国有关热分析的学术活动也很活跃。1 9 7 9 年中国化学会在昆明成立了“热 力学、热化学、热分析专业组( 唧) ”。1 9 8 0 年中国化学会在西安召开了全国 第一届溶液化学、热力学、热化学、热分析学术报告会。1 9 8 1 年中国化学会在北 京召开了热分析中文名词讨论会，初步统一了热分析名词。1 9 8 4 年在武汉、1 9 8 6 年在杭州、1 9 8 8 年在沈阳分别召开了第二届、第三屈和第四届全国溶液化学、化 学热力学、热化学、热分析论文报告会。1 9 8 6 年在杭州中国化学会和日本热测定 协会联合召歼了“中日量热学、热分析联合论文报告会”。近年来，好多专家学者 3 可燃装潢材料热分析实验 都致力于这领域的研究，热分析工作取得了长足的进步。 3 1 2 热分析的分类 根据所测物理量的性质，热分析的分类如表1 。 表i 热分析的分类 t a b l e lc l a s s i f i c a t i o n so ft h e r m a la n a l y s i s 全称公认 物理性质 中文英文简称 热重法t h e r m o g r a v i m e t r y t g 等压质量变化测定i s o b a r i cm a s s - c h a n g ed e t e r m i n a t i o n 逸出气体检测 e v l o l v e dg a sd e t e c t i o nb g d 质量 逸出气体分析 e v l o l v e dg a s a n a l y s i se g a 射气热分析e m a n a t i o n t h e r m a la n a l y s i s 热微粒分析 t h e r m o p a r t i e u l a t ea n a l y s i s 加热( 冷却) 曲线测定h e a t i n g ( c o o li n g ) 一c u r v e d e t e r m i n a t i o n 温度 差示热分析d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i sd t a 热焓差示扫描量热法d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y d s c 尺寸热膨胀法t h e r m o d il a t o m e t r y 热机械分析 t h e r m o m e c h a n i c a ta n a l y s isn i a 机械性质 动态热机械法 d y n a m i ct h e r m o m e c h a n o m e t r y 热发声法 t h e r m o s o n i m e t r y 声学性质 热( 传) 声法 t h e r m o a c o u s t i m e t r y 电学性质 热电学法 t h e r m o e l e c t r o m e t r y 光学性质热光学法 t h e r m o p h o t o m e t r y 磁学性质热磁学法t h e r m o 口a g n e t o m e t r y 热分析一个重要的特点是其联用技术广泛，在第四次国际热分析大会上对于 多种联用技术进行定义。 同时联用技术：对于一个试样同时采用两种或多种分析技术。如热重法与差 热分析法的联用以t g d t a 表示。 安徽理工大学硕士论文 串联联用技术：对于一个试样同时采用两种或多种分析技术，而第二种分析 仪器通过联接面( 能够把两种分析仪器联接到一起共同进行分析测试的专门联接 装置) 与第一种分析仪器串联的技术。如差热分析和质谱的联用以d t a - m s 表示。 间歇联用技术：仪器的联接形式同串接联用技术，但第二种分析技术的采样 不连续。如差热分析和气象色谱的间歇联用，以d s a g c 表示。 3 1 3 热分析的应用范围 现代热分析技术的应用已经遍及各个领域，但应用最多的热分析技术是热重 法、差热分析、差式扫描量热法。它们可以测定物质的晶态转变、熔融、蒸发、 脱水、升华、吸附、解吸、吸收、玻璃化转变、液晶转变、热容变化、比热测定、 燃烧、聚合、固化、催化反应、阻尼、热化学常数、药品纯度、热稳定性、相图、 动力学参数等。 概括地讲，应用热分析技术至少可以进行以下几个方面的研究和测试。 1 、动力学的研究 研究物质在程序温度控制下的反应速度、反应活化能和反应级数等。例如研 究高分子的热降解、热老化或薄膜、纤维的热收缩动力学，催化剂的烧炭和结炭 动力学，聚合物的结晶动力学等，甚至可以测得固相化学反应动力学的机理。 2 、物质的鉴定 热分析谱图可作为物质的特征图，这一点早已由地质学家、陶瓷学家所证明。 在鉴别离聚物的混合物方面，