不同受热条件下木材炭化导电性能研究

 不同受热条件下木材炭化导电性能研究

摘 要：木材作为常用的建筑、装修和家具材料，应用广泛，火灾发生后，在现场一般会遗留大量的木材炭化痕迹。已有研究表明，木材的炭化导电性能与其受热条件密切相关。本文实验模拟制备在明火燃烧、助燃剂燃烧、炽热体灼烧、热辐射、电弧灼烧五种受热条件下的木材炭化痕迹，分别用兆欧表和PH计测量木材炭化痕迹的电阻率和PH值，并对实验数据进行了分析。实验结果表明：木材受热温度越高、受热时间越长木材炭化的导电性能越好。受热时间相同时，炽热体灼烧木材炭化痕迹的电阻率最小，明火燃烧木材炭化痕迹次之，再次是辐射热燃烧木材炭化痕迹。明火燃烧条件中，自然冷却方式下木材炭化痕迹的电阻率大于喷水冷却方式下木材炭化痕迹的电阻率。在助燃剂燃烧条件下，柴油使木材炭化痕迹的电阻率最小，汽油次之，再次是酒精。电弧灼烧条件下木材炭化痕迹中心电阻率最小，电阻率依次向边缘增大。木材炭化痕迹的PH值都呈碱性，且随着电阻率的减小而减小。在明火燃烧条件中，自然冷却条件下木材炭化痕迹的PH值大于喷水冷却条件下木材炭化痕迹的PH值。助燃剂燃烧条件中，柴油使木材炭化痕迹的PH值最小，酒精次之，再次是汽油。利用木材炭化导电性判断其受热条件和火灾现场的起火部位、起火点，对火灾调查工作具有一定的参考价值。

关键词 木材炭化； 导电性； 火灾调查； 受热条件
Research on the Conductivity of Carbonized Wood under Different Heating Conditions

Abstract: Wood is in widespread use as the most common material for construction, decoration and furniture making. Usually, a lot of wood carbonization traces will be left at the scene of fire after the fire hazard. Other studies have shown that the conductivity of carbonized wood is closely related to the heating conditions. By experimentations, this text imitates the wood carbonization traces under five different heating conditions, naked flame burning, combustion improver burning, glower burning, radiant heat burning and arc burning. The tramegger is used to test the electrical resistivity of the samples, and the PH meter is used to test the PH values of the samples. At last, I analyze the experimental data. The experimental results show that, the higher wood heating temperature, and the longer heating time, the better conductivity of the charcoal. On the condition of the same heating time, the electrical resistivity of the wood carbonization traces burned by glower is the minimum value, traces burned by naked flame take the second place, and traces burned by radiant heat take the third place. On the condition of naked flame burning, the electrical resistivity of wood carbonization traces cooling in natural mode is higher than the traces cooling by spraying. On the condition of combustion improver burning, the electrical resistivity of wood carbonization traces is the minimum value if we use diesel as the combustion improver, gasoline takes the second place and alcohol takes the third place. On the condition of arc burning, the electrical resistivity in the center of wood carbonization trace is the minimum value, and the electrical resistivity gradually increases from the center to the edge. The PH values of wood carbonization traces are alkaline, and the PH values are reduced with the decrease of electrical resistivity. On the condition of naked flame burning, the PH value of wood carbonization traces cooling in natural mode is higher than the traces cooling by spraying. On the condition of combustion improver burning, the PH value of wood carbonization traces is the minimum value if we use diesel as the combustion improver, alcohol takes the second place and gasoline takes the third place. The heating condition, site and the original fire point could be found out by analyzing the conductivity of carbonized wood. This method has a certain reference value for fire investigation.

Keywords wood carbonized; electrical conductivity; fire investigation; heating condition

目 录

摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目 录 Ⅳ

1 绪论 1
2 实验部分 4
2.1 试剂、材料与仪器设备 4
2.1.1 试剂、材料 4
2.1.2 仪器设备 4
2.2 实验内容 5
2.2.1 样品制备 5
2.2.2 测量方法 6
2.2.3 数据处理 6
3 结果分析与讨论 7
3.1 明火燃烧条件下木材炭化导电性的变化 7
3.2 助燃剂条件下木材炭化导电性的变化 8
3.3 炽热体灼烧条件下木材炭化导电性的变化 10
3.4 辐射着火条件下木材炭化导电性的变化 11
3.5 电弧灼烧条件下木材炭化导电性的变化 12
3.6 不同受热条件对木材炭化导电性的影响 13
4 结论 17
参考文献 18
致谢 20
附录 21

1 绪论
木材从古至今都是人类常用的建筑和装饰、装修材料，虽然现代建筑多采用钢筋混凝土和砖混结构，但是室内的装修以及家具的制造还是以木材和木材的合成材料为主。木材的组成主要是纤维素，木质素及少量糖、脂和无机成分。构成木材的元素主要有碳、氢、氧，还有少量的氮和其它元素。干燥木材主要元素的百分比为：碳50 %、氢6.2 %、氧43 %；含水率约为13 %的木材各元素的百分比为：碳43.5 %、氢5.2 %、氧38.3 %。木材的容重是影响木材的燃烧特性和炭化痕迹的一般因素，所谓容重就是密度，国际单位制单位是kg/m3。木材的平均容重为500 kg/m3，不同品种木材的容重从400~900 kg/m3不等，随着木材容重增加，其闪点、自燃点增高；燃烧速度、炭化率减小，炭化裂纹随之变得密小。
正常木材在干燥的情况下是电的不良导体，其电阻率为1010 MΩ～1014 MΩ，木材炭化后的导电性能主要与燃烧温度和燃烧的时间有关，当木材受到高温、明火和电弧等受热条件的作用后，其内部碳原子排列会发生变化，导致电阻率变为几万、几千、几百Ω，有的变为几Ω，甚至更小。
国内的学者关于木炭导电机理的研究主要集中在炭化温度、保温时间等因素对木炭导电性能的影响方面。张文标[1]等按照不同炭化温度烧制竹炭, 对竹炭的导电机理进行了初步研究，结果随着炭化温度的升高, 其电阻率减少, 且在炭化温度为600~800 ℃ 时电阻率显著降低；竹炭在炭化温度900℃以下时未出现石墨化结构特征峰, 温度达1100 ℃以上时有形成石墨化结构的趋势。邵千钧[2]等研究表明, 随着炭化温度的升高, 竹炭的体积电阻率不断下降。在600~800 ℃电阻率有一个突变过程，550 ℃ 时电阻率为549~778 Ωcm，800 ℃时电阻率降至7.42 Ωcm, 导电性能得到显著改善，而在800 ℃以上电阻率随温度的变化趋缓, 1000 ℃时电阻率为3.85 Ωcm。其他学者还研究了木炭电阻率和其基本性能之间的关系。赵丽华[3]等研究表明, 在一定炭化温度和炭化时间内, 竹炭电阻率与炭化温度、炭化时间成递减函数。竹炭电阻率随灰分含量的增加而快速降低。竹炭电阻率与微观结构和密度密切相关, 维管束收缩紧密, 密度大, 导管细胞含量大, 细胞之间结合紧密, 形成较规则的石墨晶格结构, 竹炭电阻率小。在火灾调查领域中薛纯山和张国珍在《火灾现场勘查》中描述了木材炭化的勘验方法[4]。任松发对喷水灭火残留木炭导电性能方面进行了相应的研究[5]。
国外的学者也对炭化导电性能的变化进行了研究。Wang等[6]将6种木材在不同炭化温度和氮气条件下炭化, 研究了树种、升温速率和炭化温度对木炭导电性的影响。结果表明, 随着炭化温度的升高, 木炭的导电性提高。炭化温度从500 ℃提高到1000 ℃时, 柳杉炭电阻率从108 Ωcm降至102 Ωcm; 杉木炭电阻率从108 Ωcm降至101 Ωcm; 泡桐炭电阻率从107 Ωcm降至100 Ωcm; 铁杉炭、红橡木炭和相思木炭电阻率从107 Ωcm降至10- 1 Ωcm。随着炭化温度的升高，6种木材的电阻率均至少降低了6 Ωcm，但对于其原因并未作具体说明。日本的井出勇等[7]将竹粉在绝氧条件下炭化生成竹炭, 再将竹炭为导电功能单元与酚醛树脂混合均匀, 经热压成型制成固化炭素颗粒板。这种板的阻燃性和电磁屏蔽性能均随着竹粉炭化温度升高而增强。在10~1000 MHz频率范围内, 3 mm厚竹炭复合材料的电磁屏蔽效能为45~75 dB。石原茂久[8-9]用木炭和酚醛树脂混和颗粒来制造薄板, 研究表明, 木炭的炭化温度在800 ℃ 以上时薄板具有良好的电磁屏蔽效能(30 dB) , 当炭化温度超过1200 ℃时, 薄板的电磁屏蔽效果比标准铁板略好。美国的Byrne和Nagle在木材炭化作为一种新型材料的应用中进行了相对研究[10]。
台湾学者蔡旭芳等[11]研究了木炭板与木炭粉定向层积木质复合板的电磁屏蔽效能。结果发现, 经高温(1000 ℃)处理的木炭板的电磁波屏蔽效能可增至24.4~49.5 dB。电磁屏蔽效能随复合材料木炭层厚度增加而增大, 木炭层厚度为0.2 cm, 0.5 cm 和0.7 cm时, 其电磁屏蔽效能分别为28.4 dB, 54.2 dB和69.5 dB。
近年来国内外对木材炭化导电性的研究较多 ，但是从火灾调查的角度，对木材炭化导电性与其受热条件的关系的研究相对较少。本文基于此背景展开实验，研究了木材在不同受热条件下炭化导电性的变化规律，并通过测量不同受热条件下木材炭化痕迹的PH值，观察其变化规律，从酸碱度的角度来探究导电性的变化和PH值变化的联系，从PH值的角度来印证木材炭化痕迹导电性变化规律的正确性，为火灾调查人员利用火灾现场残留木炭的电阻率分析火灾蔓延方向、起火部位、起火点及受热方式提供了一定的借鉴和参考。