錐形量熱儀檢測酥油的燃燒性

利用錐形量熱儀在50kW/m2熱輻照條件下，研究了工業(yè)酥油、食用酥油和石椅的燃燒性，獲得了點燃時間、比消光面積、Zda熱釋放速率、總釋放熱、有效燃燒熱、Zda煙產生這率、總煙釋放量及質量損失速度等參數(shù)。實驗結采表明，工業(yè)酥油、食用酥油比石蠟容易點燃；工業(yè)酥油和石蠟燃燒性能接近，可燃性和火災指數(shù)均高于食用酥油；石蠟和食用酥油燃燒過程的碳煙量比工業(yè)酥油低，石蠟和食用酥油比工業(yè)酥油燃燒完全。三種材料燃燒過程中熱量的釋放滯后于煙氣的擇放，其質量的損失主妥由煙氣的釋放造成。穩(wěn)定燃燒時煙氣釋放這率降低，熱釋放速率達到Zda。

錐形量熱儀由美國國家標準技術研究所(NIST)與20世紀80年代推出，測試參數(shù)包括熱釋放速率、質量損失速率、一氧化碳釋放速率、比消光面積等30多種，數(shù)據(jù)采集和處理完全由計算機控制。采用錐形量熱儀是近年來在材料燃燒性能領域應用研究的一種先進方法，在獲得材料燃燒重要信息的同時還與大型實驗結果之間存在良好的相關性。

目前錐形量熱儀法己成為國際上公認的研究材料真實燃燒過程的權威方法，被許多國家、地區(qū)級國際標準組織廣泛用于建筑材料、高分子材料、木材制造、材料阻燃和火災預防等領域。酥油是一種乳制品，類似黃油，是從牛奶、羊奶中提取的脂肪。在西藏、青海隨處都能見到酥油。酥油除食用和制作酥油花外，還用來制作蠟燭即酥油燈，在西藏、青海所有寺廟里，可以看到千盞酥油燈閃閃爍爍的壯觀場面，在藏族人家中，也能看到長明不滅的酥油燈。這給寺廟建筑和家庭居室埋下了火災隱患。

由于酥油燃燒時火光持久穩(wěn)定、燃燒完全并且時刻散發(fā)著清淡的天然奶香味，部分物理性質和燃燒現(xiàn)象與石蠟非常相似，考慮到酥油特殊的燃燒性能和預防火災的必要性，通過對比石蠟與酥油的燃燒性對于研究酥油的燃燒性具有重要意義。

1、材料與方法

1.1材料與儀器

工業(yè)酥油購自西寧塔爾寺：食用酥油購自西寧共和路酥油批發(fā)市場：石蠟購自蘭州石化公司：分別將工業(yè)酥油、食用酥油、石蠟按表一制備。

錐形量熱儀英國FIT公司，按照ISO56601標準進行分析。錐形量熱儀工作原理為有機材料燃燒時每消耗1kg氧氣放出13.2mJ的熱量，選用的熱源輻射強度為50kW/時，各實驗條件下重復3次得到各燃燒性能參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)使用錐形量熱儀專用軟件配合EXCEL進行分析處理。

1.2評價指標

選擇以下燃燒性能指數(shù)評價材料的燃燒特性：

a.引燃時間：指材料從加熱開始到出現(xiàn)穩(wěn)定火焰的時間，單位為s，它反映了材料被點燃的難易程度，是評價材料燃燒性能的重要指標。

b.熱釋放速率：指單位面積釋放熱量的速率，單位為kW/m2。

c.熱釋放總量：指材料從燃燒實驗開始到實驗結束，單位面積所釋放的熱量總和，單位為Kw/m2。

d.質量損失速率：材料燃燒后單位面積、單位時間的質量變化值，g/(s/m2)。

e.有效燃燒熱：即單位質量損失所放出的熱量，mJ/kJ，有效燃燒熱=熱釋放速率/質量損失速率。

f.比消光面積：單位為m2/kg，比消光面積=K?V/(M?As)(K為消光系數(shù)，單位為/m，V為煙道體積流速，m3/s，M為質量損失速率，As為樣品面積，單位為時m2。

g.生煙速率：單位時間內煙釋放量的多少，單位為m2/s。

h.生煙總量：表示酥油從燃燒開始到燃燒結束生煙量的總和，生煙總量=比消光面積×質量損失速率×樣品面積/燃燒時間。

2、工業(yè)酥油、食用酥油、石蠟燃燒性能對比分析

2.1引燃時間

在50kW/m2熱輻射強度作用下，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的引燃時間分別為50、60、74s，說明在相同條件下，工業(yè)酥油容易被點燃，石蠟相對難點燃。

2.2熱釋放速率和熱釋放總量

從實驗數(shù)據(jù)得到工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的熱釋放速率平均值和峰值分別為286.219、238.946、356.924kW/m2和723.808、238.946、1063.567kW/m2時，說明在相同熱輻射強度作用下，石蠟和工業(yè)酥油燃燒反饋給其表面的熱量較多，熱解速度較食用酥油快，揮發(fā)性可燃物生成量比食用酥油多，從而加速了火焰的傳播：所以石蠟和工業(yè)酥油的火災危險性比食用酥油大的多。3種材料的總釋放熱隨著時間的延長而增加，石蠟的總釋放熱平均速率遠大于工業(yè)酥油和食用酥油，說明石蠟比工業(yè)酥油、食用酥油可燃性更強。

2.3質量損失速率和質量損失

質量損失速率表征材料在燃燒時質量損失的變化速度，反映了材料在一定熱輻射強度下熱裂解速度和熱裂解行為。隨時間延長，三種材料的質量損失速率曲線有明顯的下降趨勢，說明三種物質較易熱裂解；質量損失率曲線從陡到緩依次為石蠟、工業(yè)酥油和食用酥油，這也說明三種物質易燃性即火災危險性從大到小依次為石蠟、工業(yè)酥油和食用酥油。

2.4有效燃燒熱

有效燃燒熱表征可燃性揮發(fā)氣體在氣相火焰中的燃燒程度，指在某時刻測得的熱釋放量與質量損失之比。實驗測得工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的有效燃燒熱均值分別為35.136、27.631和36.182mJ/kJ，在評價材料的燃燒性方面，與熱釋放速率的結果是一致的，即石蠟的燃燒性能與工業(yè)酥油相近，可燃性都比食用酥油強。

2.5比消光面積

比消光面積反映材料受熱分解消耗單位材料時的碳煙量。材料燃燒時產生的不完全燃燒有機質、碳質懸浮粒子以及水汽是形成煙霧的主要物質，不完全燃燒也降低了熱釋放。本研究中，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的平均比消光面積分別為433.67，377.245布260.261m2/kg。說明在整個燃燒過程中，工業(yè)酥油產煙量速率Zda，食用酥油次之，石蠟產煙量速率Z小。可以推斷工業(yè)酥油燃燒Z不完全，食用酥油次之，石蠟燃燼率Zgao。

2.6生煙速率和生煙總量

材料在燃燒過程中，未能燃燒的組分以煙霧的形試釋放，錐形量熱儀采用氨-氛激光測定消光系數(shù)，獲得燃燒過程中的動態(tài)煙釋放速率和總煙釋放量。工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟生煙速率曲線皆存在峰值，是因為隨著輻射時間的持續(xù)，各樣品緩慢分解釋放出來的氣態(tài)揮發(fā)物逐漸逸出，濃度越來越大，直到氣相中可燃物濃度達到臨界燃燒濃度，樣品瞬間被點燃，煙釋放速率顯著提高直至達到峰值。隨后有焰燃燒后煙氣中可揮發(fā)性小分子得以燃燒，轉變?yōu)槎趸家约安糠忠谎趸?，煙釋放速率降低?/p>

整個燃燒過程，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟煙釋放率的趨勢相近，煙釋放速率分別為1022.504，1001.374和810.894m2/s，煙釋放速率峰值由大到小的順序為食用酥油、工業(yè)酥油和石蠟，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟碳煙總量分別為9.039、8.852、7.168m2，即工業(yè)酥油燃燼率比較低，石蠟Zgao，這與平均比消光面積數(shù)據(jù)相符。

3、結論

比較點燃時間，在50kW/m2熱輻射強度作用下，工業(yè)酥油容易被點燃，食用酥油次之，石蠟相對難以點燃。對比熱釋放速率、熱釋放總量和有效燃燒熱發(fā)現(xiàn)，材料被點燃后，燃燒速亙在由大到小的順序為石蠟Z快，工業(yè)酥油次之，食用酥油Z慢。燃燒到終點，釋放熱總量由多到少的順序為，石蠟Z多，工業(yè)酥油次之，食用酥油Z少。工業(yè)酥油和石蠟燃燒性能相近，可燃性要強于食用酥油，火災發(fā)生指數(shù)也要高于食用酥油。

由工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的比消光面積、生煙速率和生煙總量數(shù)據(jù)可知，石蠟在燃燒過程中碳煙量Z少，燃燼率較高，食用酥油次之，工業(yè)酥油燃燒過程中碳煙量太大，燃燒Z不完全。試樣燃燼率的高低與其組成有關，石蠟由大量的直鏈烷烴和環(huán)烷烴組成，而食用酥油和工業(yè)酥油組成較為復雜，其主要成分為脂肪，脂肪中含有大量的不飽和脂肪酸，在錐形量熱儀的燃燒環(huán)境中，這是其燃燼率較低的原因。

工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟在燃燒過程中熱量的釋放滯后于煙氣的釋放，其質量的損失主要由煙氣的釋放造成。穩(wěn)定燃燒時煙氣釋放率降低，熱釋放速率達到Zda。

通過使用錐形量熱儀研究工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的燃燒性能，可以從材料的易點燃性，熱釋放速率和熱釋放總量，以及碳煙量的多少等指標來評價。不僅可以為其他材料燃燒性能的研究提供經驗總結，預防火災，也可為改善材料燃燒性能并進一步開發(fā)研究新材料提供基礎數(shù)據(jù)。