宋彥彥+隋振環(huán)+趙忠林+李英愛+張言+管清成+汪兆洋+隋海新

摘要：本文主要介紹了常見的熱分析方法測(cè)定森林可燃物的燃燒性，并與其他的燃燒性測(cè)定方法進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：熱分析；可燃物；燃燒性

中圖分類號(hào)：S762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-14-60-2

熱分析是在程序控制溫度的條件下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一種技術(shù)（李玉增，1987）。在加熱或冷卻的過程中，隨著物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、相態(tài)、化學(xué)性質(zhì)的變化，都會(huì)伴隨相應(yīng)的物理性質(zhì)變化，這些物理性質(zhì)包括質(zhì)量、溫度、尺寸等性質(zhì)。根據(jù)測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)的不同，熱分析方法的種類是多種多樣的（胡小安，2005）。如: 差熱分析（DTA）、熱重分析（TG）、微商熱重分析（DTG）、差示掃描量熱（DSC）和熱機(jī)械分析（TMA、DMA）等。其中在研究可燃物燃燒性方面，熱重分析法和微商熱重分析(DTG)相對(duì)較多，差熱分析和差熱掃描量熱法次之。國(guó)外在利用熱分析研究林火方向上較多，而國(guó)內(nèi)利用熱分析方法研究燃燒性仍然很少。

森林可燃物可以簡(jiǎn)單地定義為林內(nèi)所有活的有機(jī)物和無機(jī)物，這些物質(zhì)都具有潛在的燃燒性和釋放能量的能力（鄭煥能，1994）。國(guó)內(nèi)的許多研究者在評(píng)價(jià)可燃物的燃燒性時(shí)，一般以含水率、含脂肪量、灰分量、發(fā)熱量、燃點(diǎn)等與燃燒性相關(guān)的理化參數(shù)為依據(jù)。但由于這些參數(shù)受測(cè)定使用的儀器、測(cè)定的方法、采樣時(shí)間及方法等因素的影響，而存在著不同的差異，因此只選擇其中的某幾個(gè)參數(shù)作為參考因子的依據(jù)就顯得不夠可靠。應(yīng)該指出，林火過程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程,受火環(huán)境（天氣條件、林地條件、林內(nèi)小氣候和氧氣等），火源（自然火、人為火）以及不同類型可燃物自身的性質(zhì)（如可燃物的大小、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、理化性質(zhì)、數(shù)量分布等）的影響。因此從可燃物自身的熱解特性來探討，為可燃物的燃燒性的研究開辟了一個(gè)嶄新的渠道。所以，將熱分析技術(shù)應(yīng)用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更準(zhǔn)確地揭示森林可燃物的熱解過程，即燃燒各階段的溫度，通過熱解動(dòng)力學(xué)模型深入探討其熱解機(jī)理（劉菲，2005）。

1 熱重分析法在研究森林可燃物燃燒性上的應(yīng)用

熱重分析（TG）是指，在程序溫度下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)（劉振海，2000）。它通過對(duì)被分析物質(zhì)的降解過程加以記錄，得出其分析過程中的質(zhì)量變化及失重速度，進(jìn)而對(duì)其可燃性和燃燒過程中的穩(wěn)定性作出評(píng)估（胡源，1999）。Anderson（1970）指出，森林可燃物的燃燒性表征問題應(yīng)包含Ignitability （著火性），Sustainability（著火后是否能夠燃燒）和Combustibility（燃燒的速度和強(qiáng)度）三個(gè)方面，其中判定可燃物的著火性是燃燒性表征問題的關(guān)鍵（Anderson，1970）。熱解是控制火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的重要因素（袁兵，2004），材料熱解特征是其燃燒性的重要組成部分。Phipot（1970）等人首先提出用TG和DTG曲線來評(píng)價(jià)可燃物的相對(duì)燃燒（Philpot C W，1970）。應(yīng)用熱分析研究燃料燃燒性具有重現(xiàn)性好，只考慮化學(xué)反應(yīng)過程等優(yōu)點(diǎn)（駱介禹，1992）。Acma 研究了5 種生物質(zhì)材料的著火溫度、燃燒峰值溫度、質(zhì)量損失比等參數(shù)（Haykiri-Acma H，2003）。Dimitrakopoulos 對(duì)12 種生物質(zhì)試樣在空氣氣氛下進(jìn)行了熱解實(shí)驗(yàn)，分析其揮發(fā)分平均釋放速率（Meanvolatilization Rate ，MVR），最大質(zhì)量損失率等參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行Duncan 多元比較檢驗(yàn)。根據(jù)揮發(fā)分平均釋放速率值把所分析的植物劃分為幾類具有相似燃燒性的植物，并在實(shí)際野火中得到證實(shí)，表明應(yīng)用TGA 評(píng)價(jià)植物的燃燒性是合理的（Dimitrakopoulos A P， 2001）。

起初一些外國(guó)研究者推薦用熱分析法研究森林可燃物的熱學(xué)性質(zhì)，20世紀(jì)80年代末提出用熱重法（TG）和微商熱重法（DTG）提供的燃燒分布曲線來評(píng)價(jià)可燃物的相對(duì)燃燒性（Rostam-Abadi M，1990）。駱介禹（1992）等運(yùn)用熱重（TG）和微商熱重（DTG）技術(shù)對(duì)27 個(gè)樹種進(jìn)行分析并對(duì)其燃燒性進(jìn)行排序（駱介禹，1992）。孫才英（1998）等人對(duì)楊木進(jìn)行熱重分析（TG）及差示掃描量熱分析（DSC） （孫才英，1998）。肖忠平（2002）等人采用動(dòng)態(tài)熱重法對(duì)杉木間伐材和阻燃杉木間伐材的熱動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析（肖忠平，2002）。高亞萍（2007）等人利用熱重分析儀對(duì)常見木質(zhì)裝飾裝修材料白楊、白樺、紅松進(jìn)行分析（高亞萍，2007）。翟振崗（2008）等人采用熱重（TG）技術(shù)在空氣氣氛下對(duì)13 種樹種的樹葉試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究（翟振崗，2008）等等。

大多數(shù)研究者利用熱重分析法所得到的可燃物的曲線圖可以得知，在空氣氣氛條件下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)“失重平臺(tái)”。根據(jù)第一個(gè)“失重平臺(tái)”所在溫度區(qū)間可以判斷出，它是由于可燃物熱解反應(yīng)所致。第二個(gè)“失重平臺(tái)”時(shí)，可燃物熱解已接近尾聲，殘留下焦炭灼熱的焦炭與氣氛中微量氧發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，或者灼熱的焦炭與熱解產(chǎn)物發(fā)生次級(jí)反應(yīng)所引起失重。也可以把曲線圖分為3個(gè)階段來解釋，第一階段是失水階段（40℃～100℃）；第二階段是纖維素和半纖維素物質(zhì)的熱分解階段（250℃～360℃）；第三階段是炭化物的燃燒階段（360℃～650℃）。

還有少數(shù)研究者利用熱重法測(cè)定聚合物分解過程Arrhenius方程動(dòng)力學(xué)參數(shù)（活化能Ea,指前因子A）K=Aexp（-Ea/RT），Arrhenius方程是表示反應(yīng)速率常數(shù)Ｋ與溫度Ｔ關(guān)系的基本方程。這種調(diào)制式熱重儀（MTGA）是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的結(jié)果，它提供了獨(dú)特的功能，整個(gè)重量損失反應(yīng)過程中，MTGA 提供了活化能的連續(xù)確定的值，而不僅僅是在指定反應(yīng)級(jí)別下得到的值。獲取連續(xù)活化能的功能，可允許反應(yīng)期間活化能的變化作為溫度或轉(zhuǎn)換的函數(shù)進(jìn)行跟蹤?；罨艿挠?jì)算是“無需模型”的，不要求具備動(dòng)力學(xué)方程式構(gòu)成的知識(shí)。與活化能的連續(xù)確定一樣，一階動(dòng)力學(xué)模型的假設(shè)允許進(jìn)行式前指數(shù)因子的自然對(duì)數(shù)計(jì)算。這種分析方法在林火方面研究的較少，內(nèi)容不夠具體和深刻，通過熱分析技術(shù)所得到的參數(shù)（頻率因子E，活化能A）為可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 微商熱重分析法在研究森林可燃物燃燒性上的應(yīng)用

微商熱重分析（DTG）大多數(shù)與熱重分析（TG）相結(jié)合，它是把熱重曲線進(jìn)行微分，從而得到了微分熱重曲線，既為失重速率。同樣，駱介禹（1992）等運(yùn)用熱重（TG）和微商熱重（DTG）技術(shù)對(duì)27 個(gè)樹種進(jìn)行分析，并對(duì)其燃燒性進(jìn)行排序（駱介禹，1992）。1994年駱介禹在《森林可燃物燃燒性研究的概述》一文上，利用熱重（TG）和微商熱重（DTG）分析曲線評(píng)價(jià)了林森可燃物相對(duì)燃燒性的研究（駱介禹，1994）。S. Liodakis（2002）等人通過利用DTG和TG分析方法，對(duì)地中海地區(qū)的主要5種樹種進(jìn)行曲線分析比較燃燒性的強(qiáng)弱（S. Liodakis，2002）等等。

微商熱重分析是基于熱重分析基礎(chǔ)之上的，微商熱重曲線圖與熱重曲線圖是相對(duì)應(yīng)的，與熱重曲線有一個(gè)“失重平臺(tái)”相應(yīng)的微商熱重曲線上也有一個(gè)“失重速度峰”，因此森林可燃物的微商熱重曲線同樣也有兩個(gè)“失重速度峰”。第一個(gè)“失重速度峰”與第一個(gè)“失重平臺(tái)”相對(duì)應(yīng)，由于熱解反應(yīng)所致。第二次“失重速度峰”也與第二個(gè)“失重平臺(tái)”相對(duì)應(yīng)，由于和氧接觸進(jìn)行了有焰或無焰燃燒。通過一些文獻(xiàn)的曲線圖還可以看出，若“失重平臺(tái)”較陡，則“失重速度峰”較尖銳，根據(jù)“失重平臺(tái)”或“失重速度峰”所在溫度范圍，以及峰的面積，可知其可燃物的燃燒性排列的順序。

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3 差熱分析（DTA）和差示掃描量熱分析（DSC）在研究森林可燃物燃燒性上的應(yīng)用

差熱分析（DTA）是指，在程序溫度下，測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度的關(guān)系的一種技術(shù)（駱介禹，1992）。差式掃描量熱分析（DSC），是指在程序溫度控制下，測(cè)量輸給被測(cè)物質(zhì)和參照物的能量差與溫度或時(shí)間之間關(guān)系的一種技術(shù)（劉振海，2000）。在給定溫度下體系總是趨向于自由能最小的狀態(tài)，在程序升溫過程中物質(zhì)可轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)或具有更低自由能的另一種狀態(tài)，伴隨著轉(zhuǎn)變有熱焓的變化，這就是差熱分析與差示掃描量熱法的基礎(chǔ)（胡小安，2005）。孫才英（1998）等人為了對(duì)使用木材及預(yù)測(cè)和撲滅火災(zāi)提供理論依據(jù)，對(duì)楊木進(jìn)行熱重分析（TG）及差示掃描量熱分析（DSC） （孫才英，1998）。胡源（1999）等人綜合利用熱重分析（TG）、差熱分析（DTA）和差式掃描量熱分析（DSC）對(duì)幾種阻燃材料的熱失重、穩(wěn)定性進(jìn)行分析（胡源，1999）。隨著時(shí)間的推移和科學(xué)的發(fā)展，近幾年差熱分析（DTA）在植物研究領(lǐng)域有所提高。王書軍（2007）等人采用熱分析方法（ TG，DTA）對(duì)9種貝母類中藥材的熱重/差熱圖譜進(jìn)行分析，結(jié)果得到了根據(jù)9種貝母中藥材熱分析圖譜之間的差異，可以很容易的對(duì)其進(jìn)行區(qū)分和鑒別（王書軍，2007）。趙華（2009）等人對(duì)不同產(chǎn)地、不同等級(jí)的金銀花進(jìn)行了差熱-熱重分析，6種樣品的差熱和熱重曲線均有差別，結(jié)果證明該方法簡(jiǎn)便，可用于鑒別該類植物中藥材的產(chǎn)地及真?zhèn)危ㄚw華，2009）等等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，差熱分析（DTA）和差式掃描熱分析（DSC）在防火研究上也會(huì)有一定的發(fā)展。

4 熱分析與其他判定森林可燃物燃燒性的方法相比較

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在可燃物的理化性質(zhì)，化學(xué)組成對(duì)其燃燒性的影響方面做了大量的研究工作，劉自強(qiáng)等（1993）對(duì)大興安嶺地區(qū)多種森林可燃物的含水率、燃點(diǎn)和灰分進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)其易燃性和燃燒性進(jìn)行了評(píng)價(jià)（劉自強(qiáng)，1993）。胡海清（1995）對(duì)大興安嶺50余種森林可燃物的含水率、燃點(diǎn)、灰分、熱值和抽提物含量進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)定（胡海清，1995）。王剛等（1996）對(duì)大興安嶺的樟子松、落葉松、樺樹、楊樹的含水率、灰分、醚抽提物、苯醇抽提物、木素、纖維素、含氮量、含磷量、熱解焦炭量九種化學(xué)組分進(jìn)行測(cè)定，得出結(jié)論為：森林可燃物的化學(xué)組成對(duì)其燃燒性有明顯的影響（王剛，1996）。單延龍等（2003）對(duì)黑龍江大興安嶺主要16個(gè)樹種的含水率、風(fēng)干、絕干、燃點(diǎn)、灰分含量、苯醇抽提物含量、熱值進(jìn)行了測(cè)定（單延龍，2003）等等。

除此之外，可利用錐形量熱儀進(jìn)行測(cè)試森林可燃物的燃燒性的研究。田曉瑞等（2001）利用錐形量熱儀比較了南方8個(gè)樹種的燃燒性和抗火能力（田曉瑞，2001）。田曉瑞等（2003）采用錐形量熱儀和野外火燒試驗(yàn)方法研究木荷林帶的阻火能力（田曉瑞，2003）。吳玉章等（2004）利用錐形量熱儀對(duì)人工林杉木、楊木和馬尾松的燃燒性進(jìn)行研究（吳玉章，2004）。盧鳳珠等（2005）利用錐形量熱儀對(duì)1～6年生的毛竹人工林竹材的燃燒性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定（盧鳳珠，2005）。等等。錐形量熱儀法測(cè)定森林可燃物的燃燒性也是最近幾年比較熱門的研究課題，它與熱分析方法測(cè)定燃燒性各有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，可以對(duì)同樣的可燃物樣本同時(shí)采用這兩種方法，測(cè)定其燃燒性，比較哪種更加精確，更能詳細(xì)的說明其燃燒過程，更好的判定其燃燒性。

5 結(jié)語

森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，是火傳播的主要因素，是森林防火滅火的理論依據(jù)。加強(qiáng)對(duì)森林可燃物性質(zhì)的研究，可以為林火預(yù)報(bào)、可燃物管理、滅火指揮、營(yíng)林用火、生物防火等方面提供可靠的數(shù)據(jù)。將熱分析技術(shù)應(yīng)用到森林可燃物的研究中，可以更直接、更準(zhǔn)確地揭示森林可燃物的熱解過程，更深入地探討其熱解機(jī)理。一，通過熱分析技術(shù)所得到的參數(shù)（頻率因子E活化能A）為可燃物模型及林火模型等的科研工作提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。二，綜合利用不同的熱分析方法測(cè)定可燃物的燃燒性，并與其他測(cè)定燃燒性的方法相比較，得到更加詳盡的燃燒過程。

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