不同受热方式下木材炭化层微观形貌分析

 摘 要：木材价廉物美，在生物学、环境学特性优异，深受人们喜爱，是国家建设和人民生活必不可少的重要物资。在我国建筑物、构筑物中被大量采用，在火灾现场经常会遗留有木材燃烧的残留物，形成炭化、灰化痕迹。本文基于微观形貌鉴别法对木材炭化层微观形貌痕迹进行观察研究。在模拟火灾条件下，制备一定尺寸大小的松木在不同受热条件下的炭化样品，使用小型离子溅射仪对样品表面进行溅金镀膜处理，使木材具有导电性，利用KYKY-2800B型扫描电子显微镜对样品进行微观形貌观察。实验结果表明，无论受热条件如何改变，管胞主体结构都不会发生太大变化，只是随着时间增加，结构更加趋于规则，管胞壁越来越薄，管胞胞腔受损越来越严重；另外，不同受热条件对木材炭化层微观形貌也存在影响。研究不同受热条件下木炭的微观形貌，可以帮助火灾调查人员更好的确定起火部位、起火点，判断起火原因。

关键词　木材炭化； 微观形貌；　受热条件

Micrograph analysis of Wood Carbonization under Different Heating Conditions

Abstract：Wood is a very common material. Because of its low price and excellent environmental and biological characteristics, it becomes an indispensable material in people’s life and the development of a country. In China, wood is widely used in buildings and structures, and that is the reason why in most of scene of fire, traces of carbonation and ash caused by wood burning can be easily discovered. This thesis focuses on the study of morphology traces of wood, which is based on the method of morphology identification. In simulated fire condition, carbonized samples of certain sized pine heated in different heating conditions are prepared. Small ion sputtering is used to splash gold coating on the surface of the samples in order to make them conductive. After all these processes, KYKY-2800B scanning electron microscope is used to observe the micro morphology of the samples. The result of the experiment shows that no matter how the heating condition changes, the main structure of the tracheid barely changes, and as heating time increases, the structure tends to be more regular, the tracheid wall becomes thinner, the damage of tracheid cell becomes more and more serious. In addition, different heating condition can also influence the charcoal layer morphology of the wood. The study of the charcoal layer morphology can help fire investigators better locating the site of fire, finding out the fire point, and determining the cause of the fire.

Keywords Wood carbonization; Micrograph; Heating Condition;

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
1　前言 1
2　实验部分 3
2.1 试剂、材料与仪器设备 3
2.1.1 试剂、材料 3
2.1.2 仪器设备 3
2.2 实验内容 3
2.2.1样品制备 3
2.2.2样品观察 4
3　实验结果分析与讨论 5
3.1 明火燃烧条件下木材炭化层微观形貌分析 5
3.1.1 明火燃烧5min木材炭化层微观形貌分析 5
3.1.2 明火燃烧10min木材炭化层微观形貌分析 5
3.1.3 明火燃烧15min木材炭化层微观形貌分析 6
3.1.4明火燃烧对木材炭化层微观形貌影响 6
3.1.5不同熄灭条件对木材炭化层微观形貌影响 7
3.2 热辐射条件下木材炭化层微观形貌分析 8
3.2.1 热辐射5min木材炭化层微观形貌分析 8
3.2.2 热辐射10min木材炭化层微观形貌分析 8
3.2.3 热辐射15min木材炭化层微观形貌分析 9
3.2.4 热辐射对木材炭化层微观形貌影响 9
3.3 炽热体灼烧条件下木材炭化层微观形貌分析 10
3.3.1 炽热体5min木材炭化层微观形貌分析 10
3.3.2 炽热体10min木材炭化层微观形貌分析 10
3.3.3 炽热体15min木材炭化层微观形貌分析 11
3.3.4 炽热体灼烧对木材炭化层微观形貌影响 11
3.4 助燃剂条件下木材炭化层微观形貌分析 12
3.4.1 酒精助燃木材炭化层微观形貌分析 12
3.4.2 柴油助燃木材炭化层微观形貌分析 12
3.4.3 汽油助燃木材炭化层微观形貌分析 13
3.4.4 助燃剂种类对炭化层微观形貌影响 13
3.5 电弧灼烧条件下木材炭化层微观形貌分析 14
3.5.1 电弧灼烧木材炭化层微观形貌分析 14
3.5.2 电弧灼烧与其他受热条件炭化层微观形貌区别 14
3.6 受热方式对木材炭化层微观形貌的影响 16
4　结论 18
参考文献 19
致谢 21

1　前言

木材自古以来就是重要的建筑材料，以木材为核心建成的中国古建筑已经成为中华文明的象征[1]，与钢、钢筋混凝土结构比较，木结构所用木材原料不仅在生长过程中能改善自然环境，而且加工过程能耗低，废弃后可自然降解，故堪称绿色结构[2]。正因为它在建筑物、构筑物中被大量采用，在火灾现场经常会遗留有木材燃烧的残留物，形成炭化、灰化痕迹[3]。
对木材在火灾中形成的痕迹物证研究已经获得了一定成果，已有多种鉴定木材痕迹的方法运用到了实际火灾调查工作中。目前，木材炭化痕迹的鉴别方法主要有：观察比较木材炭化裂纹形态、测量炭化深度、微观形貌观察等，根据木材炭化痕迹特征可以分析火灾现场温度分布状况，判定火灾发生、发展过程，进而确定起火部位和起火点。
微观形貌观察就是利用扫描电子显微镜对火灾现场中残留物的痕迹进行观察、检验和分析，根据其微观形貌特征，鉴别火场中残留物的变化性质和形成原因的一种新技术方法。现阶段，木材微观形貌的研究主要是借助扫描电镜来完成，扫描电镜是以高能入射电子束轰击试样表面，激发样品产生二次电子、背散射电子、特征X 射线等各种有用的信息，通过检测、放大这些信息，显示出反映样品特征的图像。作为一种大型现代化分析仪器，扫描电镜的最大特点就是能够对极微小的痕迹样品进行微观形貌观察，放大倍数连续可调，可高达几十万倍，几乎对现场发现和提取的微量检材，都可以检验，且不造成破坏[4]。在扫描电镜镜下，可以看到木材的微观结构是由无数管状管胞紧密结合而成，绝大多数纵向排列，少数横向排列[5]。每一个管胞分管胞壁和管胞腔两部分，管胞壁由若干层细纤维组成，其纵向连接较横向牢固，细纤维间具有极小的空隙[6]。国内方面，胡亚才、范利武等人在《木材微结构对其传热特性影响的实验研究》中对叶松和红松的试样进行了剖面结构的扫描电镜观察，测量了不同含水率的木材试样的导热系数，并根据其多孔结构的特点对木材的传热特性进行了理论分析[7]。刘玲、赵敏、张世星等人在《不同受热温度下炭化红松表面微观形貌和成分分析》中，通过对红松模拟火灾条件进行加热，微观分析了其形貌及成分含量与受热温度之间的关系[8]。在国外，也有许多学者针对木材的微观形貌进行了研究，例如，Zuo Song在其论文《Study on Shrinkages during the Carbonization of Bamboo》中写到，木材管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，管胞内部不同部位的传质传热大小程度不同，管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，但管胞的整体结构并未遭到破坏[9]；Jorg Fromm和Beate Rocke等人针对木材的炭化阶段进行微观分析，在《Lignin distribution in wood cell walls determined by TEM and backscattered SEM techniques》中指出了高温作用对木炭微观形貌的影响[10]。
通过对已有文献的检索，目前关于木材在不同受热条件下微观形貌变化的系统研究较少。本文通过微观形貌鉴别法来分析和研究木材炭化后的微观形貌，以确定木材在不同受热条件下炭化层的微观形貌特征，找出其变化过程中的规律，为实际火调工作提供参考。