锥形量热仪检测酥油的燃烧性

利用锥形量热仪在50kW/m2热辐照条件下，研究了工业酥油、食用酥油和石椅的燃烧性，获得了点燃时间、比消光面积、Zda热释放速率、总释放热、有效燃烧热、Zda烟产生这率、总烟释放量及质量损失速度等参数。实验结采表明，工业酥油、食用酥油比石蜡容易点燃；工业酥油和石蜡燃烧性能接近，可燃性和火灾指数均高于食用酥油；石蜡和食用酥油燃烧过程的碳烟量比工业酥油低，石蜡和食用酥油比工业酥油燃烧完全。三种材料燃烧过程中热量的释放滞后于烟气的择放，其质量的损失主妥由烟气的释放造成。稳定燃烧时烟气释放这率降低，热释放速率达到Zda。

锥形量热仪由美国国家标准技术研究所(NIST)与20世纪80年代推出，测试参数包括热释放速率、质量损失速率、一氧化碳释放速率、比消光面积等30多种，数据采集和处理完全由计算机控制。采用锥形量热仪是近年来在材料燃烧性能领域应用研究的一种先进方法，在获得材料燃烧重要信息的同时还与大型实验结果之间存在良好的相关性。

目前锥形量热仪法己成为国际上公认的研究材料真实燃烧过程的权威方法，被许多国家、地区级国际标准组织广泛用于建筑材料、高分子材料、木材制造、材料阻燃和火灾预防等领域。酥油是一种乳制品，类似黄油，是从牛奶、羊奶中提取的脂肪。在西藏、青海随处都能见到酥油。酥油除食用和制作酥油花外，还用来制作蜡烛即酥油灯，在西藏、青海所有寺庙里，可以看到千盏酥油灯闪闪烁烁的壮观场面，在藏族人家中，也能看到长明不灭的酥油灯。这给寺庙建筑和家庭居室埋下了火灾隐患。

由于酥油燃烧时火光持久稳定、燃烧完全并且时刻散发着清淡的天然奶香味，部分物理性质和燃烧现象与石蜡非常相似，考虑到酥油特殊的燃烧性能和预防火灾的必要性，通过对比石蜡与酥油的燃烧性对于研究酥油的燃烧性具有重要意义。

1、材料与方法

1.1材料与仪器

工业酥油购自西宁塔尔寺：食用酥油购自西宁共和路酥油批发市场：石蜡购自兰州石化公司：分别将工业酥油、食用酥油、石蜡按表一制备。

锥形量热仪英国FIT公司，按照ISO56601标准进行分析。锥形量热仪工作原理为有机材料燃烧时每消耗1kg氧气放出13.2mJ的热量，选用的热源辐射强度为50kW/时，各实验条件下重复3次得到各燃烧性能参数。实验数据使用锥形量热仪专用软件配合EXCEL进行分析处理。

1.2评价指标

选择以下燃烧性能指数评价材料的燃烧特性：

a.引燃时间：指材料从加热开始到出现稳定火焰的时间，单位为s，它反映了材料被点燃的难易程度，是评价材料燃烧性能的重要指标。

b.热释放速率：指单位面积释放热量的速率，单位为kW/m2。

c.热释放总量：指材料从燃烧实验开始到实验结束，单位面积所释放的热量总和，单位为Kw/m2。

d.质量损失速率：材料燃烧后单位面积、单位时间的质量变化值，g/(s/m2)。

e.有效燃烧热：即单位质量损失所放出的热量，mJ/kJ，有效燃烧热=热释放速率/质量损失速率。

f.比消光面积：单位为m2/kg，比消光面积=K•V/(M•As)(K为消光系数，单位为/m，V为烟道体积流速，m3/s，M为质量损失速率，As为样品面积，单位为时m2。

g.生烟速率：单位时间内烟释放量的多少，单位为m2/s。

h.生烟总量：表示酥油从燃烧开始到燃烧结束生烟量的总和，生烟总量=比消光面积×质量损失速率×样品面积/燃烧时间。

2、工业酥油、食用酥油、石蜡燃烧性能对比分析

2.1引燃时间

在50kW/m2热辐射强度作用下，工业酥油、食用酥油和石蜡的引燃时间分别为50、60、74s，说明在相同条件下，工业酥油容易被点燃，石蜡相对难点燃。

2.2热释放速率和热释放总量

从实验数据得到工业酥油、食用酥油和石蜡的热释放速率平均值和峰值分别为286.219、238.946、356.924kW/m2和723.808、238.946、1063.567kW/m2时，说明在相同热辐射强度作用下，石蜡和工业酥油燃烧反馈给其表面的热量较多，热解速度较食用酥油快，挥发性可燃物生成量比食用酥油多，从而加速了火焰的传播：所以石蜡和工业酥油的火灾危险性比食用酥油大的多。3种材料的总释放热随着时间的延长而增加，石蜡的总释放热平均速率远大于工业酥油和食用酥油，说明石蜡比工业酥油、食用酥油可燃性更强。

2.3质量损失速率和质量损失

质量损失速率表征材料在燃烧时质量损失的变化速度，反映了材料在一定热辐射强度下热裂解速度和热裂解行为。随时间延长，三种材料的质量损失速率曲线有明显的下降趋势，说明三种物质较易热裂解；质量损失率曲线从陡到缓依次为石蜡、工业酥油和食用酥油，这也说明三种物质易燃性即火灾危险性从大到小依次为石蜡、工业酥油和食用酥油。

2.4有效燃烧热

有效燃烧热表征可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧程度，指在某时刻测得的热释放量与质量损失之比。实验测得工业酥油、食用酥油和石蜡的有效燃烧热均值分别为35.136、27.631和36.182mJ/kJ，在评价材料的燃烧性方面，与热释放速率的结果是一致的，即石蜡的燃烧性能与工业酥油相近，可燃性都比食用酥油强。

2.5比消光面积

比消光面积反映材料受热分解消耗单位材料时的碳烟量。材料燃烧时产生的不完全燃烧有机质、碳质悬浮粒子以及水汽是形成烟雾的主要物质，不完全燃烧也降低了热释放。本研究中，工业酥油、食用酥油和石蜡的平均比消光面积分别为433.67，377.245布260.261m2/kg。说明在整个燃烧过程中，工业酥油产烟量速率Zda，食用酥油次之，石蜡产烟量速率Z小。可以推断工业酥油燃烧Z不完全，食用酥油次之，石蜡燃烬率Zgao。

2.6生烟速率和生烟总量

材料在燃烧过程中，未能燃烧的组分以烟雾的形试释放，锥形量热仪采用氨-氛激光测定消光系数，获得燃烧过程中的动态烟释放速率和总烟释放量。工业酥油、食用酥油和石蜡生烟速率曲线皆存在峰值，是因为随着辐射时间的持续，各样品缓慢分解释放出来的气态挥发物逐渐逸出，浓度越来越大，直到气相中可燃物浓度达到临界燃烧浓度，样品瞬间被点燃，烟释放速率显著提高直至达到峰值。随后有焰燃烧后烟气中可挥发性小分子得以燃烧，转变为二氧化碳以及部分一氧化碳，烟释放速率降低。

整个燃烧过程，工业酥油、食用酥油和石蜡烟释放率的趋势相近，烟释放速率分别为1022.504，1001.374和810.894m2/s，烟释放速率峰值由大到小的顺序为食用酥油、工业酥油和石蜡，工业酥油、食用酥油和石蜡碳烟总量分别为9.039、8.852、7.168m2，即工业酥油燃烬率比较低，石蜡Zgao，这与平均比消光面积数据相符。

3、结论

比较点燃时间，在50kW/m2热辐射强度作用下，工业酥油容易被点燃，食用酥油次之，石蜡相对难以点燃。对比热释放速率、热释放总量和有效燃烧热发现，材料被点燃后，燃烧速亘在由大到小的顺序为石蜡Z快，工业酥油次之，食用酥油Z慢。燃烧到终点，释放热总量由多到少的顺序为，石蜡Z多，工业酥油次之，食用酥油Z少。工业酥油和石蜡燃烧性能相近，可燃性要强于食用酥油，火灾发生指数也要高于食用酥油。

由工业酥油、食用酥油和石蜡的比消光面积、生烟速率和生烟总量数据可知，石蜡在燃烧过程中碳烟量Z少，燃烬率较高，食用酥油次之，工业酥油燃烧过程中碳烟量太大，燃烧Z不完全。试样燃烬率的高低与其组成有关，石蜡由大量的直链烷烃和环烷烃组成，而食用酥油和工业酥油组成较为复杂，其主要成分为脂肪，脂肪中含有大量的不饱和脂肪酸，在锥形量热仪的燃烧环境中，这是其燃烬率较低的原因。

工业酥油、食用酥油和石蜡在燃烧过程中热量的释放滞后于烟气的释放，其质量的损失主要由烟气的释放造成。稳定燃烧时烟气释放率降低，热释放速率达到Zda。

通过使用锥形量热仪研究工业酥油、食用酥油和石蜡的燃烧性能，可以从材料的易点燃性，热释放速率和热释放总量，以及碳烟量的多少等指标来评价。不仅可以为其他材料燃烧性能的研究提供经验总结，预防火灾，也可为改善材料燃烧性能并进一步开发研究新材料提供基础数据。