改性聚磷酸铵对大兴安岭5树种的可燃物阻燃性能研究

邵明珠，李丽萍

（东北林业大学理学院 阻燃材料分子设计与制备黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

改性聚磷酸铵对大兴安岭5树种的可燃物阻燃性能研究

邵明珠，李丽萍*

（东北林业大学理学院 阻燃材料分子设计与制备黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

采用改性聚磷酸铵（KH-550/APP）阻燃剂对大兴安岭常见针叶树（油松Pinus tabuliformis var. mukdensis、落叶松Larix gmelinii）和阔叶树（蒙古栎Quercus mongolica、胡桃楸Juglans mandshurica、紫椴Tilia amurensis）的可燃物进行阻燃处理，测定了各树种未处理枯枝、落叶的含水率、热值、灰分及抽提物含量，用锥形量热仪测定处理及未处理的可燃物的燃烧性能。结果表明：KH-550/APP处理后可燃物的最大热释放速率、总热释放量、总烟释放量均明显降低，成炭率提高，表现出显著的阻燃及抑烟作用；对针叶树种的阻燃效果优于阔叶树种，对树枝的阻燃效果优于树叶；针叶树叶阻燃效果顺序为油松＞落叶松，阔叶树各树叶阻燃效果顺序为：檬古栎＞胡桃楸＞紫椴；针叶树枝阻燃效果顺序为：油松＞落叶松；阔叶树各树枝阻燃效果顺序为：胡桃楸＞檬古栎＞紫椴。

改性聚磷酸铵；森林可燃物；阻燃性能；枯枝；落叶

森林可燃物的性质在很大程度上取决于构成森林的树种，它直接或间接影响森林可燃物的性质和数量[1～3]。由于森林中的树木和枯枝落叶都是典型的可燃易燃物，所以在高温下可以进行自燃，在有小火苗的情况下也可以迅速且大面积燃烧。树种不同，其燃烧性质也有差异，一般易燃树种容易着火，火势蔓延快；难燃树种则不容易点燃，其火势蔓延速度也缓慢，燃烧强度也不大[4～6]。近年来，用阻燃剂处理林、草地带的可燃物、重点文物保护对象的意义、效果逐渐得到了人们的认可，处理面积逐年扩大，阻燃剂的使用量也逐年增加，森林防火阻燃的研究对于森林安全有着重大的意义[7-8]。目前常用的森林防火研究的阻燃剂有低聚合度的聚磷酸铵（APP），但其处理过的森林可燃物的阻燃效果不明显，不能完全达到阻燃及防火的目的。为达到更好的阻燃效果，通过化学手段采用硅烷偶联剂（KH-550） 对其进行改性，提高了APP阻燃效果，但未确定对何种树种的阻燃效果最佳[9～13]。

本文选取大兴安岭2种常见针叶树和3种阔叶树为研究对象，通过对其树枝和树叶的热释放速率、总热释放量、总烟释放量及成碳率等指标的测定，研究改性聚磷酸铵对森林可燃物的阻燃效果的影响，为阻火树种的选择以及防火林带的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源和处理方法

供试验分析的材料于2014年8月采自黑龙江省大兴安岭。根据黑龙江秋季火的特点（以地表火为主），分别选取油松（Pinus tabuliformis var.mukdensis）、蒙古栎（Quercus mongolica）、胡桃楸（Juglans mandshurica）、落叶松（Larix gmelinii、紫椴（Tilia amurensis）的落地枯树叶和树枝。分别将5树种可燃物枝、叶浸泡于蒸馏水和配制好的8%的KH-550/APP阻燃液中24 h，将其置于85℃烘箱中24 h，最后冷却至室温供锥形量热试验用。

1.2 含水率计算方法

绝干含水率：将样品用纸袋封好，连同纸袋一起称质量，放入烘箱中，在85℃烘干至绝干重，冷却后立即称重。绝干含水率为鲜质量、绝干质量差值与绝干质量的百分比。风干含水率：将样品放于室内阴凉干燥的地方，经过30 d左右的自然风干后称重。风干含水率为风干质量、绝干质量差值与绝干质量的百分比。

其他理化参数见参考文献[5]。

1.3 阻燃性能

将试样平铺在尺寸100 mm×100 mm×10 mm的铁盒内，用铝箔纸包裹，在热辐射功率为50 kW/m2、气体体积流速为24 L/s的条件下，采用锥形量热仪，按照ISO5660-1测试试样的燃烧性能。

2 结果与分析

2.1 理化参数

树种的理化性质直接影响森林燃烧性及其火行为特点。其中树种的含水率、热值、灰分及抽提物含量等因子与燃烧密切相关。因此，测定分析树种这些基础数据，可为研究森林着火、蔓延、能量释放、火强度测算及防火树种筛选等提供依据。从表1中可以看出，5种树种可燃物之间的灰分、抽提物差异极其显著，树叶、小枝的灰分、抽提物差异不显著。这说明可燃物的组成成分与树种有关，与树叶、小枝的结构关系不大。从树种分类看，针叶树种的理化性质为灰分含量低、抽提物含量高、热值较高，这决定了其属于易燃可燃物类型。5树种作为大兴安岭地区的主要树种，研究对其有效防火的阻燃剂意义重大。

表1 各树种未处理的枯枝落叶的含水率、灰分、抽提物含量及热值Table 1 Moisture content, ash content, extract content and caloric value of untreated fuels

2.2 锥形量热分析

2.2.1 热释放速率 热释放速率（Heat release rate，HRR）是评价材料火灾安全性能最重要的指标之一。HRR或热释放速率峰值（pkHRR）越大，单位时间内燃烧反馈给材料单位表面积的热量就越多，结果造成材料热解速度加快和挥发性可燃物生成量增多，从而加速了火焰的传播。图1为各树种树枝和树叶的热释放速率曲线。从图1中可以看出，与未阻燃的可燃物相比，由于阻燃剂KH-550/APP的加入使可燃物热释放速率明显下降，证明KH-550/APP阻燃剂对可燃物阻燃效果良好，这是因为改性后的KH-550/APP阻燃剂不仅可以释放出磷酸、HPO和PO等自由基还可以释放出Si-O、Si-C等可以捕获半纤维素、纤维素表面游离的OH自由基，在可燃物表面形成炭层，起到阻燃的作用。

图1 各树种树枝和树叶的热释放速率曲线Figure 1 Heat release rate of treated and untreated fuels

综合图1、图2可知，从树种分类分析，针叶树种的最大热释放速率峰值均高于阔叶树种，表现出很强的燃烧性，这是由针叶树种自身的理化性质决定的，灰分含量较低，抽提物含量较高，热值较高，加之针叶树种含有大量的油脂，所以其燃烧性就高，属于易燃可燃物类型，阻燃处理后其枝叶热释放速率降低均明显，油松枝叶的最大热释放速率分别降低29.16%、25.54%，落叶松枝叶的最大热释放速率分别降低25.93%、24.58%，阻燃效果最好，可见KH-550/APP阻燃剂对针叶树种的阻燃效果优于阔叶树种；从树种结构上分析，阻燃剂对树枝的阻燃效果优于树叶，针叶树叶阻燃效果顺序为油松＞落叶松；阔叶树各树叶阻燃效果顺序为：檬古栎＞胡桃楸＞紫椴；针叶中各树枝阻燃效果顺序为：油松＞落叶松；阔叶树各树枝阻燃效果顺序为：胡桃楸＞檬古栎＞紫椴。

图2 各树种树枝和树叶阻燃前后的pkHRR的对比图Figure 2 Peak heat release rate of treated and untreated fuels

图3 各树种树枝和树叶阻燃前后THR的对比图Figure 3 Total heat release of treated and untreated fuels

2.2.2 总热释放量 总热释放量（Total heat release，THR）是单位面积的材料在燃烧全过程中所释放热量的总和，THR越大，火灾危险性越大。图3为各树种树枝和树叶阻燃前后总热释放量对比图。从中可以看出，阻燃剂在整个燃烧过程中均起到了良好的阻燃效果，与未阻燃的可燃物相比，经阻燃处理后可燃物总热释放量均明显降低，其中针叶树种的总热释放量均下降了20 %以上，阻燃效果明显且优于阔叶树；从树种结构上对比分析，阻燃剂对树枝的阻燃效果更明显。

2.2.3 总烟释放量及成炭率 总烟释放量（Total smoke production，TSP）是试样单位面积燃烧过程中所释放的热量总和，TSP越大，火灾危险性越大。抑烟性也是鉴定阻燃剂阻燃效果的重要指标。表2为各森林可燃物树枝和树叶阻燃前后总烟释放量和成炭率对比表，从表中可以明显的看出，KH-550/APP阻燃的样品TSP均降低，其中对针叶树种的抑烟效果最好，油松树枝的TSP值降低了66.86%，落叶松树枝的TSP降低了47.1%，有效的抑制了烟释放量；阻燃处理后的可燃物成炭率显著升高，促进了可燃物成炭，而炭层的生成可以保护可燃物使其延缓分解，这是由于KH-550/APP具有良好的成炭性能及抑烟作用。

表2 各树种树枝和树叶阻燃前后的总烟释放量和成炭率Table 2 Total smoke production and carbon residue ration of treated and untreated fuels

3 结论

对比分析了改性聚磷酸铵对多种森林可燃物进行阻燃处理，通过锥形量热仪对其进行测定，用改性聚磷酸铵做森林可燃物阻燃剂，不仅可以降低可燃物的最大热释放速率、总热释放量、总烟释放量，还可以促进成炭，表现出显著的阻燃及抑烟作用；从树种分类比较，对针叶树种的阻燃效果更突出，从树种结构比较，对油松树枝的阻燃效果最好。

参考文献：

[1] 刘艳红，马炜.长白落叶松人工林可燃物碳储量分布及燃烧性[J].北京林业大学学报，2013（03）：32-38.

[2] 彭徐剑，鞠琳，胡海清.黑龙江省4种针叶树的燃烧性[J].东北林业大学学报，2014，42（01）：71-75.

[3] 王小雪，彭徐剑，胡海清.黑龙江省主要草本可燃物燃烧性分析:Ⅱ燃烧性综合评价[J].中南林业科技大学学报，2013，33（06）：1-6.

[4] 刘菲，胡海清.森林可燃物理化性质与燃烧性的研究综述[J].森林防火，2005（1）：28～30.

[5] 胡海清.大兴安岭主要森林可燃物理化性质测定与分析[J].森林防火，1995（1）：27-31.

[6] 彭东琴，伊力塔，余树全，等.6种常见经济树种的燃烧特性研究[J].浙江林业科技，2012，32（3）：21-25.

[7] Zhu B S， Cong D， Yi T，et a l. Flame retardation of polypropylene via a novel intumescent flame retardant: Ethylenediam ine-modified ammonium polyphosphate[J]. Polym Degrad Stab，2014（106）：88-96.

[8] Liodakis S，Bakirtzis D，Lois E，et al. The effect of （NH4）2HPO4and （NH4）2SO4on the spontaneous ignition properties of Pinus halepensis pine needles[J]. Fire Safe J，2002（37）：481-494.

[9] 刘毅，乔妮，姜恩来.KM阻剂森林燃草原防火的实验研究[J].北京林业大学学报，2010，32（02）：161-164.

[10] 李杉，方桂珍，庞久寅.化学改性大青杨木材的阻燃性能研究[J].林业科技，2009（2）：42-44.

[11] 胡红丹，李丽萍，胡海清.聚磷酸铵复合阻燃剂对松针的阻燃作用的影响[J].中南林业科技大学学报，2012，32（8）：137-140.

[12] 奚强，常亮，邝生鲁.硅偶联剂对聚磷酸铵表面改性的研究[J].粘接，2005（06）：19-20，23.

[13] 张晖，赖小莹，艾常春，等.聚磷酸铵的合成及改性研究进展[J].武汉工程大学学报，2012（10）：32-36.

Effect of Modified APP on Flame Retardation O f Fuels of Five Common Tree Species in Daxing’anling Mountains

SHAO M ing-zhu，LI Li-ping
（College of Science, Northeast Forestry University, Heilongjiang Key Laboratory of Molecule Design and Preparation of Flame Retardant Materials, Haerbin 150040, China）

Fuels （dead branch and leaf） of Pinus tabuliformis var. mukdensis, Larix gmelinii, Quercus mongolica, Juglans mandshurica and Tilia amurensis were collected on August 2014 from Daxing’anling Mountains and treated with modified ammonium polyphosphate （KH-550/APP）. Determ inations were made on moisture content, caloric value, ash content and extractive content of untreated fuels and cone calorimeter test was implemented on untreated and treated fuels. The results showed that peak heat release rate, total heat release, total smoke production of fuels treated by modified APP decreased and carbon residue ratio increased. The experiment demonstrated that treated fuels of coniferous trees had better effect than that of broad leaf trees, treated dead branch had better effect than treated leaf.

modified ammonium polyphosphate; forest fuel; flame retardation

S782.39

：A

1001-3776（2016）02-0026-05

2015-10-28

：2016-01-28

黑龙江省博士后科研启动金资助（LBH-Q13010）

邵明珠（1989－），女，黑龙江肇源县人，副教授，博士，主要从事生物质-聚合物复合材料研究；*通讯作者。