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再生纤维素材料的燃烧机理

时间:2015-10-09 来源: / 作者:

    在一般情况下,物质产生燃烧的必要条件是:可燃物、空气和热源,三者缺一不可。因此,可燃物、空气和热为燃烧的三要素。当然,如果可燃物本身具有发热性,即使不受热也可产生燃烧;若可燃物本身具有多氧结构,则即使在没有空气的情况下也可产生燃烧或爆炸。纤维素纤维为碳水化合物,因此其受热后不熔融,遇火焰后燃烧较快。图为纤维素纤维分解燃烧模型图。

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纤维的燃烧经历了如下三个阶段:

    第一阶段为热引发阶段。来自外部热源(或火源)的热量首先导致纤维材料发生相态

变化和化学变化。

    第二阶段为纤维热降解过程。这一过程为吸热反应,当外部热量足以克服纤维分子

内原子间键合能时,纤维材料开始降解或热解。

    第三个阶段是引燃阶段。热降解阶段产生的可燃性气体与氧气充分混合,当达到着火极限或受外界因素的影响,如火焰、火花、炽热余烬刺激或足以使可燃性气体自燃的环境温度,都能诱发纤维材料的燃烧。

    纤维素受热产生热分解,并伴有纤维素的氧化降解。纤维素纤维的热解温度为280-350℃,自燃温度 400℃,最高燃烧温度 850℃,其氧指数为 19.7。纤维素纤维在接触火焰时,不收缩,不熔融而直接燃烧,烟气毒性较低,离开火源后仍能够继续燃烧,速度快且无余辉。Cerny 和 Stanek认为纤维素在 550K 以上的高温分解至少包含四种不同的过程:

    1.  分子间的反应,产生了通过交联的脱水作用; 

    2.  在脱水作用的同时,发生包括 C-O 键断裂的非拉链反应,其中解聚作用是通过纤维素分子传播,并由于某些葡萄糖单元的重排而形成左旋葡萄糖; 

    3.  脱水产物分解生成焦炭与挥发性的有机化合物; 

    4.  左旋葡萄糖可以进一步反应生成分子量较小的挥发性热解产物,如 CO 为其主要产物。 

    纤维素纤维的裂解是通过二个竞争反应发生的,一个脱水炭化,另一个通过解聚生成不挥发的液体左旋葡萄糖。接着左旋葡萄糖裂解,产生大量易燃的低分子量物质,并形成二次焦炭。在氧的存在下,当温度达到或超过燃烧温度,左旋葡萄糖裂解产物发生氧化,燃烧放出大量热量,这些热量又引起更多的纤维素发生裂解。


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