堆积密度对棉花阴燃特性及残留物形貌的影响研究.pdf

消防理论研究Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11堆积密度对棉花阴燃特性及残留物形貌的影响研究岳海玲,郭子东（中国人民警察大学 侦查学院，河北 廊坊 065000）摘要：为研究棉花在加工和使用状态下的阴燃情况，选用密度分别为 20、40、60、80 kg/m3的棉花块，采用底部加热的方式进行试验，研究了密度对阴燃特性及残留物的影响。结果表明，随着密度的增大，棉花样品的孔隙率、空气渗透系数发生变化，临界阴燃温度升高约 35，蔓延速率降低 50%60%，阴燃持续时间从 2 500 s 延长至 5 000 s，阴燃结束后的收缩程度减小，坍塌程度增大。阴燃残留物为黑色絮状物包裹内部灰白色灰烬，灰烬体积随密度增大而增加。研究结论可以为棉花阴燃火灾的预防与火场勘验提供参考。关键词：棉花；阴燃；燃烧残留物；热重分析；临界阴燃温度中图分类号：X932；TU998.1文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）11-1462-05棉花作为一种关系国计民生的战略物资，是生产生活中最重要的天然纤维原料之一，通常以不同密度的形式存在，由于其易阴燃性，在仓储、加工、打包、运输、零售和使用过程中易发生阴燃1-4。对于棉花的阴燃，国内外学者从不同角度进行了研究。CHAN T K 等5通过试验研究发现，棉花的阴燃温度会随着密度的增加而降低。HAGEN B C 等6发现，当阴燃与二次碳氧化并存时，棉花的阴燃会向明火转变。WAKELYN P J 等7认为，当棉包密度达到 387.3 kg/m3时，阴燃不会持续蔓延。XIE Q Y 等8认为，棉花阴燃蔓延速率和峰值温度随风速的增加而增大。赵志新等9发现，随着堆积密度、相对湿度的增加，棉花阴燃的临界点燃热辐射通量增高。王进军等10分析了棉花早期阴燃过程的质量损失、烟气浓度以及图像特征变化特征。童华伟11认为，香烟会引燃棉被，棉被的存放形式会影响其燃烧过程。张志刚12针对平均密度为 225 kg/m3的棉包，进行了不同风速下的阴燃试验研究。这些研究大多针对仓储状态的高密度棉花，对加工、零售或使用等状态较低密度棉花的阴燃过程研究较少，尚无从火灾原因调查角度分析密度对阴燃残留物的影响的研究。笔者以零售的棉花为研究对象，采用底部热源的加热方式，探究密度对棉花阴燃过程及其残留物形貌的影响，以期为棉花阴燃火灾的预防与调查提供参考。1试验样品与方法1.1棉花阴燃试验试验样品：天然长绒棉，密度分别为 20、40、60、80 kg/m3。试验时，用细钢丝网将样品辅助固定为边长 10 cm 的立方体。试验设备：天平（01 500 g，0.1 g）；电阻丝炉（500 W）；钢板（120 mm120 mm2 mm）。试验方法：将钢板用电阻丝炉加热到一定温度，停止加热，将棉花样品放于钢板上方。用热电偶测量样品不同位置的温度。当样品阴燃结束，温度降至 50 时停止测温。记样品密度为；样品底部中心点温度为 T0-0-；垂直中心线温度为 Tk-0-（k=1，2，3，距底部中心点分别为 2.5、5.0、7.5 cm），其四侧 2.5 cm 处温度为 Tk-m-（k=1，2，3；m=1，2，3，4）。试验方法示意图见图 1。1.2棉花热解试验试验样品：天然长绒棉，（60.1）mg。试 验 设 备 及 方 法：采 用 热 重/同 步 差 热 分 析 仪（NETZSCH STA-449F3），将试样置于 70 L 氧化铝坩埚中进行试验。气氛为氧体积分数为 21%的氧氮混合气，流量为 100 mL/min；升温速率为 20/min，升温范围为 30700。2密度对棉花阴燃临界温度的影响将钢板加热至温度 T0-时切断电源，同时将样品放置于金属板正上方。测量棉花下表面中心处的温度，将其最高温度值记为 Th-，并观察现象。将棉花中心处升温速率加快、温度曲线出现拐点作为阴燃发生的判断依据。如棉花未阴燃，则将 T0-升高 5 重复试验，直至出现阴燃现象，结果见表 1。将表 1 中的 T0-0-与 T0-h-值作图，见图 2。对图 2中未阴燃时的温度值作线性拟合，拟合度均大于 0.99，可以认为在未阴燃状态下，同密度样品的 T0-0-与 T0-h-值呈直线关系。随着样品密度的增加，拟合直线的斜率减小。将样品的末次未阴燃和首次阴燃最高温度分别记为 T0-h-和 T0-f-，将 T0-f-值与拟合线的交点值记为细钢丝网棉花热电偶热钢板电阻丝炉天平竖截面T3-2-T3-0-T3-4-T2-2-T2-0-T2-4-T1-2-T1-0-T1-4-T0-0-横截面（k=1，2，3）棉花热电偶细钢丝网Tk-3-Tk-4-Tk-0-Tk-2-Tk-1-（a）竖截面（b）横截面图 1试验方法示意图Fig.1Schematic diagram of test method基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021037）T0-h-。由于未阴燃时样品的 T0-0-与 T0-h-值呈线性关系，可认为 T0-h-T0-h-是样品的临界阴燃温度范围。T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况见图 3。从图 3可以看出，随着密度的增加，T0-h-和 T0-h-值下降，临界阴燃温度范围值减小。孔隙率是密度对临界温度变化的影响的最大因素，计算公式见式（1）。=V0-VV0 100%=-0 100%（1）式中：V0为样品的表观体积，m3；V 为绝对密实体积，m3；0为表观密度，kg/m3，试验中为 2080 kg/m3；为棉纤维密度，试验中为 1 440 kg/m3。根据式（1）可得，棉花表观密度越大，孔隙率越小，棉花样品内部所含空气的体积越少。渗透系数与孔隙率的关系见式（2）。K=1.04 10112(1-)1.22 （2）样品的密度参数值见表 2。由表 2可知，样品的密度越小，孔隙率越大，渗透系数越大，棉花样品内部空气流动性越大。在阴燃过程中，密度小的样品在加热过程中受空气流动性影响大，蓄热难度大，温度升高慢，临界阴燃温度升高。3密度对棉花阴燃特性与残留物形貌的影响3.1棉花阴燃过程分析样品 T0-0-处温度达到 T0-h-时停止加热。在同一横截面上，Tk-m-的变化趋势基本相同，取 Tk-3-值进行讨论。图 4为 Tk-3-随时间变化情况。时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-20T1-0-20T2-0-20T3-0-20T1-3-20T2-3-20T3-3-20（a）20 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-40T1-0-40T2-0-40T3-0-40T1-3-40T2-3-40T3-3-40（b）40 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-60T1-0-60T2-0-60T3-0-60T1-3-60T2-3-60T3-3-60（c）60 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-80T1-0-80T2-0-80T3-0-80T1-3-80T2-3-80T3-3-80ABCD（d）80 kg/m3图 4样品阴燃过程中温度随时间变化情况Fig.4Temperature as a function of time for samples从图 4 可以看出，不同密度样品在阴燃过程中，相同位置的温度呈现出相似的趋势。随着密度的增大，样品垂直中心上温度 T1-0-T3-0-呈“几”字形趋势，T0-0-曲线由三角形逐渐过渡到马鞍形，Tk-3-总体呈现为锥形，升温持续时间延长。图 5 为样品在空气气氛下的热解-放热曲线。由图 5可知，样品在空气气氛下、升温速率为 20/min时的引燃温 度 为 284.9 ，热 解 结 束 和 放 热 最 大 值 对 应 温 度 为440。由于 T0-0-测温点贴近钢板，在短时间内温度迅速表 1金属板的温度与对应样品的最高温度Table 1The temperature of the metal plate and the maximum temperature of the corresponding sampleT0-0-/200 210 220 230 240 250 260 270 280380360340320300280T0-h-/T0-h-T0-h-T0-f-T0-h-20T0-h-40T0-h-60T0-h-80T0-h-20线性拟合T0-h-40线性拟合T0-h-60线性拟合T0-h-80线性拟合图 2样品的 T0-0-与 T0-h-关系图Fig.2Relationship between T0-0-and T0-h-of the samples样品密度/kg/m320 30 40 50 60 70 80360350340330320310温度/T0-h-T0-h-图 3T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况Fig.3T0-h-and T0-h-as a function of density for samples表 2样品的密度参数值Table 2The density parameter values of the samples1462消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期T0-h-。由于未阴燃时样品的 T0-0-与 T0-h-值呈线性关系，可认为 T0-h-T0-h-是样品的临界阴燃温度范围。T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况见图 3。从图 3可以看出，随着密度的增加，T0-h-和 T0-h-值下降，临界阴燃温度范围值减小。孔隙率是密度对临界温度变化的影响的最大因素，计算公式见式（1）。=V0-VV0 100%=-0 100%（1）式中：V0为样品的表观体积，m3；V 为绝对密实体积，m3；0为表观密度，kg/m3，试验中为 2080 kg/m3；为棉纤维密度，试验中为 1 440 kg/m3。根据式（1）可得，棉花表观密度越大，孔隙率越小，棉花样品内部所含空气的体积越少。渗透系数与孔隙率的关系见式（2）。K=1.04 10112(1-)1.22 （2）样品的密度参数值见表 2。由表 2可知，样品的密度越小，孔隙率越大，渗透系数越大，棉花样品内部空气流动性越大。在阴燃过程中，密度小的样品在加热过程中受空气流动性影响大，蓄热难度大，温度升高慢，临界阴燃温度升高。3密度对棉花阴燃特性与残留物形貌的影响3.1棉花阴燃过程分析样品 T0-0-处温度达到 T0-h-时停止加热。在同一横截面上，Tk-m-的变化趋势基本相同，取 Tk-3-值进行讨论。图 4为 Tk-3-随时间变化情况。时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-20T1-0-20T2-0-20T3-0-20T1-3-20T2-3-20T3-3-20（a）20 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-40T1-0-40T2-0-40T3-0-40T1-3-40T2-3-40T3-3-40（b）40 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-60T1-0-60T2-0-60T3-0-60T1-3-60T2-3-60T3-3-60（c）60 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-80T1-0-80T2-0-80T3-0-80T1-3-80T2-3-80T3-3-80ABCD（d）80 kg/m3图 4样品阴燃过程中温度随时间变化情况Fig.4Temperature as a function of time for samples从图 4 可以看出，不同密度样品在阴燃过程中，相同位置的温度呈现出相似的趋势。随着密度的增大，样品垂直中心上温度 T1-0-T3-0-呈“几”字形趋势，T0-0-曲线由三角形逐渐过渡到马鞍形，Tk-3-总体呈现为锥形，升温持续时间延长。图 5 为样品在空气气氛下的热解-放热曲线。由图 5可知，样品在空气气氛下、升温速率为 20/min时的引燃温 度 为 284.9 ，热 解 结 束 和 放 热 最 大 值 对 应 温 度 为440。由于 T0-0-测温点贴近钢板，在短时间内温度迅速表 1金属板的温度与对应样品的最高温度Table 1The temperature of the metal plate and the maximum temperature of the corresponding sample项目T0-0-20T0-h-20T0-0-40T0-h-40T0-0-60T0-h-60T0-0-80T0-h-80是否阴燃温度/250.0307.6240.0312.3225.0310.1210.0285.5否255.0313.4245.0319.7230.0314.3215.0294.5260.0322.5250.0323.7235.0315.9220.0300.6265.0335.4255.0335.2240.0326.8225.0304.6270.0345.9260.0341.1245.0332.1230.0310.3275.0368.4265.0365.4250.0362.1235.0353.2是T0-0-/200 210 220 230 240 250 260 270 280380360340320300280T0-h-/T0-h-T0-h-T0-f-T0-h-20T0-h-40T0-h-60T0-h-80T0-h-20线性拟合T0-h-40线性拟合T0-h-60线性拟合T0-h-80线性拟合图 2样品的 T0-0-与 T0-h-关系图Fig.2Relationship between T0-0-and T0-h-of the samples样品密度/kg/m320 30 40 50 60 70 80360350340330320310温度/T0-h-T0-h-图 3T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况Fig.3T0-h-and T0-h-as a function of density for samples表 2样品的密度参数值Table 2The density parameter values of the samples密度/kg/m320406080孔隙率0.9860.9720.9580.944空气渗透系数K18.47210127.70610124.56510123.12010121463Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11升高。之后，随着附近棉花阴燃完全，在 400 附近开始降温。这个温度低于棉花热解结束温度，可能与阴燃试验中热量传递有关系。温度在下降到 250 附近时减缓。当密度为 60 kg/m3时，T0-0-在 1 900 s 附近出现一个小峰，此时周围样品传递给测温点的热量高于散热量。密度进一步增大时，峰值出现时间后移，维持时间延长。T1-3-在初始阶段升温趋势主要受下方样品阴燃放热影响，达到 470 后，样品阴燃放热与向周围散热差值最大，之后开始缓慢下降。由于蓄热作用，这个值略高于图 5 中放热最大值所对应的温度值。由于样品蓄热以及阴燃程度不同的影响，最大温度值以及降温时间随着密度的增大而小幅增加。当 T1-3-在 280 附近时，T2-3-曲线出现拐点。此时测温点样品发生阴燃，放热量增大，升温速率加快。随着样品密度增大，拐点对应温度升高，这可能是因为阴燃前热解时间较长，样品中轻组分含量较低导致。T3-3-曲线拐点所对应温随密度变化较大，在样品密度低于 60 kg/m3时，在 150 附近时出现；当密度增大时，拐点值在 280 时出现。由于蓄热作用，T3-3-最大值在 480530。样品在受热过程中，首先热解，释放可燃气体并形成多孔碳，然后发生氧化反应，放出热量，阴燃蔓延。根据样品阴燃的不同阶段，可分为热源加热区（A 区）、阴燃发生区（B 区）、稳定阴燃区（C 区）和散热冷却区（D 区），见图 4（d）。同密度样品在阴燃不同阶段，所呈现出的形貌不同。图 6是密度为 80 kg/m3样品在不同时间段的形貌，其他密度下样品也呈现出相似的特征。A 区为热源加热区。该区域初始阶段，T0-0-主要为钢板温度，之后为样品阴燃放热温度。随着阴燃的进行，样品放热量增加，当与散热差值最大时，T0-0-最大。此阶段其他温度值变化不大，外观没有明显变化。样品的典型形貌见图 6（a）。B区为阴燃发生区。该区域样品阴燃开始向上蔓延。随着与钢板接触部分棉花阴燃结束，T0-0-开始下降。由于下层样品的热量传递，T1-m-缓慢上升。当热量达到阴燃温度后，样品开始放热，T1-m-迅速升高。T2-m-、T3-m-相对滞后，但整体趋势相似。样品的典型形貌见图 6（b）、图 6（c）。（a）底部开始阴燃（b）阴燃开始向上蔓延（c）阴燃蔓延至中部（d）样品全部发生阴燃（e）样品四周发生炭化（f）阴燃结束图 6样品在不同时间段的形貌（=80 kg/m3）Fig.6Morphology of samples at different time periods（=80 kg/m3）C 区为稳定阴燃区。该区为样品由炭化区向残灰区过度。此阶段样品整体阴燃，温度值最高。由于 Tk-0-测温点位于样品正中心垂线上，周围炭化后样品的保温作用，以及阴燃后样品的收缩阻碍了氧气向内部的扩散，使该区域相对同水平面上其他温度较高，且较为平稳，保持高温状态时间较长。上下层样品散热较快，T3-m-最先开始降低，随后是 T1-m-。此阶段样品出现收缩现象，典型形貌见图 6（d）、图 6（e）。D 区为散热冷却区。位于边缘的 T3-m-和 T1-m-，由于样品阴燃殆尽且散热较快而继续降低。随着样品整体燃烧殆尽，样品坍塌，散热加速，样品迅速冷却，对应的样品中间部位温度 T1-0-和 T2-0-值迅速下降。坍塌程度随密度增大而减小。该区样品的典型形貌见图 6（f）。3.2密度对阴燃蔓延速率影响图 7 为样品垂直方向上中心点温度值在达到 500 前随时间变化，以及临界阴燃温度时间和阴燃蔓延速率与密度关系图。对于样品垂直中心线上温度 Tk-0-，在初期升温阶段均存在拐点，每条曲线的拐点随着测温点的升高而向高温方向移动，当最左侧曲线接近阴燃临界温度时，其相邻右侧曲线开始出现拐点，温度迅速升高，可认为此时阴燃蔓延至上方测温点部位。同时，对于同一位置测温点，拐点出现的时间随密度的增大而延长。这说明随着样品密度增大，阴燃蔓延速率减缓。由于 T0-0-为样品与金属板热源接触部分温度，样品密度越大，阴燃临界温度越低，开始阴燃时间随密度增加而降低。Tk-0-随密度的增加而增加。棉花中心垂直方向上阴燃速率呈现出随密度增加而减小的变化趋势，且随密度增加，减小的程度减缓。其中，T0-0-T1-0-阴燃蔓延较慢，是由于此部位样品总体受热时间短较短。在距离底部 2.5 cm 的水平面上，当密度为 20 kg/m3温度/0 100 200 300 400 500 600 700质量损失率90%60%30%0-30%（284.995，92%）440 DSC/mW/mgDTG/-1DSCDTGTG6045301500.0-0.3%-0.6%-0.9%-1.2%图 5棉花在空气气氛下、升温速率为 20/min时的热解-放热曲线Fig.5Pyrolysis-exothermic curve of cotton at the heating rate of 20 C/min in air atmosphere时，中心点温度先达到阴燃开始温度，阴燃由中心向四周方面蔓延；当密度增大时，则是四周温度先达到阴燃开始值，阴燃由四周向中心蔓延；当密度达到 60 kg/m3后，四周和中心点温度几乎同时达到阴燃开始值，此时样品在此水平面上基本没有出现水平蔓延现象。在距离底部 5.0 cm 的水平面上，样品密度为 20 kg/m3时，中心点和周围的温度几乎同时到达阴燃开始温度；样品密度不高于 60 kg/m3时，四周到达阴燃温度值要早于中心点，出现阴燃由四周向中心蔓延的现象；当密度为80 kg/m3时，中心温度达到阴燃温度时间提前，阴燃由中心向四周蔓延。在距离底部 7.5 cm 的水平面上，不同密度样品均存在四周温度早于中心达到阴燃温度值的现象，且密度越大，时间差值越大，说明此水平面上阴燃由四周向中心蔓延，且密度越大，蔓延越慢。3.3密度对棉花阴燃残留物宏观形貌的影响样品在阴燃结束后，不同密度样品残留物形貌呈现出一定的差异性，见图 8。由图 8可以看出，残留物不同部位的形貌随着密度的变化呈现出不同的特征。对于残留物表层部分，当样品密度为 20 kg/m3时，表层及四周贴近钢丝网部分，由于散热作用明显，阴燃时间短，大部分为焦黄色热解产物，少量为黑色炭化物。当样品密度增大时，由于阴燃程度加深，残留物转变为由四周向中心分别为焦化、炭化、炭化夹带灰分 3 个明显区域。当密度进一步增大时，这 3个区域分别呈现焦化区逐渐缩小至消失、炭化区缩小、炭化夹带灰分区颜色变浅且灰分增加炭化物减少的趋势。对于中层部分，当样品密度较低时，由于蓄热作用，除贴近钢丝网部分为焦化物外，其余全部为黑色炭化物；当密度增加到 40 kg/m3时，贴近钢丝网部分焦化层消失，由四周向中心呈现出炭化、炭化夹带灰分、灰分 3个区域。随着密度的增加，炭化部分逐渐减少，炭化夹带灰分部分逐渐增加，且其中灰分增多、炭化部分减少，中部灰分部分由少量增加到密度为 80 kg/m3时的 25%。对于底层部分，当样品密度为 20 kg/m3时，由于热钢板和上部阴燃热反馈的作用，受热时间较长，阴燃程度加深，基本全部为灰黑色炭化物。当密度增大到 40 kg/m3时，残留物底层四周贴近钢丝网部分为少量炭化物夹带微量灰分，中间大部分为黑色炭化部分。当密度继续增大时，四周炭化物夹带灰分部分增加，且其中灰分量增加、整体颜色变浅，中部黑色炭化部分减少。此时样品底层的阴燃程度低于中层，可能是由于阴燃蔓延到中层及时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T1-0-20T1-0-40T1-0-60T1-0-80时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T2-0-20T2-0-40T2-0-60T2-0-80（a）T1-0-（b）T2-0-时间/s20 40 60 802 4002 0001 6001 2008004000T0-0-T1-0-T2-0-T3-0-/kg/m31412108642阴燃蔓延速率/10-3cm/sT0-0-T1-0-T1-0-T2-0-T2-0-T3-0-时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T3-0-20T3-0-40T3-0-60T3-0-80（c）T3-0-（d）临界阴燃温度时间和阴燃蔓延速率与密度关系图 7样品垂直方向上中心点温度达到 500 前与时间关系，以及临界阴燃温度时间和阴燃蔓延速率与密度关系Fig.7Temperature of the center point in the vertical direction changes with time before reaching 500，and occurring time of critical smoldering temperature and smoldering velocity as a function of density for samples图 8燃烧残留物的表层、中层和底层宏观形貌Fig.8The surface,middle and bottom macroscopic morphology of cotton smoldering residues1464消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期时，中心点温度先达到阴燃开始温度，阴燃由中心向四周方面蔓延；当密度增大时，则是四周温度先达到阴燃开始值，阴燃由四周向中心蔓延；当密度达到 60 kg/m3后，四周和中心点温度几乎同时达到阴燃开始值，此时样品在此水平面上基本没有出现水平蔓延现象。在距离底部 5.0 cm 的水平面上，样品密度为 20 kg/m3时，中心点和周围的温度几乎同时到达阴燃开始温度；样品密度不高于 60 kg/m3时，四周到达阴燃温度值要早于中心点，出现阴燃由四周向中心蔓延的现象；当密度为80 kg/m3时，中心温度达到阴燃温度时间提前，阴燃由中心向四周蔓延。在距离底部 7.5 cm 的水平面上，不同密度样品均存在四周温度早于中心达到阴燃温度值的现象，且密度越大，时间差值越大，说明此水平面上阴燃由四周向中心蔓延，且密度越大，蔓延越慢。3.3密度对棉花阴燃残留物宏观形貌的影响样品在阴燃结束后，不同密度样品残留物形貌呈现出一定的差异性，见图 8。由图 8可以看出，残留物不同部位的形貌随着密度的变化呈现出不同的特征。对于残留物表层部分，当样品密度为 20 kg/m3时，表层及四周贴近钢丝网部分，由于散热作用明显，阴燃时间短，大部分为焦黄色热解产物，少量为黑色炭化物。当样品密度增大时，由于阴燃程度加深，残留物转变为由四周向中心分别为焦化、炭化、炭化夹带灰分 3 个明显区域。当密度进一步增大时，这 3个区域分别呈现焦化区逐渐缩小至消失、炭化区缩小、炭化夹带灰分区颜色变浅且灰分增加炭化物减少的趋势。对于中层部分，当样品密度较低时，由于蓄热作用，除贴近钢丝网部分为焦化物外，其余全部为黑色炭化物；当密度增加到 40 kg/m3时，贴近钢丝网部分焦化层消失，由四周向中心呈现出炭化、炭化夹带灰分、灰分 3个区域。随着密度的增加，炭化部分逐渐减少，炭化夹带灰分部分逐渐增加，且其中灰分增多、炭化部分减少，中部灰分部分由少量增加到密度为 80 kg/m3时的 25%。对于底层部分，当样品密度为 20 kg/m3时，由于热钢板和上部阴燃热反馈的作用，受热时间较长，阴燃程度加深，基本全部为灰黑色炭化物。当密度增大到 40 kg/m3时，残留物底层四周贴近钢丝网部分为少量炭化物夹带微量灰分，中间大部分为黑色炭化部分。当密度继续增大时，四周炭化物夹带灰分部分增加，且其中灰分量增加、整体颜色变浅，中部黑色炭化部分减少。此时样品底层的阴燃程度低于中层，可能是由于阴燃蔓延到中层及时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T1-0-20T1-0-40T1-0-60T1-0-80时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T2-0-20T2-0-40T2-0-60T2-0-80（a）T1-0-（b）T2-0-时间/s20 40 60 802 4002 0001 6001 2008004000T0-0-T1-0-T2-0-T3-0-/kg/m31412108642阴燃蔓延速率/10-3cm/sT0-0-T1-0-T1-0-T2-0-T2-0-T3-0-时间/s01 0002 0005004003002001000温度/T3-0-20T3-0-40T3-0-60T3-0-80（c）T3-0-（d）临界阴燃温度时间和阴燃蔓延速率与密度关系图 7样品垂直方向上中心点温度达到 500 前与时间关系，以及临界阴燃温度时间和阴燃蔓延速率与密度关系Fig.7Temperature of the center point in the vertical direction changes with time before reaching 500，and occurring time of critical smoldering temperature and smoldering velocity as a function of density for samples（a）20 kg/m3（表层）（b）20 kg/m3（中层）（c）20 kg/m3（底层）（d）40 kg/m3（表层）（e）40 kg/m3（中层）（f）40 kg/m3（底层）（g）60 kg/m3（表层）（h）60 kg/m3（中层）（i）60 kg/m3（底层）（j）80 kg/m3（表层）（k）80 kg/m3（中层）（l）80 kg/m3（底层）图 8燃烧残留物的表层、中层和底层宏观形貌Fig.8The surface,middle and bottom macroscopic morphology of cotton smoldering residues1465Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11以上后，密度增大以及中部完全阴燃所形成的灰化层，使上部热反馈减缓，所蓄积热量不足所致。对于样品的整体形貌，随着密度的增加，由于阴燃时间延长，阴燃程度增加，残留物逐渐由絮状转变会粉末状，坍塌收缩程度增加，这点也可以从图 9 中剩余质量比例逐渐减少中看出。4结 论本文对密度为 20、40、60、80 kg/m3的棉花，采用底部热源的方法，研究了密度对阴燃过程和残留物的影响。结论如下：1）棉花的临界阴燃温度随密度的增加呈现减小的趋势，在密度从 20 kg/m3升高至 80 kg/m3的过程中，阴燃临界温度降低了约 35。2）棉花的阴燃蔓延速率随密度的增加呈现减小趋势，在试验的密度变化范围内降低了约 50%60%。3）不同密度的棉花在阴燃后，其内部温度随时间的变化趋势比较相似，但阴燃持续时间增加，在密度从 20 kg/m3升 高 至 80 kg/m3的 过 程 中，阴 燃 持 续 的 时 间 从 2 500 s延长至约 5 000 s。4）棉花阴燃后发生坍塌，体积与密度大幅度缩小，且缩小程度随密度增加而增加。阴燃过程中，棉纤维发生炭化后继续氧化燃烧，最终产物呈现为较多灰白色灰烬与较少黑色絮状物，灰白色灰分大多在内层，黑色絮状物大多在外层。密度越高，灰分量越多，黑色絮状物越少。参考文献：1 WAKELYN P J.Cotton fiber chemistry and technologyM.Boca Raton:CRC Press,2007.2 DING L,JI J,KHAN F,et al.Quantitative fire risk assessment of cotton storage and a criticality analysis of risk control strategiesJ.Fire and Materials,2019,44:165-179.3 朱荨荨.棉花物流仓库火灾危险因果分析与防火对策研究J.消防技术与产品信息,2017(3):26-29.4 MA J Y.Analysis on the fire risk existing in the storage of textile materials and textile goodsJ.Procedia Engineering,2014,71:271-275.5 CHAN T K,NAPIER D H.Smouldering and ignition of cotton fibers and dustJ.Fire Prevention and Technology,1973(4):13-23.6 HAGEN B C,FRETTE V,KLEPPE G,et al.Onset of smoldering in cotton:Effects of densityJ.Fire Safety Journal,2011,46(3):73-80.7 WAKELYN P J,HUGHS S E.Evaluation of the flammability of cotton balesJ.Fire and Materials,2002(26):183-189.8 XIE Q Y,ZHANG Z G,LIN S R,et al.Smoldering fire of high-density cotton bale under concurrent windJ.Fire Technology,2020,56:2241-2256.9 赵志新,蔡炜,王鑫,等.热辐射强度对棉花燃烧特性的影响J.消防科学与技术,2020,39(2):167-170.10 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increases.The smoldering residue is a black flocculent covering the inner gray ash,and the ash volume increases with increasing density.The results can provide reference for the prevention and investigation of cotton smoldering fire.Key words:cotton;smoldering;combustion residue;thermogravimetric analysis;critical smoldering temperature作者简介：岳海玲（1980-），女，山西长治人，中国人民警察大学副教授，主要从事消防安全研究，河北省廊坊市安次区西环路 220号