对艾绒纯度分别为35∶1和10∶1的艾条试样进行垂直燃烧试验，风速为0 m·s-1，得到的结果如表2所示。从表2中可以看出，艾绒纯度较高时，艾条的单位长度垂直燃烧时间较短、燃烧速率较快，艾绒纯度较低时，艾条的单位长度垂直燃烧时间较长、燃烧速率较慢，这说明在其他条件一致的情况下，艾绒纯度较高的艾条发生火灾时，火焰垂直蔓延速度较快。

表2 艾条的垂直燃烧性能测量参数艾绒纯度燃烧长度/mm燃烧时间/min单位长度燃烧时间/min燃烧速率/mm·min-135︰.︰.

2.2 艾绒热分解性能及反应动力学研究

为研究艾绒纯度对艾绒热分解特性的影响，对三种纯度的艾绒进行了热重分析，结果如图3和表3所示。从图3和表3可以看出，三种纯度的艾绒均有两个热分解阶段，在第一个热分解阶段，初始热分解温度较低，在55～65 ℃之间，且质量损失率较小，质量残留率在95%以上，此阶段主要应为水分及一些挥发性油类物质的散失。在第二个失重阶段，主要为挥发性油类物质和木质纤维素等物质的热分解，在此阶段，纯度为5∶1和10∶1的艾绒初始热分解温度接近，均为235 ℃左右，质量残留率为49%左右，而纯度为35∶1的艾绒初始热分解温度较高，为262.62 ℃，且质量残留率较低，为43.09%，这是因为35∶1的艾绒纯度较高，杂质较少，因此其热稳定性较好。

(a)5∶1

(b)10∶1

(c)35∶1图3 三种艾绒的热重曲线图

表3 不同纯度艾绒热分解阶段分解阶段分解参数5︰110︰135︰1第一阶段Tonset/℃/℃102...29Tp/℃质量残留率/%第二阶段Tonset/℃236...62Tend/℃358...78Tp/℃327...75质量残留率/%注：Tonset为初始热分解温度，Tend为终止热分解温度，Tp最大热分解速率对应温度。

在艾条的热分解动力学分析中，采取普适性较强的Coats-Redfern法，此方法为积分法，表达式为：

式中，g(α)是机理函数；α是质量变化率，%；β是升温速率，℃·min-1；A是频率因子，min-1；E是活化能，kJ·mol-1；R是气体常数，8.314×10-3 kJ·mol-1·K-1；T是反应温度，K。

显然，2RT/E?1，对于正确的g(α)形式，以ln[g(α)/T2]对1/T的图线应为一条直线，其斜率为-E/R，根据斜率可计算出活化能E，根据截距可得出频率因子A。g(α)常见的8种形式如表4所示。

将三种艾绒试样依次代入上述8种模型，并选取各自DTG(TG曲线的一阶微分)曲线中的第二个热分解阶段为主要热分解阶段进行分析。对曲线进行拟合，并比较R2值从而选定各对应的模型，R2值见表5。

从表5可以看出，三种纯度艾绒试样的反应机理函数均与一维扩散模型D1的相关性较好，R2值均在0.99以上，因此取该模型进行运算。经运算，纯度5∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-，纯度10∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-，纯度35∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-。将各函数的截距以及斜率代入公式(1)，得到对应的活化能及频率因子，计算结果如表6所示。

表4 常见g(α)形式模型g(α)n级简单模型n=1时n≠1时-ln(1-α)[1-(1-α)1-n](1-n) 相相界反应圆柱形对称模型R21-(1-α)1/2相相界反应球形对称模型R31-(1-α)1/3一维扩散模型D1α2一维扩散模型D2(1-α)ln(1-α)+α一维扩散模型D3[1-(1-α)1/3]2一维扩散模型D4(1-2α/3)-(1-α)2/3

表5 不同纯度艾绒的R2值模型R2值5︰110︰135︰1n级简单模型(n=1)0.959 80.950 70.965 3n级简单模型(n=1.5)0.944 50.930 90.953 8n级简单模型(n=2)0.929 70.911 30.941相相界反应圆柱形对称模型R20.974 20.969 30.972 9相相界反应球形对称模型R30.969 60.963 30.971一维扩散模型D10.991 10.990 10.996 9一维扩散模型D20.984 70.984 80.973 2一维扩散模型D30.980 30.973 90.979 1一维扩散模型D40.984 70.979 80.981 7

表6 不同纯度艾绒的热分解反应动力学参数艾绒纯度E/kJ·mol-1A/min-15︰︰︰122..70

从表6中可以看出，随着艾绒纯度的提高，艾绒发生热分解反应的活化能呈逐渐增大的趋势，但数量级保持一致，结合热分解反应初始温度的变化规律来看，艾绒纯度对于热分解反应进行的难易程度有一定影响，但不是唯一的影响因素，试样成分、松紧程度、储存时间等因素都会影响反应的进行。

3 结论

本文选取传统中医保健常用的三种不同纯度的艾条进行试验，利用水平垂直燃烧测试仪、热重分析仪得到燃烧参数，对比分析了其燃烧性能，主要结论为：(1)在风速为零的情况下，艾条的燃烧速度相对较小，火灾危险性相对较小。但在实际生活中，考虑开窗产生的自然风，空调产生的冷/热风，风速条件不可忽略。艾条的燃烧速度随着风速的增加而增大，其火灾危险性也不断增大。在其他条件一致的情况下，艾绒纯度较高的艾条发生火灾时的火焰垂直蔓延速度较快。(2)艾绒的热分解包括两个阶段，两个阶段初始热分解温度分别在55 ℃和235 ℃左右，艾绒纯度较高的艾条初始热分解温度较高，热稳定性较好。(3)三种纯度艾绒试样的热解反应机理函数均与一维扩散模型D1的相关性较好，热解机理函数分别为y=-，y=-，y=-；由方程求出的艾绒热解反应活化能分别为12.81，17.78和22.63 kJ·mol-1。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0313/551.html

上一篇：警用多用途水下机器人动力结构设计
下一篇：基于多主体仿真的腐败动力学分析