基于高光谱成像的阻燃处理木材反应火性能无损监测

《Developments in the Built Environment》：Non-destructive monitoring of reaction-to-fire performance in fire-retardant-treated wood using hyperspectral imaging

　　

多层建筑中的木质外墙常依赖阻燃处理以满足安全要求。然而，在户外暴露条件下，其长期性能难以通过传统方法评估。本研究提出了一种基于近红外高光谱成像（near-infrared hyperspectral imaging, NIR-HSI）的无损监测方法，用于追踪磷系阻燃剂处理木材在经历浸出循环后反应火性能的劣化。研究人员将处理过的欧洲赤松（Scots pine）样品暴露于模拟风化条件，随后通过质量损失量热法（mass-loss calorimetry）进行反应火性能测试。研究人员将高光谱数据与典型偏最小二乘线性判别分析（canonical partial least squares linear discriminant analysis, CPLS-LDA）相结合，以区分火性能类别并检测阻燃剂消耗过程中的性能转变。该模型实现了77%的交叉验证准确率和96.2%的测试准确率，并能对木材表面的火性能进行空间预测。结果表明，高光谱成像为监测含磷系阻燃剂的木材构件中与火相关的性能退化提供了实用工具，支持外墙的检查、维护和安全管理。

**论文解读：基于高光谱成像的阻燃处理木材反应火性能无损监测**

**研究背景与问题**
木材因其可持续性、多功能性和美学特性，在现代建筑中广泛应用于外墙、结构框架和建筑元素。然而，其固有的可燃性带来了显著的火灾安全风险。通过在木材结构中引入化学阻燃剂（fire retardants, FRs），可以改变木材的燃烧行为，从而降低风险。磷系阻燃剂因其在燃烧过程中降低热释放和促进炭化的高效性，成为木材产品中最常用的系统之一。尽管已开发出抗浸出配方用于户外应用，但磷在木材结构中的保留对于维持长期火性能至关重要，因为风化和反复湿润会逐步降低阻燃处理的效果。这要求对阻燃性能进行定期检查和监测，以确保木材构件在整个使用寿命期间的火灾安全。传统评估方法包括锥形量热法、单体燃烧试验（single burning item, SBI）等，这些方法虽能提供明确的性能指标和监管分类依据，但具有破坏性、资源密集，且无法实现连续的原位监测。元素分析技术如电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和X射线荧光光谱法（XRF）虽能量化阻燃剂保留量，但受限于单点测量，无法映射大尺寸木材截面上阻燃剂含量的空间分布或评估性能异质性。因此，需要一种具有空间分辨率的非破坏性传感技术，可直接应用于外墙系统中的木材，实现阻燃剂稳定性和性能退化的持续监测。

**研究目的与意义**
本研究旨在开发一种基于高光谱成像（HSI）的化学传感方法，用于对磷系阻燃剂处理木材根据其反应火性能进行分类，并追踪模拟户外暴露条件下的阻燃剂浸出动态。研究人员通过将高光谱数据与火性能数据相关联，建立典型偏最小二乘线性判别分析（CPLS-LDA）分类模型，预测性能类别并识别阻燃剂含量变化时的类别转换边界。该研究填补了将HSI直接用于阻燃处理木材火分类的研究空白，为建筑外墙应用提供了一种实用、非侵入性的监测工具，支持基于性能的检查、维护规划和风险评估。该论文发表在《Developments in the Built Environment》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下主要方法：
1. **样品制备与浸出处理**：以欧洲赤松（Pinus sylvestris L.）边材为样本（尺寸100×100×20 mm，平均干密度420 kg/m3），采用含磷酸和甲醛的商用阻燃剂进行真空-压力浸渍。通过改变浸渍溶液固含量（0%、12%、36%）和浸出循环次数（LCs: 0、3、10）进行实验设计，共65个样品。
2. **元素分析**：采用ICP-OES（Agilent 5100 DW）对磷含量进行高精度定量，检测限0.004%，定量限0.013%；采用手持式XRF（Thermo Scientific Niton XL3t GOLDD）进行非破坏性磷检测，检测限0.13 g/kg。
3. **热分析**：使用同步热分析（STA，Netzsch STA 449 F1 Jupiter）结合傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR），在氮气中以10 °C/min升温至800 °C，分析热分解行为和气体产物。
4. **火性能测试**：采用质量损失量热仪（Fire Testing Technology）进行反应火性能测试，热通量50 kW/m2，持续1800秒，测定热释放速率（HRR）、点火时间（TTI）和峰值热释放速率（pHRR）。
5. **高光谱成像**：使用HySpex SWIR 384推扫式线扫描相机（930–2516 nm，288个光谱通道），采集样品光谱数据，经辐射校正、扩展乘法散射校正（EMSC）预处理后，结合CPLS-LDA进行分类建模。
所有样本来源为单块欧洲赤松边材，以降低自然变异。

**研究结果**
**3.1 重量分析**：随着浸出循环次数增加，阻燃剂含量显著降低。经36%固含量处理样品在3次浸出后损失42.8%，10次后损失88.5%；12%处理样品损失分别为57.6%和71.9%。未处理样品在浸出后出现负值，归因于天然木材抽提物的去除。
**3.2 元素分析**：ICP-OES显示磷含量随浸出逐步下降。36%处理样品磷含量从初始62.5 g/kg降至3次浸出后44 g/kg，10次后18.5 g/kg；12%处理样品从39.5 g/kg降至19.5 g/kg（3次）和14 g/kg（10次）。XRF同样检测到磷含量下降，但系统性低估较高磷含量（R2=0.77）。两种方法均显示10次浸出后不同初始处理样品残留磷含量趋同（14–18.5 g/kg），表明阻燃剂具有一定的稳定性，但仍有渐进损失。
**3.3 同步热分析**：热重分析（TGA）显示阻燃处理样品在较低温度（240–280 °C）开始分解，主分解峰向低温偏移，归因于磷酸催化脱水。经浸出后，主分解峰轻微向高温回移，但即使10次浸出后仍显著低于未处理木材，表明阻燃机制持续存在。差示扫描量热（DSC）显示阻燃处理样品在260–280 °C出现明显吸热峰，浸出后峰位轻微偏移但未恢复至未处理水平。TG-FTIR分析检测到磷指纹（900–1100 cm?1，P=O和P-O-C），其峰面积随浸出下降，但10次后仍可检测。CO?释放减少且向低温偏移，与催化脱水和炭化一致。
**3.4 火性能测试**：质量损失量热测试显示，阻燃处理显著延迟了质量损失起始时间，提高了最终质量分数（20.1%–44.6% vs 未处理4.0%）。热释放速率曲线表明，未处理木材呈现典型双峰模式，pHRR为223.8 kW/m2；12%处理样品pHRR降至148.2 kW/m2且点火时间延迟；36%处理样品在1800秒内未出现可见火焰，pHRR<40 kW/m2。浸出后，pHRR逐渐回升，10次浸出后12%和36%处理样品pHRR分别为168.6和137.3 kW/m2，点火时间缩短至<100秒，但仍低于未处理木材。基于pHRR和TTI，研究人员将样品划分为高（pHRR≤100 kW/m2，TTI≥40 s）、中（pHRR≤180 kW/m2，TTI≥30 s）和低（pHRR≤250 kW/m2，TTI≥15 s）三类火性能等级。
**3.5 近红外高光谱成像与非侵入性分类**：
**3.5.1 光谱预处理**：通过EMSC去除物理散射和水分效应，保留与阻燃剂相关的化学变化。
**3.5.2 多元分类策略**：采用CPLS-LDA模型，以3个主成分实现77%交叉验证准确率和96.2%测试准确率。得分图显示三类火性能在训练集和测试集中均实现清晰分离。
**3.5.3 光谱归属**：CPLS载荷权重突出显示阻燃剂相关特征波段（如1503、2004、2243 nm），对应P-OH和H-OH组合振动，以及木材聚合物因酯化和交联引起的化学变化。
**3.5.4 火性能空间预测**：对36%处理样品在不同浸出循环下的全表面像素分类图显示，从0次浸出的“高”性能逐步过渡到10次后的“中”性能，且空间分布呈现异质性。该结果证明了HSI在空间上监测阻燃剂性能退化的能力。

**讨论与结论**
**讨论**：本研究存在若干局限性，需在实际部署前进一步研究。首先，分类模型仅针对特定磷系配方，其在不同阻燃剂化学体系中的适用性有待验证。其次，耐久性评估仅关注反复浸湿-干燥循环，而未考虑紫外线辐射、温度波动、冻融循环和生物因素等户外暴露条件。第三，高光谱测量在受控实验室条件下进行，未来需评估在现场条件下（光照变化、水分含量、表面几何形状等）的鲁棒性。
**结论**（翻译）：本研究评估了阻燃处理木材在模拟户外暴露下的稳定性和火相关性能，特别关注与外墙应用相关的降解监测。基于浸渍的阻燃配方显示出对反复浸出循环的抗性；然而，根据重量、元素和热分析，木材样品中阻燃剂含量仍出现渐进损失。与此消耗一致，由质量损失量热法测得的反应火行为随浸出循环增加而劣化，表明根据热释放指标从较高火性能水平向较低水平转变。NIR-HSI结合CPLS-LDA为预测本研究中磷系阻燃剂处理木材的反应火性能类别提供了一种稳健的非侵入性方法。该方法在区分高、中、低火性能样品方面实现了高分类准确率。与单点测量不同，HSI以元素分析无法达到的空间分辨率捕获了整个木材表面的化学变化。空间分类图实现了像素级预测，并揭示了浸出过程中异质的火性能演变模式。这种基于HSI的化学传感方法解决了火灾安全监测中的关键空白，为阻燃剂长期稳定性影响安全性能的建筑外墙应用提供了实际优势。未来研究应侧重于将当前概念验证方法转移到实际应用，并评估其在真实服役条件下的鲁棒性。