1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30阻燃材料学 第五章 材料阻燃性能测试方法和标准 第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 第二节 点燃性和可燃性的测定 第三节 火焰传播速率的测定 第四节 释热性的测定 第五节 生烟性的测定 第六节 燃烧产物腐蚀性的测定 第七节 燃烧产物毒性测定上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第五章 阻燃性能测试方法和标准 第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 一、复杂性和相对性 二、局限性 三、国际化 四、新测试方法 上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 一、复杂性和相对性 测定材料的阻燃性能是一个极
2、其复杂的问题，因为影响材料燃烧的因素很多，且彼此制约。随着这些因素的变化，同一材料在火灾中的行为不同，因而测得的材料阻燃性能也常有差异。影响因素有：点火源的形式、施加火源的时间、火源的强度、材料与火源的位置、通风情况、材料的形状和厚度、材料的性能和应用环境等。在这样一个复杂的系统中，要想准确而客观地测定有关材料阻燃性能的所有参数，还要分别求得各个因素对材料燃烧的主要影响，几乎是不可能的。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 为了试验结果的可比性，人们必须建立测试标准，严格规定测试条件。所以现在国际上有很多材料(特别是塑料)阻燃性能测试标准，其中不
3、少是针对专门行业的，如建材、电子-电气、运输(包括公路、铁路及航空)、矿山、家具、纺织品、泡沫体等。不过，其中为国际上普通采用的测试标准则为数要少，而且常有某一个国家甚至某些个别工厂，对用于不同领域的塑料采用不同的标准。但问题是，测定同一阻燃参数的几个方法，有时也缺乏科学的相关性。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 目前，单是在美国就有100多种测定材料阻燃参数的方法，而且其它国家还有一些与美国不同的方法，有时将它们的测定结果相互比较是相当困难的。所以，有些在某个国家能够接受的阻燃材料，在其它国家可能不被采用。应当注意的是，阻燃不是一个绝对的概
4、念，在标称材料的某一阻燃性能时，一定要具体说明采用的测试方法和测试条件，而且为了正确使用阻燃高骤物，人们必须了解使用现有的阻燃测试方法来评价高聚物的阻燃性是不全面的和不完全客观的，所以现代越来越多地采用那些可以测定材料阻燃基本性能，然后据此能够转化为数学模型和(或)物理模型的测试方法。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 二、局限性 1、小型试验及其局限性：现行的大多数评价材料阻燃性能的测试方法，大都是小型试验(bench scale)。小型试验的试验结果只能用来在试验条件下相对比较不同材料的阻燃性，而不能用来全面衡量材料在真实火灾中的实际行为。
5、这种小型测定法仍然为各国普遍采用和用于工业产品阻燃性能的评价，并被国际和一些国家组织颁发为标准。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 2、大型试验及其局限性：为了获得材料在实际火灾中的真实行为或接近真实的行为，一些国家已经或正在建立大型试验，特别是模拟真正火灾的大型试验，并建立计算机模型。大型试验费时很多，耗资巨大，非一般实验室力所能及。另外，有些大型试验，目前也还是经验性的，并不总能得出令人满意的结果。现在，人们还在通过多种物理和数学模型，以期能由一些小型试验结果来推测材料在真实火灾中的行为。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第
6、一节 阻燃性能测试方法的一般问题 三、国际化 随着经济的全球化，需要统一各国的阻燃标准，以消除贸易壁垒。因为单一国家的产品和测试标准不利于产品在各国间的流通。所以，在科学的基础上制订国际阻燃标准来代替现存的多个阻燃标准十分必要。在1991年，北欧就提出了统一建材(壁纸、天花板衬里)阻燃性能方法的研究规划，并以锥形量热仪(ISO 5660)和大型燃烧试验(ISO 9705)两者的测试结果来划分壁纸和天花板衬里材料的阻燃级别，还建立了一个由锥形量热仪测定结果来预测ISO 9705大型燃烧试验时火势成长的数学模型。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题
7、最近，欧共体各国还在讨论一种适用于建树的以ISO 9705法为基础的阻燃测试方案，提出采用材料发生爆燃的时间、释热速率、生烟速率及其他阻燃参数来评价材料的阻燃性，且已测试过约30种建材产品，虽还存在一些问题，但正逐渐为各国所接受。此外，一些欧洲国家还制订了共同接受的评价和测试家具及床上用品阻燃性的法规，这类法规的着重点是限制上述材料燃烧时对人的危害，即应控制材料燃烧时的释热速率、生烟量及有毒气体生成量，而这些参数可采用家具量热仪及锥形量热仪测得。他们还建立了3种不同的数字模型，用来由锥形量热仪的测试结果预测家具的燃烧情况。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方
8、法的一般问题 电子-电气产品阻燃测试方法和标准的国际化更迫切。以前，这类产品的安全标准有些是各国独立制订，有一些是国际标准。在这类产品测试标准的国际化进程中，首先统一的就是计算机和办公室设备的标准，如IEC 60950。现在，这个标准也被用于通讯设备。其次，要统一的是家用电器产品，它们应采用什么样的阻燃标准，更是一个值得重视的问题。当人们由国家标准步入国际标准，标准统一化进程中将会改变对材料、对产品的一些持殊要求，但不一定会提高或降低它们的阻燃性能。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第一节 阻燃性能测试方法的一般问题 四、新测试方法 由于火灾模型的迅速发展，需要建立一些新的特殊
9、测试方法，如锥形量热仪法、释热量热仪法等。利用这些方法，可以测定材料很多与火灾发展有关的参数。如释热速率、临界热流量、表面辐照损失的热响应参数、气化热、火焰极限热流量、燃烧热、腐蚀系数、火焰传播系数、火焰淬灭指数、燃烧产物等。其中，释热速率被认为是最重要的火灾参数，但至今人们不甚明了释热速率与材料物理化学性能间的定量关系，只是建立了几个相关模型，可一般地描述材料引燃温度、引燃时间、气化热、质量损失速率及释热速率与热力学及材料传输性能的关系。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第五章 阻燃性能测试方法和标准第二节 点燃性和可燃性的测定 一、点燃温度的测定 二、极限氧指数的测定 三、
10、可燃性的测定（UL94可燃性试验）上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 材料的点燃性是与点火源有关的，它表征材料引发火灾的概率。没有点燃，就不可能发生火灾。材料被点燃不一定是由直接点火源引发，还存在一些间接的点燃材料的因素。材料的可燃性是指材料进行有焰燃烧的能力。在规定的试验条件下，能进行有焰燃烧的材料，称为可燃材料。现在采用的材料可燃性测定方法是基于将特定火焰施加于材料所产生的结果。所用火焰的类型、大小、施加于试祥的时间以及试样的尺寸、形状及放置方向等，在不同的试验中有所不同，均在测试方法或标准中有详细的规定。测试方法大多是根据工业材料或产品的需要制
11、定的。近年来，国际组织正在考虑将这些方法或标准更加合理化和国际化。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 一、点燃温度的测定 点燃温度定义为在规定试验条件下，塑料分解放出可燃气体，经外界火焰点燃并维持燃烧一定时间的最低温度。ISO 871、ASTM D1929及GB 6410都是测定塑料点燃温度的标准方法。实际上测定的是塑料的闪燃温度和自燃温度。闪燃温度是高聚物分解形成的可燃性气体可被火焰或火花引燃的温度，它通常高于起始分解温度。自燃温度是高聚物本身的化学反应导致其自燃的温度，它一般高于闪燃温度(也有例外)。一些高聚物的闪燃温度及自燃温度如表5-1。上一
12、内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-1 一些聚合物的闪燃温度及自燃温度/上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-1 一些聚合物的闪燃温度及自燃温度/上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 ISO 871采用一种热空气点燃炉(Setchkin仪)测定塑料的点燃温度。测定时，将粒状试祥(或19cm x 19cm方片)置于炉内，再往炉中以定速通入高温空气，然后立即开始计时，并点燃引火源。若试祥在5 min内点燃，则降低空气温度，更换试样，重新测试。相反，若试样在5 min内仍不点燃，则提高空气温度，重新测试。记录发生闪光的最低空
13、气温度，即试样最低闪燃温度。试样的自燃温度可采用与上述相类似的方法测定，但无需点火源。记录试样燃烧的最低温度，即最低自燃温度。除记录试样点燃温度外，还应记录所观察到的各种现象，如熔融、起泡和生烟等。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 二、极限氧指数的测定 极限氧指数(LOI)定义为在规定条件下，试样在氮、氧混合气体中，维持平衡燃烧所需的最低氧浓度(体积分数)。1、理论基础 聚合物的氧指数与其燃烧时的成炭率、比燃烧焓及元素组成等因素有关，计算方法有：(1)按成炭率计算 1974年，P.W.Vsn Krevelen在大量实验基础上，提出了不含卤高聚物LO
14、I与成炭率的线性关系式(5-1)。LOI=(17.5+0.4CR)/100 (5-1)式中，CR为高聚物加热至850时的成炭率，单位为%。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 高聚物的CR具有基团加和性，是分子中各基团对成炭率贡献的总和，如式(5-2)。CR=(CFT)i 1200/M (5-2)式中：M高聚物结构单元的摩尔质量，g/mol；CFT每摩尔结构单元的成炭量与碳的摩尔质量(12g/mol)之比，即每摩尔结构单元成炭量中所含碳的物质的量，mol。高聚物中不同基团的CFT值可在专门的手册中查得。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30
15、第二节 点燃性和可燃性的测定 (2)按比燃烧焓计算 很多高聚物的燃烧焓、氧化焓及起始分解温度与它们的L0I数间存在一定的对应关系，特别是一些高聚物的LOI的倒数与它们的燃烧焓及氧化焓比值之间具有较好的线性关系。LOI可按式(5-3)计算。LOI=-8103/ghb=-8103 M/mHb （5-3）式中：ghb高聚物比燃烧焓，J/g；mHb高聚物一个结构单元的摩尔燃烧焓，J/mol；M高聚物一个结构单元的摩尔质量，g/mol。式(5-3)对C/O值或C/N值(物质的量)小于6的高聚物不适用。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 mHb可根据完全燃烧产物
16、(CO2及H2O)的生成焓及被燃烧高聚物的生成焓求得，也可根据高聚物完全燃烧需氧量按式(5-4)计算。mHb=-4.35105 mO (5-4)式中，mO为高聚物1mol结构单元完全燃烧需氧量，单位为mol/mol。合并式(5-3)及式(5-4)，可得式(5-5)。LOI=-1.8410-2 M/mO (5-5)ghb值越小(即燃烧时放出的热量越大，因ghb为负值)或mO值越大的高聚物，其LOI值越低。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 (3)按元素组成估算 高聚物中的氧含量降低和卤素含量增高，均可提高材料的LOI。如，聚己内酯与尼龙6相比，只是前者
17、中的一个氧原子被后者中的一个-NH所取代，但尼龙6的LOI比聚己内酯高24%。起重要作用的还是组成中各元素的相对含量，如H/C、F/C、Cl/C等的物质的量比，较小的H/C值和较大的F/C和Cl/C值(即较小的CP值)，可赋予物质较大的LOI。对大多数高聚物来说，用式(11-6)估算的LOI值与实测LOI值相当接近(见表5-3)。CP1时，LOI0.175 CP1时，L0I0.60-0.425CP (5-6)CP值可按式(5-7)计算。CPH/C-0.65(F/C)1/3-1.1(Cl/C)1/3 (5-7)上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-2 一些高聚物的氧指数（单位：
18、%）上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-2 一些高聚物的氧指数（单位：%）上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-2 一些高聚物的氧指数（单位：%）上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-3 一些聚合物氧指数的计算值及实验值比较上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-3 一些聚合物氧指数的计算值及实验值比较上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 2、实际测定 ISO 4589、ASTM D2863及GB 2406都规定了测定LOI的标准方法。测定塑料氧指数的设备是氧指数仪(见图5-1)。
19、氧指数仪组成：包括一玻璃燃烧筒、试祥夹及流量和测量控制系统。燃烧筒底部填充一层玻璃珠用以平衡气流，其上有一金属网，用以承接试样燃烧时的滴落物。测试：将试样垂直地装于试样夹上，从燃烧筒底部通入氧、氮混合气，用点火器从上端点燃试祥，改变混合气中氧浓度，直至火焰前沿恰好达到试样的标线为止。由此氧浓度计算材料氧指数，以3次试验结果的算术平均值为测定值。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 3、影响氧指数的因素 氧指数的测定结果受气体流速、试样厚度、气体压强、点火位置、试祥夹持方式、温度等一系列因素的影响。测定应在严格规定的条件下进行，结果才会具有良好的重现性和
20、准确度。应强调的是温度与氧指数的关系，温度升高，材料的氧指数下降，测定不同温度下材料的氧指数，有助于理解材料的燃烧机理和分子结构。几种聚合物的氧指数随温度变化的情况见图5-2。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定图5-1 氧指数测定仪 1-试样；2-夹具；3-金属丝网；4-铜底盘；5-柱内玻璃珠；6-支架；7-点火器；8-三通管；9-截止阀；10-支持器内小孔；11-压力表；12-精密压力调节器；13-过滤器；14-针形阀；15-转子流量计。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定图5-2 几种聚合物氧指数与温度的
21、关系酚醛树脂聚双(苯氧基)磷氯烯阻燃PAII阻燃PP上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 三、可燃性的测定(UL94可燃性试验)塑料可燃性是指按一定位置放置的塑料被施加火焰后的燃烧行为。ANSI/UL94标准是国际上广泛采用的测定塑料可燃性的方法，可用来初步评价被测塑料是否适合于某一特定的应用场所。UL94可燃性试验包括下述4个测试方法：94 HB水平燃烧试验；94 V-0，94 V-1及94 V-2的垂直燃烧试验；94-5V垂直燃烧试验；94 VT M-0、94 VT M-1及94 VT M-2垂直燃烧试验。上一内容下一内容回主目录O返回2022-1
22、1-30第二节 点燃性和可燃性的测定 （1）UL94 HB水平燃烧试验 UL94 HB水平燃烧试验装置示意图见图5-3。图5-3 水平燃烧试验(UL94 HB)装置示意图a为25.4 mm；b为76.2mm；c为25.4 mm；d为9.5 mm。A为铁丝；B为试祥。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 试样制备：试样大小为130mmx13mm，分别在25mm和100mm处标上刻度线。试验方法：将试样夹在环形夹里，点燃燃烧器，产生25mm高的蓝色火焰。从试样的边缘到6.4mm处受火焰灼烧30s，燃烧时不改变燃烧器位置。把试样从燃烧器处移开。若不到30s试
23、样就燃烧到25 mm标记处，则撤去火焰。若撤走火焰后，试样仍继续燃烧，则测定火焰前沿到25mm标记处(从试样自由端算起)所需时间，计算燃烧速率。每个样品应测定5个试祥，并取最大的燃烧速率或燃烧长度作为材料评定标准。对厚为313 mm的试样，如燃烧速率不大于38 mm/min；或对厚小于3 mm试样，燃烧速率不大于76 mm/min；或试样燃烧100 mm前，火即熄灭，则该塑料可划归UL94 HB级。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 (2)UL94 V-0、V-1及V-2垂直燃烧试验 垂直燃烧试验装置示意图见图5-4。A 为脱脂棉B 为试样 图5-4
24、 垂直燃烧试验(UL94)装置示意图上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 (2)UL94 V-0、V-1及V-2垂直燃烧试验 垂直燃烧试验装置示意图见图5-4。测定时，将本生灯置于垂直放置的试样(130 mmx13 mm)下端，点火10s(蓝色火焰高85 mm)，然后移走火源，记录试样有焰燃烧时间；如试样在移走火源后30s内自熄，则重新点燃试样10s，记录火源移走后试样有焰燃烧和无焰燃烧的续燃时间，同时观察是否产生有焰熔滴和熔滴是否引燃脱脂棉。按表5-4所列条件评价材料的阻燃级别。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30表5-4 UL94 V
25、-0、V-1及V-2垂直燃烧测定判别指标上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 (3)UL94-5V的垂直燃烧试验图5-5 垂直燃烧试验(UL945V)装置示意图a为焰心高；b为火焰高；A为试样 上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 试样可为130mmx13mm的长条。测试时，使燃烧器上的管子与垂直方向成20角。点燃燃烧器，调节火焰高度，使总高度为127mm，火焰内蓝色焰心高度为38mm。把火焰置于试样下端边角上，令火焰与垂直方向成20角。这样，蓝色焰心的尖端便可与试样接触。试样在火焰下燃烧5s，然后将火焰移走5
26、s。重复4次，观察并记录试样着火和发光时间、试样燃烧长度、试样的滴流现象和形变等。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 （4）中强火焰下塑料可燃性的测定 中强火焰下塑料可燃性的测定是对被测试样施以中等强度(500W)及长125mm的火焰，以比较各种塑料在这种情况下的相对燃烧行为和它们在燃烧过程中(燃烬)的阻燃性。其试验装置示意图见图5-6。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定图5-6 中强火焰下塑料可燃性的测定装置示意图A为试祥；B为火焰；C为棉花 上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃
27、性和可燃性的测定 该试验所用火焰强度约为UL 94垂直燃烧试验(V-0、V-1及V-2)的10倍，试验采用甲烷气为点燃源，也可采用丙烷或丁烷。所用试件为125mm13mm3mm的垂直条形样。试验时，对试样施加火焰5次，每次维持时间5s，每次移走火焰5s。与UL垂直燃烧试验相同，试样下也置有脱脂棉，以测知塑料燃烧时产生的熔滴是否可将棉花引燃。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 （5）灼热丝试验 IEC 695-2-1采用的灼热丝试验仪示于图5-7。1-试样2-试样台3-加力装置4-灼热针 图5-7 灼热丝试验仪示意图上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30第二节 点燃性和可燃性的测定 试验时，将一加热至550960的灼热丝，以1N的力推至靠紧试件，并维持30s，然后观察试佯的变化。GB 5196.4也规定了灼热丝试验法。IEC 695-2-2-0为热丝线圈点燃试验，可用于固体绝缘电气材料，目的是比较以电热线圈点燃不同试样所需时间。此法所用试样大小为：125mm x 13mm x 3mm以电热线圈环绕试样，两线圈间距为6.35mm，功率为0.26W/mm。记录点燃试样所需时间。上一内容下一内容回主目录O返回2022-11-30阻燃材料学 第五章（一）完
