解析常见的燃烧检测方法和标准对塑料阻燃性能的表征

解析常见的燃烧检测方法和标准对塑料阻燃性能的表征

（一）常见燃烧检测方法和标准

（1）UL 94 垂直燃烧测试简介

试样燃烧行为V-0 V-1 V-2

试样数 5 5 5

每个试样点燃次数 2 2 2

每个试样每次点燃后单个试样最长有焰燃烧时间/s ≦10 ≦30 ≦30

第二次点燃后单个试样最长无焰燃烧时间/s ≦30 ≦60 ≦60

5个试样10次点燃后有焰燃烧总时间/s ≦50 ≦250 ≦250

有无引燃熔滴和熔滴是否引燃脱脂棉否否是

是否燃烧到夹具否否否

（2）ICE 60695 灼热丝测试简介

灼热丝是用直径为4ｍｍ的镍/铬丝制成的环。试验时，用夹具将

样品夹住，夹具可以在轨道上移动。灼热丝通电加热达到标准规

定的温度，移动夹具，使灼热丝以0.8Ｎ～1.2Ｎ力施加在样品上，

施加时间为三十秒。在厚约10ｍｍ的平滑白松木板上紧裹一层绢

纸作为铺底层，置于灼热丝施加点下方(200±5)ｍｍ处。如果样

品未起燃，或虽然起燃，但在灼热丝移去三十秒内自动熄灭，且

不引燃铺底层，则判灼热丝试验通过。

（3）UL 1581 VW-1 线材测试简介

VW-1 是电线的防火等级。其测试标准：实验规定试样(有金属芯的线材，直径有不同规格）保持垂直，

用试验用的喷灯(火焰高度125mm，热功率500W)燃烧15 秒钟，然后停止15秒钟，反复5 次。

合格标准为：

（1）剩余火焰不可超过60 秒钟。

（2）试样不可烧损25%以上。

（3）垫在底部的外科用棉不可被落下物引燃。

（4）ASTM D2863 极限氧指数测试

氧指数的定义：

在规定的试验条件下，在氧氮混合气流中，测定刚好能维

持材料燃烧的以体积百分数表示的最低氧浓度。氧指数是

用来判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。

具体测试方法：

（1）将试样垂直固定在燃烧筒中，使氧、氮混合气流由下

向上流过。

（2）用点火器点燃试样顶端，同时记时和观察试样燃烧长度，

与所规定的判据相比较。

（3）在不同的氧浓度中试验一组试样，测定塑料正好维持平衡

燃烧时的最低氧浓度，用混合所中氧含量的体积百分数表示。

（4）氧浓度%=氧流量/(氧流量+氮流量)X100%

部分塑料的极限氧指数

聚甲醛16 环氧树脂20

聚甲基丙烯酸甲酯17 聚碳酸酯27

聚乙烯17 聚氯乙烯47

聚丙烯17 聚砜60

聚苯乙烯18 聚四氟乙烯95

（二）不同检测燃烧检测方法和标准对工程塑料阻燃性能的表征

（1）在阻燃PP（十溴阻燃或八溴）和阻燃增强PBT（十溴阻燃，15％GF）中，即使添加过量的阻燃剂，灼热丝依然不能够达到标准；但是其在UL 94 垂直燃烧测试中能够满足标准，达到离火即熄的水平；而氮磷系列膨胀型阻燃剂添加量越多，其灼热丝和UL94 V0 测试的阻燃效果都是越好；为什么会出现上述情况？

上述情况的出现是由于阻燃剂的阻燃机理不同造成的。

如采用溴系阻燃剂熔滴带走热量的机制，则体系要达到一定温度，使阻燃剂分解，才能顺利滴落把热量带走，所以体现在850℃灼热丝比750℃灼热丝反而更好通过；同样由于滴落这种体系，所以通过测试的偶然性也要大很多。

UL94 燃烧的气体是甲烷气体，喷头的温度为750 度，用蓝火进行燃烧火焰测试；而灼热丝采用的是灯丝温度达到所需要测试的温度。用UL94 V0 测试时，喷头的火焰一直对垂直的样条燃烧，能够持续不断的给予稳定火焰，有利于体系阻燃剂分解发挥作用，从而通过熔滴带走热量；而灼热丝仅仅是插入测试样品中间，阻燃剂分解的程度比不上UL94 V0 的体系，所以阻燃剂分解和熔滴效果要差点，延燃时间要长很多。因此，即使通过加入更多的阻燃剂，从机理上不能解决延燃的问题。如同滴落体系薄制件的阻燃反而比厚制件的好做（主要是能否及时带走热量）。采用膨胀型成碳阻燃剂能够解决上述问题，因为体系是成碳的原理，灼热丝插入制品后，灼热丝周围成碳，阻燃剂的添加量越多，其成碳效果越好，可以达到完全没有延燃时间。其阻燃机制一样符合UL94 V0 燃烧测试。

（2）氢氧化物用于PE 能够拥有非常高的氧指数（一般都38以上），但是其比较难通过UL 94 V0 或者VW-1。氮磷系列膨胀型阻燃剂用于PE 氧指数不算太高（一般仅仅32 左右），但是其较易通过UL94 V0 或者VW-1。为什么？

这一方面是由于氢氧化物和氮磷系膨胀型阻燃剂阻燃机理造成的，另外一方面是由于燃烧检测方法的不同所造成的。氢氧化物由于依靠释放结晶水吸热阻燃，其能够降低体系的温度，从而抑制燃烧过程，但是如果氢氧化物的量不够的话，不能够熄灭火焰，所以其正好符合氧指数的测试标准，降低温度的过程，延迟了燃烧的进行，导致其有较高的氧指数，但是由于其不能完全熄灭火焰，导致其不能满足UL94 垂直燃烧的要求。而氮磷系膨胀阻燃剂完全依靠成炭达到阻燃的目的，如果不能够完全结炭覆盖塑料表面，火焰传递速度不会变慢，所以其氧指数相对要低些，但是，一旦碳层形成，火焰就会立刻熄灭，表现

出UL94 V0轻松达到。

（3）某些阻燃聚苯乙烯具有非常高的氧指数，但是其UL94测试效果很差，为什么？

这是聚苯乙烯的降解机制引起的。大部分塑料的燃烧降解过程是大分子断链，经过一系列的降解才成为小分子的。而聚苯乙烯的降解基本上直接降解为小分子。由于氧指数的测试是样条顶部点燃火焰，聚苯乙烯降解的小分子立刻从顶部释放，不会引燃聚苯乙烯体系，导致其氧指数测试数值很高；而UL94 的测试是样条从底部点燃火焰，聚苯乙烯降解的小分子立刻被底部的火焰点燃，加速了这个聚苯乙烯体系的燃烧，所以显示出阻燃聚苯乙烯具有非常高的氧指数，但是其UL94测试效果很差。

（4）添加相同分数的氮磷膨胀型阻燃剂在聚乙烯和聚丙烯中，UL94 的级别为什么会存在差异？

添加相同分数的氮磷膨胀型阻燃剂在聚乙烯和聚丙烯中，阻燃聚丙烯更容易达到UL94 V0，而阻燃聚乙烯可能仅仅才为UL94 V2，只有加入更多的阻燃剂，阻燃聚乙烯才能够达到UL94 V0。出现上述情况是由于聚乙烯和聚丙烯的降解机制所引起的，聚乙烯大约在335～450℃之间分解，其燃烧热值为45.9MJ／kg；而聚丙烯分子结构中与叔碳原子相连的H 活泼性大，与聚乙烯相比，降低了其热稳定性，热分解过程中，聚丙烯的分子量降低首先出现在227～247℃之间，在302℃以上时，分解变得显著，其燃烧热值为44.0MJ／kg。氮磷系膨胀型阻燃剂大约在250℃左右开始发挥效果，其与聚丙烯的匹配效果更好；而在聚乙烯中，在聚乙烯降解前，已经消耗更多的阻燃剂；同时聚乙烯的燃烧热也是大于聚丙烯的。

（5）不同的环境下是否要求不同程度的灼热丝标准？

是的，普通情况下的灼热丝标准如前所述。

目前，电器对阻燃方面的要求越来越高，IEC60335 灼热丝（即无人看管电器标准）要求是灼热丝温度750℃，2S 熄灭。许多阻燃剂不能够稳定地做到上述阻燃，但是氮磷系膨胀型阻燃剂能够很轻松的通过上述测试，其正是依靠密闭的碳层，将火焰隔氧熄灭。可以通过阻燃剂的加入量，来调节阻燃效果。