阻燃材料学 第5章 材料阻燃性能测试方法和标准01

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2020/6/2
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、可燃性的测定（UL94可燃性试验）
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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。
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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 = -8×103/Δghb = -8×103 M/ΔmHb （5-3） 式中：Δghb—高聚物比燃烧焓，J/g；ΔmHb—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。
1974年，P.W.Vsn Krevelen在大量实验基础上，提出了
不含卤高聚物LOI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%。
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第二节 点燃性和可燃性的测定
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
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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。
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第一节 阻燃性能测试方法的一般问题
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。
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第二节 点燃性和可燃性的测定
ΔmHb可根据完全燃烧产物(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。
ΔmHb = -4.35×105 mO
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第一节 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。
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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。 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。
(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 = -1.84×10-2 M/mO
(5-5)
Δghb值越小(即燃烧时放出的热量越大，因Δghb为负值)
或mO值越大的高聚物，其LOI值越低。
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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
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第五章 阻燃性能测试方法和标准
阻燃参数的几个方法，有时也缺乏科学的相关性。
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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。
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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
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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。
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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。
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。
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。
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第一节 阻燃性能测试方法的一般问题
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。
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。
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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。
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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。
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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
2~4%。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
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表5-1 一些聚合物的闪燃温度及自燃温度/℃
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表5-1 一些聚合物的闪燃温度及自燃温度/℃
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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1．9cm x 1．9cm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 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。
Cl/C值(即较小的CP值)，可赋予物质较大的LOI。对大多数
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
应当注意的是，阻燃不是一个绝对的概念，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。