锥形量热仪燃烧测试实验方法.

锥形量热仪燃烧测试实验方法
一、实验简介
应用锥形量热仪测试聚合物的阻燃性能是一种先进的测试技术。

锥形量热仪对于燃烧中的聚合物材料具有多项测试功能 , 如 : 热释放速率 ( Heat ReleaseRate, HRR、质量损失速率 (M ass Loss Rates, M LR 、有效燃烧热,总生烟量 ( To ta l Smoke Production,TPS、烟释放速率 ( Rate of Smoke Release, RSR 等、参数在火灾安全工程与设计、材料阻燃性能研究、评价等方面应用广泛。

因此 , 实验测试技术和测试数据分析也非常重要 , 如对 ABS 用几种不同成分的填料 , 组合而成的几种聚合物材料燃烧测试数据的采集与分析 , 就是在充分了解、熟悉锥形量热仪的结构性能、工作原理的基础上 , 在掌握了熟练的测试技术和操作步
骤的基础上 , 对测试数据的成功与否 , 有明确的认定。

这样才能对材料的阻燃性能进行分析评定 , 得出准确的结论 , 尤其是在测试前对仪器的标定 , 过滤材料的更换与过程检查 , 除湿材料过程变化与更换等 , 都是很重要的测试技术。

二、结构概述
锥形量热仪是典型的机电一体化组合设备 , 其外形结构简单、紧凑 , 但是功能原理、控制原理和操作要求却极其严格 , 是多种行业知识的综合应用 , 如图 1所示。

由图可知 , 锥形量热仪的结构及原理涉及到机械、化工、通风、制冷、仪表、电气控制、流体力学、热力学、激光原理、计算机原理、计量检测等方面的知识 , 涵盖面较广 , 是非常典型的高新技术综合应用的精密测试仪器。

三、测试要点
3. 1 工作原理
锥形量热仪的主要工作原理是耗氧原理 , 当样品件在锥形电加热器的热辐射下燃烧时 , 火焰就会消耗掉空气中一定浓度的的氧气 , 并释放出一定的燃烧热值。

通过大量的实验测试和计算研究认为 , 绝大多数所测材料的耗氧燃烧热值接近 13. 1 M J/kg这一平均值 , 偏差约为 5%。

锥形量热法就是基于此点 , 根据材料在
燃烧时消耗氧的量计算、测量在燃烧过程中的热释放速率、质量损失速率等参数 , 用以分析判断材料的燃烧性能。

3. 2 测试条件
3. 2. 1 样品件的准备
锥形量热法测试的样品件 , 应该是外形完整、料质均匀 , 尺寸为 100 mm @ 100 mm 的正方形 , 厚度在 3~20 mm, 常用的厚度为 4、 10 mm。

样品件可以用模具压
制 , 也可以用成品的板材切割而成。

总之 , 不管用那一种方式制作的样品件 , 决不能出现厚薄不均、大小气泡、坑陷缺料、周边凸凹不齐等现象。

尤其是用模具压制的样品件 , 在材料进行混炼或搅拌时 , 应在设备上多反复几次 , 充分保证材料能均匀的混合。

这样压制出的样品件材质才能保证均匀 , 在燃烧测试时效果稳定 , 数据的重复性较好。

通常情况下 , 要测试的样品件应该选择相同的厚度进行测试比较。

每种要测试的样品件最好准备 2件以上。

样品件在测试前 , 要用铝箔将其 5个侧面包好 , 防止燃烧时的过多流滴和测试不准确。

外露出的一个大平面 , 用于标记编号 , 接受辐射热 , 观察测试现象。

3. 2. 2 样品燃烧盒
样品燃烧盒由耐热不锈钢材料制成 , 是测试样品件的重要部件 , 其外形和尺寸都有明确的规定和要求 , 属于随机附件。

样品燃烧盒由盒盖、盒体、垫衬层组成 , 如图 2所示。

在样品件燃烧测试前 , 应该先把样品燃烧盒里外清理干净 , 不能有任何杂物粘附在盒盖、盒体上。

如果有粘附物在样品燃烧盒上 , 在燃烧测试样品件时 , 就会出现无规律的熔化、脱落 , 从而影响到采集数据的真实性和质量损失等 , 造成实验结果的不准确。

样品燃烧盒内的衬垫层也很重要 , 其主要是起到隔热和调节样品件放置高度的作用。

垫衬层与测试样品叠放后的高度 , 应为盒盖顶部内侧下表面相同 , 否则 , 就应该调整垫衬层的高度。

3. 2. 3 过滤材料
锥形量热法在燃烧测试时 , 过滤器的材料对样品气的采集质量和数据准确性非常重要 , 直接影响到实验结果的成功与失败。

因此 , 对于过滤材料的质量选择和及时更换要有足够重视 , 尤其是在样品件燃烧测试
前 , 必须充分地准备好。

防止在测试过程由于出现过滤效果不好 , 气流不畅 , 管路堵塞现象 , 而导致的测试失败。

( 1 圆柱状过滤器。

3只圆柱状过滤器 , 中间玻璃管内的过滤材料为粉红色的钠石灰 , 用来过滤掉样品气中的 CO 、 CO2。

当粉红色变得发白时 , 就应该及时更换。

两边玻璃管内
的过滤材料为变色硅胶 , 正常情况下呈蓝色 , 用来过滤掉样品气中的 HO2。

当玻璃管内变色硅胶的颜色大部分 (约 60% 变白时 , 就不能再用了 , 应该重新更换。

( 2 样品气过滤系统。

由真空泵抽出的样品气 ,
在进入氧分析仪之前必须进行过滤 , 去除掉样品气中的烟尘杂质。

过滤分为两处 ; ? 过滤器的材料是一白色圆筒形滤芯 , 安装在透明的圆形透明罩内 ; ? 过滤器的材料是一外部封塑的白色滤纸 , 封塑外壳的两端面中间各伸出一接头 , 与通气气管相连接。

测试前 , 要先检查一下两处过滤芯的情况。

如果发现第 2处过滤器的进气端处发黑 , 就不能再用了 , 要及时更换。

第 1处过滤器应该在每次测试工作前 , 拆开检查 , 清理圆筒形滤芯内侧上吸附的烟尘 , 滤芯外面有发黑的迹象时 , 也应及时更换。

3. 2. 4 核定距离
要测试的样品件与锥形加热器之间的距离规定为 25 mm。

初始测试样品件时 , 燃烧盒放置在燃烧架上 , 核定一下锥形加热器的底面 (打开防护板时 , 至样品件外露的表面之间的距离 , 应该保证在 25 mm, 如果距离不对 , 应及时进行调节。

在称重传感器上的立杆处 , 有一凸出的调节螺钉 , 松开螺钉后上下移动滑套即可调节距离。

3. 3 测试标定
锥形量热仪在燃烧测试前 , 必须进行标定工作。

标定的项目有质量标定、氧分析仪标定、辐射功率标定、激光测烟标定以及测热系数 / C0值标定。

上述参数只有经过标定后 , 才能使计算机对样品件燃烧测试时 , 采集的数据进行有效的运算处理。

标定参数必须符合要求 , 达到仪器的精度范围 , 才能得到较好的标定数据 , 顺利地进行实验测试。

四、实验技术和测试分析
4. 1 称重
先把样品燃烧盒放置在称重传感器上 , 然后按归零按钮 (去皮重 , 质量仪表显示数字为 / 00, 再把样品件放在燃烧盒上称量 , 这时一定要注意等到显示的质量数字稳定后 , 再记录数据。

当质量显示数据由于环境因素的干扰 , 处在不太稳定的跳动状态时 , 数据应取较大值。

4. 2 建立新文件、输入测试参数
在计算机显示器上的画面如图 3所示。

点击画面左上角白色图标键 (建立新文件 , 就会出现图 4所示的画面 , 即可直接输入一些测试需要的参数。

首先在第 1栏中填写编写好的文件名 , 再分别填写燃烧测试所需用的辐射功率、样品件的实际厚度、质量。

然后再选择测试条件 , 如 Fram e、 Horizontal 、 Smoke 、 M ass、CO /CO2 等点击选中。

切记 ; 一定要对右上方第 4栏 A rea对应的白色框中数值100处进行点击 , 这时数值就会自动变成 88. 4, 单位是 mm
2。

这个 88. 4 的数值表示
为燃烧盒内样品件的实际受到辐射热的外露面积。

如果燃烧测试的样品件在不需要用燃烧盒盒盖的状况下进行测试 , Fram e处就不要点击选中。

A rea对应的白色框中数值 100处 , 也不要进行点击操作。

这样就表示燃烧盒上的样品件实际受到辐射热的外露面积为 100 mm2。

当完成这些操作程序后 , 就可以点击 OK 按钮 , 即
可进入下一画面 , 如图 5 所示。

画面的左上方有 4个并列的圆圈按钮键 , 其功能分别表示 : 开始 /结束、点燃时间、测试事件时间、火焰熄灭时间。

这 4个并列
的圆圈按钮键 , 还分别按顺序与远程控制手柄上的数字键相对应 , 其发挥的功能作用完全一样 , 并且可以是同步进行。

4. 3 点燃测试
把包好铝箔的样品件 (一定要包铝箔放在燃烧盒内的垫衬层上 , 用盒盖平整、均匀地压好 , 再重新放置在称重传感器的支架上。

在把隔热板完全打开的同时按下远程控制手柄上的数字键 ? , 图 5画面上的 4个并列的圆圈按钮键同时变成绿色。

这时就表示样品件的外露面开始受到锥形加热器的热流辐射 , 并且开始计时。

再把脉冲点火器转到样品件的上方 , 使其处在不断的打火状态。

当样品件受到热辐射后 , 热解出得可燃性气体 , 被电子脉冲点火器引燃时 , 即可按下远程控制手柄按钮 ? , 图 5画面上的 4个并列的圆圈按钮键第 2个变成白色。

在画面下方有 6行不断变化的数字中 , 右边一栏第 2行的数字就会出现 Ign ition time @ @@ sec, 这说明计算机已经记录下了被测试样品件的点燃时间。

样品件开始燃烧后 , 应将电子脉冲点火器移转回位 , 把远程控制手柄放回原处。

落下透明的玻璃防护罩。

注意观察样品件在燃烧过程出现的现象 , 并做好记录。

如果在燃烧过程中 , 发生一些特殊现象需要记录下来 , 就可以按下远程控制手柄的按钮 ? , 这个按钮可以连续按动 8次 , 见图 6提示画面。

每按一下按钮 , 就可记录一次特殊事件发生的时间。

样品件的燃烧火焰完全熄灭时 , 按下远程控制手柄的按钮 ?, 记录下火焰熄灭的时间。

图 5画面上的 4个并列的圆圈按钮键第 4个就会变成白色。

这时 1、 3按钮键仍然还是绿色。

当要结束测试时 , 就应该在图 5 画面上把第 1个仍然还是绿色的圆圈按钮键 , 用鼠标点击选中。

随后屏幕出现图 6、 7所示的提示画面。

再根据画面提示 , 一步一步的对按钮进行点击 , 最后出现图 3所示的画面。

这就表示一个样品件的燃烧测试数据采集完成。

4. 4 辐射功率的调整
燃烧测试时 , 对于料质相同的样品件 , 有时需要采用不同的辐射功率进行比较 , 因此 , 就需要对辐射功率进行调节。

位于锥形量热仪的前面板右上方 , 有一温度控制调节器 (见图 8, 可及时地进行温度调整。

该调节器左边有 2行数字 , 下面的 1行表示锥形加热器所需辐射功率的温度 , 该温度由人工根据实验条件来确定 , 是 /设定温度 0。

上面的 1行数字表示锥形加热器在某一时刻的测定温度 , 由 3只热电偶检测锥形加热器上平均分布的 3点温度 , 瞬时平均温度 , 即 / 控制温度 0。

右边有4个按钮 , 下面的 2个带有三角符号 , 是用来调节设定温度的按钮键。

实验过程中 , 当用某一设定的辐射功率测试完一组试件 , 需要改变辐射功率时 , 就需要对温度控制调节器的 /温度升 v 、温度降 ? 0按钮键进行操作调节 , 将设定温度调节到新辐射功率相对应的数值 , 当控制温度
标准集团（香港）有限公司的数值达到设定温度的数值且稳定时, 在使用热流辐射计对新的辐射功率进行检测校对。

这时一定要使热流辐射计的循环冷却水进行流通, 防止被热流烧坏。

4. 5 测试分析锥形量热仪在测试聚合物的燃烧过程, 可采集到许多数据。

但是这许多数据并不是都可以直接应用,需要进行 CSV 格式转化和选择[ 6]。

常用的数据是; 时间 T ime( s、氧浓度 OXY (% 、点燃时间 T ign ( s、数据截止时间 EOT ( s、火焰熄灭时间 F lm Out ( s、热释放速率 HRR ( kW /m2、有效燃烧热值 EHC (M J/kg、质量 MASS ( g、质量损失速率 MLR( g / s、总热释放速率 THR (M J/m2、比消光面积 SEA (m2/kg 、生烟速率 SPR (m2/s、烟释放速率
RSR ( s- 1等参数。

燃烧测试时, 聚合物的材料不同得到的数据不同,数据曲线也不同。

聚合物基材相同, 填料不同, 得到的数据就会有所不同, 采集的数据以及数据曲线的变化是随着填加材料的变化而变化。

聚合物基材相同, 填料相同, 但是填料的分量 (成分比例不同, 采集到的测试数据也会不同, 但是其数据曲线的变化趋势却有许多相似之处 (也有例外情况; 如填料的量大于基材的量较多时。

根据多组样品件燃烧测试采集到的数据, 进行作图对其性能、规律总结比较, 研究分析, 从中得出试验结论。

例如; 测试样品件材料为以下几种; ABS-0 为纯样, ABS-1、ABS-2、ABS-3、ABS-5A 为填料组分不同的改性材料。

在热辐射功率为 50 kW, 其他条件完全相同的情况下进行测试。

所得测试数据对时间作图, 就可以得到一些相应的数据曲线图形, 如图 9 所示。

由图示可知, 尽管材料的组成成分不尽相同, 但是用采集到的同类测试数据对时间作图, 所组成的曲线图形却有着相似的规律, 都有自己特征的数据曲线。

通常情况针对这些曲线图形分析对比, 就可从中得出测试样品的阻燃性能, 是否达到预期效果。

( 1 热释放速率 HRR。

聚合物在燃烧测试时, 受到辐射热后, 主要是本身吸热阶段, 该阶段的初始线形无太大变化, 基本上是趋于较平缓的线形状态。

当试件吸收的热量足够多时, 温度快速升高, 受热表面就会产生液化、气化、裂解现象, 产生出一些可燃性气体,并引起瞬间的突发性燃烧 (引燃或自然 , 随之释放出较大的热量, 所以该阶段的线形就会呈现出较陡的曲线升高变化。

随着试件的继续燃烧, 以及辐射热的继续, 还会有更多的热量释放出来, 线形还是呈现出继续升高的现象, 只是升高的速度、幅度相对时间而言, 比上个阶段 (突发性燃烧
较平缓些, 当 HRR 的曲线上升到某一高度后, 就会出现更加平缓或下降的现象。

无论平缓或下降曲线这段时刻都会形成一个峰值。

随着燃烧的继续, 有时这个阶段的曲线还会出现双峰或 3 峰 (较少见现象。

当试件经过充分的燃烧后, 成碳层形成或有效成分烧尽, 这个阶段的线形就会在短 Standard International Group(HK Limited 标准集团（香港）有限公司
标准集团（香港）有限公司时间内呈现出从高峰迅速的下降, 再随着时间的进行, 曲线走向变得更加平缓, 直至火焰熄灭。

这就是聚合物材料在燃烧测试时, 热释放速率曲线图的轮廓基本规律特征。

由图 9( a所示的 4 条数据曲线比较, 纯样的HRR 较高, 随着填料的比率增加、品种变化, HRR 也随之变化。

图中的曲线是随
着标号的增加逐渐变小, 由此可见, 标号大的样品件采用的填料, 相对 ABS 纯样的燃烧性能改性来说比较理想, 阻燃效果的改善显著。

ABS-3、ABS-5A 的数据曲线出
现了 3 峰、双峰, 这也表现出了一些特有的现象。

双峰意味着样品件燃烧时出现第1 个峰值后, 由于燃烧过程产生的化学反应、变化, 有些样品件就会出现成炭层, 这
炭层的形成又阻滞了火焰的燃烧, 使得 HRR 有所降低。

随着炭层下的热量集聚和
增加, 达到一定能量时, 火焰就会突破成炭层, 再次产生较大的燃烧, 发出较高的HRR, 这样第 2 个峰值就会出现。

该峰值与第 1 个峰值相比, 其大小没有什么规律可言, 主要取决于样品件的基材和填料性能。

3 峰的现象和形成原理与双峰相似, 无论是双峰还是 3 峰, 只要样品件在燃烧时, 检测到的热释放速率愈低, 其阻燃性能就表现的愈好。

( 2 有效燃烧热 EHC。

EHC 对时间作图, 所得曲线图形的峰值波动变化比较大。

样品件点燃后, 采集到的有效燃烧热数值应该在 0 ~ 80 变化, 有时甚至
会超过软件设定的额定数值 80, 这时的数据表现为 80,而不会更大。

曲线也会出现直线段, 见图 9( b ABS-0 曲线所示, 属于正常的现象。

EHC 也是衡量材料燃烧时,
阻燃性能的一项主要指标。

和热释放速率曲线相似。

曲线数据愈低, 阻燃性能愈好。

( 3 总热释放速率 THR、质量损失 MASS。

无论是选用哪种材料, 燃烧测试的这 2 种数据对时间作图的曲线, 其图形趋势基本上和图 9( c、( d 表示的一样, 图形
轮廓不会有什么太大的变化。

如果有与示意图的轮廓曲线不相同的测试结果, 则说明这次的燃烧测试出现了问题, 必须要找明出现问题的原因, 便于及时调整。

有时MASS 的图形曲线在初始阶段短时间内出现一些凸起上升现象, 质量数据反映出比原始输入数据还要大, 这种情况主要是因为: 样品件受辐射热及燃烧过程, 膨胀变形量过大, 碰到了锥形加热器所致。

同时, 也会导致 MLR 数据曲线图形, 在相同的时
间范围段, 出现上下起伏较大的变化, 测试数据也会呈现出正、负值。

( 4 质量损失速率 MLR。

表示材料燃烧时质量损失变化的速率。

图 9( d所示是样品件燃烧测试的 M LR 数据曲线轮廓图。

结合图 9( a、( d 对比分析,可以看出: 基材相同的聚合物, 其热释放速率低、阻燃性能好的情况下, MLR 不一定就是低, 如 ABS-5A 的数据曲线, 表现的比 ABS-0 纯样的曲线还要高。

M LR 的曲线图形轮廓, 也不像 THR、MASS 那样具有特殊的规律性。

具体现象与材料的填料性能、成分、组合比例等因素有关。

Standard International Group(HK Limited 标准集团（香港）有限公司
标准集团（香港）有限公司 ( 5 比消光面积 SEA、烟释放速率 RSR。

表示材料燃烧时生烟能力的参数。

图 9( f SEA 的数据曲线无论是何种材料的燃烧测试数据
对时间作图曲线, 其图形轮廓趋势也是同种基材的聚合物材料大体相似。

不同基材的聚合物材料, 各有千秋。

但是在各种材料的 SEA 数据曲线图形有一共同的特点是: 测试的数据大小差异波动性大, 图形曲线易于呈现出较大的狼牙形波折。

图 9( g RSR 的数据曲线, 用燃烧测试数据对时间作图, 其曲线图形轮廓趋势也是没有规律
可循, 不同的材料, 呈现出不同的图形曲线。

同种基材的聚合物材料, 填料不同、成分组成不同, 图形曲线的轮廓趋势也会不同。

/ (烟应该同燃烧过程联系起来考虑,
是一个动态的特征量 0 [ 2]。

燃烧过程中, 烟的测试参数有多种形式, 如; 生烟速率SPR、生烟总量 TSP、烟参数 SP、烟因子 SF 等, 其测试原理及表现形式比较复杂, 在此不作介绍。

五、结语尽管锥形量热仪的测试操作比较复杂, 测试条件要求严格, 测试费用较高, 但是其测试原理先进, 测试技术可靠, 测试方法准确, 测试数据连续直观。

通过对样品件一次测试, 就可以得到多组不同类型的试验数据。

与传统的氧指数测定仪、水平垂直燃烧测试仪等测试方法相比, 具有更加精确的测试结果, 更多类型的测试数据, 更加直观的数据曲线图形。

这些还是深受国内外研究领域的认可。

因此, 要应用好锥形量热仪的实验测试技术, 就应该对锥形量热仪的结构、原理、测试条件和测试方法有深入的了解, 才能掌握好几类测试数据的图形曲线变化规律, 才能有条不紊地、准确地对测试数据和曲线图形进行判断分析。

Standard International Group(HK Limited 标准集团（香港）有限公司。