实验室阻燃性能试验的发展方向
发布时间:2020-08-06
 

材料燃烧性能试验

表征材料燃烧性能的试验方法较多,从最开始的传统方法,如氧指数(LOI) 法UL 标准中的水平燃烧、垂直燃烧法NBS 烟箱法,到最新的锥形量热仪法(CONE)微型量热仪法(MCC),经过多年的研究与发展,燃烧性能试验方法有了很大的进步与改善。

相较于传统的小型试验方法存在的试验操作环境与真实火灾相差较大,试验获得的数据只能用于一定试验条件下材料间燃烧性能的相对比较,不能作为评价材料在真实火灾中行为依据的问题。新一代实验室阻燃性能试验仪器,逐渐向着试验环境同火灾材料的真实燃烧环境接近,所得试验数据能够评价材料在火灾中的燃烧行为的方向发展。

 

 

几种主要阻燃性能测定方法的对比

 

 

目前,实验室材料燃烧性能和阻燃性能的评价方法主要有四种:

 

 

锥形量热仪

能够测得燃烧材料的多项参数,实验结果更接近材料在实际燃烧时的行为。由CONE测得的数据还是性能化火灾设计和火灾模型化最为重要的数据来源。此外,锥形量热仪被认为是研究火灾退化,烟雾排放和放热性能的好方法。

 

 

氧弹量热仪

用于测定材料的燃烧热值,热值是材料的自然属性,与材料的外形尺寸和使用状态等不相关,可以从理论上给予材料所具备的能量,以及在火灾中有多大的火灾危险和动能。此方法对火场燃烧规模的预估和火灾危险性防治体系的建立具有一定的指导意义。但只针对单一组分材料材料热值计算,对于组成结构复杂的聚合材料,采用此方法就存在一定的局限性。

 

 

单体燃烧仪

是一种中等规模大小、采用耗氧原理的火灾模拟试验,能够反应材料在火灾中的燃烧模型和释放的热量,但相较于小型试验法,单体燃烧仪作为中型试验法设备体积较大,布设及试验成本更高。

 

 

氧指数测定仪

氧、氮混合气流中,测定刚好维持燃烧所需的最低氧浓度。氧指数是最原始的测试方法,其优点是方便、快捷、成本低廉、但不能真实反应其对火的反应,所以只能用于初步的判定。

 

随着阻燃科学与技术的迅速发展,出现了各种新的测试手段,上述四种方法是目前实验室对阻燃材料燃烧行为进行评估的主要手段,其中最具有代表性的是锥形量热仪。锥形量热仪法由于具有参数测定值受外界因素影响小,与大型实验结果相关性好等优点被应用于很多领域的研究,并且锥形量热仪是公认的测量材料对火反应特性或燃烧特性的最好技术手段。

 

 

01

锥形量热仪

 
 

 

锥形量热仪(Cone Calorimeter,简称CONE)是火灾科学研究领域中最为重要的仪器设备之一。它不仅可以用于研究各类材料或制品的燃烧性能,以评价材料或制品的燃烧行为,而且其测得的数据还是性能化火灾设计和火灾模型化最为重要的数据来源。此外,通过CONE测试还能在一定程度上预测材料或制品在大尺寸试验中的燃烧行为和燃烧性能。

锥形量热仪(CONE)是美国国家科学技术研究所(NIST)的 Babrauskas于 1982 年提出,主要用以解决当时基于密闭空间内焓损失测定方法的小型热释放测试的不足。由于设备锥形加热器的形状,故被称为锥形量热仪。

 

相关标准

 
 

对于CONE测试法,目前我国执行的是GB/T 16172-2007 《建筑材料热释放速率试验方法》,此标准等同采用ISO 5660-1:2002,而目前国外执行的有效国际标准为ISO 5660-1:2015 《对火反应试验—热释放、产烟量及质量损失率,第1部分:热释放速率(锥形量热仪法)和烟生成速率(动态测量)》,新版国际标准与我国采用的GB/T 16172标准存在一定的差异。

当然,锥形量热仪(CONE)在高校及科研中应用非常广泛,能够测试的标准非常多,并不是仅限于GB/T 16172-2007/ISO 5660-1:2015,不同国家和行业均有相应的测试标准,下面列出部分经常提及的相关标准以供参考。

 

试验原理&测试设备

 
 

锥形量热仪以氧消耗原理为基础,研究发现,基于耗氧量原理的量热计是最佳测试方法,即材料燃烧释放热量总是和燃烧过程耗氧量成正比,每消耗1kg氧气将释放13.1MJ的热量,且受燃料类型和是否发生完全燃烧影响很小。

 

锥形量热仪原理图

只要能精确地测定出材料在燃烧时消耗的氧量,就可以获得准确的热释放速率(具体计算方法可参照GB/T 16172 标准中给出的公式)。不同热辐射强度下的热释放速率(HRR)是CONE 给出的最重要的参数之一,同时还能给出其它许多参数。

 

 

iCone2+锥形量热仪

iCone2+锥形量热仪是先进的自动锥形量热仪。基于FTT数十年在量热仪设计和制造方面的专业探索,iCone2+具有直观的交互式显示界面、自动或手动控制、灵活多样的控制选项,且内置数据采集技术,能够用于数据采集、分析和报告。许多防火测试实验室以前未曾见过的功能,结构紧凑、准确、可靠且易于维护。并且能够适用于ISO标准及中国标准。

 

iCone系列的设备组成

  • 圆锥形加热器。5kW电热元件,输出热量可达100kw/m2,可使用电动阀可调整高度,远距离控制锥形加热器的位置,用于测试水平或垂直方向的试样。
  • 温度控制器。热流量可通过3个k型热电偶和3项(PID)的温度控制器控制,可以使用ConeCalc软件设置测试期间的10步温度剖面图,等速加热或分步控制热流量。
  • 电动控制隔热板。可通过7英寸触摸屏或ConeCalc软件自动/手动控制拆分快门机构,保护样品在测试前不暴露在热的辐射下,确保初始质量测量的稳定性和操作人员的安全。
  • 火花点火。10kV火花点火器,可自动定位与控制,配有安全切断装置。
  • 试样夹。不锈钢制造,样品大小100mm×100mm,厚度不超过50mm,水平和垂直摆放。
  • 测压元件。安装在一个独立的工作台上,避免了来自主机上排气扇所产生振动的影响。0.01g高分辨率,量程可达5.0kg或8.2kg。
  • 玻璃防护屏。覆盖尺寸600mm×600mm,可收缩式的4面耐热玻璃防护屏为燃烧模块提供了一个自由的气流条件,并且为每个角度观察提供了清楚的视野。并且可以手动或电子控制耐热玻璃防护屏的升降。
  • 排气系统。采用不锈钢制造,使用寿命长。包含大引擎盖,气体样品取样针,排风扇和孔板流量测试器。正常运行为24升/秒。
  • 气体采样。包括微粒过滤器、冷冻冷阱、泵、干燥筒和流量控制器。
  • 烟雾遮蔽。用激光系统测量,使用硅光电二极管,和一个0.5 mW氦氖激光器,主要及备用光电探测器。同时备有定位支架和0.3、0.8中性密度滤波器进行校准。
  • 校准炉。校准仪器测试出的热释放率,使用99.5%纯度的甲烷。
  • 热流计。用ConeCalc软件自动设置样品表面的辐射水平。
  • 触摸屏。带有火花点火器定位、火模隔热控制、加热器高度调节、排风机控制和测试控制,7”的触摸控制器与主机的计算机控制相邻设计。
  • 固定气体分析控制台 (iCone Classic)或移动气体分析架(iCone mini)。通过手动阀门和流量计控制和测量进入分析器的气体流量。
  • 数据采集系统。
  • ConeCalc软件。操作语言包括英语、法语、德语、西班牙语和日语。用户界面基于Windows操作系统,带易于使用的按钮操作,标准Windows数据输入方法,下拉选项,点击选中,以及开关。

 

测量参数

 
 

锥形量热仪的最大优点,就是能够在实验中测得多个与材料燃烧性能相关的数据,一些数据对阻燃研究和材料评价至关重要。那么CONE到底能够获得哪些参数,下面我们介绍一下。

 

热释放速率(Heat Release Rate,简称HRR)

HRR是指在预置的入射热流强度下,材料被点燃后,单位面积的热量释放速率。HRR是表征火灾强度的较重要性能参数,单位为kW/m2;HRR的最大值为热释放速率峰值(Peak of HHR,简称pkHRR),pkHRR 的大小表征了材料燃烧时的最大热释放程度。HRR 和pkHHR 越大,材料的烧烧放热量越大,形成的火灾危害性就越大。

 

总释放热(Total Heat Release ,简称THR)

THR 是指在预置的入射热流强度下,材料从点燃到火焰熄灭为止所释放热量的总和。单位为MJ/m²。将HRR与THR结合起来,可以更好地评价材料的燃烧性和阻燃性,对火灾研究具有更为客观、全面的指导作用。

 

质量损失速率(Mass Loss Rate,简称MLR)

MLR是指燃烧样品在燃烧过程中质量随时间的变化率,它反应了材料在一定火强度下的热裂解、挥发及燃烧程度。MLR值由5 点数值微分方程算出。MLR 的单位为g/s。

 

烟生成速率(Smoke Produce Rate,简称SPR)

SPR 被定义为比消光面积与质量损失速率之比,单位为m2/ S,即SPR=SEA/MLR,式中SEA为比消光面积,SEA表示挥发单位质量的材料所产生的烟,它不直接表示生烟量的大小,只是计算生烟量的一个转换因子。

 

有效燃烧热(Effective Heat Combustion,简称EHC)

EHC 表示在某时刻t时,所测得热释放速率与质量损失速率之比,它反应了挥发性气体在气相火焰中的燃烧程度,对分析阻燃机理很有帮助。

 

点燃时间(Time to Ignition,简称TTI)

TTI是评价材料耐火性能的一个重要参数(单位:s),它是指在预置的入射热流强度下,从材料表面受热到表面持续出现燃烧时所用的时间。TTI 可用来评估和比较材料的耐火性能。

 

有毒气体释放率(如碳氧化物)

材料燃烧时放出多种气体,其中含有CO,HCN,SO2,HCl,H2S等毒性气体,毒性气体对人体具有极大的危害作用,其成分及百分含量可通过锥形量热仪中的附加设备收集分析。

 

 

02

微型量热仪

 
 

 

上面我们详细介绍了锥形量热仪(CONE),那么就不得不再介绍一下微型量热仪(MCC)

微型量热仪通常在几秒内就可确定基本化学热数值,预测材料防火性能。这一技术能用很小的样品(1-50mg)迅速确定参数,如热释放速率系数(W/g)、燃烧热量(J/g)、着火温度(°C)等,典型可重复性为±5%。

微型量热仪数据和防火测试数据 (锥形量热仪, OSU 热释放速率测定仪), 可燃性测试(LOI 高温氧指数仪, UL94 水平/垂直燃烧仪) 以及燃烧测试 (氧弹量热仪) 相关联,因此被视为确定和预测材料防火性能的一种高效,低成本的工具。

 

相关标准

 
 

关于微型量热仪法,目前最常提及的是ASTM D7309 《Standard Test Method for Determining Flammability Characteristics of Plastics and Other Solid Materials Using Microscale Combustion Calorimetry(用微型燃烧量热法测定塑料和其他固体材料可燃特性的标准试验方法)》。我国根据ASTM D7309使用翻译法修改编写了商检行业标准SN/T 4879-2017《聚合物及其复合材料燃烧性能试验方法 微型量热法》,标准中进行了少量调整。

 

试验原理&测试设备

 
 

微型量热仪同样基于传统的氧耗量量热法。首先在热解器中以恒定的升温速率(通常1-5K/s)加热样品,并通过惰性气体从热解器中吹扫降解产物。将气流与氧气混合并在900℃下进入燃烧室,在那里分解产物被完全氧化。燃烧气体的氧气浓度和流速用于确定燃烧过程中涉及的氧气消耗,并且由这些测量确定热释放速率。总的来说,MCC是小型的锥量,但数据上不如锥量定量、详细。

 

 

FAA微型量热仪


FTT的FAA微型量热仪由 FTT 和联邦航空管理局(FAA)共同研发。以秒为单位确定基本化学热数值,预测材料防火性能。

 

FAA产品特点

  • 双向96-264VAC, 50-60Hz(不需要切换)
  • 厌氧和有氧高温分解
  • 几分钟内就可以得到测试结果
  • 自动控制温度和气体流速
  • 样品尺寸(1-50mg)
  • 过温保护装置
  • 可拆卸的设备后盖,便于后期的部件维护,如燃料电

 

测量参数

 
 
 

热释放速率(Heat Release Rate,简称HRR)

MCC微型量热仪通过控制加热速率和过量氧含量消除这种不确定性,从而得到一个特性热释放放速率 (K/s)。

 

燃烧热量

在燃烧过程中所释放的热量,这个数值是火灾危险性重要指标。

 

着火温度

点燃温度对于消防安全非常重要,着火温度越高,材料燃烧更慢,给予逃离密闭空间的时间就越长。

 

阻燃性

MCC通过测试材料热释放能力来评定材料的阻燃性能,所以也是测试材料阻燃性的极好选择。

 

 

03

相关标准及典型应用

 
 

 

锥形量热仪是基于“耗氧原理”的新一代燃烧试验仪器,其最大的特点是以强制外加热辐射模式来研究物质的燃烧行为,并以时间为维度,即时地记录物质在燃烧过程中释放热、重量、气氛等多方面的变化,可以在一定程度上较全面的定量描述物质的燃烧过程,并以此考察物质在特定外场环境下的燃烧性能,进而剖析其内在的燃烧特性。就试验规模而言,锥形量热法仍归属于小型实验的范畴,但因为锥形量热仪独特的强制燃烧设计,可以有效模拟现实火灾的燃烧情景,其测试结果可与传统大型燃烧试验的结论形成比对。

锥形量热仪和微型量热仪在各行业研究中的应用主要可以概括为3方面,并以此为基础应用于各个行业:

01

评价材料的燃烧性能

综合HRR,PHRR和TTI,我们可以定量地判断出材料的燃烧危害性。HRR,PHRR愈大,TTI愈小,材料潜在的火灾危害性就愈大;反之,材料的危害性就小。

02

评价阻燃机理

由EHC,HRR和SEA等性能参数可讨论材料在裂解过程中的气相阻燃、凝聚相阻燃情况若HRR下降,表明阻燃性提高,这也可由EHC降低和SEA增加得到;若气相燃烧不完全,说明阻燃剂在气相中起作用,属于气相阻燃机理。若EHC无大的变化,而平均HRR下降,说明MLR亦下降,这属于凝聚相阻燃。

03

进行火灾模型化研究

发明CONE的初衷就是为了进行火灾模型设计,通过CONE可测定出火灾中最能表征危害性的性能参数HRR,从而进行火灾模型设计。值得注意的是,在测试过程中,火灾模型设计需要的其他性能,如毒性、烟等也和HRR一并测出。

 

 

锥形量热仪在各行业中的典型应用

 

 

建筑材料

 
 

建筑材料防火性能至关重要,与建筑材料阻燃性能相关的标准和试验方法是目前涉及范围较广、发展较为完备的领域。与ISO 5660-1:2002等同的GB/T 16172-2007被大量标准引用以材料的阻燃性能,如GB/Z 5169.32-2013《电工电子产品着火危险试验 第32部分:热释放 绝缘液体的热释放》、GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》等。

 

相关标准(部分)

  • GB/T 16172建筑材料热释放速率试验方法
  • ASTM E1740用锥形热量计测定墙面覆层材料的释热率及其它着火试验响应特性的标准试验方法
  • CAN ULC 135使用氧耗热量计评定建筑材料燃烧分级测试方法
  • BS 476 Part 15建筑材料及构件防火测试,第15部分:产品放热性测试-锥形量热

 

电线电缆

 
 

电线电缆的阻燃问题一直是业内广为关注的焦点。为模拟线缆的实际燃烧过程,电线电缆的燃烧试验普遍具有试验种类多、规模大、成本高的特点,且通常要结合多项试验结果才能对其阻燃的有效性进行综合判定,而电缆料多采用极限氧指数来定量评估其阻燃性能。电线电缆的燃烧过程远较氧指数实验复杂,二者的结果并不具有对应性。

锥形量热仪可以同时满足线缆成品与电缆料的测试需求,为二者试验结论间的类比提供了基础。如欧洲标准EN 50399“着着火条件下电缆的通用试验,火焰蔓延试验中测量热释放量和冒烟量-测试仪器、程序和结果。”中即联用锥形量热仪的氧分析系统与烟雾分析系统来研究成束电缆燃烧过程中热释放与烟雾释放速率。

此外,在《基于CONE和MCC的典型电缆燃烧性能研究》中,采用锥形量热仪微燃烧量热仪对4类不同护套材料电缆的8种电缆样品进行燃烧性能分析研究。

 

相关标准(部分)

  • ANSI/ASTM D6113用锥形热量计测定电气或光缆中含有的绝缘材料着火试验响应特性的试验方法
  • EN 50399着火条件下电缆的通用试验,火焰蔓延试验中测量热释放量和冒烟量-测试仪器、程序和结

 

铁路车辆与轨道交通

 
 

轨道客车使用复合材料已经有着几十年的历史,在车辆轻量化方面起到了重要的作用。随着列车防火需求的提升,内饰材料的安全性也逐步得到提高,地铁和高铁要求严格的材料防火性能,同时也是锥形量热仪的重要应用领域之一。

 

相关标准(部分)

  • EN 45545-2 铁路应用—铁路车辆的防火保护—第2部分:材料和元件的防火要求

 

船舶材料

 
 

在国际海域航行的船舶都要遵循SOLAS(海上生命安全公约)的规定,船舶包括轮船、舰艇等等。由于船舶发生火灾时不易逃生,其材料的防火性能特别受到关注。

 

相关标准(部分)

  • IMO MSC 40(64) / ISO 9705 and ISO 5660: 高速船舶防火材

 

航空

 
 

美国联邦航空管理局(FAA)监管在美国运营的飞机,但其指导方针在被全球采用。在美国联邦航空局飞机材料防火测试手册中详细介绍了客机所用材料的防火测试。FTT微型量热仪就是与FAA共同研发,且微型量热仪的测试数据与FAA测试标准中ASTM E906 OSU 热释放速率测定仪的数据相关联,且试验成本较低。

 

塑料及阻燃材料研究

 
 

塑料是火灾中常见的着火材料,锥形量热仪被普遍用于对几种常用塑料的燃烧裂解行为进行了研究,分析比较典型塑料材料在不同辐射功率下燃烧裂解的变化规律,以及不同阻燃体系对塑料燃烧裂解行为的影响。探讨了火灾条件下塑料燃烧裂解的原因,以及某些阻燃体系的阻燃作用。

此外,锥形量热仪还可用于评价包装材料、农作物、小商品等火灾危险性。近几年来,还有学者把锥形量热仪用于热塑性高分子材料的燃烧过程模拟与分析和研究金属、钢结构等材料的燃烧性能,是推进阻燃材料研发的重要试验设备。

 

相关研究文献

  • 郑泽勋, 李金梅, 李强,等. 辐射热作用下金属钠燃烧现象试验研究[J]. 消防科学与技术, 2020(2):154-157.
  • 邓军, 闫钰, 康付如,等. 含改性硅微粉硅橡胶阻燃抑烟研究[J]. 高分子通报, 2020(01):61-71.
  • 李胜, 张广鑫, 王文博,等. 基于锥形量热仪法对环氧树脂燃烧性能的研究[J]. 化学与粘合, 2019(6).
  • 简丽霞. 采用锥形量热仪(CONE)研究和评价钢结构防火涂料[J]. 砖瓦世界, 2019(12).
  • 郭军红, 刘国天, 何婷香,等. ZnO/MoO3/Al(OH)3阻燃聚丙烯材料的制备及性能[J]. 精细化工, 2019, 036(006):1235-1240.

 

家具及室内装饰材料

 
 

室内装修及家具材料的使用非常普遍,这些材料的燃烧特性对建筑火灾的发生、发展、蔓延及危害后果有重要影响。不少研究者采用锥形量热仪,通过测试各种装修及家具材料(如壁纸、PVC复合板、胶合板、室内装饰、装修材料等)的燃烧特性和不同辐射条件下的各种参数,比较材料的火灾安全性能,对材料的安全使用和建筑火灾预防与控制具有重要意义。

 

相关标准(部分)

  • ASTM F1550用实验室耗氧热量计测定遭破坏后修复设施中床垫或家具用部件或合成材料燃烧试验响应特性的标准试验方法
  • ASTM E1474-2010用小型耗氧量热计测定装饰家具和床垫部件或组件的放热率的标准试验方
 

相关研究文献

  • 杨宁,宋魁.几种铺地材料燃烧性能的锥形量热计研究[J].消防科学与技术,2005,24(3):1-3.
  • 蔡晶菁, 杨涛, 欧明辉. 室内装饰装修材料对火反应特性试验[J]. 消防科学与技术, 2017, 036(008):1046-1048.
  • 刘杰. 基于锥形量热仪的家具常用木材有无助燃剂添加的燃烧特性的研究[D]. 2016.
  • 邸芃, 史慧芳. 建筑室内装修材料燃烧特性[J]. 消防科学与技术, 2013(02):121-123.
  • 邓小波, 姚红艳, 杨森, et al. 锥形量热仪在饰面型防火涂料防火性能研究中的应用[C]// 中国阻燃学术年会会议. VIP, 2012:24-27.
  • 马哲,舒中俊.两种常见壁纸燃烧性能的实验研究[J].化学建材,2004,(6):27-31.
  • 舒中俊,何嘉松.一种PVC复合板燃烧性能的锥形量热计实验研究[J].化学建材,2003,(6):23-25.
  • 杨昀,张和平,张军,等.用锥形量热仪研究胶合板的燃烧特性[J].燃烧科学与技术,2006,12(2):159-163.
  • 刘松林.室内装饰材料的燃烧性能研究[D].重庆:重庆大学,2005.
  • 康茹,尤杰,乙华.室内装修材料的锥形量热仪的对比研究[J].消防技术与产品信息,2006,(5):17-19

 

木材及林业工程

 
 

木材是建筑、家具的主要原材料,同时被用于构建防火带、人工林等重要设施,其燃烧性能的研究与阻燃性能的改善一直是关注较多的领域。锥形量热仪作为研究材料燃烧性能的优质方法,被大量应用于木材阻燃性能的研究。如基于锥形量热仪以南方7种树叶为例评价比较一维和三维燃烧性;进行苏北防火林带8种主要树种抗火能力的分析;测试ASD阻燃剂对落叶松材阻燃性能的影响;进行竹材发泡板热解和燃烧特性测试等。

 

相关标准(部分)

  • GB/T 34749-2017 木材及木质复合材料耐火试验方法 锥形量热
 

相关研究文献

  • 张文福, 方晶, 刘乐群,等. 竹材发泡板热解和燃烧特性[J]. 东北林业大学学报, 2016, 44(012):47-50.
  • 金森, 杨艳波. 基于锥形量热仪的一维和三维燃烧性评价比较:以南方7种树叶为例[J]. 林业科学, 2016.
  • 江津凡, 万福绪, 孙祥. 苏北防火林带8种主要树种抗火能力的分析[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2012(02):151-154.
  • 宋雨澎, 郭明辉, 龚新超. ASD阻燃剂对落叶松材阻燃性能的影响[J]. 林业工程学报, 2017, 002(004):51-56.

 

锥形量热仪微型量热仪作为火灾科学研究领域重要的仪器设备之一,被越来越多的应用于各领域的研究试验中。欧美大地与英国FTT合作,基于FTT在热量计设计和制造方面数十年的专业知识与探索,其代表产品iCone2+量热仪(ISO 5660;ASTM E1354)必将成为火灾测试领域中用户信赖的测试设备。iCone2+采用新的控制和自动化技术,直观的界面,复杂而灵活的控制选项以及内置的数据采集技术,使用简便,准确,可靠且易于维护,是先进的自动锥形量热仪

 

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