材料的点燃性与可燃性的测定

第二章 材料的点燃性和可燃性的测定l 材料的点燃性与火源有关，表征材料引发火灾的概率；同时受点燃环境的影响；l 材料的可燃性是材料有焰燃烧的能力；现在材料的可燃性是基于特定的火焰施加在材料上所产生的后果；l 可燃性与火焰的类型、大小、施加在试样上的时间，及试样的尺寸、形状和放置方向有关；第一节：塑料的极限氧指数法极限氧指数（LOI）是指试样在规定的条件下，在氧气和氮气的混合气体中，维持平衡燃烧说需要的最低的氧气的浓度（体积百分比）。历史：1.1 理论基础聚合物的氧指数与其燃烧时的成碳率、比燃烧焓及元素组成等因素有关；1. 按成碳率计算2. 按比燃烧焓进行计算3. 按元素的组成估算1.2 实际测定1.2.1通常测试方法：l 燃烧筒：耐热玻璃管，高450mm，最小内径75mm，顶部出口内径40mm；l 玻璃珠：80100mm厚，直径35mm，用来平衡气流；l 金属网：玻璃珠上方，防止低落碎片阻塞；l 试样夹具：对于自支撑材料，垂直夹住；非自支撑材料（薄膜、薄片），框架结构；l 测量气体流量：转子流量计；l 控制气体流量：针阀；l 气源：氧气、氮气压力不低于1MPa；l 点火器：金属管，末端内径2+-1mm，火焰竖直向下高度为16+-4mm；l 燃气：丙烷、丁烷、石油液化气、天然气；l 取样：测试程序l 顶端点燃法：自撑材料；模塑材料，泡沫材料，厚片材料，电器用模塑和片材l 扩散点燃法：包括自撑材料和非自撑材料；如软片或薄膜，模塑材料，泡沫材料，厚片材料，电器用模塑和片材等。影响因素：气流速度、气体纯度、试样厚度、火焰高度、点燃用气体、点燃方式、环境温度、试样夹持方式等的影响。l （1）气流速度 混合气体的流速在30120mm/s内变化时，对LOI测定结构没有明显的影响；但是在氧气浓度低于空气浓度时，因为空气中氧气倒流入燃烧筒而引起实际的氧指数比测得的氧指数偏高，从而采用一个限流盖，使燃烧筒的口径缩小到40mm；l （2）试样的厚度及长度 LOI随试样厚度略有增高，因为越薄的试样越易于燃烧；至于试样长度，只要在标准要求70150mm之内，不会影响结果；l （3）氧气和氮气的纯度转子流量计测量的氧气和氮气的流量，但是，当氧气和氮气不纯、压力降低而导致的湿度增加的影响，建议使用气源高纯度、压力大于1MPa；l （4）点燃方式顶端点燃法、扩散点燃法，方法不同，LOI略不同；l （5）点燃气体种类测定LOI可以采用丙烷、丁烷、液化石油气或煤气，所得结果基本相同；但是做仲裁时，采用未混合入空气的丙烷气体；l （6）环境温度温度升高，大多数材料的LOI下降，但是在530时，差别不大；但是对环境敏感的材料，则应规定试样的调节以及环境温度；l （7）燃烧筒温度燃烧筒的温度，在festec中，有常温型和高温型的两种，在温度高于75时，有明显的影响；Festec的高温型的温度最高可到400。l （8）其他火焰高度在625mm范围内对LOI测试结果无影响；试样本身的缺陷，如气泡、裂纹、溶胀、飞边、毛刺等有影响；高温氧指数l 在燃烧筒上增加可控温装置，提高试验的环境温度（最高可达400）；l 一般而言，材料的LOI随环境温度升高而降低，高温情况下更能表征材料的燃烧性；l 不同材料的LOI随温度的变化，有助于了解分子结构和机理：l ISO 4589-96规定了高温氧指数法l1.2.2 薄膜的氧指数法的测定l 试样卷绕成筒状测试；l 影响因素：（1） 层数的影响，一般2mm为宜；（2） 烟囱效应，用夹子夹住筒状试样的下端；（3） 框状试样与卷状试样的比较，一般框状试样的LOI高一些；（4） 卷状试样更加符合实际。1.2.3 液体氧指数法的测定设备l 硼酸玻璃杯，外径25mm，内径22mm，总高5.5mm，净高4mm；l 试样放入硼酸玻璃杯中，在氧氮混合气流中点燃，刚好维持60s或以上的最低氧气浓度为LOI；l 液体：40时粘度不大于50mm2/s的所有液体；l 氧指数仪同上；l 不需要限流盖，试样夹；l 点火器为内径1.5mm的铜管；气流速为3cm/s，火焰高度为垂直放置时40mm；过程l 梯级增加氧气浓度，步长为0.5%；l 保持燃烧60s或以上，浓度比结果少0.5%的氧气浓度下不能维持；l 5个样品，3个或3个以上的样品能够保持，则试样结束。影响因素：l （1）试样杯直径1530mm间变化时，对LOI影响不明显；l （2）试样杯与燃烧筒顶距若顶距过低，在氧气浓度低于环境氧气浓度时，氧气扩散，造成LOI偏低；l （3）点火时间点火时间有明显影响，但没有规定统一的点火时间，股要求点燃就移开火源，并开始计时；l （4）火焰高度火焰太短，LOI偏高，反之偏低，在3550mm是，对LOI没有影响，规定40mm；l （5）环境温度1535下测定LOI，对结果并没有明显影响；但当温度高于35时，有明显影响；标准要求在1530下进行。1.2.4 测定氧指数的比较法1.3 对氧指数法的综合评价l 所有材料的可燃性试验中，极限氧指数法具有非常重要的地位；l 测定结果量化，而很多阻燃测试结果是“通过”或“不通过”，以及材料的阻燃 性等级。l 反映材料对氧气的敏感程度；l 最大的缺陷：（1） 测试结果无法与火灾安全工程相关联，对于火灾科学工程发展到今天，越来越显得不足；（2） 燃滴效应也不能用LOI法来测定研究；（3） 用LOI法来测定和评价液态电工绝缘材料的火灾行为也是有局限性的；l 由于LOI不能与实际相关联，LOI测定法并没有被DIN电工标准收录，而被英国和法国电工设备标准采用。第二节 塑料水平及垂直燃烧试验l 塑料燃烧测试中，本法最具代表性，应用最广泛；l 本法测定试样表面火焰的传播性能；l 原理：水平或垂直的夹住试样的一端，对试样的自由端施加规定的点燃源，测定线性燃烧速率（水平法）或有焰燃烧及无焰燃烧时间（垂直法）来评价试样的阻燃性能；l 方法标准众多：l 点燃源：炽热棒法和本生灯法；l 本生灯法：小能量（火焰高度2025mm）和中能量（火焰高度为125mm）两种；l 本生灯小能量法标准：UL 94 (IEC 60695-11)，GB 2408，GB 4609，ISO 1210，ISO 12992等；2.1 UL 94 塑料水平和垂直燃烧试验2.1.1 UL试验简介l UL 是美国保险业实验室（underwritten laboratory）的简称；l UL成立于1894年；l 宗旨：进行技术安全试验和保护人们及商品免遭侵害；l UL最初只是工业防火实验，后来扩展到防火、电气工程、空调、防盗、事故预测、化学安全、航海等多个行业的安全业务；l UL有5个实验站：芝加哥、northbrrok （伊利诺伊州）、nelville（纽约州）、tampa（佛罗里达州）、santa clara（加利福利亚州），各有其专业领域，按地区分别负责业务；l UL 安全标准只涉及产品安全方面，不涉及产品的适用范围及价格；l 3类UL试验：登记、分类和认证；l UL的登记及认证试验室是与产品的监视与跟踪服务相结合，分单位负责服务（R型）和聘请服务（L型）；l UL 发布产品指南，对认证产品颁布认证卡，俗称黄卡;l UL 94 是UL关于防火安全测试方法的重要标准之一，包括了几个塑料阻燃测试的方法，UL94 和其他的几个试验UL946C 是塑料及其制品认证的的基础；l UL 94 不仅适合于电气工业，而且也适合其他的几个行业 ，但是不包括建筑业；l ANSI/UL 94 是全球广泛采用的测定塑料阻燃性能的方法，可以用来初步评价被测塑料是否适合于一特定的场所；l UL 94 阻燃性试验包括：（1） UL 94 HB水平燃烧试验；（2） UL 94 V-0，UL 94 V-1，UL 94 V-2 垂直燃烧试验；（3） UL 94-5 V垂直燃烧试验；（4） UL 94 VTM-0，UL 94 VTM-1 及UL 94 VTM-2 薄膜塑料垂直燃烧试验；（5） UL 94 HBF，UL 94 HF-1 及UL 94 HF-2 泡沫塑料水平燃烧试验。2.1.2 UL 94 HB 水平燃烧试验 （50W）l 此法相应于IEC 60695-11-10标准；l 试样水平放置，如图：l 试样：3个，尺寸125*13*13 （长*宽*厚mm）；l 标记线：25mm，100mm处；l 试样调湿：23+-2、50+-5%相对湿度调湿48h；l 试样长轴水平放置，宽轴45倾角放置；l 点燃源：实验室喷灯，本生灯，满足IEC60695-11-4要求，焰高20+-2mm，无发光火焰；l 点燃方式：本生灯水平倾角45，点燃试样下角30s；l 如果试样在点燃30s之前就达到标记线25mm，则移走喷灯；l 材料为HB40级：（1） 点燃源移走后，试样无可见明燃；（2） 在火焰前言达到100mm处标记前自熄；（3） 试样两标记线之间的燃烧速率不超过40mm/s。l 材料为HB75级：（3）试样两标记线之间的燃烧速率不超过75mm/s。2.1.3 UL 94 V-0，V-1，V-2 垂直燃烧试验l 塑料试样垂直放置，试样下端点燃，试样上端能够被燃烧产生的热量预热，从而通过UL94 V试验比通过UL94HB试验更加困难；l UL 94 V对应于IEC 60695-11-20，装置如下l 试样：两组，每组5个试样，125*13*13（长*宽*厚），试样的最大最小厚度是根据塑料的实际使用情况而定，经轴悬挂；l 试样的处理：（1） 一组，试样调湿：23+-2、50+-5%相对湿度调湿48h；（2） 一组，在72热空气烘箱中处理108h，然后在保干器中冷却4h到室温；l 脱脂棉：离试样下边缘300mm处放置，51*51*6mm；l 点燃源：实验室喷灯，IEC60695-11-4要求，火焰高20+-1mm，无发光火焰；l 施加火焰时间：每个试样两次，一次10+-0.5s，在第一次点燃试样后，移走火焰试样自熄，立即施加第二次火焰；l UL 94 V-0级：（1） 火焰移走后单个试样两次明燃的总时间小于10s；（2） 一组试样（5个）10次明燃总时间不超过50s；（3） 火源移走后，单个试样第二次施加火焰后明燃时间与阴燃时间之和不大于30s；（4） 无熔滴点燃棉花。l UL 94 V-1级：（1） 火焰移走后单个试样两次明燃的总时间小于30s；（2） 一组试样（5个）10次明燃总时间不超过250s；（3） 火源移走后，单个试样第二次施加火焰后明燃时间与阴燃时间之和不大于60s；（4） 无熔滴点燃棉花。l UL 94 V-2级：（1） 火焰移走后单个试样两次明燃的总时间小于30s；（2） 一组试样（5个）10次明燃总时间不超过250s；（3） 火源移走后，单个试样第二次施加火焰后明燃时间与阴燃时间之和不大于60s；（4） 燃滴点燃棉花。2.1.4 UL 94 5V 垂直燃烧试验（500W）l 相应于IEC 60695-11-20，测定垂直放置的固体塑料的阻燃性；l 与UL 94 V 的区别：（1）5V对每个试样施加火焰5次，而UL 94 V 仅施加2次；l 5V最初采用杆状试样（A法），通过试验的要求：试样续燃和灼烧的时间不能大于60s，且不能产生熔滴；这个对于热塑性塑料，5V的试验要求是相当的苛刻的。l 5V也采用片状塑料法（B法），试样厚度与A法相同，水平放置，常见装置如下l 试样，方法A，杆状材料，两组，预处理与UL 94 V法同，每组5个，125*13*13（长*宽*厚）mm，厚度最大13，或试样提供的最小厚度；l 试样，方法B，片状材料，两组，预处理与UL 94 V法同，每组5个，150*150*（长*宽）mm，厚度为试样提供的最小厚度；l 点火源：本生灯与铅直方向夹角为20+-5放置，火焰长125+-10mm，蓝色焰心长40+-2mm；l 火焰位置：方法A，试样垂直放置，火焰置于试样的下方；方法B，试样水平放置，火焰置于试样下面的中部；l 施加火焰时间：每个试样5次，每次5s，间隔5s；l UL 94 5VA级条件：（1） 第5次点燃的点火源移走之后，试样明燃时间不大于60s；（2） 无熔滴，棉花不被点燃；（3） 满足UL 94 V-0、UL 94 V-1，UL 94 V-2的条件。l UL 94 5VB级条件：（1） 试样可被烧孔；（2） 第5次点燃的点火源移走之后，试样明燃时间不大于60s；（3） 无熔滴，棉花不被点燃；（4） 满足UL 94 V-0、UL 94 V-1，UL 94 V-2的条件。l UL 94 5V测试比UL 94 V测试更加严格。2.1.5 UL 94 VTM-0、UL 94 VTM-1、UL 94 VTM-2垂直燃烧试验l 适合那些不适合用UL 94 V测定的塑料薄膜的阻燃性；l 与UL 94 V比较，只有试样夹不一样，将塑料薄膜绕在杆上，并用胶带规定形成的试样；l 试验时，抽出杆，使得塑料薄膜卷垂直夹住；l 注意胶带位置在离试样下端距离至少127mm以上；l 火焰施加于薄膜下端中部；l 评价方法与UL 94 V一样；l 薄膜分径向和纬向，因薄膜收缩对测试结果影响；l 试样缠绕装置如; l 试样：两组，每组5个，用200mm长，50mm宽薄膜绕在一跟直径为12.7mm的圆棒上而成；l 试样在离下端127mm处标记线；l 试样预处理与UL 94 V相同；l 夹持方式：垂直夹持，顶部夹紧、下部松平；l 脱脂棉：离试样底端305mm，51*51*6mm大小；l 点燃源：本生灯或提利灯（Tirrill），垂直放置，焰高19mm，无发光火焰；l 施加火焰时间：每个试样2次，每次3s，第二次在第一次施加而试样自熄后马上进行；l 材料UL 94 VTM-0级：（1） 单个试样2次明燃总时间小于等于10s;（2） 5个试样10次明燃总时间不超过50s；（3） 点燃源移开后，单个试样明燃和阴燃时间之和不大于30s（第二次施焰之后）；（4） 无熔滴点燃棉花；（5） 试样不烧至127mm标记处；l 材料UL 94 VTM-1级：（1） 单个试样2次明燃总时间小于等于30s;（2） 5个试样10次明燃总时间不超过250s；（3） 点燃源移开后，单个试样明燃和阴燃时间之和不大于60s（第二次施焰之后）； （4） 无熔滴点燃棉花； （5） 试样不烧至127mm标记处。l 材料UL 94 VTM-1级：（1） 单个试样2次明燃总时间小于等于30s;（2） 5个试样10次明燃总时间不超过250s；（3） 点燃源移开后，单个试样明燃和阴燃时间之和不大于60s（第二次施焰之后）； （4） 熔滴点燃棉花； （5） 试样不烧至127mm标记处。2.1.6 UL 94 HBF、HF-1、HF-2水平燃烧试验l 测定泡沫塑料阻燃性能的方法，类似ISO 3582，后者适合测定软质泡沫塑料盒多孔橡胶的阻燃性；l UL 94 HBF、HF-1、HF-2的装置同GB 8332，如图： l 原理：由特制本生灯产生的火焰施加于水平放置于丝网上的泡沫塑料试样一侧，测定试样的燃烧速率；l 试样：2组，每组5个，尺寸150*5*13（长*宽*厚）mm；l 标记：试样的25mm、60mm、120mm三处参考标记；l 试样厚度：一组为材料使用的最大厚度，另一组为使用的最小厚度；l 试样的预处理与UL 94 V同；l 脱脂棉：离试样305mm处，放置50*50*6mm脱脂棉层；l 点火源：本生灯或特制喷嘴喷灯，宽47mm、高88+-1mm的火焰；l 施加火焰时间：60s。l UL 94 HF-1级别：（1） 一组5个试样至少有4个的明燃时间小于等于2s；（2） 任何一个试样的明燃时间不超过10s；（3） 经过60mm标记后，试样没有破坏；（4） 点燃源移走后，或经过60mm标记后，时间灼烧时间不大于30s；（5） 无熔滴。l UL 94 HF-2级：（1） 一组5个试样至少有4个的明燃时间小于等于2s；（2） 任何一个试样的明燃时间不超过10s；（3） 经过60mm标记后，试样没有破坏；（4） 点燃源移走后，或经过60mm标记后，时间灼烧时间不大于30s；（5） 熔滴点燃脱脂棉。l UL 94 HBF级：（1） 在25mm和125mm两个标记间，材料燃烧速率不超过40mm/min，或在125mm标记前，材料自熄，但是不符合UL 94 HF-1和HF-2的标准；2.1.7 UL746 C标准l 对于制造电气设备的塑料，UL 94 阻燃性能 试验的重要性在于它和电气设备的一个基本标准UL 746 C有关；l UL 746 C 是根据塑料在电气设备中的用途，例如通电元件的承载体，还是用为绝缘外壳等，对塑料提出了机械性能、电性能及热性能等多种要求，而且考虑到材料性能的相互影响，以保证最后产品中的塑料元件在工作时有足够的安全水平；l UL 746 C 不只是元器件的材料进行检测，还对最终元器件进行检验；2.2 中国塑料水平及垂直燃烧试验l GB/T 2408-2008, 等效采用IEC 60695-11-10；l 判断方法略有小异。2.3 塑料水平及垂直燃烧试验影响影响因素（不包括泡沫塑料）l 试样的厚度 试样厚度对水平燃烧速率有明显影响，对厚度3mm 的试样，其燃烧速率随厚度的增加而急剧的降低，而对于厚度3mm 试样，燃烧速率随厚度变化则较小；这是因为：（1） 加热试样到热分解温度所需要的时间与其质量（或厚度）基本成正比；（2） 试样的着火、点燃及传播主要发生在表面上，对厚度越小的试样，单位质量具有的表面积大；（3） 不同材料的影响也不同，对材料的比热容和热导率较小、又不产生熔滴的材料（如PMMA）的影响较小，而对比热容和热导率较大又有熔滴的材料（如PE）的影响较大； 试样厚度对垂直燃烧试验也有很大影响，试样越薄，总有焰燃烧时间越长，反之越短；厚度3mm的试样，燃烧时易出现卷曲和崩断现象，从而影响试验的稳定性和重复性；因而我们在做试验时，对试样做了严格的规定，厚度不同的试样，其结果缺乏可比性。l 试样的密度相同条件下，试样水平燃烧的燃烧速率随密度的增大而降低；对于垂直燃烧，其燃烧时间也与其密度有关。l 火焰高度的影响对于水平燃烧试验，（1）当火焰高度为10mm时，有些试样难以点燃，因为火焰提供的热量不能将试样加热到分解温度以上的缘故；（2）当火焰高度在15mm时，有的试样能够被点燃（如PMMA、PVC）有的只熔不燃（如PE）；这是因为PE分解温度较高，比热容和热导率较大，熔点较低，故把试样加热到分解所需热量较多的缘故；（3）当火焰高度为20mm以上，试样能被点燃，且在焰高2040mm时，试样的燃烧速率基本一致；对于垂直燃烧试验，（1） 对试样结果有一定的影响；（2） 焰高在1925mm 之间变化时，对试验结果基本没有影响；（3） 规定要求火焰高度为20+-2mm。l 状态调节条件的影响（1） 试样的状态调节对材料的水平和垂直燃烧性能都有一定的影响；（2） 温度偏高和湿度偏小都会提高平均燃烧速率（水平法）和总的燃烧时间（垂直法）；（3） 状态调节对纯的塑料影响较小，而对压层材料影响较大；l 各向异性材料的不同方向（1）由于材料在成型的过程中由于受力及取向不同而产生各向异性；（2）对不同方向的材料对燃烧性能有一定的影响：2.4 泡沫塑料的水平燃烧试验（GB 8332）l 此法等效ISO 3582-78，ISO 9772-01；l 范围：实验室条件下评定泡沫塑料和泡沫橡胶小试样的相对水平燃烧性能；2.4.1 设备及试样l 试验箱：内尺寸 600*300*760mm；l 点燃源：本生灯，内径9.5+-5mm，灯上装配火焰喷嘴（翼顶），高40mm，锥较60，内侧长48mm，宽3.0mm；l 火焰要求：距本生灯翼顶13mm处的温度为1000+-100，蓝色火焰可见部分高度为38mm，且有7mm界限分明的内核；l 试样托网：直径为0.8mm的不锈钢丝，网孔每边长6.4mm，网长215mm，宽75mm，端部弯成直角，高度为13mm；l 支撑架：由低碳钢制成，与本生灯翼顶距13mm；l 试样：长150mm，宽50mm，厚13mm，每组10个，在距一端125mm处有一标记线；2.4.2 试验程序l 本生灯点火60s，移开本生灯；l 试样燃烧至标记线时，记录时间tb，若试样在燃烧到标记线之前熄灭，记录时间te；l 如试样火焰在燃起火焰中自熄，则把火焰变色消失的时间作为火焰熄灭的时间；l 测量燃烧范围Le，为150减去燃烧痕迹到试样边缘之间的距离；l 根据需要，称量试样残留物的质量。2.4.3 结果计算l 火焰前缘超过标记线，燃烧速率=125/tb；l 火焰在到达标记线前熄灭，燃烧速率=Le/te;l 计算一组10个试样，平均值：燃烧时间，燃烧范围，燃烧速率，质量损失百分比等。2.4.4 影响因素l 试样厚度的影响外热源恒定，加热材料并使之分解说需要的热量与其质量成正比，当试样的长宽一定时，其质量与其厚度有关系，因而不同的试样厚度所测得的试验结果是不一样的；l 试样密度的影响相同的试验条件之下，试样的燃烧速率应随其密度的增加而减少，对某些材料影响明显，如：l 材料各向异性的影响因为材料在加工成型的过程中，受力和取向不同而产生的各向异性，对材料的阻燃性能有一定的影响，但有时影响也较小，如l 试验状态调节及试验环境的影响有无状态调节对测试结果的影响与环境条件相比较而言，若环境温度相对于状态调节低，湿度相对高，则得到的测试结果会偏大，反之亦然；对于试验环境而言，环境温度升高和湿度下降，都会提高材料的燃烧速率。l 火焰内核的高度试验要求内核7+-1mm，蓝色外焰38+-1mm，（1） 火焰内核在一定高度内变化时，对燃烧性能的影响不大，但是当它较大偏离规定值时，实验结果会有较大的偏差；（2） 当内核高度较大达到14mm时，火焰高度也较大达到43mm，此时燃烧速率略低；（3） 当火焰内核高度为6mm时，火焰高度达不到规定要求，平均燃烧速率有所下降。2.5 泡沫塑料的垂直燃烧试验（GB 8333）l 此法适用于实验室条件下评定燃烧程度中等的硬质泡沫塑料小试样的相对垂直燃烧性能；2.5.1 设备及试样l 试验烟筒：防腐金属材料制成，前壁为耐热玻璃板，距烟筒底面51mm起，标有刻度；l 试样支架：不锈钢制，l 本生灯：内径9.5mm，固定于滑动支架上，中心线与铅直夹角为15，火焰内核2530mm的蓝色火焰，内核顶端温度为960+-20；l 试样：长250*宽20*厚20，每组试样6个；2.5.2 试验程序l 称量试样、试样支架、及称量盘的质量；l 装试样，试样与试样支架顶部齐平；l 把成称量盘放在试样中心线的延长线上，与试样中心距筒体下端面距离为76mm；l 调节火焰高度；l 把火焰置于试样底端，开始计时，10s移走火焰；l 试样火焰熄灭时，记录时间te；l 如果熄灭时间小于10s，记录此时间，当