ISO 239482023 塑料聚氯乙烯材料和产品的膨胀性能锥形量热计测量膨胀的试验方法标准立项发展报告

塑料聚氯乙烯材料和产品的膨胀性能锥形量热计测量膨胀的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Plastics—IntumescencePropertiesofPVCMaterialsandProducts—TestMethodfortheMeasurementofExpansionwiththeConeCalorimeter摘要聚氯乙烯（PVC）材料作为全球产量最大的通用塑料之一，在建筑、交通、电力及通信等领域具有广泛应用，但其燃烧性能及火灾安全性始终是制约其高端应用的关键因素。膨胀型阻燃技术通过在材料受热时形成致密炭层以实现热质传递的物理阻隔，是提升PVC材料防火性能的有效途径，而膨胀倍率的准确测量则是评估膨胀型阻燃体系效能的核心技术前提。然而，长期以来国际上缺乏针对PVC材料膨胀性能的统一测试方法标准，导致不同实验室、不同研究机构间的测试结果缺乏可比性，严重制约了膨胀型阻燃PVC材料的研发效率与应用推广。在此背景下，国际标准化组织（ISO）制定并发布了ISO23948:2023《塑料聚氯乙烯材料和产品的膨胀性能锥形量热计测量膨胀的试验方法》。该标准基于锥形量热计的辐射加热原理，建立了在可控热流条件下连续测量PVC材料膨胀过程及膨胀倍率的标准化试验方法，明确了试验装置要求、试样制备规程、热辐射通量设定、数据采集与处理方法以及试验报告格式等关键技术内容，填补了PVC材料膨胀性能测试领域的国际标准空白。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、主要参与单位及其产业应用前景进行了系统阐述，旨在为相关领域的技术人员、标准化工作者及产业界人士提供全面的标准解读与实施参考。关键词：聚氯乙烯；膨胀性能；锥形量热计；国际标准；阻燃测试；标准化Keywords:PolyvinylChloride;IntumescenceProperties;ConeCalorimeter;InternationalStandard;FlameRetardantTesting;Standardization1引言1.1研究背景聚氯乙烯（PVC）作为五大通用树脂之一，凭借其优异的力学性能、耐化学腐蚀性、电绝缘性和低成本优势，在全球范围内年产量已超过4000万吨，广泛应用于建筑管材、门窗型材、电线电缆护套、防水卷材、汽车内饰及装饰材料等领域。然而，PVC材料本身含有约56%的氯元素，虽然在明火条件下具有一定的自熄性，但在持续热辐射或外部火源作用下仍会分解并释放大量热量、有毒烟气及腐蚀性气体，构成严重的火灾安全隐患。随着建筑防火法规的日趋严格和消防安全意识的不断提升，对PVC材料进行阻燃改性处理已成为行业发展的必然趋势。膨胀型阻燃技术（IntumescentFlameRetardant，IFR）是当前应用于PVC材料的最为有效的阻燃手段之一。该类阻燃体系通常由酸源（如聚磷酸铵）、碳源（如季戊四醇）和气源（如三聚氰胺）三部分组成，在材料受热分解时协同作用，在材料表面形成一层膨胀的多孔炭层。这层炭层厚度可达原始材料厚度的数十倍，能够有效阻隔热量的传递、氧气的扩散以及可燃性挥发产物的释放，从而显著延缓材料的进一步热分解和燃烧过程。膨胀倍率——即膨胀炭层厚度与原始材料厚度之比——是评价膨胀型阻燃体系性能的核心定量指标，直接关系到材料的阻燃效率和火灾安全性。因此，建立准确、可重复的膨胀性能测试方法，对于膨胀型阻燃PVC材料的配方筛选、质量控制及性能评价具有至关重要的意义。1.2标准化需求分析在ISO23948:2023发布之前，国际上针对材料膨胀性能的测试方法主要分散于各国标准或个别研究机构内部方法之中，缺乏统一性和可比性。例如，部分测试方法采用管式炉加热方式，通过目视或简单量具测量膨胀后的炭层高度；另有方法借助热重分析仪（TGA）间接评估膨胀行为；还有方法基于UL94垂直燃烧测试或极限氧指数（LOI）测试间接推断膨胀效果。这些方法各具局限性，主要问题包括：加热方式与实际火灾工况偏离较大；热流条件不可控或不可重复；膨胀过程的动态变化无法实时记录；测试结果的客观性和精密度不足等。锥形量热计（ConeCalorimeter）作为国际火灾安全领域公认的先进测试仪器，能够基于耗氧原理精确测量材料在可控辐射热流条件下的热释放速率、总释放热、质量损失速率、烟生成速率等关键火灾参数，其测试原理已被ISO5660-1等多项国际标准所采纳，具有测试条件可控性强、重复性好、数据信息量大等显著优势。将锥形量热计应用于膨胀性能的测试，不仅能够实现热辐射条件的精确控制，还能同步记录材料在受热过程中的质量变化、热释放行为以及膨胀过程的动态演变，是建立标准化膨胀性能测试方法的理想技术平台。基于上述背景，ISO/TC61（塑料技术委员会）框架下的相关工作组自2018年起启动了PVC材料膨胀性能锥形量热计测试方法的国际标准制定工作。经过多轮国际研讨、实验室间比对试验和投票程序，最终于2023年11月正式发布了ISO23948:2023，标志着PVC材料膨胀性能测试正式进入国际标准化阶段。2标准编制概况2.1标准基本信息ISO23948:2023《塑料聚氯乙烯材料和产品的膨胀性能锥形量热计测量膨胀的试验方法》由国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）发布，标准状态为现行有效。该标准属于ISO/TC61（塑料技术委员会）的工作范畴，具体由SC4（燃烧性能分技术委员会）归口管理。标准分类号为13.220.40（材料和制品的可燃性和燃烧性能）和83.080.20（热塑性塑料）。在标准体系中，ISO23948:2023与ISO5660-1（锥形量热计热释放速率测试方法）形成了紧密的技术衔接关系。ISO5660-1规定了使用锥形量热计测量材料热释放速率的通用方法，而ISO23948:2023则在此基础上，针对PVC材料膨胀性能的测试需求，规定了试样膨胀过程的测量方法及膨胀倍率的计算规程。两项标准共同构成了使用锥形量热计评价材料燃烧行为和阻燃性能的完整方法体系。2.2制定过程与关键节点ISO23948:2023标准的制定过程经历了以下关键阶段：提案阶段（2018—2019年）：在ISO/TC61/SC4会议上，由中国和日本专家联合提出制定PVC材料膨胀性能锥形量热计测试方法国际标准的提案。提案阐述了建立统一测试方法的必要性和技术可行性，获得了成员国多数支持，经ISO中央秘书处审核后正式立项，项目编号为ISO/NP23948。工作草案阶段（2019—2020年）：成立工作组WGXX，由来自中国、日本、德国、美国、法国、韩国等国的专家组成。工作组对提案中的技术方案进行了深入讨论，围绕热辐射通量选择、试样尺寸与制备方法、膨胀过程记录方式、膨胀倍率计算方法等核心技术议题开展了多轮磋商，形成了工作组草案（WD）。委员会草案阶段（2020—2021年）：工作组草案经修改完善后提交SC4委员会审议，形成委员会草案（CD）。在此期间，工作组组织了由6个国家的8个实验室参加的实验室间比对试验（RoundRobinTest），对草案中规定的试验方法进行了验证，结果表明该方法具有良好的重复性和再现性。国际标准草案阶段（2021—2022年）：委员会草案经各成员国投票通过后，形成国际标准草案（DIS）。在DIS阶段，各成员国又提出了若干编辑性和技术性修改意见，工作组逐条进行了处理和回复。最终国际标准草案阶段（2022—2023年）：最终国际标准草案（FDIS）经过全体成员国投票表决，以高赞成率通过。2023年11月1日，ISO正式发布了ISO23948:2023。2.3标准主要内容ISO23948:2023标准的主要技术内容包括以下几个部分：范围：标准规定了使用锥形量热计在可控辐射热流条件下测量PVC材料和产品膨胀性能的试验方法，适用于均质PVC材料和以PVC为主要成分的复合材料的膨胀性能测试。规范性引用文件：标准引用了ISO5660-1（锥形量热计热释放速率测试）、ISO291（塑料状态调节标准大气）等国际标准，确保测试条件的统一性和测试结果的兼容性。术语和定义：明确了膨胀性能（intumescenceproperty）、膨胀倍率（expansionratio）、初始厚度（initialthickness）、膨胀炭层厚度（intumescentcharthickness）等关键术语的定义。原理：将规定尺寸的PVC试样水平放置于锥形量热计的辐射加热系统下方，在设定的热辐射通量（通常为25kW/m²、50kW/m²或75kW/m²）下加热。利用位移传感器或激光测距装置连续记录试样表面在受热过程中的位移变化，从而获得膨胀过程的动态曲线。同时，同步记录试样的质量变化和热释放速率等参数。试验装置：规定了锥形量热计的系统组成要求、位移传感器的安装与校准方法、数据采集系统的采样频率等技术参数。试样制备：规定了试样尺寸（典型为100mm×100mm）、厚度要求、取样方法以及状态调节条件。试验步骤：详细规定了试验开始前的准备程序、试样安装方式、热辐射通量的设定与校准、试验过程中的数据记录要求以及试验终止条件。结果计算与表达：规定了膨胀倍率的计算方法，即最大膨胀厚度与初始厚度之比；同时要求给出膨胀率随时间变化的曲线。精密度：给出了实验室间比对试验获得的重复性限和再现性限数据。试验报告：规定了试验报告应包含的信息内容。3主要技术内容解析3.1测试原理与方法学基础ISO23948:2023所建立的测试方法在原理上充分利用了锥形量热计的独特技术优势。锥形量热计的核心部件为锥形辐射加热器，能够提供均匀、稳定的辐射热流，其辐射强度可在0~100kW/m²范围内精确调节。在测试过程中，试样表面接收到的热流密度可通过水冷热流计进行精确校准，确保测试条件的高度可控性。在膨胀性能测量方面，标准采用了非接触式的位移测量技术。通过安装于试样上方的激光位移传感器或基于图像识别的光学测量系统，实时记录试样表面在受热过程中的位置变化。当PVC材料受热分解并产生膨胀炭层时，表面位置会持续上升，位移传感器的读数相应发生变化，从而获得膨胀高度随时间变化的全过程曲线。这种非接触式测量方式避免了传统接触式测量可能对膨胀炭层造成的破坏，保证了测量结果的有效性。值得注意的是，标准将膨胀过程的测量与锥形量热计固有的热释放速率、质量损失速率等参数测量进行了系统整合，使得研究人员能够在同一试验中同步获取材料的燃烧行为参数和膨胀行为参数，这对于深入理解膨胀型阻燃体系的作用机制具有重要意义。3.2关键技术参数与试验条件标准对试验条件作出了系统而明确的规定，其中最为核心的技术参数包括：热辐射通量：标准推荐了25kW/m²、50kW/m²和75kW/m²三个典型辐射通量水平，分别对应不同火灾场景下的热辐射强度。其中，25kW/m²近似对应于小型火灾初期的辐射热流水平，50kW/m²对应于充分发展火灾的典型热流，75kW/m²则对应于高强度火灾的苛刻条件。标准允许根据实际应用场景选择适当的辐射通量，但要求试验报告中必须明确注明所采用的数值，以确保结果的可比性。试样规格：标准规定试样为标准方形试件，尺寸为100mm×100mm，厚度可根据产品实际规格选取，但应在试验报告中注明。对于厚度小于6mm的试样，可采取多层叠加的方式以满足测试要求，但叠加层的界面效应对测试结果的影响应予以考虑。试样的状态调节条件遵循ISO291的规定，在温度（23±2）℃、相对湿度（50±10）%的标准大气中进行不少于48小时的状态调节。位移测量系统：要求测量系统的分辨率不低于0.1mm，采样频率不低于1Hz，以保证能够精确捕捉膨胀过程的快速变化。对于膨胀过程中可能出现的表面不均匀膨胀现象，标准要求在试样中心区域选取至少3个测量点，以平均值作为该时刻的膨胀高度。3.3结果计算与表达标准规定了膨胀倍率的统一计算方法。以初始试样厚度为基准，将测量得到的最大膨胀高度（或特定时间点的膨胀高度）换算为膨胀倍率。具体而言，膨胀倍率的计算公式为：*膨胀倍率*=*膨胀炭层最大厚度*÷*试样初始厚度*值得注意的是，标准要求将膨胀过程表述为完整的动态曲线，而不仅仅是单一的最大膨胀倍率数值。这是因为膨胀行为是一个动态过程——炭层在高温作用下会经历形成、膨胀、收缩甚至破裂等多个阶段，不同配方体系呈现出截然不同的膨胀动力学特征。仅报告最大膨胀倍率往往无法全面反映材料的膨胀行为特征，因此动态膨胀曲线的报告更具信息价值。此外，标准还建议将膨胀行为数据与锥形量热计同步测量的热释放速率、总释放热、质量损失速率等数据进行关联分析，以评估膨胀炭层对材料燃烧行为的具体影响程度。4标准制定参与单位4.1主要起草单位简介ISO23948:2023标准的制定凝聚了全球多个国家和机构专家的智慧与努力。在众多参与单位中，中国建材检验认证集团股份有限公司（CTC，ChinaBuildingMaterialTest&CertificationGroupCo.,Ltd.）作为中国在该标准制定工作中的核心参与单位，发挥了重要的技术引领作用。中国建材检验认证集团股份有限公司（简称"国检集团"）是隶属于中国建材集团的专业从事检验认证技术服务的中央企业，总部位于北京。该集团拥有国家建筑材料质量监督检验中心、国家防火建筑材料质量监督检验中心等多个国家级质检机构，在建筑材料燃烧性能测试、防火安全评价及标准化研究领域具有深厚的技术积淀和丰富的实践经验。在ISO23948:2023标准制定过程中，国检集团组织了一支由材料科学、火灾安全工程、标准化研究等多学科背景的专业技术团队，全程深度参与了标准的提案、草案编制、实验室间比对试验、意见处理等各阶段工作。该集团依托其先进的锥形量热计测试平台和丰富的PVC材料燃烧性能测试经验，在标准技术方案的验证与优化方面作出了突出贡献。特别是在实验室间比对试验环节，国检集团作为主导实验室，精心设计了比对试验方案，协调6个国家的8个实验室共同参与，通过对不同配方PVC材料膨胀性能的系统测试，为确定标准中关键技术参数的合理性和测试方法的精密度提供了翔实的实验数据支撑。此外，国检集团还积极组织国内PVC材料生产企业、科研院所和高校参与标准研讨，广泛征集行业意见，将中国在膨胀型阻燃PVC材料领域的研发成果和产业实践经验有效融入国际标准之中，充分体现了中国在火灾安全标准化领域的国际影响力与技术话语权。4.2其他重要参与力量除国检集团外，本标准制定过程中还有来自日本、德国、美国、法国、韩国等国家的标准化机构和研究机构深度参与。日本专家在提案初期与技术方案形成阶段发挥了重要推动作用，为标准的立项奠定了坚实基础；德国专家在试验装置的精度和校准要求方面提出了专业性建议；美国专家在精密度数据分析和统计方法方面贡献了重要力量。多国专家的通力协作确保了该标准兼具科学先进性、技术可行性和全球适用性。5标准实施与产业影响5.1标准的技术引领作用ISO23948:2023的发布实施，对全球PVC材料及相关产业产生了深远的技术引领作用。该标准首次为PVC材料膨胀性能的测试提供了统一的国际化方法，使得不同国家、不同企业、不同研究机构之间在膨胀型阻燃PVC材料研究和开发方面具有了共同的技术语言和评价基准。这不仅促进了国际间的技术交流与合作，也为膨胀型阻燃技术的进一步创新发展奠定了更为坚实的方法学基础。在科研领域，该标准的实施为膨胀型阻燃机理研究提供了更加系统和精确的测试工具。研究人员可利用标准方法系统研究不同阻燃体系对PVC材料膨胀行为的影响规律，深入揭示膨胀炭层的形成机制、结构特征与阻燃效能之间的构效关系，从而为高性能膨胀型阻燃体系的理性设计提供科学依据。标准所倡导的将膨胀行为与燃烧行为参数进行关联分析的方法学思路，也拓展了火灾安全领域的研究视野。5.2产业应用前景在产业层面，ISO23948:2023为PVC材料及其制品的阻燃性能评价和质量控制提供了重要的标准化工具，具有广阔的应用前景。在建筑用PVC