ISO 4589-42021 塑料.用氧指数测定燃烧性能.第4部分高气体速度试验标准立项发展报告

塑料用氧指数测定燃烧性能第4部分：高气体速度试验StandardizationDevelopmentReport:Plastics—Determinationofburningbehaviourbyoxygenindex—Part4:Highgasvelocitytest摘要随着塑料材料在航空航天、轨道交通、电子电气及建筑装饰等领域的广泛应用，材料在高气流环境下的燃烧行为评价需求日益迫切。传统的氧指数试验方法在低气体流速条件下（通常为40mm/s）已难以全面反映材料在真实火灾场景——尤其是存在强制对流、高速气流或通风条件下的燃烧特性。为回应这一技术空白，国际标准化组织（ISO）于2021年4月正式发布了ISO4589-4:2021《塑料用氧指数测定燃烧性能第4部分：高气体速度试验》。该标准作为ISO4589系列标准的重要组成部分，系统规定了在高气体速度条件下测定塑料材料氧指数的方法原理、试验装置、试样制备、试验步骤及结果计算等技术要求，填补了国际上在高气流氧指数测试领域的标准空白。本报告从标准立项背景出发，系统分析了该标准的编制历程、主要技术内容、关键创新点及其与ISO4589系列其他部分的协调关系，并探讨了该标准在材料研发、质量控制和火灾安全工程中的实际应用价值。报告指出，ISO4589-4:2021的发布不仅完善了氧指数测定方法体系，更为高气流环境下塑料材料的燃烧性能评估提供了科学、统一的技术依据，对推动材料阻燃技术进步和火灾安全设计具有重要的指导意义。关键词：氧指数；高气体速度；燃烧性能；塑料；ISO4589；阻燃性能测试；火灾安全；标准体系Keywords:Oxygenindex;Highgasvelocity;Burningbehaviour;Plastics;ISO4589;Flameretardantperformancetesting;Firesafety;Standardsystem一、引言1.1标准立项背景氧指数（OxygenIndex,OI）是表征材料燃烧性能的重要参数之一，其定义为在规定试验条件下，材料在氧氮混合气流中维持火焰燃烧所需的最低氧气浓度（以体积百分数表示）。自1966年美国通用电气公司的C.P.Fenimore和F.J.Martin首次提出氧指数概念以来，该方法因其操作简便、数据重复性好、对材料燃烧性能差异敏感等优点，已广泛应用于塑料、橡胶、纺织品、木材及复合材料等材料的燃烧性能评价与质量控制。然而，传统的氧指数测定方法（如ISO4589-2）在规定试验条件时，将通过燃烧筒的气体流速设定为一个较低的固定值（通常为40mm/s，即4cm/s，对应流量约11.4L/min）。这一流速设定主要模拟的是静止空气环境下的自然对流条件，适用于一般性材料燃烧性能的比较与筛选。但在诸多实际应用场景中，材料往往暴露在远高于此的气流环境中。例如：-航空航天领域：飞机舱内材料在飞行过程中可能受到空调系统强制送风、高速气流及紧急降压时气流冲击的影响；-轨道交通领域：隧道内列车运行产生的活塞风效应可使材料表面气流速度显著升高，高速列车尤为突出；-电子电气领域：通风散热系统产生的强制对流会使电气元件周围的材料处于高气流环境；-建筑防火领域：建筑通风系统、排烟系统在火灾工况下产生的高速气流会显著影响材料的燃烧行为。在上述高气流环境下，材料的燃烧行为与静止或低流速条件下存在显著差异。流速的增加会加速火焰区域的热质交换，增大燃烧过程中的氧供给速率，同时也可能对火焰稳定性产生扰动，导致材料的氧指数发生明显变化。因此，仅依靠传统低流速氧指数数据来评估材料在实际工程环境中的火灾风险，存在明显不足。建立一套在高气体速度条件下测定材料氧指数的标准化试验方法，成为材料科学和火灾安全工程领域的迫切需求。1.2标准编制历程ISO4589-4:2021由国际标准化组织ISO/TC61（塑料技术委员会）下属SC4（燃烧性能分技术委员会）负责制定。该标准的制定工作可追溯至2015年前后。彼时，多个成员国（包括中国、日本、德国、美国等）在ISO/TC61/SC4会议上提出了开展高气体速度氧指数试验方法研究的建议，并提交了各自实验室的初步试验数据。经过多轮讨论和论证，ISO/TC61/SC4于2017年正式立项，成立工作组（WG）开展标准草案的编制工作。在标准编制过程中，工作组系统收集了各国在变气流速度氧指数测试方面的研究成果和试验数据，组织了多次实验室间比对试验（round-robintest），以验证试验方法的重复性和再现性。经过近四年的起草、讨论、征求意见和修改完善，该标准于2021年4月6日正式发布。值得关注的是，中国在该标准的制定过程中发挥了积极作用。全国塑料标准化技术委员会（SAC/TC15）组织国内相关科研院所和企业参与了标准的讨论和试验验证工作，为推动该标准的顺利发布作出了重要贡献。1.3标准在ISO4589系列中的地位ISO4589标准系列由以下部分构成：-ISO4589-1:2017《塑料用氧指数测定燃烧性能第1部分：导则》——规定了氧指数试验的一般原理、术语定义及选择合适试验方法的指导原则；-ISO4589-2:2017《塑料用氧指数测定燃烧性能第2部分：室温试验》——规定了在室温（23°C±2°C）条件下，低气体流速（40mm/s）下测定氧指数的标准方法；-ISO4589-3:2017《塑料用氧指数测定燃烧性能第3部分：高温试验》——规定了在高温条件下测定氧指数的方法；-ISO4589-4:2021《塑料用氧指数测定燃烧性能第4部分：高气体速度试验》——规定了在高气体速度条件下测定氧指数的方法。ISO4589-4:2021作为该系列的新增部分，与第2部分和第3部分形成互补关系。第2部分和第3部分侧重于温度条件的变化（室温和高温），而第4部分则聚焦于气体流速条件的变化（高速气流）。三者共同构建了一个覆盖不同温度-流速组合的氧指数测试方法体系，为用户根据实际应用场景选择合适的试验条件提供了完整的工具框架。二、标准主要内容与技术解析2.1范围与适用领域ISO4589-4:2021规定了通过在高气体速度条件下测定氧指数来评价塑料材料燃烧性能的方法。标准明确将气体速度的可调范围扩展至高于ISO4589-2中规定的低流速条件，通常涵盖从100mm/s至300mm/s（或更高，视具体设备和材料而定）的流速区间。该标准适用于各类硬质和软质塑料材料，包括模塑材料、挤出材料、板材、薄膜及泡沫材料等。对于在测试温度下易熔融、易滴落或严重收缩的材料，标准中也给出了相应的处理建议（如使用特殊试样架或改变试样支撑方式）。与ISO4589-2相比，该标准在高气体速度条件下测得氧指数值通常会有显著变化。一般情况下，随着气体流速的增加，氧指数的测定值呈现非线性变化趋势——在中等流速范围内可能先下降（因氧供给增强促进了燃烧），在更高流速下则可能回升（因气流扰动增强导致火焰不稳定甚至吹熄）。这一变化规律反映了流速对燃烧过程的双重影响机制。2.2方法原理ISO4589-4:2021的方法原理与ISO4589-2基本一致，即在一垂直安装的透明燃烧筒中，使氧氮混合气体以规定的流速自下而上流过试样表面，点燃试样上端，观察其燃烧行为，通过改变混合气体中的氧浓度来确定维持稳定燃烧所需的最低氧气体积百分数，即为该流速条件下的氧指数。其核心区别在于，ISO4589-4中通过燃烧筒的气体流速被显著提高，并且要求在多个流速条件下进行测定，以建立氧指数与气体流速之间的相关性关系。标准中推荐在至少三个不同的气体速度条件下进行测试，以便绘制氧指数-流速关系曲线，更全面地评价材料在不同气流环境下的燃烧行为。2.3试验装置标准对试验装置提出了明确而具体的要求，主要包括以下关键部件：(1)燃烧筒：由耐热透明材料（如硼硅酸盐玻璃）制成，垂直安装，内径应不小于75mm，高度应不低于450mm。燃烧筒底部配备气体分布装置，确保气流均匀分布。与ISO4589-2的装置不同，高气体速度试验要求燃烧筒具备更高的结构强度和密封性能，以承受较高的内部气压。(2)气体供给与流量控制系统：包括氧、氮气源、压力调节器、流量计及混合装置。标准要求流量控制系统能够在规定的流速范围内精确控制和稳定气体流量，精度要求在±5%以内。对于高流速条件下的试验，通常需要采用质量流量控制器（MFC）或经过校准的转子流量计。(3)点火装置：采用丁烷气火焰或电热丝点火器，能够将试样上端均匀点燃。点火火焰的规格和点火操作程序在标准中有详细规定，以保证试验的重复性。(4)气体速度测量装置：标准要求在燃烧筒内靠近试样安装位置处设置气体速度测量装置（如皮托管或热线风速仪），用于校准和监测实际的气体流速。(5)计时与观测装置：用于记录燃烧时间、观察火焰传播行为，并判断燃烧是否满足标准规定的判据。2.4试样制备标准对试样的尺寸和制备方法作出了规定。标准试样尺寸为长80mm～150mm、宽10mm±0.5mm、厚4mm±0.25mm，与ISO4589-2一致。但对于在高流速下受力较大的情况，标准允许使用更厚的试样以增加刚性，但厚度的变化需要在试验报告中注明。试样表面应平整、无裂纹、无气泡及其他可见缺陷。对于薄膜和薄片类材料，可采用多层叠加的方式达到规定厚度，但应注意层间紧密贴合，避免影响测试结果。每批材料建议至少测试15个试样，以获得可靠的统计结果。2.5试验步骤与结果计算标准规定的试验步骤如下：1.将试样垂直安装在燃烧筒内的试样夹上，试样上端距燃烧筒顶部应不小于100mm；2.设定目标气体流速，调整氧氮混合气体的流量和比例，待气流稳定后测量并记录实际流速；3.用点火火焰点燃试样上端，点燃时间不超过5s，移开点火器后开始计时；4.观察并记录试样燃烧行为，判断是否达到标准规定的燃烧判据（如燃烧时间达到180s或燃烧长度达到50mm）；5.根据初试结果逐步调整氧浓度（采用“上下法”或“阶梯法”），确定临界氧浓度值；6.在确定的临界氧浓度条件下进行验证试验，确保结果的可靠性。氧指数的计算方法与ISO4589-2基本一致，最终结果以氧体积百分数（%）表示，精确至0.1%。对于高气体速度试验，标准要求在每个测试流速条件下分别计算出相应的氧指数值，并在试验报告中以表格形式给出氧指数-流速数据对。2.6标准的主要创新点（1）建立了氧指数与气体流速的关联测试方法。传统的氧指数测试仅在单一固定流速下进行，无法反映材料在实际应用中可能遇到的不同气流环境。ISO4589-4:2021首次将气流速度作为可控变量引入氧指数测试体系，使用户能够获得材料在多个流速条件下的氧指数数据，为火灾安全设计和材料选用提供了更充分的数据支撑。（2）定义了高气体速度试验的适用流速范围。标准在技术内容中明确了高气体速度试验相比传统方法的流速拓展程度，并给出了适宜的流速调节档位建议，兼顾了方法灵敏度和工程实际需求的平衡。（3）统一了高流速条件下的试验装置技术要求。高流速条件下的气流控制、速度测量和火焰稳定性均比低流速条件更加复杂。标准对燃烧筒结构、气体流量控制精度和流速测量方法作出了专门规定，为不同实验室之间的数据可比性提供了技术保障。（4）与ISO4589系列其他部分形成了完整的方法矩阵。该标准在术语、定义和基本方法原理上与ISO4589-1、ISO4589-2和ISO4589-3保持了一致性和协调性，使用户可以根据应用需求灵活选择温度条件和流速条件的组合。三、标准的主要参与编制单位ISO4589-4:2021的编制汇聚了全球多个国家和组织的专业力量。在标准制定过程中，来自中国、日本、德国、美国、法国、英国等成员体的技术专家积极参与了草案起草、试验验证和意见反馈等各个环节。其中，德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）在标准的制定过程中发挥了重要的技术引领作用。BAM是德国联邦层面从事材料安全性、技术安全和危险物质防护领域研究与评估的权威机构，同时也是ISO/TC61/SC4的重要成员单位。BAM的研究团队在高气体速度条件下材料燃烧行为领域具有深厚的理论积累和丰富的试验经验，其相关研究成果为该标准核心技术内容的确定提供了重要的科学支撑。BAM在可燃性测试方法领域拥有数十年的研究历史，其下属的防火技术部门和材料燃烧性能实验室配备了处于国际先进水平的燃烧测试装置。在ISO4589-4的编制过程中，BAM的科学家团队承担了多项关键任务：其一，系统研究了不同气体流速下氧指数测定的影响因素，为确定标准中的流速范围提供了理论依据；其二，设计并实施了多项实验室间比对试验，对不同试验装置的适用性和试验结果的重复性进行了验证；其三，主导起草了标准中有关试验装置技术要求和气体速度测量方法的核心条款。除了BAM之外，来自中国的全国塑料标准化技术委员会（SAC/TC15）及其下属的燃烧性能分技术委员会也积极参与了该标准的制定工作。中国在氧指数测试方法领域拥有长期的研究积累和应用经验，尤其是在修订和采用ISO4589系列标准为国内标准（对应为GB/T2406系列）方面做了大量工作。中国专家在标准讨论中提出的有关高流速下试样固定方式、气流稳定性控制以及数据处理方法等多方面的建议，被工作组采纳，为标准的完善作出了积极贡献。此外，日本国立技术与评价研究所（NITE）、美国保险商实验室（UL）以及法国国家科学研究中心（CNRS）的相关团队也为标准的制定提供了重要的技术支持和试验数据。四、标准的意义与应用前景4.1对材料燃烧性能评价体系的重要补充ISO4589-4:2021的发布，标志着氧指数测定方法从单一条件测试向多参数综合评估迈出了重要一步。传统氧指数仅能反映材料在静止或微弱气流环境下的最低维持燃烧氧浓度，其数据在实际工程应用中存在一定的局限性。高气体速度氧指数试验将气流速度作为可调节的试验参数，使材料燃烧性能的评估更加贴近真实的火灾场景，尤其是在涉及强制通风、高速气流或开放空间火灾蔓延等复杂情境下的应用。4.2对材料研发和质量控制的技术支撑在阻燃材料的研发过程中，高气体速度氧指数数据可为配方设计提供更加丰富的参考信息。例如，某些阻燃体系在低流速条件下表现出良好的阻燃效果，但在高流速条件下可能因阻燃机理受气流干扰而失效；反之，某些阻燃体系在高流速条件下反而表现出更加优异的阻燃性能。通过对比不同流速条件下的氧指数变化趋势，材料研发人员可以更全面地理解阻燃剂的作用机制，从而有针对性地优化配方。在质量控制领域，高气体速度氧指数测试可作为传统氧指数测试的补充检测手段，用于评估批次间材料在极端气流条件下的性能一致性，为特殊应用场景的材料验收提供技术依据。4.3对火灾安全工程和标准规范的推动随着各行业对材料火灾安全性要求的不断提高，越来越多的产品标准和法规对材料的燃烧性能提出了更加严格的指标要求。ISO4589-4:2021为相关产品标准和技术规范提供了新的测试方法选择，有望被航空航天、轨道交通、船舶制造、电子电气等领域的材料选用准则和安全标准所引用。4.4未来发展趋势从标准化发展的角度看，ISO4589-4:2021的发布也引发了关于氧指数测试方法进一步发展的思考。未来可能的拓展方向包括：-气流速度与温度条件的联合控制：将高气体速度试验与高温试验（ISO4589-3）结合，建立变温-变速条件下的材料燃烧性能评价方法；-与锥形量热仪等其他燃烧测试方法的数据关联性研究：建立氧指数-流速关系与热释放速率、临界热流等参数之间的数学模型；-适用于更多材料类型的拓展：包括纤维增强复合材料、层压材料、涂层材料等；-智能化与自动化试验装置的开发：利用计算机视觉技术自动判读火焰传播行为，提高测试效率和客观性。五、结论ISO4589-4:2021《塑料用氧指数测定燃烧性能第4部分：高气体速度试验》的正式发布，是国际标准化组织在材料燃烧性能测试方法领域取得的一项重要成果。该标准基于氧指数试验的基本原理，系统解决了高气体速度条件下材料燃烧行为测定的方法学问题，填补了国际标准体系在该领域的技术空白，形成了覆盖不同温度—流速组合的完整氧指数测试方法矩阵。该标准的实施将使材料在高气流环境下的燃烧行为评价更加科学化和规范化，为航空航天、轨道交通、电子电气和建筑防火等关键领域的材料选用和火灾安全设计提供了有力的技术支撑。未来，随着该标准在国际范围内的推广应用，其必将在推动材料阻燃技术进步、提升火灾安全水平和促进国际贸易便利化方面发挥日益重要的作用。参考文献[1]