錐形量熱儀的測試與分析

1、本文檔由無塵大哥上傳至豆丁網(wǎng)聚合物錐形量熱法的測試操作與分析 于 健 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266042 青 島 科 技 大 學(xué) 青島 266042摘要：聚合物應(yīng)用錐形量熱法測試其阻燃性能,目前一種必不可少的手段和理論依據(jù)。特別是在高分子材料的阻燃研究中，實(shí)用價(jià)值已越來越多地體現(xiàn)出來。了解錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用錐形量熱法測試聚合物材料的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、有效燃燒熱、點(diǎn)燃時(shí)間、燃燒時(shí)間以及比消光面積、生煙速率等參數(shù)。對這些測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而確定材料的阻燃性能。本文綜述了錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)原理、測試操作方法和測試數(shù)據(jù)的圖形分析。 關(guān)鍵詞：錐形量熱儀、聚合物、燃燒

2、測試、熱釋放速率、數(shù)據(jù)曲線應(yīng)用錐形量熱儀測試聚合物的阻燃性能是一種先進(jìn)的測試技術(shù)。錐形量熱儀對于燃燒中的聚合物材料具有多項(xiàng)測試功能。如熱釋放速率(heat release rate； hrr)、質(zhì)量損失速率(mass loss rates；mlr)、有效燃燒熱(effective heat of combustion；ehc)、點(diǎn)燃時(shí)間參數(shù)（time to ignition）等，還有煙的數(shù)據(jù)參數(shù)，如：比消光面積(specific extinction area；sea)、生煙速率(smoke production rate；spr)、總生煙量(total smoke production；tp

3、s)、煙釋放速率(rate of smoke release；rsr)等。這些參數(shù)在火災(zāi)安全工程與設(shè)計(jì)、材料阻燃性能研究、評價(jià)等方面應(yīng)用廣泛，非常重要。一、 結(jié)構(gòu)概述錐形量熱儀是典型的機(jī)電一體化組合設(shè)備，其外形結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但是功能原理、控制原理和操作要求卻極其嚴(yán)格，是多種行業(yè)知識的綜合應(yīng)用。見圖（1）所示。圖(1) 標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀簡圖1- 儀器箱體 2-圓柱狀過濾器 3-氣體流量計(jì) 4-調(diào)速裝置 5-變速電動機(jī) 6-鼓風(fēng)機(jī) 7-排煙管 8-測壓端口 9-測溫?zé)犭娕?10-樣品氣取樣環(huán) 11-煙塵過慮管 12按鈕開關(guān)控制面板 13吸煙管道 14引風(fēng)罩 15防護(hù)罩 16激光測煙系統(tǒng) 17樣品

4、氣過濾系統(tǒng) 18溫度控制調(diào)節(jié)器 19錐形電加熱器 20樣品燃燒盒 21稱重傳感器 22遠(yuǎn)程控制手柄 23氧氣分析儀 24氣體流速控制板 25制冷裝置 26隔熱板轉(zhuǎn)動手柄 27甲烷燃燒器 28電子脈沖點(diǎn)火器 29真空泵由圖示可知，錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)及原理涉及到機(jī)械、化工、通風(fēng)、制冷、儀表、電氣控制、流體力學(xué)、熱力學(xué)、激光原理、計(jì)算機(jī)原理、計(jì)量檢測等方面的知識，涵蓋面較廣，是非常典型的高新技術(shù)綜合應(yīng)用的精密測試儀器。需要對這些方面的知識有所了解，才能對儀器的操作管理、實(shí)驗(yàn)測試過程具有較好的把握和運(yùn)用。二、 測試要點(diǎn)1、工作原理錐形量熱儀的主要工作原理是：“耗氧原理”；當(dāng)樣品件在19錐形電加熱器的熱輻

5、射下燃燒時(shí)，火焰就會消耗掉空氣中一定濃度的的氧氣，并釋放出一定的燃燒熱值。通過大量的實(shí)驗(yàn)測試和計(jì)算研究認(rèn)為“絕大多數(shù)所測材料的耗氧燃燒熱值接近13.1mj/kg這一平均值，偏差大約為5%1”。 錐形量熱法就是基于此點(diǎn)，根據(jù)材料在燃燒時(shí)，消耗氧的量計(jì)算、測量在燃燒過程中的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率等參數(shù)，用以分析判斷材料的燃燒性能。2、測試條件2.1樣品件的準(zhǔn)備錐形量熱法測試的樣品件，應(yīng)該是外形完整，料質(zhì)均勻、尺寸為100100mm的正方形，厚度在320mm之間選擇，常用的厚度為4mm和10mm。樣品件可以用模具壓制，也可以用成品的板材切割而成?？傊还苡媚且环N方式制作的樣品件，決不能出現(xiàn)厚薄不均

6、、大小氣泡、坑陷缺料、周邊凸凹不齊等現(xiàn)象。尤其是用模具壓制的樣品件，在材料進(jìn)行混煉或攪拌時(shí)，應(yīng)在設(shè)備上多反復(fù)幾次，充分地保證材料能均勻的混合。這樣壓制出的樣品件材質(zhì)才能保證均勻，在燃燒測試時(shí)效果穩(wěn)定、數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。通常情況下，要測試的樣品件應(yīng)該選擇相同的厚度進(jìn)行測試比較。每種要測試的樣品件最好準(zhǔn)備兩件以上，做為在測試數(shù)據(jù)失敗后的備用件。樣品件在測試前，要用鋁箔將其五個(gè)側(cè)面包好，防止燃燒時(shí)的過多流滴和測試不準(zhǔn)確。外露出的一個(gè)大平面，用于標(biāo)記編號、接受輻射熱、觀察測試現(xiàn)象。2.2樣品燃燒盒樣品燃燒盒由耐熱不銹鋼材料制成，是測試樣品件的重要部件，其外形和尺寸都有明確的規(guī)定和要求，屬于隨機(jī)附件。樣

7、品燃燒盒由盒蓋、盒體、墊襯層三部分組成，如圖（2）所示。圖（2）樣品燃燒盒 1盒蓋；2被測樣品；3墊襯層；4盒體在樣品件燃燒測試前，應(yīng)該先把樣品燃燒盒的里里外外清理干凈，不能有任何雜物粘附在盒蓋、盒體上。如果有粘附物在樣品燃燒盒上，在燃燒測試樣品件時(shí)，就會出現(xiàn)無規(guī)律的熔化、脫落，從而影響到采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和質(zhì)量損失等，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。樣品燃燒盒內(nèi)的襯墊層也很重要，其主要是起到隔熱和調(diào)節(jié)樣品件放置高度的作用。墊襯層與測試樣品疊放后的高度，應(yīng)為盒蓋頂部內(nèi)側(cè)下表面相同。否則就應(yīng)該調(diào)整墊襯層的高度。2.3過濾材料 錐形量熱法在燃燒測試時(shí)，過濾器的材料對樣品氣的采集質(zhì)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性非常重要，直接影

8、響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成功與失敗。因此，對于過濾材料的質(zhì)量選擇和及時(shí)更換要有足夠重視，尤其是在樣品件燃燒測試前，必須充分地準(zhǔn)備好。防止在測試過程由于出現(xiàn)過濾效果不好，氣流不暢，管路堵塞現(xiàn)象，而導(dǎo)致的測試失敗。2.3.1圓柱狀過濾器；三只圓柱狀過濾器，中間玻璃管內(nèi)的過濾材料為粉紅色的鈉石灰。用來過濾掉樣品氣中的co、co2。當(dāng)粉紅色變得發(fā)白時(shí)，就應(yīng)該及時(shí)更換。兩邊玻璃管內(nèi)的過濾材料為變色硅膠，正常情況下呈藍(lán)色，用來過濾掉樣品氣中的ho2。當(dāng)玻璃管內(nèi)變色硅膠的顏色大部分（約60）變白時(shí)，就不能再用了，應(yīng)該重新更換。2.3.2樣品氣過濾系統(tǒng)由真空泵抽出的樣品氣，在進(jìn)入氧分析儀之前必須進(jìn)行過濾，去除掉樣品氣中

9、的煙塵雜質(zhì)。過濾分為兩處；第一處，過濾器的材料是一白色圓筒形濾芯，安裝在透明的圓形透明罩內(nèi)。第二處，過濾器的材料是一外部封塑的白色濾紙，封塑外殼的兩端面中間各伸出一接頭，與通氣氣管相連接。測試前，要先檢查一下兩處過濾芯的情況。如果發(fā)現(xiàn)第二處過濾器的進(jìn)氣端處發(fā)黑，就不能再用了，要及時(shí)更換。第一處過濾器應(yīng)該在每次測試工作前，拆開檢查，清理圓筒形濾芯內(nèi)側(cè)上吸附的煙塵，濾芯外面有發(fā)黑的跡象時(shí)，也應(yīng)及時(shí)更換。2.4核定距離要測試的樣品件與錐形加熱器之間的距離，明確規(guī)定為25mm。初始測試樣品件時(shí)，燃燒盒放置在燃燒架上，核定一下錐形加熱器的底面（打開防護(hù)板時(shí)），至樣品件外露的表面之間的距離，應(yīng)該保證在25

10、mm。如果距離不對，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在稱重傳感器上的立桿處，有一凸出的調(diào)節(jié)螺釘，松開螺釘后上下移動滑套即可調(diào)節(jié)距離。3、測試標(biāo)定錐形量熱儀在燃燒測試前，必須進(jìn)行標(biāo)定工作。盡管標(biāo)定工作操作繁雜。在每次測試前，都應(yīng)該進(jìn)行。否則，測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確更不能用。標(biāo)定的項(xiàng)目有質(zhì)量標(biāo)定、氧分析儀標(biāo)定、輻射功率標(biāo)定、激光測煙標(biāo)定以及測熱系數(shù)“c”值標(biāo)定。上述參數(shù)只有經(jīng)過標(biāo)定后，才能使計(jì)算機(jī)對樣品件燃燒測試時(shí)，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的運(yùn)算處理。標(biāo)定參數(shù)必須符合要求，達(dá)到儀器的精度范圍，才能得到較好的標(biāo)定數(shù)據(jù)，順利的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。三、數(shù)據(jù)曲線的對比分析錐形量熱儀在測試聚合物的燃燒過程，可采集到許多數(shù)據(jù)。但是這許多數(shù)據(jù)并

11、不是都可以直接應(yīng)用，需要進(jìn)行csv格式轉(zhuǎn)化和選擇。常用的數(shù)據(jù)是；時(shí)間time (sec)、氧濃度oxy （）、點(diǎn)燃時(shí)間tign (sec)、數(shù)據(jù)截止時(shí)間eot (sec)、火焰熄滅時(shí)間flm out (sec)、熱釋放速率hrr（kw/m2）、有效燃燒熱值 ehc (mj/kg)、質(zhì)量mass （g）、質(zhì)量損失速率mlr（g/s）、總熱釋放速率thr (mj/ m2)、比消光面積sea (m2 /kg)、生煙速率spr （m2 /s）、煙釋放速率rsr (l/s)等參數(shù)。燃燒測試時(shí)，聚合物的材料不同，得到的數(shù)據(jù)不同，數(shù)據(jù)曲線也不同。聚合物基材相同，填料不同，得到的數(shù)據(jù)就會有所不同，采集的數(shù)據(jù)以

12、及數(shù)據(jù)曲線的變化是隨著填加材料的變化而變化。聚合物基材相同，填料相同，但是填料的份量（成份比例）不同，采集到的測試數(shù)據(jù)也會不同，但是其數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢卻有許多相似之處（也有例外情況；如填料的量大于基材的量較多時(shí)）。根據(jù)多組樣品件燃燒測試采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行作圖對其性能、規(guī)律總結(jié)比較，研究分析，從中得出試驗(yàn)結(jié)論。例如；測試樣品件材料為以下幾種；abs0為純樣，abs1、abs2、abs3、abs5a為填料組份不同的改性材料。在熱輻射功率為50kw，其他條件完全相同的情況下進(jìn)行測試。所得測試數(shù)據(jù)對時(shí)間time作圖，就可以得到一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖形，如圖（9）a、b、c、d、e、f、g所示。（a）熱

13、釋放速率hrr類型曲線圖 ( b ) 有效燃燒熱值ehc類型曲線圖( c ) 總熱釋放速率thr類型曲線圖 ( d ) 質(zhì)量損失mass 類型曲線圖 （ e ）質(zhì)量損失速率mlr類型曲線圖（f）比消光面積sea類型曲線圖（g）煙釋放速率rsr類型曲線圖圖（9）不同填料的abs （測試數(shù)據(jù) /time作圖）數(shù)據(jù)曲線圖由圖示可知，盡管材料的組成成分不盡相同，但是用采集到的同類測試數(shù)據(jù)對時(shí)間作圖，所組成的曲線圖形，卻是有著相似的規(guī)律。如熱釋放速率hrr、有效燃燒熱值ehc、質(zhì)量mass、質(zhì)量損失速率mlr、總熱釋放速率thr、比消光面積sea、煙釋放速率rsr等類型的曲線圖，都有自己特征的數(shù)據(jù)曲線。

14、通常的情況下，各種聚合物試件燃燒后，用采集到的這幾組數(shù)據(jù)對采集時(shí)間作圖，所得到的曲線圖形，都會呈現(xiàn)上述7類（ag）曲線輪廓的相似走勢，不會出現(xiàn)一些較大的差異和變化。針對這些曲線圖形，主要做以下幾項(xiàng)的分析對比，就可從中得出測試樣品的阻燃性能，是否達(dá)到預(yù)期效果。a：熱釋放速率hrr 聚合物在燃燒測試時(shí)，受到輻射熱后，主要是本身吸熱階段，這個(gè)階段的初始線形太大變化，基本上是趨于較平緩的線形狀態(tài)。當(dāng)試件吸收的熱量足夠多時(shí)，溫度快速升高，受熱表面就會產(chǎn)生液化、氣化、裂解現(xiàn)象，產(chǎn)生出一些可燃性氣體，并引起瞬間的突發(fā)性燃燒（引燃或自然），隨之釋放出較大的熱量，所以這個(gè)階段的線形就會呈現(xiàn)出較陡的曲線升高變化。

15、隨著試件的繼續(xù)燃燒，以及輻射熱的繼續(xù)，還會有更多的熱量釋放出來，線形還是呈現(xiàn)出繼續(xù)升高的現(xiàn)象，只是升高的速度、幅度相對時(shí)間而言，比上個(gè)階段(突發(fā)性燃燒)較平緩些，當(dāng)hrr的曲線上升到某一高度后，就會出現(xiàn)更加平緩或下降的現(xiàn)象。無論平緩或下降曲線這段時(shí)刻都會形成一個(gè)峰值。隨著燃燒的繼續(xù)，有時(shí)這個(gè)階段的曲線還會出現(xiàn)雙峰或三峰（較少見）現(xiàn)象。當(dāng)試件經(jīng)過充分的燃燒后，成碳層形成或有效成分燒盡，這個(gè)階段的線形就會在短時(shí)間內(nèi)，呈現(xiàn)出從高峰迅速的下降，再隨著時(shí)間的進(jìn)行，曲線走向變得更加平緩，直至火焰熄滅。這就是聚合物材料在燃燒測試時(shí)，熱釋放速率曲線圖的輪廓基本規(guī)律特征。由圖（a）所示的四條數(shù)據(jù)曲線，就是燃燒測

16、試的hrr數(shù)據(jù)比較。純樣的hrr較高，隨著填料的比率增加、品種變化，hrr也隨之變化。圖中的曲線是隨著標(biāo)號的增加逐漸變小，由此可見標(biāo)號大的樣品件采用的填料，相對abs純樣的燃燒性能改性來說比較理想，阻燃效果的改善顯著。abs-3、abs-5a的數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)了三峰、雙峰，這也表現(xiàn)出了一些特有的現(xiàn)象。雙峰意味著；樣品件燃燒時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值后，由于燃燒過程產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)、變化，有些樣品件就會出現(xiàn)成炭層，這炭層的形成又阻滯了火焰的燃燒，使得熱釋放速率hrr有所降低。隨著炭層下的熱量集聚和增加，達(dá)到一定能量時(shí)，火焰就會突破成炭層，再次產(chǎn)生較大的燃燒，發(fā)出較高的熱釋放hrr，這樣第二個(gè)峰值就會出現(xiàn)。該峰值

17、與第一個(gè)峰值相比，其大小沒有什么規(guī)律可言，主要取決于樣品件的基材和填料性能。三峰的現(xiàn)象和形成原理與雙峰相似，無論是雙峰還是三峰，只要樣品件在燃燒時(shí)，檢測到的熱釋放速率愈低，其阻燃性能就表現(xiàn)的愈好。b：有效燃燒熱ehc 是材料在受熱燃燒過程中，分解形成的揮發(fā)物中可燃燒成份燃燒釋放的熱。ehc的測試數(shù)據(jù)對時(shí)間作圖，所得到的曲線圖形的峰值波動變化比較大。樣品件點(diǎn)燃后，采集到的有效燃燒熱數(shù)值，應(yīng)該在080范圍內(nèi)變化，有時(shí)甚至?xí)^軟件設(shè)定的額定數(shù)值80，這時(shí)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為80，而不會更大。曲線也會出現(xiàn)直線段，見圖（b）abs-0曲線所示，屬于正常的現(xiàn)象。ehc也是衡量材料燃燒時(shí)，阻燃性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)。

18、和熱釋放速率曲線相似。曲線數(shù)據(jù)愈低，阻燃性能愈好。c: 總熱釋放速率thr 、質(zhì)量損失mass 無論是選用哪種材料，燃燒測試的這兩種數(shù)據(jù)對時(shí)間作圖的曲線，其圖形趨勢基本上和圖（c）、圖（d）表示的一樣，圖形輪廓不會有什么太大的變化。如果有與示意圖的輪廓曲線不相同的測試結(jié)果，則說明這次的燃燒測試出現(xiàn)了問題。必須要找明出現(xiàn)問題的原因，便于及時(shí)調(diào)整。有時(shí)質(zhì)量損失mass的圖形曲線，在初始階段短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一些凸起上升現(xiàn)象，質(zhì)量數(shù)據(jù)反應(yīng)出比原始輸入數(shù)據(jù)還要大，這種情況主要是因?yàn)?；樣品件受輻射熱及燃燒過程，膨脹變形量過大，碰到了錐形加熱器所致。同時(shí)，也會導(dǎo)致質(zhì)量損失速率mlr數(shù)據(jù)曲線圖形，在相同的時(shí)間范圍

19、段，出現(xiàn)上下起伏較大的變化，測試數(shù)據(jù)也會呈現(xiàn)出正、負(fù)值。d: 質(zhì)量損失速率mlr 表示材料燃燒時(shí)質(zhì)量損失變化的速率。圖（d）所示是樣品件燃燒測試的質(zhì)量損失速率數(shù)據(jù)曲線輪廓圖。結(jié)合圖（a）、圖（d）對比分析，可以看出；基材相同的聚合物，其熱釋放速率低、阻燃性能好的情況下，質(zhì)量損失速率不一定就是低，如abs-5a的數(shù)據(jù)曲線，表現(xiàn)的比abs-0純樣的曲線還要高。質(zhì)量損失速率的曲線圖形輪廓，也不像thr、mass那樣具有特殊的規(guī)律性。具體現(xiàn)象與材料的填料性能、成分、組合比例等因素有關(guān)。e:比消光面積 sea、煙釋放速率rsr 都是表示材料燃燒時(shí)生煙能力的參數(shù)。圖（f）比消光面積sea的數(shù)據(jù)曲線，無論是何種材料的燃燒測試數(shù)據(jù)對時(shí)間作圖曲線，其圖形輪廓趨勢也是同種基材的聚合物材料大體相似。不同基材的聚合物材料，各有千秋。但是在各種材料的sea數(shù)據(jù)曲線圖形有一共同的特點(diǎn)是；測試的數(shù)據(jù)大小差異波動性大，圖形曲線易于呈現(xiàn)出較大的狼牙形波折。圖（g）煙釋放速率rsr的數(shù)據(jù)曲線，用燃燒測試數(shù)據(jù)對時(shí)間作圖，其曲線圖形輪廓趨勢也是沒有規(guī)律可循，不同的材料，呈現(xiàn)出不同的圖形曲線。同種基材的聚合物材料，填料不同、成分組成不同，圖形曲線的輪廓趨勢也會不同?！埃煟?yīng)該同燃燒過程聯(lián)系起來考慮，是一個(gè)動態(tài)的特征量”。1