实验室阻燃性能试验的发展方向_必威官网bet 实验室阻燃性能试验的发展方向_必威官网bet
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。