锥形量热仪燃烧测试实验方法
一、实验简介
应用锥形量热仪测试聚合物的阻燃性能是一种先进的测试技术。锥形量热仪对于燃烧中的聚合物材料具有多项测试功能, 如: 热释放速率 ( Heat ReleaseRate, HRR)、质量损失速率 (M ass Loss Rates, M LR )、有效燃烧热，总生烟量 ( To ta l Smoke Production,TPS)、烟释放速率 ( Rate of Smoke Release, RSR) 等、参数在火灾安全工程与设计、材料阻燃性能研究、评价等方面应用广泛。因此, 实验测试技术和测试数据分析也非常重要, 如对 ABS用几种不同成分的填料, 组合而成的几种聚合物材料燃烧测试数据的采集与分析, 就是在充分了解、熟悉锥形量热仪的结构性能、工作原理的基础上, 在掌握了熟练的测试技术和操作步骤的基础上, 对测试数据的成功与否, 有明确的认定。这样才能对材料的阻燃性能进行分析评定, 得出准确的结论, 尤其是在测试前对仪器的标定, 过滤材料的更换与过程检查, 除湿材料过程变化与更换等, 都是很重要的测试技术。
二、结构概述
锥形量热仪是典型的机电一体化组合设备, 其外形结构简单、紧凑, 但是功能原理、控制原理和操作要求却极其严格, 是多种行业知识的综合应用, 如图 1所示。由图可知, 锥形量热仪的结构及原理涉及到机械、化工、通风、制冷、仪表、电气控制、流体力学、热力学、激光原理、计算机原理、计量检测等方面的知识, 涵盖面较广, 是非常典型的高新技术综合应用的精密测试仪器。
三、测试要点
3. 1 工作原理
锥形量热仪的主要工作原理是耗氧原理, 当样品件在锥形电加热器的热辐射下燃烧时, 火焰就会消耗掉空气中一定浓度的的氧气, 并释放出一定的燃烧热值。通过大量的实验测试和计算研究认为, 绝大多数所测材料的耗氧燃烧热值接近 13. 1 M J/kg这一平均值, 偏差约为 5%。锥形量热法就是基于此点, 根据材料在燃烧时消耗氧的量计算、测量在燃烧过程中的热释放速率、质量损失速率等参数, 用以分析判断材料的燃烧性能。
3. 2 测试条件
3. 2. 1 样品件的准备
锥形量热法测试的样品件, 应该是外形完整、料质均匀, 尺寸为 100 mm @ 100 mm 的正方形, 厚度在 3~20 mm, 常用的厚度为 4、10 mm。样品件可以用模具压制, 也可以用成品的板材切割而成。总之, 不管用那一种方式制作的样品件, 决不能出现厚薄不均、大小气泡、坑陷缺料、周边凸凹不齐等现象。尤其是用模具压制的样品件, 在材料进行混炼或搅拌时, 应在设备上多反复几次, 充分保证材料能均匀的混合。这样压制出的样品件材质才能保证均匀, 在燃烧测试时效果稳定, 数据的重复性较好。通常情况下, 要测试的样品件应该选择相同的厚度进行测试比较。每种要测试的样品件较好准备 2件以上。样品件在测试前, 要用铝箔将其 5个侧面包好, 防止燃烧时的过多流滴和测试不准确。外露出的一个大平面, 用于标记编号, 接受辐射热, 观察测试现象。
3. 2. 2 样品燃烧盒
样品燃烧盒由耐热不锈钢材料制成, 是测试样品件的重要部件, 其外形和尺寸都有明确的规定和要求,属于随机附件。样品燃烧盒由盒盖、盒体、垫衬层组成, 如图 2所示。
在样品件燃烧测试前, 应该先把样品燃烧盒里外清理干净, 不能有任何杂物粘附在盒盖、盒体上。如果有粘附物在样品燃烧盒上, 在燃烧测试样品件时, 就会出现无规律的熔化、脱落, 从而影响到采集数据的真实性和质量损失等, 造成实验结果的不准确。
样品燃烧盒内的衬垫层也很重要, 其主要是起到隔热和调节样品件放置高度的作用。垫衬层与测试样品叠放后的高度, 应为盒盖顶部内侧下表面相同, 否则, 就应该调整垫衬层的高度。
3. 2. 3 过滤材料
锥形量热法在燃烧测试时, 过滤器的材料对样品气的采集质量和数据准确性非常重要, 直接影响到实验结果的成功与失败。因此, 对于过滤材料的质量选择和及时更换要有足够重视, 尤其是在样品件燃烧测试前, 必须充分地准备好。防止在测试过程由于出现过滤效果不好, 气流不畅, 管路堵塞现象, 而导致的测试失败。
( 1) 圆柱状过滤器。
3只圆柱状过滤器, 中间玻璃管内的过滤材料为粉红色的钠石灰, 用来过滤掉样品气中的 CO、CO2。当粉红色变得发白时, 就应该及时更换。两边玻璃管内的过滤材料为变色硅胶, 正常情况下呈蓝色, 用来过滤掉样品气中的 HO2。当玻璃管内变色硅胶的颜色大部分 (约 60% )变白时, 就不能再用了, 应该重新更换。
( 2) 样品气过滤系统。由真空泵抽出的样品气,
在进入氧分析仪之前必须进行过滤, 去除掉样品气中的烟尘杂质。过滤分为两处; ? 过滤器的材料是一白色圆筒形滤芯, 安装在透明的圆形透明罩内; ? 过滤器的材料是一外部封塑的白色滤纸, 封塑外壳的两端面中间各伸出一接头, 与通气气管相连接。测试前, 要先检查一下两处过滤芯的情况。如果发现第 2处过滤器的进气端处发黑, 就不能再用了, 要及时更换。第 1处过滤器应该在每次测试工作前, 拆开检查, 清理圆筒形滤芯内侧上吸附的烟尘, 滤芯外面有发黑的迹象时,也应及时更换。
3. 2. 4 核定距离
要测试的样品件与锥形加热器之间的距离规定为25 mm。初始测试样品件时, 燃烧盒放置在燃烧架上,核定一下锥形加热器的底面 (打开防护板时 ), 至样品件外露的表面之间的距离, 应该保证在 25 mm, 如果距离不对, 应及时进行调节。在称重传感器上的立杆处,有一凸出的调节螺钉, 松开螺钉后上下移动滑套即可调节距离。
3. 3 测试标定
锥形量热仪在燃烧测试前, 必须进行标定工作。标定的项目有质量标定、氧分析仪标定、辐射功率标定、激光测烟标定以及测热系数 / C0值标定。上述参数只有经过标定后, 才能使计算机对样品件燃烧测试时, 采集的数据进行有效的运算处理。标定参数必须符合要求, 达到仪器的精度范围, 才能得到较好的标定数据, 顺利地进行实验测试。
四、实验技术和测试分析
4. 1 称 重
先把样品燃烧盒放置在称重传感器上, 然后按归零按钮 (去皮重 ), 质量仪表显示数字为/ 00, 再把样品件放在燃烧盒上称量, 这时一定要注意等到显示的质量数字稳定后, 再记录数据。当质量显示数据由于环境因素的干扰, 处在不太稳定的跳动状态时, 数据应取较大值。
4. 2 建立新文件、输入测试参数
在计算机显示器上的画面如图 3所示。点击画面左上角白色图标键 (建立新文件 ), 就会出现图 4所示的画面, 即可直接输入一些测试需要的参数。首先在第 1栏中填写编写好的文件名, 再分别填写燃烧测试所需用的辐射功率、样品件的实际厚度、质量。然后再选择测试条件, 如 Fram e、Horizontal、Smoke、M ass、CO /CO2 等点击选中。切记; 一定要对右上方第 4栏 A rea对应的白色框中数值 100处进行点击, 这时数值就会自动变成 88. 4, 单位是 mm
2。这个 88. 4 的数值表示
为燃烧盒内样品件的实际受到辐射热的外露面积。如果燃烧测试的样品件在不需要用燃烧盒盒盖的状况下进行测试, Fram e处就不要点击选中。A rea对应的白色框中数值 100处, 也不要进行点击操作。这样就表示燃烧盒上的样品件实际受到辐射热的外露面积为 100 mm2。当完成这些操作程序后, 就可以点击 OK 按钮, 即
可进入下一画面, 如图 5 所示。画面的左上方有 4个并列的圆圈按钮键, 其功能分别表示: 开始 /结束、点燃时间、测试事件时间、火焰熄灭时间。这 4个并列的圆圈按钮键, 还分别按顺序与远程控制手柄上的数字键? 、? 、? 、?相对应, 其发挥的功能作用完全一样, 并且可以是同步进行。
4. 3 点燃测试
把包好铝箔的样品件 (一定要包铝箔 ) 放在燃烧盒内的垫衬层上, 用盒盖平整、均匀地压好, 再重新放置在称重传感器的支架上。
在把隔热板完全打开的同时按下远程控制手柄上的数字键? , 图 5画面上的 4个并列的圆圈按钮键同时变成绿色。这时就表示样品件的外露面开始受到锥形加热器的热流辐射, 并且开始计时。
再把脉冲点火器转到样品件的上方, 使其处在不断的打火状态。当样品件受到热辐射后, 热解出得可燃性气体, 被电子脉冲点火器引燃时, 即可按下远程控制手柄按钮 ? , 图 5画面上的 4个并列的圆圈按钮键第 2个变成白色。在画面下方有 6行不断变化的数字中, 右边一栏第 2行的数字就会出现 Ign ition time @ @@ sec, 这说明计算机已经记录下了被测试样品件的点燃时间。
样品件开始燃烧后, 应将电子脉冲点火器移转回位, 把远程控制手柄放回原处。落下透明的玻璃防护罩。注意观察样品件在燃烧过程出现的现象, 并做好记录。如果在燃烧过程中, 发生一些特殊现象需要记录下来, 就可以按下远程控制手柄的按钮 ? , 这个按钮可以连续按动 8次, 见图 6提示画面。每按一下按钮,就可记录一次特殊事件发生的时间。
样品件的燃烧火焰完全熄灭时, 按下远程控制手柄的按钮?, 记录下火焰熄灭的时间。图 5画面上的4个并列的圆圈按钮键第 4个就会变成白色。这时 1、3按钮键仍然还是绿色。
当要结束测试时, 就应该在图 5 画面上把第 1个仍然还是绿色的圆圈按钮键, 用鼠标点击选中。随后屏幕出现图 6、7所示的提示画面。再根据画面提示,一步一步的对按钮进行点击, 较后出现图 3所示的画面。这就表示一个样品件的燃烧测试数据采集完成。
4. 4 辐射功率的调整
燃烧测试时, 对于料质相同的样品件, 有时需要采用不同的辐射功率进行比较, 因此, 就需要对辐射功率进行调节。位于锥形量热仪的前面板右上方, 有一温度控制调节器 (见图 8), 可及时地进行温度调整。该调节器左边有 2行数字, 下面的 1行表示锥形加热器所需辐射功率的温度, 该温度由人工根据实验条件来确定, 是 /设定温度0。上面的 1行数字表示锥形加热器在某一时刻的测定温度, 由 3只热电偶检测锥形加热器上平均分布的 3点温度, 瞬时平均温度, 即/ 控制温度0。右边有 4个按钮, 下面的 2个带有三角符号,是用来调节设定温度的按钮键。
实验过程中, 当用某一设定的辐射功率测试完一组试件, 需要改变辐射功率时, 就需要对温度控制调节器的/温度升 v 、温度降 ? 0按钮键进行操作调节,将设定温度调节到新辐射功率相对应的数值, 当控制温度的数值达到设定温度的数值且稳定时, 在使用热流辐射计对新的辐射功率进行检测校对。这时一定要使热流辐射计的循环冷却水进行流通, 防止被热流烧坏。
4. 5 测试分析
锥形量热仪在测试聚合物的燃烧过程, 可采集到许多数据。但是这许多数据并不是都可以直接应用,需要进行 CSV 格式转化和选择[ 6]。常用的数据是; 时间 T ime( s)、氧浓度 OXY (% )、点燃时间 T ign ( s)、数据截止时间 EOT ( s)、火焰熄灭时间 F lm Out ( s)、热释放速率 HRR ( kW /m2)、有效燃烧热值 EHC (M J/kg)、质量 MASS ( g)、质量损失速率 MLR( g / s)、总热释放速率 THR (M J/m2)、比消光面积 SEA (m2/kg )、生烟速率SPR (m2/s)、烟释放速率 RSR ( s- 1)等参数。燃烧测试时, 聚合物的材料不同得到的数据不同,数据曲线也不同。聚合物基材相同, 填料不同, 得到的数据就会有所不同, 采集的数据以及数据曲线的变化是随着填加材料的变化而变化。聚合物基材相同, 填料相同, 但是填料的分量 (成分比例 )不同, 采集到的测试数据也会不同, 但是其数据曲线的变化趋势却有许多相似之处 (也有例外情况; 如填料的量大于基材的量较多时 )。根据多组样品件燃烧测试采集到的数据, 进行作图对其性能、规律总结比较, 研究分析, 从中得出试验结论。
例如; 测试样品件材料为以下几种; ABS-0为纯样, ABS-1、ABS-2、ABS-3、ABS-5A 为填料组分不同的改性材料。在热辐射功率为 50 kW, 其他条件完全相同的情况下进行测试。所得测试数据对时间作图, 就可以得到一些相应的数据曲线图形, 如图 9所示。由图示可知, 尽管材料的组成成分不尽相同, 但是用采集到的同类测试数据对时间作图, 所组成的曲线图形却有着相似的规律, 都有自己特征的数据曲线。通常情况针对这些曲线图形分析对比, 就可从中得出测试样品的阻燃性能, 是否达到预期效果。
( 1) 热释放速率 HRR。聚合物在燃烧测试时, 受到辐射热后, 主要是本身吸热阶段, 该阶段的初始线形无太大变化, 基本上是趋于较平缓的线形状态。当试件吸收的热量足够多时, 温度快速升高, 受热表面就会产生液化、气化、裂解现象, 产生出一些可燃性气体,并引起瞬间的突发性燃烧 (引燃或自然 ), 随之释放出较大的热量, 所以该阶段的线形就会呈现出较陡的曲线升高变化。随着试件的继续燃烧, 以及辐射热的继续, 还会有更多的热量释放出来, 线形还是呈现出继续升高的现象, 只是升高的速度、幅度相对时间而言, 比上个阶段 (突发性燃烧 )较平缓些, 当 HRR 的曲线上升到某一高度后, 就会出现更加平缓或下降的现象。
无论平缓或下降曲线这段时刻都会形成一个峰值。随着燃烧的继续, 有时这个阶段的曲线还会出现双峰或3峰 (较少见 )现象。当试件经过充分的燃烧后, 成碳层形成或有效成分烧尽, 这个阶段的线形就会在短时间内呈现出从高峰迅速的下降, 再随着时间的进行, 曲线走向变得更加平缓, 直至火焰熄灭。这就是聚合物材料在燃烧测试时, 热释放速率曲线图的轮廓基本规律特征。
由图 9( a)所示的 4条数据曲线比较, 纯样的 HRR较高, 随着填料的比率增加、品种变化, HRR 也随之变化。图中的曲线是随着标号的增加逐渐变小, 由此可见, 标号大的样品件采用的填料, 相对 ABS 纯样的燃烧性能改性来说比较理想, 阻燃效果的改善显著。ABS-3、ABS-5A 的数据曲线出现了 3峰、双峰, 这也表现出了一些特有的现象。双峰意味着样品件燃烧时出现第 1个峰值后, 由于燃烧过程产生的化学反应、变化, 有些样品件就会出现成炭层, 这炭层的形成又阻滞了火焰的燃烧, 使得 HRR有所降低。随着炭层下的热量集聚和增加, 达到一定能量时, 火焰就会突破成炭层, 再次产生较大的燃烧, 发出较高的 HRR, 这样第 2个峰值就会出现。该峰值与第 1个峰值相比, 其大小没有什么规律可言, 主要取决于样品件的基材和填料性能。 3峰的现象和形成原理与双峰相似, 无论是双峰还是 3峰, 只要样品件在燃烧时, 检测到的热释放速率愈低, 其阻燃性能就表现的愈好。
( 2) 有效燃烧热 EHC。EHC对时间作图, 所得曲线图形的峰值波动变化比较大。样品件点燃后, 采集到的有效燃烧热数值应该在 0 ~ 80变化, 有时甚至会超过软件设定的额定数值 80, 这时的数据表现为 80,而不会更大。曲线也会出现直线段, 见图 9( b) ABS-0曲线所示, 属于正常的现象。 EHC也是衡量材料燃烧时, 阻燃性能的一项主要指标。和热释放速率曲线相似。曲线数据愈低, 阻燃性能愈好。
( 3) 总热释放速率 THR、质量损失 MASS。无论是选用哪种材料, 燃烧测试的这 2种数据对时间作图的曲线, 其图形趋势基本上和图 9( c)、( d) 表示的一样, 图形轮廓不会有什么太大的变化。如果有与示意图的轮廓曲线不相同的测试结果, 则说明这次的燃烧测试出现了问题, 必须要找明出现问题的原因, 便于及时调整。有时 MASS的图形曲线在初始阶段短时间内出现一些凸起上升现象, 质量数据反映出比原始输入数据还要大, 这种情况主要是因为: 样品件受辐射热及燃烧过程, 膨胀变形量过大, 碰到了锥形加热器所致。同时, 也会导致 MLR 数据曲线图形, 在相同的时间范围段, 出现上下起伏较大的变化, 测试数据也会呈现出正、负值。
( 4) 质量损失速率 MLR。表示材料燃烧时质量损失变化的速率。图 9( d)所示是样品件燃烧测试的M LR 数据曲线轮廓图。结合图 9( a)、( d )对比分析,可以看出: 基材相同的聚合物, 其热释放速率低、阻燃性能好的情况下, MLR不一定就是低, 如 ABS-5A 的数据曲线, 表现的比 ABS-0纯样的曲线还要高。M LR 的曲线图形轮廓, 也不像 THR、MASS那样具有特殊的规律性。具体现象与材料的填料性能、成分、组合比例等因素有关。
( 5) 比消光面积 SEA、烟释放速率 RSR。表示材料燃烧时生烟能力的参数。图 9( f) SEA 的数据曲线无论是何种材料的燃烧测试数据对时间作图曲线, 其图形轮廓趋势也是同种基材的聚合物材料大体相似。不同基材的聚合物材料, 各有千秋。但是在各种材料的 SEA 数据曲线图形有一共同的特点是: 测试的数据大小差异波动性大, 图形曲线易于呈现出较大的狼牙形波折。图 9( g) RSR的数据曲线, 用燃烧测试数据对时间作图, 其曲线图形轮廓趋势也是没有规律可循, 不同的材料, 呈现出不同的图形曲线。同种基材的聚合物材料, 填料不同、成分组成不同, 图形曲线的轮廓趋势也会不同。/ (烟 )应该同燃烧过程联系起来考虑, 是一个动态的特征量0
[ 2]。燃烧过程中, 烟的测试参数有多种形式, 如; 生烟速率 SPR、生烟总量 TSP、烟参数 SP、烟因子 SF等, 其测试原理及表现形式比较复杂, 在此不作介绍。
五、结 语
尽管锥形量热仪的测试操作比较复杂, 测试条件要求严格, 测试费用较高, 但是其测试原理先进, 测试技术可靠, 测试方法准确, 测试数据连续直观。通过对样品件一次测试, 就可以得到多组不同类型的试验数据。与传统的氧指数测定仪、水平垂直燃烧测试仪等测试方法相比, 具有更加准确的测试结果, 更多类型的测试数据, 更加直观的数据曲线图形。这些还是深受国内外研究领域的认可。
因此, 要应用好锥形量热仪的实验测试技术, 就应该对锥形量热仪的结构、原理、测试条件和测试方法有深入的了解, 才能掌握好几类测试数据的图形曲线变化规律, 才能有条不紊地、准确地对测试数据和曲线图形进行判断分析。
