一种表征材料燃烧性能的方法及装置与流程

1.本发明属于材料测试及其装置技术领域，涉及一种表征材料燃烧性能的方法及装置。


背景技术：

2.材料燃烧的性质的表征至关重要，目前主要的测试方法为直燃烧法和氧指数法。
3.国家标准gb/t2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》、gb/t5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》、gb/t10707-2008《橡胶燃烧性能的测定氧指数法》和gb/t8924-2005《纤维增强塑料燃烧性能试验方法氧指数法》的测试原理是：指定尺寸的试样垂直支撑在一个规定尺寸的透明燃烧筒内，其内有一定浓度自下向上按规定流速流动的氧和氮的混合气体，用点火器点燃试样上端，通过“升-降法”原理，逐步找到试样燃烧所需最低氧浓度。由于空气中的体积氧浓度约为21％，因此，通常认为极限氧指数为22％时，该物质可以在空气中燃烧，氧指数小于22％为易燃材料，其值位于22％～27％的为可燃材料，大于27％为难燃材料。
4.国家标准gb/t2048-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》的测试原理是：指定尺寸的试样垂直悬挂在夹具上，在空气中，使用本生灯将试样从下端点火10s，随后撤离火焰，记录试样的燃烧时间与滴落状况，随后重复上述点燃过程，记录第二次点燃后的燃烧时间和滴落状况，然后根据规定的判定标准得出材料的垂直燃烧等级。
5.然而，材料燃烧的性质是多样的，各种表征手段都只能表征其一个方面，垂直燃烧法和氧指数法虽然是最常用的两种燃烧性能的测试方法，但是二者数据之间缺乏关联性，即某一燃烧性能表现优异的材料其另一测试方法下的数据可能表现不佳，如何将两种测试方法取得关联是材料燃烧性能测试领域的发展方向。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种表征材料燃烧性能的方法及装置。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种表征材料燃烧性能的方法，将试样竖直置于氮氧混合气体中，对试样的底端进行点火，不断调整氮氧混合气体中氧气的浓度，测试试样在氮氧混合气体中刚好维持燃烧时的氮氧混合气体中的氧的体积分数浓度，即获得该试样的极限氧指数；
9.在极限氧指数的气体氛围下，记录试样垂直燃烧时的熔融滴落状况，即获得该试样的阻燃等级。
10.作为优选的技术方案：
11.如上所述的一种表征材料燃烧性能的方法，氮氧混合气体的流量为5～15l/min，如此设计的目的是与国家现行标准的要求一致。
12.如上所述的一种表征材料燃烧性能的方法，维持燃烧是指在30s内能够被点燃，且
被点燃后180s时恰好熄灭。
13.如上所述的一种表征材料燃烧性能的方法，试样垂直燃烧时的熔融滴落状况与阻燃等级的对应关系为：不熔融滴落，v0等级；有熔融滴落，且熔融物不带焰，v1等级；有熔融滴落，且熔融物带焰，v2等级。
14.如上所述的一种表征材料燃烧性能的方法，试样的材料为纸塑复合材料、木塑复合材料、塑料、橡胶或纤维；试样的尺寸大小同国家标准gb/t2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》或国家标准gb/t 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》中规定的尺寸大小。
15.本发明还提供了一种表征材料燃烧性能的装置，包括透明燃烧筒、支杆、试样夹、底座和氮氧混合气体通道；
16.透明燃烧筒的顶端与透明燃烧筒的本体可拆卸地连接，支杆自透明燃烧筒的顶端穿入透明燃烧筒内，支杆的底端与试样夹连接；
17.透明燃烧筒的底端插入底座内；氮氧混合气体通道与透明燃烧筒相通。
18.作为优选的技术方案：
19.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，支杆与透明燃烧筒的顶端可升降地连接。
20.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，支杆与透明燃烧筒的顶端螺纹连接，支杆上设有螺纹，透明燃烧筒的顶端设有与螺纹配合的螺纹孔。
21.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，试样夹为u型框架或机械式夹扣。
22.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，还包括金属网和扩散器环；透明燃烧筒的底端由固定在底座内上下布置的金属网和扩散器环封端。
23.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，氮氧混合气体通道由气体混合室、氧气管道、氮气管道和出气管构成；气体混合室的入口同时与氧气管道与氮气管道连接，氧气管道与氮气管道上各安装一分压阀，通过分压阀控制氧气管道与氮气管道内气体分压，氧气管道内的分压与氮气管道内的分压均在0～0.3mpa，混合室内氧气或氮气的相对浓度在0％～100％之间；气体混合室的出口处安装有氧气浓度传感器，且与出气管的入口连接；出气管的出口穿过底座与扩散器环连接；出气管上安装有流量表。
24.如上所述的一种表征材料燃烧性能的装置，还包括可燃性气体管道；可燃性气体管道依次穿过底座、扩散器环和金属网穿入透明燃烧筒的内部；可燃性气体管道上安装一分压阀；可燃性气体管道的顶端安装有自动点火装置；可燃性气体管道的顶端与试样的底端的距离为1.5～2.5cm，如此设计的目的是与国家现行标准的要求一致。
25.本发明的表征材料燃烧性能的装置的使用过程为：首先将样品夹持于支杆底端的试样夹，再将透明燃烧筒的底端插入底座内，接着调整支杆高度，使样品底部达到可燃性气体管道上方1.5～2.5cm处；随后点燃可燃性气体，调节火焰高度为2cm(与现有国家标准一致)，用该火焰持续点燃夹持的样品时间30s，随后熄灭火焰，观察样品燃烧状况；若样品在30s内没有被点燃，或者样品被点燃后180s内熄灭，则提高流入燃烧室内氮氧混合气体的浓度，反之则降低燃烧室内氮氧混合气体的浓度，直至测得样品恰好180s熄灭时所需的氧气浓度，同时记录样品垂直燃烧时的熔融滴落状况。
26.本发明的原理如下：
27.现有的材料燃烧测试尤其是垂直燃烧测试与国际通行的极限氧指数测试方法有很大不同，即样品的夹持方式和点燃方式不同，垂直燃烧测试时夹持样品的上端，从样品的下端点火，而极限氧指数测试时夹持样品的下端，从样品的上端点火，因此常常出现垂直燃烧与极限氧指数结果相矛盾的试验结果，例如一些材料的极限氧指数很高，但垂直燃烧的级别反而较低。本发明在测试维持样品带焰燃烧的最低氧气浓度(氧指数)时采用与垂直燃烧同样的样品夹持方式和点燃方式，从而实现了氧指数和垂直燃烧测试结果的良好关联性，进而能够更准确地反应材料的燃烧性质。此外，现有技术的垂直燃烧测试都是在大气环境中测试的，即氧气浓度约为21％，无法保证材料必然处于带焰燃烧的状态，本发明的垂直燃烧测试是在测完极限氧指数后测试的，氧气浓度为极限氧指数，能够保证材料处于带焰燃烧的状态，可以更加准确的表征在恰好维持燃烧下条件下该氧浓度下的垂直燃烧状态。
28.有益效果：
29.(1)本发明的装置操作简便，样品适用性广泛；
30.(2)本发明的方法仅需单次测试即可同步得出垂直燃烧性能与燃烧氧指数，优化了燃烧评价流程；
31.(3)本发明的方法，测试数据更加真实，可避免极限氧指数测试和垂直燃烧测试的燃烧性能评价结果不匹配的现象。
附图说明
32.图1～2分别为本发明的表征材料燃烧性能的装置的局部图；
33.图3为透明燃烧筒的俯视图；
34.图4为机械式夹扣的示意图；
35.其中，1-透明燃烧筒，2-支杆，4-底座，5-金属网，6-扩散器环，7-气体混合室，8-氧气管道，9-氮气管道，10-出气管，11-可燃性气体管道，12-u型框架，13-机械式夹扣，14-螺纹孔，15-分压阀，16-氧气浓度传感器，17-流量表，18-自动点火装置。
具体实施方式
36.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
37.一种表征材料燃烧性能的方法，将试样竖直置于流量为5～15l/min的氮氧混合气体中，对试样的底端进行点火，不断调整氮氧混合气体中氧气的浓度，测试试样在氮氧混合气体中刚好维持燃烧(即在30s内能够被点燃，且被点燃后180s时恰好熄灭)时的氮氧混合气体中的氧的体积分数浓度，即获得该试样的极限氧指数；
38.在极限氧指数的气体氛围下，记录试样垂直燃烧时的熔融滴落状况，即获得该试样的阻燃等级；试样垂直燃烧时的熔融滴落状况与阻燃等级的对应关系为：不熔融滴落，v0等级；有熔融滴落，且熔融物不带焰，v1等级；有熔融滴落，且熔融物带焰，v2等级；
39.试样的材料为纸塑复合材料、木塑复合材料、塑料、橡胶或纤维；试样的尺寸大小同国家标准gb/t2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》或国家标准gb/t 5454-1997
《纺织品燃烧性能试验氧指数法》中规定的尺寸大小。
40.一种表征材料燃烧性能的装置，如图1～4所示，包括透明燃烧筒1、支杆2、试样夹、底座4、金属网5、扩散器环6、气体混合室7、氧气管道8、氮气管道9、出气管10和可燃性气体管道11；
41.透明燃烧筒1的顶端与透明燃烧筒1的本体可拆卸地连接，支杆2自透明燃烧筒1的顶端穿入透明燃烧筒1内，支杆2的底端与试样夹连接，试样夹为u型框架12或机械式夹扣13；其中，支杆2与透明燃烧筒1的顶端螺纹连接，支杆2上设有螺纹，透明燃烧筒1的顶端设有与螺纹配合的螺纹孔14；
42.透明燃烧筒1的底端插入底座4内，且由固定在底座4内上下布置的金属网5和扩散器环6封端；
43.气体混合室7的入口同时与氧气管道8与氮气管道9连接，氧气管道8与氮气管道9上各安装一分压阀15；气体混合室7的出口处安装有氧气浓度传感器16，且与出气管10的入口连接；出气管10的出口穿过底座4与扩散器环6连接；出气管10上安装有流量表17；
44.可燃性气体管道11依次穿过底座4、扩散器环6和金属网5穿入透明燃烧筒1的内部；可燃性气体管道11上安装一分压阀；可燃性气体管道11的顶端安装有自动点火装置18。
45.采用上述装置的一种表征材料燃烧性能的方法，具体步骤如下：
46.(1)利用试样夹夹持试样的顶端以将试样竖直地固定在透明燃烧筒1中，且试样的底端与可燃性气体管道11的管道出口的距离为1.5～2.5cm，调整氧气管道8上的分压阀15，使得氧气管道8中的压力为0.1～0.3mpa，调整氮气管道9上的分压阀15，使得氮气管道9中的压力为0.1～0.3mpa，再调节流量表17，使得氮氧混合气体的流量为5～15l/min；调整可燃气体管道11的分压阀，使得可燃气体管道中的压力为0.04～0.1mpa；其中，试样的材料为纸塑复合材料、木塑复合材料、塑料、橡胶或纤维；
47.(2)启动自动点火装置，对试样的底端进行点火；
48.(3)当试样底端在30s内未被点燃，则调整氧气管道8上的分压阀15，增加压力，从而提高氮氧混合气体中氧气的浓度(可从氧气浓度传感器16得到读数)；当试样底端在30s内能够被点燃，但是在180s内熄灭，则调整氧气管道8上的分压阀15，增加压力，从而提高氮氧混合气体中氧气的浓度(可从氧气浓度传感器16得到读数)；当试样底端在30s内能够被点燃，且在180s后继续燃烧不熄灭，则调整氧气管道8上的分压阀15，减少压力，从而降低氮氧混合气体中氧气的浓度(可从氧气浓度传感器16得到读数)；不断调整氮氧混合气体中氧气的浓度后，测试试样在氮氧混合气体中刚好维持燃烧时的氮氧混合气体中的氧的体积分数浓度，再保持氮氧混合气体中的氧的气体分压不变，记录试样垂直燃烧时的熔融滴落状况；其中，维持燃烧是指在30s内能够被点燃，且被点燃后180s时恰好熄灭。
49.根据试样垂直燃烧时的熔融滴落状况判断试样的阻燃等级，试样垂直燃烧时的熔融滴落状况与阻燃等级的对应关系为：不熔融滴落，v0等级；有熔融滴落，且熔融物不带焰，v1等级；有熔融滴落，且熔融物带焰，v2等级；还将试样在氮氧混合气体中刚好维持燃烧时的氮氧混合气体中的氧的体积分数浓度记为试样的极限氧指数。
50.针对一些样品，将本发明的测试方法和现有技术的测试方法进行对比，其中，本发明的测试方法所采用的的装置的氮氧混合气体的流量为10l/min，氧气管道8中的压力为0.15mpa，氮气管道9中的压力为0.15mpa，可燃气体管道中的压力为0.05mpa，试样的底端与
可燃性气体管道11的管道出口的距离为2cm，试样夹为机械式夹扣，测试结果如下：
[0051][0052][0053]
阻燃玻纤增强pa6在ul94垂直燃烧试验时可以做到无熔滴自熄，达到v0等级，由于燃烧烛芯效应，其氧指数在添加量20％左右时仅25.5％，按常规判定为可燃材料，这与ul94试验判定结果不吻合；通过本发明的方法测得阻燃玻纤增强pa6的垂直燃烧评定为v0，氧指数为29.5％，为阻燃材料。
[0054]
由于低卤高效阻燃聚丙烯在燃烧时产生大量有焰滴落，ul94垂直燃烧试验时为v2等级，但是在氧指数测试时，有焰熔滴可以快速熄灭火焰，故而氧指数表现极高，为30.5％，通过本发明的方法测得低卤高效阻燃聚丙烯的垂直燃烧评定为v2，氧指数为26％，为难燃材料，氧指数的降低是因为该材料的燃烧从下部开始，有焰熔滴的滴落无法阻止燃烧的继续进行，氧指数因此发生下降。
[0055]
mpp阻燃pa6在ul94垂直燃烧试验时可以做到燃烧无熔滴，达到v0等级，其氧指数仅为24.2％，为可燃材料，通过本发明的方法测得mpp阻燃pa6的垂直燃烧评定为v0，氧指数为28.5％，为阻燃材料。
[0056]
双环磷酸酯阻燃pet灯箱布由于氧指数从式样上部点火的方式，空气流动较弱，其氧指数达到30％，但是垂直燃烧时，由于从试样下部点燃，空气流动快速，氧气供应充足，仅为v2等级，通过本发明的方法测得的双环磷酸酯阻燃pet灯箱布垂直燃烧评定为v2级，氧指数为25％。
[0057]
复合阻燃pbt在ul94垂直燃烧试验时可以做到燃烧无熔滴自熄，达到v0等级，其氧指数仅为24.5％，为可燃材料，通过本发明的方法测得复合阻燃pbt的垂直燃烧评定为v0，氧指数为29％，为阻燃材料。
[0058]
综上可知，采用本发明的方法测得的极限氧指数测试和垂直燃烧测试的燃烧性能评价结果能够较好地匹配，有效解决了现有技术中存在的问题。