一文了解材料阻燃性能試驗方法

為了研究材料阻燃性能參數(shù)，可將火劃分為３個階段，即初起階段、全盛階段及衰減階段。所有可燃材料大多是在火災(zāi)全盛階段燃燒，一般很少有阻燃能力。

因此，在評估材料火危害性時，只需考慮從火初起至閃燃這一階段，此階段包括下述幾個過程：點燃、火焰?zhèn)鞑?、釋熱和閃燃，它們所產(chǎn)生的效應(yīng)稱為火的一級效應(yīng)。此外，這一階段還會產(chǎn)生多種次級效應(yīng)，即材料燃燒產(chǎn)生的煙、有毒及腐蝕性產(chǎn)物的危害。

這些火的一級效應(yīng)和次級效應(yīng)，涉及材料的主要阻燃參數(shù)，也是材料阻燃性能測試方法的具體內(nèi)容。

圖1 火的一級效應(yīng)和次級效應(yīng)

材料阻燃性能測試方法根據(jù)試件大小可分為：實驗室試驗、中型試驗及大型試驗。其中實驗室試驗和中型試驗最為常用，這兩類試驗，通常根據(jù)被測物體的可燃性、點燃性、火焰?zhèn)鞑?、釋熱及生煙性、火?zāi)氣體的毒性及腐蝕性等，對引發(fā)火災(zāi)具有決定性影響的參量將試驗分為6類：

阻燃性能測試方法依據(jù)不同材料（如建材、電纜、塑料、電子電氣等）、不同行業(yè)（如飛機、家具、機車、船艦等）、不同的標準（如ISO、ASTM、UL、BS、EN、IEC、GB），在試驗方法、試驗要求上有所不同。所有阻燃性測試的方法在相應(yīng)的標準內(nèi)均有闡述，由于涉及的測試方法較多，本文僅就最重要的幾個阻燃參數(shù)和常用的測試方法進行介紹。

可燃性是指材料進行有焰燃燒的能力。很多現(xiàn)在采用的材料可燃性的測定方法系基于將特定火焰施加于材料所產(chǎn)生的結(jié)果。所用火焰的類型、大小、施加于試樣的時間以及試樣的尺寸、形狀及放置方向等，在不同的試驗中可有所不同，且均在測試方法或標準中有詳細的規(guī)定。

氧指數(shù)(OI)：（也稱極限氧指數(shù)LOI）是指在規(guī)定條件下，試樣在氮、氧混合氣體中，維持平衡燃燒所需的最低氧濃度（體積百分含量）。該方法可以非常有效的判斷材料在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度，并且可以為材料的燃燒性能分級，因此得到了世界各國的重視。

標準規(guī)范：ISO 4589-2， ASTM D 2863, NES 714, GB/T 2406, GB/T 5454

1、氧指數(shù)法

測試主要采用氧指數(shù)儀，將試樣垂直地固定在燃燒筒中，使氧、氮混合氣流由下向上流過，點燃試樣頂端，觀察試樣的燃燒情況。在不同氧濃度中試驗一組試樣，以測定剛好維持試樣平穩(wěn)燃燒時的最低氧濃度。

★ 測試設(shè)備：氧指數(shù)儀

2、高溫氧指數(shù)法

在氧指數(shù)測定中，還發(fā)展了高溫氧指數(shù)法，此法是在燃燒筒上增加了可控加溫裝置，提高測試環(huán)境溫度，故可測定材料在較高環(huán)境溫度（最高可達400℃）下的氧指數(shù)，以用來評價材料在較高溫度下的燃燒性。材料氧指數(shù)一般隨環(huán)境溫度升高而降低，高溫氧指數(shù)能更好地表征材料的燃燒性。

標準規(guī)范：ISO 4589-3，NES 715

圖3 幾種聚合物氧指數(shù)與溫度的關(guān)系

ａ-酚醛樹脂；ｂ-聚［雙（苯氧基）磷氮烯］；ｃ-阻燃PA11；ｄ-阻燃PP

★ 測試設(shè)備：高溫氧指數(shù)儀

在塑料阻燃性能試驗方法中，水平及垂直燃燒試驗最具代表性，且應(yīng)用也最為廣泛。本法測定塑料表面火焰?zhèn)鞑バ阅?，其原理系水平或垂直地夾住試樣的一端，對試樣自由端施加規(guī)定的點燃源，測定線性燃燒速率（水平法）或有焰燃燒及無焰燃燒時間（垂直法）等來評價試樣的阻燃性能。

標準規(guī)范：UL94, ASTM D635, IEC 60695-11-10, IEC 60707, ISO 1210, ASTM D3801, ASTM D5048, IEC 60695-11-20, ISO 9772, ASTM D4804, ISO 9773, ASTM D4986, ASTM D5025, ASTM D 5207, ISO 10093, ISO 103351, GB/T 2408, GB/T 5169.17, GB/T 8332

在眾多相關(guān)規(guī)范中，由美國保險業(yè)實驗室制訂的UL94被廣泛應(yīng)用于測定制造設(shè)備和器具的塑料可燃性（但不適用于建筑用途的材料），同時UL94的試驗結(jié)果給出了材料的阻燃性分級，塑料阻燃等級由HB，V-2，V-1向V-0逐級遞增：

• HB：UL94標準中最低的阻燃等級。要求對于3到13毫米厚的樣品，燃燒速度小于40毫米每分鐘；小于3毫米厚的樣品，燃燒速度小于70毫米每分鐘；或者在100毫米的標志前熄滅。

• V-2：對樣品進行兩次10秒的燃燒測試后，火焰在30秒內(nèi)熄滅。可以引燃30cm下方的藥棉。

• V-1：對樣品進行兩次10秒的燃燒測試后，火焰在30秒內(nèi)熄滅。不能引燃30cm下方的藥棉。

• V-0：對樣品進行兩次10秒的燃燒測試后，火焰在10秒內(nèi)熄滅。

UL94 可燃性試驗包括下述四個測試方法：

• 材料分類為UL94HB的水平燃燒測定方法。

• 材料分類為UL94V-0 ULV-1 ULV-2的垂直燃燒測試方法。

• 材料分類為UL－5V的垂直燃燒測試方法。

• 材料分類為94VT M-0、94VT M-1、94VT M-2的垂直燃燒測試方法。

1、UL94水平燃燒試驗法

• 將試樣水平放置在試樣架上，點燃本生燈，調(diào)節(jié)火焰高度為20mm，使本生燈與水平方向傾斜約45°角。

• 在保持本生燈位置不變的條件下，對試樣施加火焰30s，撤去本生燈。如果施焰時間不足30s，火焰前沿已達到25mm標線時，應(yīng)立即移開本生燈，停止施焰。

• 記錄燃燒前沿從25mm標線到燃燒終止時的燃燒時間t(單位秒)，并記錄從25mm標線到燃燒終止端的燒損長度L(單位毫米)。

• 如果移開點火源后，火焰即滅或燃燒前沿未達到25mm標線，則不計燃燒時間、燒損長度和線性燃燒速度。

• 燃燒速率V = 60L/t

2、UL94垂直燃燒法

• 把試樣垂直固定在試樣夾上;

• 調(diào)節(jié)本生燈火焰（藍焰）高度為20mm；

• 對試樣進行第一次施加火焰時間10s，移開火源并記錄第一次的有焰燃燒時間t1；

• 第一次的有焰燃燒熄滅后，馬上對試樣進行第二次施加火焰時間10s，移開火源并記錄第二次的有焰燃燒時間t2和無焰燃燒時間t3 ，并記錄是否有滴落物引燃下面的脫脂棉

★ 測試設(shè)備：水平垂直燃燒測試儀

材料的釋熱量是指它燃燒時放出的總熱量，是材料火災(zāi)危險性的重要特征之一，釋熱量越大的材料，越易引發(fā)材料閃燃，以致形成災(zāi)難性火災(zāi)的可能性越高。特別是釋熱速率（HRR），尤其是其峰值（PHRR），對評估材料火安全性更具實際意義。

錐形量熱儀(CONE) 是以氧消耗原理為基礎(chǔ)的新一代聚合物材料燃燒性能測定儀，由CONE 獲得的可燃材料在火災(zāi)中的燃燒參數(shù)有多種，包括釋熱速率(HRR) 、總釋放熱( THR) 、有效燃燒熱(EHC) 、點燃時間( TTI) 、煙及毒性參數(shù)和質(zhì)量變化參數(shù)(MLR) 等。錐形量熱儀法由于具有參數(shù)測定值受外界因素影響小，與大型實驗結(jié)果相關(guān)性好等優(yōu)點被應(yīng)用于很多領(lǐng)域的研究。

圖6 完全燃燒時燃燒焓與氧原子數(shù)的關(guān)系

標準規(guī)范：ISO 5660 Parts 1 and2; ASTM E1354; ASTM E1474，ASTM E1740; ASTM E1550; ASTMD5485; ASTM D6113; NFPA 271; NFPA 264; CAN ULC 135; BS 476 Part 15; GB/T 16172

★ 測試設(shè)備：錐形量熱儀

材料燃燒時的生煙性是二次火效應(yīng)。二次火效應(yīng)是指那些與火災(zāi)伴生的、但并不構(gòu)成為火焰所顯示的燃燒過程的現(xiàn)象。

測定生煙性的方法最好是基于人眼對煙的感知和煙對可見度的影響。已有的測定煙密度的方法較多，最經(jīng)常使用的還是光學法，此法是在一規(guī)定空間內(nèi)建立一個模型火試驗，然后測定生成的煙對光束的衰減，以計得煙密度。如NBS煙箱采用的就是光學法測定煙密度。

當光線透過一個充滿煙塵的空間時，由于煙質(zhì)點的吸收和散射，使光的強度降低。光衰減的程度與煙質(zhì)點的大小和形狀、折射率及光的波長和入射角有關(guān)。目前的光學法測定煙密度的儀器，都是依據(jù)Beer‐Lambert定律。

圖8 光學法測定煙密度

標準規(guī)范：ASTM E662, ASTM F814, NFPA 258, BS 6401, GB/T 8323.Options:ISO 5659/IMO FTPC Part 2, ATS 1000.001/ABD0031, NES 711

★ 測試設(shè)備：NBS煙密度測試箱

阻燃材料燃燒釋放的氣體通常分為兩類：可燃氣體，如甲烷、乙烷、芳香烴等；不燃氣體，如二氧化碳、氮氣、氨氣、水蒸氣、鹵化氫、SO2、NOX、甲醛、HCN等。這些氣體的毒性可以通過化學分析得出，最為直觀的測定燃燒釋放氣體毒性的方法是動物暴露法。

標準規(guī)范：ISO 19702, ISO 9705, EN 45545-2，NES713，DIN 53436

★ 測試設(shè)備：FTIR煙氣分析儀

★ 測試設(shè)備：NES 713毒性測試儀

火焰?zhèn)鞑ナ侵富鹧媲把卦诓牧媳砻娴陌l(fā)展，它關(guān)系到火災(zāi)波及鄰近可燃物而使火勢擴大。火焰?zhèn)鞑バ阅艹Ｒ运淼婪拜椛浒宸y定。

IMO火焰蔓延測試是一個重要的燃燒性能對比試驗，主要測試對象是平板材料、復合材料或組件，這些材料主要是用來作為暴露的外表面的墻壁。所用的比較試驗數(shù)據(jù)是火焰沿著樣品的表面垂直方向上橫向蔓延的距離和時間。試驗是在試樣經(jīng)受引燃火焰的輻射下而進行的。

標準規(guī)范：ISO 5658; IMO FTP Part 5; ASTM E1317; ASTM E1321

★ 測試設(shè)備：IMO火焰蔓延測試儀

輻射面板試驗用于測試建筑材料及泡沫塑料的表面可燃性，是實驗室使用最廣泛的火焰?zhèn)鞑バ阅軠y定方法之一。

標準規(guī)范：ASTM E162, ASTM D3675

★ 測試設(shè)備：輻射板火焰蔓延測試儀

FTT的輻射板火焰蔓延測試儀通過燃氣熱輻射板對建筑材料（ASTM E162）及泡沫塑料（ASTM D3675）的表面可燃性進行測試。測試結(jié)果為火焰蔓延指數(shù)，由火焰蔓延和熱量散發(fā)等因素決定。該指數(shù)是許多行業(yè)規(guī)范中的必備參數(shù)，尤其在公共交通（火車和巴士）行業(yè)。

此法以輻射板試驗測定屋頂絕緣地板材料的火焰?zhèn)鞑バ阅?，以火焰不再傳播的輻射板的臨界熱流量表征。

標準規(guī)范：EN ISO 9239-1, ASTM E648, ASTM E970, NFPA 253, GB/T 11785

★  測試設(shè)備：鋪地材料熱輻射板測量儀（FRP）

耐燃性試驗通常是對整個構(gòu)筑物或部分構(gòu)筑物或構(gòu)件進行的，如房屋、地板、天花板、墻面等，這時可觀察火對被試系統(tǒng)的作用。評估各種建筑構(gòu)件在火災(zāi)條件下的性能，確保公共和鄰近結(jié)構(gòu)的安全。由于耐火性測試，尤其是大型耐火試驗是非常復雜的，但是在一些情況下又非常必要，在此我們僅介紹幾種適用的試驗設(shè)備。

★ 測試設(shè)備：耐火性特征指示式試驗爐

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保安全意識的提升，有關(guān)阻燃材料的燃燒性試驗方法越來越多，對阻燃材料的燃燒行為評估也越來越全面。阻燃試驗方法所涉及的物理化學過程和影響因素極其復雜，采用更加專業(yè)且符合標準的阻燃測試設(shè)備，建立標準化的實驗室是完善阻燃性能檢測的重要一步。