聚合物锥形量热法的测试操作与分析
于 健
橡塑材料与工程教育部重点实验室 山东 青岛 266042
青 岛 科 技 大 学 青岛 266042
摘要：聚合物应用锥形量热法测试其阻燃性能,目前一种必不可少的手段和理论依据。特别是在高分子材料的阻燃研究中，实用价值已越来越多地体现出来。了解锥形量热仪的结构，应用锥形量热法测试聚合物材料的热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、点燃时间、燃烧时间以及比消光面积、生烟速率等参数。对这些测试数据进行对比分析，从而确定材料的阻燃性能。本文综述了锥形量热仪的结构原理、测试操作方法和测试数据的图形分析。 关键词：锥形量热仪、聚合物、燃烧测试、热释放速率、数据曲线
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 release rate； HRR)、质量损失速率(Mass loss Rates；MLR)、有效燃烧热(Effective Heat of Combustion；EHC)、点燃时间参数（Time to Ignition）等，还有烟的数据参数，如：比消光面积(Specific Extinction Area；SEA)、生烟速率(Smoke Production Rate；SPR)、总生烟量(Total Smoke Production；TPS)、烟释放速率(Rate of Smoke Release；RSR)等。这些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，非常重要。
一、 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。见图（1）所示。
图(1) 标准型锥形量热仪简图
1- 仪器箱体 2-圆柱状过滤器 3-气体流量计 4-调速装置 5-变速电动机
6-鼓风机 7-排烟管 8-测压端口 9-测温热电偶 10-样品气取样环 11-烟尘过虑管 12－按钮开关控制面板 13－吸烟管道 14－引风罩 15－防护罩 16－激光测烟系统 17－样品气过滤系统 18－温度控制调节器 19－锥形电加热器 20－样品燃烧盒
21－称重传感器 22－远程控制手柄 23－氧气分析仪 24－气体流速控制板 25－制冷装置 26－隔热板转动手柄 27－甲烷燃烧器 28－电子脉冲点火器 29－真空泵
由图示可知，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。需要对这些方面的知识有所了解，才能对仪器的操作管理、实验测试过程具有较好的把握和运用。
二、 测试要点 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19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13.1MJ/kg这一平均值，偏差大约为5%[1]”。
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。
2、测试条件
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100×100mm的正方形，厚度在3～20mm之间选择，常用的厚度为4mm和10mm。
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，充分地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最好准备两件以上，做为在测试数据失败后的备用件。样品件在测试前，要用铝箔将其五个侧面包好，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。
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、垫衬层三部分组成，如图（2）所示。
1234 图（2）样品燃烧盒 1－盒盖；2－被测样品；3－垫衬层；4－盒体 在样品件燃烧测试前，应该先把样品燃烧盒的里里外外清理干净，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。
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。
2.3.1圆柱状过滤器；
三只圆柱状过滤器，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。
2.3.2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；第一处，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。第二处，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。如果发现第二处过滤器的进气端处发黑，就不能再用了，要及时更换。第一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。
2.4核定距离
要测试的样品件与锥形加热器之间的距离，明确规定为25mm。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25mm。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、测试标定
锥形量热仪在燃烧测试前，必须进行标定工作。尽管标定工作操作繁杂。在每次测试前，都应该进行。否则，测得的数据不准确更不能用。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“C”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，顺利的进行实验测试。
三、数据曲线的对比分析
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。常用的数据是；时间Time (sec)、氧浓度OXY （％）、点燃时间Tign (sec)、数据截止时间EOT (sec)、火焰熄灭时间Flm Out (sec)、热释放速率HRR（kW/m2）、有效燃烧热值 EHC (MJ/kg)、质量MASS （g）、质量损失速率MLR（g/s）、总热释放速率THR (MJ/ m2)、比消光面积SEA (m2 /kg)、生烟速率SPR （m2 /s）、烟释放速率RSR (l/s)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，但是填料的份量（成份比例）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为填料组份不同的改性材料。在热辐射功率为50KW，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time作图，就可以得到一些相应的数据曲线图形，如图（9）a、b、c、d、e、f、g所示。
140012001000HRR kW/m280060040020000100200300ABS-0 50 kWABS-1 50 kWABS-3 50 kWABS-5A 50 kW400500time/s（a）热释放速率HRR类型曲线图
90807060ABS-0 50kWABS-1 50kWABS-3 50kWABS-5A 50kW
EHC MJ/kg504030201000100200300400500time/s
( b ) 有效燃烧热值EHC类型曲线图
140120100ABS-0 50kWABS-1 50kWABS-3 50kWABS-5A 50kWTHR MJ/m28060402000100200300400500time/s
( c ) 总热释放速率THR类型曲线图
605040ABS-0 50kWABS-1 50kWABS-3 50kWABS-5A 50kWMASS/g30201000100200300400500time/s
( d ) 质量损失Mass 类型曲线图
0.350.30.25MLR g/s0.20.150.10.0500100200ABS-0 50kWABS-1 50kWABS-3 50kWABS-5A 50kWtime/s300400500
（ e ）质量损失速率MLR类型曲线图