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“以微测大”:微型量热仪的问题一次说清
发布时间:2021-11-17 浏览次数:2348 来源:欧美大地

物质燃烧时的热释放速率是衡量火灾危害的一个重要参数,尤其是在一个密闭空间里,如建筑物,船舶,飞机舱。从获取热释放速率的途径来看,主要有以下两种实验方式:

  1. 通过缩小尺寸的实验来研究实际火灾发生时的热释放速率,例如ISO 5660锥形量热仪、FAA微型量热仪等;

  2. 通过中、大尺寸的实验来考察火灾时的热释放率,例如SBI单体燃烧测试仪、ISO 9705房屋墙角量热仪、大型量热仪等。

目前,世界各国已经开发制定的燃烧实验方法和标准有70余项,这些燃烧实验从微尺度、小尺度一直延伸到大尺度。在众多的实验方法中,虽然大型火灾实验可以更近似地反映真实材料制品最终应用时的火灾场景,但由于实验费时且耗资巨大,因此并不适合在研究测试领域广泛使用,目前使用最广泛的还是小、微型实验。其中典型的小型实验方法是锥形量热试验法,已经成为火灾科学研究领域中最重要的试验之一。而微型实验是采用基于热解燃烧流量量热实验方法的微型量热仪(MCC)进行。

微型量热仪锥形量热仪一样基于耗氧原理,但它只需非常少的样品,经过热解之后再燃烧,然后通过氧气浓度和燃烧气体的流速就可以确定燃烧过程中的氧气损耗量,从而得到热释放速率。其实验数据可与防火测试数据(锥形量热仪、OSU热释放速率测定仪),可燃性测试(高温氧指数仪、UL94水平垂直火焰燃烧测试仪)以及燃烧测试(氧弹量热仪)相关联。它是确定和预测防火材料性能的一种高效研究工具,广泛用于材料性能的评估、新产品的设计、筛选等,大大降低了试验成本,对高校和广大科研部门的材料研究和探索具有非常重要的意义!

1.微型量热仪试验方法

热解燃烧流量量热(The Parolysis Combustion Flow Calorimeter,PCFC)实验方法是由Rehard E.Lyon, Richard N.Waiters及其合作者在美国联邦航空管理局实验室(Federal Aviation Authority Laboratories)提出的。Rehard E.Lyon,Richard N.Waiters在2004年发表的论文Pyrolysis combustion flow calorimetry上对热解燃烧流量量热实验原理、方法进行了比较系统的阐述。

美国材料与实验协会(ASTM)颁布了标准ASTM D7309,最新的标准为ASTM D7309 - 21b《Standard Test Method for Determining Flammability Characteristics of Plastics and Other Solid Materials Using Microscale Combustion Calorimetry(用微燃烧量热仪测定塑料和其他固体材料的易燃特性用标准试验方法)》。英国FTT与联邦航空管理局 (FAA) 合作开发了基于ASTM D7309标准的微型量热仪MCC并推入市场,其中“微型”主要是指测试所需试样量极少(典型值2~5mg)。

FTT微型热量仪

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微型量热仪与其他燃烧测试设备间具有很好的实验结果互补性

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2.微型量热仪与UL94试验的相关性

一些研究表明微型量热仪(MCC)测得的材料固有燃烧性能参数HRC与UL94等级之间存在定量的关联。典型的关联关系包括:

  • 当HRC>400/J(g·K)时,材料为HB级;

  • 当HRC=200J/(g·K)~400J/(g·K)时,材料具有自熄性,可能为V0/V1级;

  • 当HRC<200 J/(g·K)时,材料不易点燃,通常为V0级。

此外,Schartel等研究了有两步分解反应的阻燃PC/ABS体系,发现对应单步分解的HRC的加和sumHRC及平均值avgHRC也与UL94等级有一定的关联性。

3.微型量热仪特点

微型量热仪仅需毫克级试样即可获得热释放速率(W/g)、燃烧热(J/g)和点燃温度(K)等参数,可以快速有效地测定各种塑料、木材、纺织品或合成物的主要燃烧性能参数,进而得到材料燃烧和易燃危险性的充分资料。

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微型量热仪,FAA微型量热仪

FAA微型热量仪特点和优点

  • 能够在几分钟内产生定量结果

  • 自动控制温度和气体流量

  • 小样品量

  • 两个测试炉均有过温保护

FAA微型热量仪技术规格

测试原理:热解燃烧流量量热法

燃烧室工作温度范围:25~1000°C

加热速率:0.4~4°C/s

样品大小:1~20mg (通常2-5mg)

探测极限:5mW

重复性:±2%

尺寸:1050mm(高)×350mm(宽)×550mm(深)

按照 EMC 89/336/EEC,LVD 72/23/EEC,BS EN 602041,BS EN 7462制造

4.微型量热仪的应用

近些年,微型量热仪被广泛应用于各类材料的热分解燃烧测试,分析样品的燃烧性能。如改性阻燃粘胶纤维的阻燃性能测试[1-2];涤纶织物进行阻燃涂层整理后的阻燃性能测试[3];核壳型阻燃乳液对真丝织物阻燃整理后的燃烧性能分析[4];阻燃剂苯基磷酰胺酸二乙酯(DEPAN)对阻燃硬质聚氨酯泡沫(RPUF) 的热释放峰值及总热释放的影响对比测试[5];功能性染料的研究及其对真丝织物阻燃性能的影响测试[6]等。

例:微型量热仪测试的TEOS阻燃改性前后纤维的燃烧性能曲线[1]


微型量热仪在塑料、纺织品、合成材料、阻燃剂研究等领域是必备测试设备,仅需微量样品即可快速测得材料的燃烧性能,对于提高研究效率具有积极的促进作用。

参考文献:

[1]马君志,葛红,王冬,等.溶胶-凝胶法改性阻燃粘胶纤维的制备及其性能[J].纺织学报,2021(1):10-15.

[2]马君志,王冬,付少海.氧化石墨烯协同二硫代焦磷酸酯阻燃粘胶纤维的制备及其性能[J].纺织学报,2020(3):15-19,38.

[3]胡维德,沈勇,林立云,等.涤纶阻燃涂层工艺与阻燃性能[J].印染,2020(5):1-7.

[4]于丽,邢铁玲,李珊,等.真丝织物的核壳型阻燃剂整理[J].印染,2017(16):1-5,9.

[5]李飞,窦午红,赵斌,等.苯基磷酰胺酸二乙酯的合成及阻燃硬质聚氨酯泡沫研究[J].工程塑料应用,2016(1):110-114.

[6]董永生. 一种新型功能性染料的合成及性能研究[D]. 苏州大学.

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