鋁塑復合板用高分子熱熔膜燃燒熱值不確定度評定

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京100024）

0 前言

作為一種用途廣泛的新型建材，鋁塑板被廣泛運用于各種場所的外墻、帷幕墻板、室內墻壁、天花板等。隨著應用場景的不斷擴展，國家對其安全性的要求不斷加強，尤其體現在防火性能上。根據相關標準的要求，用于高層建筑的幕墻鋁塑板和內墻裝飾用鋁塑板，其燃燒性能等級甚至需要達到A級[1]。

根據GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的要求，燃燒熱值是評定是否達到A級材料的重要條件[2]。因此，本文對鋁塑板中高分子熱熔膜進行了燃燒熱值測定，其數值是利用在絕熱容器中的燃燒溫升計算得出，為保證燃燒熱值測定的嚴謹性，對其進行了不確定度評定。

1 實驗

1.1 實驗依據和方法

1）評定依據：JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

2）測量方法：GB8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》；GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》。

3）環境條件：溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%，安放地點無熱輻射熱源，無空氣對流。

4）試驗儀器：IKAC6000全能氧彈量熱儀。

5）被測對象：高分子熱熔膜。

6）測量過程：樣品制備，為得到可信度高的熱值數據，選取有代表性的樣品，任意截取各不小于50g的5個樣塊，為保證均勻性，測試前需將高分子膜裁剪到足夠細碎。

在檢測前，需要利用具有標準熱值的苯甲酸對儀器熱容進行標定，以5次標定結果的平均值作為儀器熱容，參與樣品熱值的測定。

對于高熱值的高分子材料，無需加入助燃物就可充分燃燒。具體實驗流程如下：在坩堝中稱量約0.5g高分子膜，利用標準熱值的棉線連接點火裝置與試樣，之后將試樣裝入氧彈中，在氧氣中充分燃燒，記錄溫度變化，計算被測樣品的熱值，并以5次實驗的算數平均值作為檢測結果。

1.2 建立數學模型

根據氧彈量熱儀檢定規程和檢測方法，建立高分子膜熱值測定的數學模型，公式如下：

式中：

Q-高分子膜的燃燒熱值，J/g；

E-熱量體系的熱容量，J/K；

ΔT-量熱體系溫升，K；

q1-點火能量，J；

q2-棉線熱值，J/根；

m-高分子膜的質量，g；

根據公式（1）導出方差公式及各輸入量的偏導數（靈敏系數）如下：

各輸入量的偏導數為：

依據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》對測量過程中影響熱值數據的因素進行分析，測量不確定度主要包括：A類不確定度，測量重復性引起的不確定度分量；B類不確定度，有量熱體系熱容量引入的不確定度、溫升測量偏差引入的不確定度、樣品稱量引入的不確定度、棉線熱值和點火能量引入的不確定度以及環境因素、測試人員引入的不確定度[3]。

2 燃燒熱值不確定度評定

通過對量熱體系不確定度分析，依次對各個不確定度分量進行計算，由于測量前需要先對量熱儀熱容量進行標定，因此先對熱容量進行不確定度評定。

2.1 熱容量不確定度的評定

使用具有標準熱值的苯甲酸對量熱體系的熱容量進行標定：

式中：

E-量熱體系的熱容量，J/K；

ΔTs-量熱體系溫升，K；

ms-標準物質苯甲酸的熱值，J/g；

qs-標準物質苯甲酸的質量，g；

q1-點火能量，J；

q2-棉線熱值，J/根。

由標定熱容量過程可知，量熱體系熱容量的不確定度包括：A類不確定度，主要為標定時對熱容量的測量重復性；B類不確定度，有苯甲酸標準熱值的不確定度、苯甲酸稱量過程的不確定度、標定時溫差測量的不確定度、點火能量不確定度、棉線熱值不確定度以及內筒中裝水量測量不確定度。

2.1.1 標準物質苯甲酸熱值引入的標準不確定度

苯甲酸標準物質證書中給出了苯甲酸的熱值為26458J/g，對應熱值的相對擴展不確定度為0.1%（包含因子k=2），由此計算出苯甲酸熱值的標準不確定度：

2.1.2 苯甲酸稱量引入的標準不確定度

校準證書標示了分析天平的最大允許誤差為±0.1mg，按均勻分布，包含因子k=，苯甲酸稱量的標準不確定度：

2.1.3 棉線熱值引入的標準不確定度

利用標準熱值的棉線引燃苯甲酸樣品。本實驗所用棉線已事先經過裁剪，其熱值為50J/根，每次使用一根；根據經驗，每根棉線的誤差不超過2J，按照均勻分布，取k=，由此計算出每根棉線的標準不確定度：

2.1.4 點火能量引入的標準不確定度

實驗中點火能量的誤差為±1J，按均勻分布，取k=，得出點火能量的標準不確定度：

2.1.5 量熱體系溫差測量的不確定度

量熱儀中溫差測量的分辨率為0.0001K，按均勻分布，取k=，其標準不確定度：

根據標定過程中的數學模型導出方差公式，各輸入量之間不相關，得出的方差公式為：

將上述數據代入公式（4）中，得：

u1（E）=4.06J/K

2.1.6 氧彈內筒中裝水量測量引入的不確定度

實驗流程要求，內筒中需要裝入10ml去離子水，所用量筒的精確度為0.2ml，25℃環境中水的密度為ρ=0.997g/cm3，比熱為C=4.2J/（g·K），由此得出內筒水稱量的不確定度：

u2（E）=0.2×0.997×4.2=0.84J/K

2.1.7 熱容量重復性測量引起的不確定度

將5次標定出的熱容量數值代入貝塞爾公式：

由于u1（E）、u2（E）、u3（E）三個熱容量不確定度分量互不相關，合成熱容量標準不確定度：

表1 量熱體系熱容量標定實驗數據

2.2 高分子膜稱量引入的標準不確定度

校準證書中標示了分析天平的最大允許誤差為±0.1mg，按均勻分布，包含因子k=，得出高分子膜稱量的標準不確定：

2.3 各輸入量引入的高分子膜熱值不確定度計算

根據GB/T 14402-2007中對測量次數的規定，另外為保證不確定度評定的準確性，對樣品進行了5次重復性熱值測量，具體數據如表2所示。

由表2中的數據和前述對各輸入量不確定度的計算，將具體數值代入公式（2），求得各輸入量引入的不確定度：u1（Q）=29.32J/K

2.4 高分子膜熱值重復性測量引起的不確定度

將5次測得的高分子膜熱值導入貝塞爾公式，得出不確定度分量：

2.5 高分子膜熱值測量實驗環境和檢測人員引起的不確定度

本次實驗在標準的控溫控濕實驗室中完成，量熱儀周圍沒有其他熱輻射儀器，在測試時除必要的實驗流程外，室內無多余人員進出擾動，因此可以避免實驗室環境對檢測結果的影響，其引入的不確定度可忽略不計。

實驗檢測人員均經專門的上崗培訓，熟悉相關的檢測標準和試驗流程，對相關產品具有一定的測試經驗；操作時嚴格按照操作規程，使用符合要求的稱量儀器，因此檢測人員引入的不確定度很小，可忽略不計。

2.6 合成標準不確定度

表3中標示的不確定度分量互不相關，因此得出合成標準不確定度：

2.7 擴展不確定度

擴展不確定度為合成標準不確定度與所選用的包含因子乘積，包含因子取k＝2時區間（σ－U，σ＋U）的包含概率為95.45%。

U＝k·u（Q）=2×0.042MJ/kg=0.084MJ/kg

3 結果和討論

1）對各個不確定度分量進行分析可知，影響不確定度的主要因素為測量重復性和量熱系統熱容兩個不確定度分量，為減少熱容量對數值的影響，實驗時應按時對儀器進行維護，盡量避免不必要的精確度缺失，另外在樣品制備時，應保證樣品均勻，且具有代表性。

2）通過以上對高分子膜進行的熱值測量及不確定度評定，得出高分子膜熱值為45.194MJ/kg，當擴展因子k=2時，其擴展不確定度為0.084MJ/kg，數值與傳統烯烴類高分子燃燒熱值相吻合，得出的擴展不確定度數值較低，證明了在當前條件下測定高分子膜熱值具有較高的準確性。