高溫氧指數(shù)測定試驗數(shù)據(jù)研究

金富 張春野 白日昌 劉惠婧

【摘要】高溫氧指數(shù)測定試驗是在傳統(tǒng)氧指數(shù)測定方法基礎(chǔ)上附加了溫度影響因素的一種新型試驗方法。是一種較比傳統(tǒng)氧指數(shù)測定更加嚴格的測試方法，高溫氧指數(shù)測定針對長期暴露在熱源輻射條件下的保溫材料和裝飾材料更加符合使用場景的燃燒性能要求，更貼近材料本身的使用場景。通過對高溫氧指數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)的研究可以加深對常規(guī)裝飾裝修材料特別是保溫材料在高溫環(huán)境下的燃燒性能的認識。對在高溫環(huán)境下氧指數(shù)測定結(jié)果下降較大的影響因素開展研究，可以有效地提高材料的燃燒性能，豐富其使用場景和應(yīng)用領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】高溫氧指數(shù)測定；試驗方法；保溫材料；裝飾裝修材料

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.022

【基金項目】本文受遼寧省市場監(jiān)督管理局科技計劃項目“高溫氧指數(shù)測定在保溫材料阻燃性能研究中的應(yīng)用”（2022ZC011）資助。

High Temperature Oxygen Index Test Data Study

JIN Fu， ZHANG Chunye， BAI Richang， LIU Huijing

（Liaoning Inspection， Examination and Certification Centre〔Liaoning Institute of Product Quality Inspection〕， Shenyang 110036， China）

Abstract： The high temperature oxygen index test is a new test method based on the traditional oxygen index test method with the addition of temperature factors. It is a more stringent test method under the condition that the measured object meets the oxygen index， which is more in line with the combustion performance requirements of the use scenario for the thermal insulation materials and decorative materials exposed to the heat source radiation for a long time. Through this study， we can deepen the understanding of the combustion performance of conventional decoration materials， especially insulation materials， under high temperature environment. Especially in the high temperature environment， the research on the factors that affect the great decline of the oxygen index results can effectively improve the combustion performance of the material， and enrich its use scenarios and application fields.

Keywords： high temperature oxygen index； test method； thermal insulation material； decorating and refurbishing materials

高溫氧指數(shù)測定是模擬被測材料在不同溫度條件下燃燒性能的試驗方法。與傳統(tǒng)氧指數(shù)測定試驗的區(qū)別體現(xiàn)在，傳統(tǒng)的氧指數(shù)測定適用于被測材料在規(guī)定環(huán)境溫度下，在氧、氮混合氣體中能維持燃燒的最低氧濃度。用來評定材料在特定試驗要求條件下的燃燒性能。高溫氧指數(shù)測定是分析被測材料在高溫環(huán)境下特別是在高溫?zé)彷椛溆绊懴碌娜紵阅堋？紤]到苯板、擠塑板、聚氨酯等有機保溫裝飾材料在溫度升高的條件下其氧指數(shù)測定數(shù)據(jù)都存在不同程度的下降[1]，因而當(dāng)環(huán)境溫度升高時，苯板、擠塑板、聚氨酯等有機保溫材料比在試驗要求的環(huán)境溫度條件下更易燃燒[2]。常規(guī)的氧指數(shù)測定試驗不能完全體現(xiàn)出材料在高溫狀態(tài)下的燃燒性能。因此高溫氧指數(shù)測定對于測試長期暴露在熱源高溫輻射環(huán)境下的保溫材料和裝飾裝修材料的燃燒性能更加具有實際指導(dǎo)意義。高溫氧指數(shù)測試儀如圖1所示。

1檢測設(shè)備介紹

高溫氧指數(shù)測定儀相比傳統(tǒng)的氧指數(shù)測定儀加入了試驗環(huán)境溫度控制環(huán)節(jié)。它采用PID算法調(diào)節(jié)電阻絲的輸出功率，以達到對燃燒筒內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)的作用。氧氣、氮氣混合氣體由燃燒筒下方注入，為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性在每次開展試驗前應(yīng)預(yù)先設(shè)定氧氣濃度和燃燒筒溫度并使設(shè)備充分預(yù)熱，保證燃燒筒內(nèi)的溫度穩(wěn)定，預(yù)設(shè)定濃度的氣體均勻、充分的環(huán)繞在試樣周圍。高溫氧指數(shù)測定儀設(shè)計原理如圖2所示。

高溫氧指數(shù)測定儀由氧氣、氮氣混合氣體模塊、燃燒筒、試樣架、K型熱電偶，以及控溫模塊和上位機系統(tǒng)組成。其中，燃燒筒溫度控制系統(tǒng)和氧氣、氮氣混合氣體控制系統(tǒng)分別使用PID溫度控制器和PLC單片機進行設(shè)置，兩套系統(tǒng)不交叉控制。上位機系統(tǒng)具有計算和輸出控制指令的能力。PLC單片機具有接受上位機指令并輸出控制信號的能力。上位機系統(tǒng)通過串口與PLC單片機連接并傳輸控制指令；PLC單片機通過同軸電纜信道與氧指數(shù)測定儀混合氣體控制模塊連接。高溫氧指數(shù)測定儀設(shè)計原理圖如圖3所示。

PID算法主要的作用是修正實際輸出的電流值和預(yù)期設(shè)定值之間的偏差，調(diào)整下一次的輸出值，使輸出值更接近于預(yù)期設(shè)定值，進而提高系統(tǒng)的精度和響應(yīng)時間。

高溫氧指數(shù)測定儀要求燃燒筒的溫度控制要準(zhǔn)確穩(wěn)定并且快速響應(yīng)。溫度的控制常常伴有滯后性和非線性的特點。由于燃燒筒的上方是敞開的同時又有混合氣體在燃燒筒下方不斷注入。燃燒筒溫度的控制容易受外界因素的影響，因此在燃燒筒的控制設(shè)計上選用模糊PID算法，對溫度進行調(diào)節(jié)并達到平衡狀態(tài)。PID算法示意圖如圖4所示。

2對比實驗設(shè)計

聚苯顆粒保溫板具有質(zhì)地均勻、良好的阻燃性能、優(yōu)異的保溫性能等優(yōu)點，并且價格低廉，在墻面保溫材料中應(yīng)用最為廣泛，非常具有產(chǎn)品代表性。因此，選擇聚苯顆粒保溫板作為本次對比試驗的樣品。本次對比試驗計劃采用同一批次生產(chǎn)的容重約為18 kg/m3的聚苯顆粒保溫板作為對比樣本。這樣可以有效規(guī)避不同容重、不同生產(chǎn)批次以及阻燃劑陳化周期在氧指數(shù)測試結(jié)果上帶來的誤差。

對比試驗的樣品被均勻制備成國標(biāo)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗》[3]要求的統(tǒng)一長度，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求在溫度25℃、濕度55%的條件下狀態(tài)調(diào)節(jié)96 h。規(guī)避狀態(tài)調(diào)節(jié)時間不充分對試驗結(jié)果的影響。試驗前期準(zhǔn)備完成后計劃分別在燃燒筒溫度為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃的條件下，在相同的實驗室環(huán)境中開展氧指數(shù)測定試驗，按頂面點燃法進行氧指數(shù)測試。每組樣品在燃燒筒不同溫度條件下分別進行3組試驗，并將試驗結(jié)果取平均值。目的是觀測同一樣品在不同環(huán)境溫度下的燃燒狀況并加以記錄，為研究不同溫度條件下的氧指數(shù)測定影響因素提供一定的研究數(shù)據(jù)。高溫氧指數(shù)測定數(shù)據(jù)如表1、圖5所示。

3試驗數(shù)據(jù)分析

通過氧指數(shù)測定試驗數(shù)據(jù)可以驗證當(dāng)聚苯顆粒保溫板在常溫環(huán)境下的氧指數(shù)數(shù)據(jù)略高于高溫環(huán)境下的氧指數(shù)測定結(jié)果。以試驗樣品的氧指數(shù)結(jié)果為例，當(dāng)以國標(biāo)GB/T2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗》要求的環(huán)境條件進行測試時，它的氧指數(shù)測定結(jié)果為31.1%，隨著環(huán)境溫度的增加，當(dāng)燃燒筒溫度為55℃時的氧指數(shù)測定結(jié)果為29.7%，當(dāng)燃燒筒溫度為65℃時的氧指數(shù)測定結(jié)果為29.1%。GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》[4]中對B1級墻面保溫泡沫塑料制品的氧指數(shù)要求為≥30.0%，B2級墻面保溫泡沫塑料制品的氧指數(shù)要求為≥26.0%。同一組聚苯顆粒保溫板樣品當(dāng)在國標(biāo)要求條件下進行試驗時，可以滿足B1級要求，但當(dāng)提出更加苛刻的環(huán)境條件要求時，樣品的氧指數(shù)測定結(jié)果就無法滿足B1級要求，僅可滿足B2級要求。

這是由于當(dāng)溫度升高時，材料本身的分子結(jié)構(gòu)更加活躍，易于被引燃或者表現(xiàn)為燃燒更加充分。一方面，材料的燃燒是一種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，以聚苯顆粒保溫板為例，它的燃燒行為會受到分子運動快慢的影響，當(dāng)材料本身的溫度升高時會使得分子運動加快；另一方面，當(dāng)材料的溫度升高時能使得材料本身軟化速度加快，更易被點燃，得到的試驗結(jié)果是氧指數(shù)下降[5]。

4高溫氧指數(shù)測定試驗的應(yīng)用前景

通過研究發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境作用下我們常用的一些裝飾保溫材料存在一定的燃燒性能衰減現(xiàn)象，特別是通過高溫氧指數(shù)測定試驗對以上說法得到了驗證。在高溫環(huán)境下的燃燒性能要略低于常規(guī)環(huán)境下的燃燒性能。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中僅對常規(guī)條件下的氧指數(shù)測定做出了相應(yīng)的規(guī)定，并未對高溫氧指數(shù)測定做出相應(yīng)的要求。考慮到保溫裝飾材料的應(yīng)用范圍是十分廣泛的，特別是存在高溫?zé)彷椛涞拳h(huán)境惡劣的場所，保溫材料需要長期被暴露在高溫環(huán)境下，僅僅依靠常規(guī)的氧指數(shù)測定數(shù)據(jù)并不能夠完全體現(xiàn)出該種材料在特殊場景的燃燒性能。因此，在保溫裝飾材料的設(shè)計施工規(guī)范中應(yīng)對材料的適用范圍做出更加詳細的劃分，特別是消防要求等級較高的重要場所應(yīng)設(shè)立一套更為嚴苛的，更加適合應(yīng)用場所特殊性的材料實施要求和檢測制度。

5結(jié)論

隨著建材行業(yè)的快速發(fā)展，保溫裝飾材料產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用也迎來了快速發(fā)展期，越來越多的新產(chǎn)品、新技術(shù)應(yīng)運而生。隨之而來相應(yīng)的檢測方法和使用場景也應(yīng)更加豐富和多樣化。高溫氧指數(shù)測定試驗是一種被認為比常規(guī)氧指數(shù)測定更為嚴苛的試驗方法。通過測定數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)燃燒筒溫度升高時，會對氧指數(shù)測定結(jié)果帶來一定的影響，甚至?xí)绊懭紵阅芊旨壗Y(jié)果。開展高溫氧指數(shù)測定研究對高溫?zé)彷椛鋱鏊谋匮b飾材料的選擇以及新產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

【參考文獻】

[1]崔飛，羅靜，高仲亮，等.阻燃PVC電工套管氧指數(shù)測定中的影響因素分析[J].林業(yè)勞動安全，2009，22（2）：31-35.

[2]吳勇，屈勵.環(huán)境溫、濕度對氧指數(shù)測定值的影響[J].消防科技，1997（1）：25.

[3]塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗：GB/T 2406.2—2009[S].

[4]建筑材料及制品燃燒性能分級：GB 8624—2012[S].

[5]龔嘉偉，陳宏業(yè)，何家威.燃燒筒溫度對塑料氧指數(shù)的影響[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（上），2021，19（1）：5-6.

【作者簡介】

金富，男，1983年出生，高級工程師，學(xué)士，研究方向為建筑材料及消防器材檢測。

（編輯：李鈺雙）