锥形量热仪燃烧测试实验方法

锥形量热仪燃烧测试实验方法一、实验简介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 ReleaseRate, HRR)、质量损失速率(M ass Loss Rates, M LR )、有效燃烧热，总生烟量( To ta l Smoke Production,TPS)、烟释放速率( Rate of Smoke Release, RSR) 等、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。

因此, 实验测试技术和测试数据分析也非常重要, 如对ABS用几种不同成分的填料, 组合而成的几种聚合物材料燃烧测试数据的采集与分析, 就是在充分了解、熟悉锥形量热仪的结构性能、工作原理的基础上, 在掌握了熟练的测试技术和操作步骤的基础上, 对测试数据的成功与否, 有明确的认定。

这样才能对材料的阻燃性能进行分析评定, 得出准确的结论, 尤其是在测试前对仪器的标定, 过滤材料的更换与过程检查, 除湿材料过程变化与更换等, 都是很重要的测试技术。

二、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, 如图1所示。

由图可知, 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。

三、测试要点3. 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. 1 M J/kg这一平均值, 偏差约为5%。

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。

3. 2 测试条件3. 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 mm @ 100 mm 的正方形, 厚度在3~20 mm, 常用的厚度为4、10 mm。

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2件以上。

样品件在测试前, 要用铝箔将其5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。

3. 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、垫衬层组成, 如图2所示。

在样品件燃烧测试前, 应该先把样品燃烧盒里外清理干净, 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。

3. 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。

( 1) 圆柱状过滤器。

3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) 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; ? 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; ? 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2处过滤器的进气端处发黑, 就不能再用了, 要及时更换。

第1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。

3. 2. 4 核定距离要测试的样品件与锥形加热器之间的距离规定为25 mm。

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25 mm, 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. 3 测试标定锥形量热仪在燃烧测试前, 必须进行标定工作。

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/ C0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, 顺利地进行实验测试。

四、实验技术和测试分析4. 1 称重先把样品燃烧盒放置在称重传感器上, 然后按归零按钮(去皮重), 质量仪表显示数字为/ 00, 再把样品件放在燃烧盒上称量, 这时一定要注意等到显示的质量数字稳定后, 再记录数据。

当质量显示数据由于环境因素的干扰, 处在不太稳定的跳动状态时, 数据应取较大值。

4. 2 建立新文件、输入测试参数在计算机显示器上的画面如图3所示。

点击画面左上角白色图标键(建立新文件), 就会出现图4所示的画面, 即可直接输入一些测试需要的参数。

首先在第1栏中填写编写好的文件名, 再分别填写燃烧测试所需用的辐射功率、样品件的实际厚度、质量。

然后再选择测试条件, 如Fram e、Horizontal、Smoke、M ass、CO /CO2 等点击选中。

切记; 一定要对右上方第4栏A rea对应的白色框中数值100处进行点击, 这时数值就会自动变成88. 4, 单位是mm2。

这个88. 4 的数值表示为燃烧盒内样品件的实际受到辐射热的外露面积。

如果燃烧测试的样品件在不需要用燃烧盒盒盖的状况下进行测试, Fram e处就不要点击选中。

A rea对应的白色框中数值100处, 也不要进行点击操作。

这样就表示燃烧盒上的样品件实际受到辐射热的外露面积为100 mm2。

当完成这些操作程序后, 就可以点击OK 按钮, 即可进入下一画面, 如图 5 所示。

画面的左上方有4个并列的圆圈按钮键, 其功能分别表示: 开始/结束、点燃时间、测试事件时间、火焰熄灭时间。

这4个并列的圆圈按钮键, 还分别按顺序与远程控制手柄上的数字键相对应, 其发挥的功能作用完全一样, 并且可以是同步进行。

4. 3 点燃测试把包好铝箔的样品件(一定要包铝箔) 放在燃烧盒内的垫衬层上, 用盒盖平整、均匀地压好, 再重新放置在称重传感器的支架上。

在把隔热板完全打开的同时按下远程控制手柄上的数字键? , 图5画面上的4个并列的圆圈按钮键同时变成绿色。

这时就表示样品件的外露面开始受到锥形加热器的热流辐射, 并且开始计时。

再把脉冲点火器转到样品件的上方, 使其处在不断的打火状态。

当样品件受到热辐射后, 热解出得可燃性气体, 被电子脉冲点火器引燃时, 即可按下远程控制手柄按钮? , 图5画面上的4个并列的圆圈按钮键第2个变成白色。

在画面下方有6行不断变化的数字中, 右边一栏第2行的数字就会出现Ign ition time @ @@ sec, 这说明计算机已经记录下了被测试样品件的点燃时间。

样品件开始燃烧后, 应将电子脉冲点火器移转回位, 把远程控制手柄放回原处。

落下透明的玻璃防护罩。

注意观察样品件在燃烧过程出现的现象, 并做好记录。

如果在燃烧过程中, 发生一些特殊现象需要记录下来, 就可以按下远程控制手柄的按钮? , 这个按钮可以连续按动8次, 见图6提示画面。

每按一下按钮,就可记录一次特殊事件发生的时间。

样品件的燃烧火焰完全熄灭时, 按下远程控制手柄的按钮?, 记录下火焰熄灭的时间。

图5画面上的4个并列的圆圈按钮键第4个就会变成白色。

这时1、3按钮键仍然还是绿色。

当要结束测试时, 就应该在图 5 画面上把第1个仍然还是绿色的圆圈按钮键, 用鼠标点击选中。

随后屏幕出现图6、7所示的提示画面。

再根据画面提示,一步一步的对按钮进行点击, 最后出现图3所示的画面。

这就表示一个样品件的燃烧测试数据采集完成。

4. 4 辐射功率的调整燃烧测试时, 对于料质相同的样品件, 有时需要采用不同的辐射功率进行比较, 因此, 就需要对辐射功率进行调节。

位于锥形量热仪的前面板右上方, 有一温度控制调节器(见图8), 可及时地进行温度调整。

该调节器左边有2行数字, 下面的1行表示锥形加热器所需辐射功率的温度, 该温度由人工根据实验条件来确定, 是/设定温度0。

上面的1行数字表示锥形加热器在某一时刻的测定温度, 由3只热电偶检测锥形加热器上平均分布的3点温度, 瞬时平均温度, 即/ 控制温度0。

右边有4个按钮, 下面的2个带有三角符号,是用来调节设定温度的按钮键。

实验过程中, 当用某一设定的辐射功率测试完一组试件, 需要改变辐射功率时, 就需要对温度控制调节器的/温度升v 、温度降? 0按钮键进行操作调节,将设定温度调节到新辐射功率相对应的数值, 当控制温度的数值达到设定温度的数值且稳定时, 在使用热流辐射计对新的辐射功率进行检测校对。

这时一定要使热流辐射计的循环冷却水进行流通, 防止被热流烧坏。

4. 5 测试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[ 6]。

常用的数据是; 时间T ime( s)、氧浓度OXY (% )、点燃时间T ign ( s)、数据截止时间EOT ( s)、火焰熄灭时间 F lm Out ( s)、热释放速率HRR ( kW /m2)、有效燃烧热值EHC (M J/kg)、质量MASS ( g)、质量损失速率MLR( g / s)、总热释放速率THR (M J/m2)、比消光面积SEA (m2/kg )、生烟速率SPR (m2/s)、烟释放速率RSR ( s- 1)等参数。