新一代评估方法锥形量热仪CONE法在材料阻燃研究中的应用毕业论文.docx

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新一代评估方法锥形量热仪CONE法在材料阻燃研究中的应用毕业论文

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毕业设计（论文）

题目：

新一代评估方法——锥形量热仪

（CONE）法在材料阻燃研究中的应用

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新一代评估方法——锥形量热仪

（CONE）法在材料阻燃研究中的应用

【摘要】利用新一代评估方法----锥形量热仪法对材料阻燃机理、材料危险性等级划分、烟毒释放的评价、材料燃烧性及阻燃性评价等方面的应用进行了分析讨论，结果表明锥形量热仪法对阻燃剂、阻燃制品的研究开发及阻燃剂在火灾中的行为研究有重要意义。

【关键词】锥形量热仪评估机理阻燃燃烧

TheNewEvaluatingMethods—CONEontheApplicationofMaterialFireRetardedResearch

Newevaluatingmethods―CONEisusedontheapplicationofmaterialfireretardedresearch.Theanalysisresults,includingresearchingfireretardedmechanism,carvingupmaterialhazardgrade,evaluatingthereleaseofsmokeandpoison,evaluatingthepropertiesofcombustionandfireretardation,etc.,arediscussed.TheresultsdemonstratethatCONEmethodisofsignificationonthedevelopmentandresearchoffireretardantsandfireretardedproducts,andonthebehaviorresearchoffireretardantsinfiredisaster.

Keywords：

CONEevaluatingmethodsmechanismfire

1引言

阻燃科学与技术的发展对阻燃材料燃烧行为的评估、测试手段提出了越来越高的要求。

传统的测试方法（氧指数法、垂直燃烧法、水平燃烧法）由于具有操作简单、快速、重复性好等特点仍在许多燃烧测试实验室中广泛使用，然而这些实验方法普遍存在测试参数单一，测试结果不能定量化等缺点，难以与材料在真实火情中的燃烧行为相关联，有时对同一种材料的评估，不同的实验方法得到相互矛盾的结果。

因此,近几年来随着阻燃科学与技术的迅速发展，新的测试手段不断出现，其中最具有代表性的是锥形量热仪法。

锥形量热仪（CONE）是以氧消耗原理为基础的新一代聚合物材料燃烧测定仪，由CONE获得的可燃材料在火灾中的燃烧参数有多种，其中包括释热速率（RHR）、总释放热（THR）、有效燃烧热（EHC）、点燃时间（TTI）、烟及毒性参数和质量变化参数（MIR）等。

锥形量热仪法由于具有参数测定值受外界因素影响小，与大型实验结果相关性好等优点而被应用于阻燃科学很多领域的研究之中。

以下就其在材料阻燃研究中的应用进行分析讨论。

2锥形量热仪法在材料阻燃研究中的应用

2.1研究阻燃机理

利用CONE测得的参数，如CO、CO2的生成量、有效燃烧热、释热速率等，将经阻燃与未

1

2

1—PP；2—阻燃PP

图1PP及阻燃-PP的释放速率与时间的对比关系

经阻燃处理的聚合物的数据进行对比，因其实验结果更接近于实际，得出的分析结果对进一步研究相应材料的阻燃机理有很大帮助。

如图1[1]所示为聚丙稀（PP）及阻燃-PP的释热速率与时间的对比关系图。

可见，经过阻燃处理的PP在燃烧初期因阻燃剂迅速发生酯化反应生成膨胀炭层，阻止了外界的热辐射，降低了材料的降解速度，使燃烧减缓，从而使阻燃PP与未阻燃PP相比RHR明显下降。

另外，表1列出的其他燃烧参数如CO、CO2的生成量、有效燃烧热等均相应显著下降，与上述过程分析相一致[2]。

因此，可以得出该阻燃剂具有明显降低PP燃烧性能的作用，达到了减缓燃烧过程、降低其火灾危险性的目的。

表1PP及阻燃PP的燃烧参数对比

性能

材料

PP

阻燃PP

PP含量，%

100

70

阻燃剂含量，%

0

30

总热释放/KJ

1169.7

728.3

点燃时间/s

28

15

失重率，%

99.2

88.9

释热速率*/kW.m-2

1725.4

381.6

有效燃烧热*/MJ.（kg）-1

229.5

83.6

比消光面积*/m2（kg）-1

2250.2

1605.0

CO释放量*/g.g-1

1240

375

CO2释放量*,%

3.90

0.60

*值为峰值

2.2为材料燃烧危险性进行等级划分

MarceloM.Hirschler[3]利用锥形量热仪系统研究了35种商用塑料的燃烧性，对其危险性进行了分类。

表2列出了按不同燃烧参数的分类情况。

可见从A~E危险等级逐渐增加，该评价标准在商品交换中可作为材料燃烧危险性大小的一个等级参数，在实验室研究中可作为研究材料选择的依据，并可用于消防安全设计、消防审核、技术监督等方面的指导工作。

表2材料燃烧危险性等级划分

类

别

按释热速率分类

按点燃时间分类

按烟指数分类

释热速率（KW/M）

点燃时间（s）

烟指数（MW/m）

A

PkRHR<60

2.5

1.5>Log（smkfct）

B

60

1.5

2.0>Log（smkfct）>1.5

C

100

1.0

2.5>Log（smkfct）>2.0

D

200

0.5

3.0>Log（smkfct）>2.5

E

300

Log（TTI）<0.5

Log（smkfct）>3.0

Pk值为峰值

2.3研究和评价烟和毒气的释放

火灾发生时对人们生命威胁最大的因素是烟毒的释放，目前人们最常采用的测烟方法是用NBS烟箱测定聚合物材料在燃烧时的烟密度。

它采用的是光学原理，已经发现NBS法的辐射范围有限，缺少样品质量损失速率的测量及用于燃烧的氧气少而有限，其结果与实际烟释放偏差较大。

而CONE是用氦—氖激光束测定消光系数，给出烟释放的动态过程；CONE给出的烟的主要参数比消光面积（SEA）是一个表征在燃烧过程中每时每刻发烟量的动态参数，能体现单位质量挥发物转换成烟的比率，与NBS烟箱测定数据相比，其烟数据与大型实验的烟参数有较好的相关性。

由于CONE测量的是动态体系，人们不仅可以利用它作为烟及烟灰产率的测量手段，而且还可以利用它来研究阻燃聚合物烟及毒气的产生，测定阻燃剂的加入对阻燃聚合物成烟的影响，从烟释放角度对材料的阻燃性能进行评估。

图2[1]显示了经过阻燃处理与未经过阻燃处理的PP的消光系数与时间对比图。

可见，经过阻燃处理的PP在降低RHR的同时，消光系数显著降低；从材料燃烧过程的消光系数曲线还可以看出，由于阻燃剂在PP降解前提前反应，生成的降解产物使其燃烧初期消光系数较之PP增大，但随着反应进行生成炭层，炭层的隔热、隔氧作用降低了材料的热降解速度，使消光系数下降，并且随着反应成炭量增加，消光系数逐渐呈下降趋势，在临近熄灭时消光系数降至为零。

据此，可以利用CONE快速对某种阻燃剂的发烟性能作出评价。

此外，CONE对不同材料的发烟模式、成烟机理的研究无疑也是重要的。

1

1—PP；2—阻燃PP

图2经过阻燃处理与未经过阻燃处理的PP的消光系数与时间对比图

2.4评价产品和材料的燃烧性和阻燃性

材料的燃烧性能是指材料置于规定的火源中所发生的所有物理和/或化学的变化。

材料的阻燃性是指材料所具有的减慢、终止或防止有焰燃烧的特性。

通过CONE获得的众多火情参数中，RHR和PkRHR是衡量聚合物材料在火灾中危险性的重要参数。

同时，TTI也是评价材料危险性的重要指标。

研究者将TTI和PkRHR结合起来，用TTI/PkRHR来评价聚合物材料潜在的危险性，此后Petrella.R.V[4]又提出将THR与PkRHR/TTI相结合，可更全面的评价材料的燃烧危险性。

表3为阻燃木材在25kW/m2辐射强度下由CONE测定的燃烧参数[5]，可见，当试样的THR值越小，PkRHR/TTI比值也越小，THR小说明燃烧过程的总放热减少，阻燃处理相对好。

因此，PkRHR/TTI比值越小也表明其阻燃性越好，由于PkRHR/TTI取决于RHR和TTI的值，这两个参数是由外部热辐射量、通风速度和破坏的程度决定的，而THR近乎与外部热辐射量、通风速度和破坏程度无关，从一定程度上讲它是材料内部能量的测量，独立于环境因素，用这种方法来评价材料的火灾危险性与大型实验结果有很好的相关性。

有人在不同热辐射功率条件下，通过CONE实验将电缆的PkRHR值与大型电缆通道实验结果即炭化结果进行关联，获得了较好的相关性[6]。

所以，将两者结合考虑，可表明材料在火灾中的危险性大小。

表3中的数据也显示尽管人工林落叶松的燃烧性能最好,但经过阻燃处理后人工林落叶松的阻燃性也最好。

表3在25kW/m2辐射强度下由CONE测定的未阻燃木材及阻燃木材的燃烧参数

试样

TTI

（s）

PkRHR

（kW/m2）

THR

（MJ/kg）

PkRHR/TTI

（kW/m2.s）

未处理的天然林落叶松

阻燃处理的天然林落叶松

未处理的人工林落叶松

阻燃处理的天然林落叶松

144

174

120

169

303.4

233.1

383.1

216.3

84.6

30.9

117

33.2

2.10

1.34

3.20

1.28

2.5火模型化研究

材料经阻燃后在火灾中的燃烧行为是阻燃研究的最终目标。

众所周知，实体试验是火灾研究中最主要也是最可靠的方法，但实体试验的花费相当大，也不可能对各种材料在实际火灾中的燃烧行为（包括阻燃行为）逐一试验，特别是对发生在某些特殊场所火灾事故中材料行为的研究，如航天飞机、轮船等,不仅需要大量的经费，有时甚至不可能。

计算机技术的发展使消防科研人员开发和使用了一种更有效、更经济的方法，就是对火灾进行实验模化和数学模化。

实验模化是指模拟各种火灾燃烧实验，或