影響氧指數(shù)測定準(zhǔn)確性的因素和解決辦法

【摘要】隨著我國城市化的高速發(fā)展，我國的大城市群，如長江中游城市群、哈長城市群、成渝城市群、長江三角洲城市群等在國家經(jīng)濟(jì)生活中扮演著重要的角色。城市化帶來的現(xiàn)代化高層建筑使得都市生活變得越來越擁擠，同時發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險也越來越大。隨著全社會對消防安全的關(guān)注，阻燃材料利用其自身不易燃燒的特性被越來越多的應(yīng)用在建筑材料中。氧指數(shù)試驗是分析建筑材料阻燃性能的一項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過對阻燃材料氧指數(shù)測定影響因素的研究可對降低氧指數(shù)試驗結(jié)果的誤差和阻燃材料的燃燒性能提升起到一定的作用。

【關(guān)鍵詞】氧指數(shù)；環(huán)境因素；設(shè)備因素；試件制備；燃燒性能

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.042

【基金項目】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）。

Factors Affecting the Accuracy of Oxygen Index Determination and Solutions

JIN Fu

（Liaoning Inspection， Examination & Certification Centre， Shenyang 110036， China）

Abstract： With the rapid development of urbanization，major urban agglomerations such as the middle reaches of the Yangtze River， Harbin-Changchun， Chengdu-Chongqing and Yangtze River Delta agglomerations play important roles in the economic life of our country. Modern high-rise buildings brought about by urbanization have made urban life increasingly crowded and the risk of fire is also increasing. With the attention of the whole society to fire safety， flame-retardant materials are increasingly used in building materials by virtue of their non-combustible characteristics. Oxygen index test is a key data to analyze the flame retardancy of building materials. The research on the influencing factors of oxygen index measurement of flame retardant materials can reduce the error of oxygen index test results and improve the combustion performance of flame retardant materials.

Key words： oxygen index； environmental factor； equipment factor； test material preparation； combustion performance

氧指數(shù)測定試驗是判定塑料制品特別是建筑材料阻燃性能的重要指標(biāo)，該種試驗方法能夠真實有效的反映出材料的阻燃性能，并根據(jù)材料的阻燃性能分析其使用場景。氧指數(shù)測定試驗的原理是在理想的氧濃度環(huán)境下，引燃試件并根據(jù)試件的燃燒長度以及燃燒時間兩項指標(biāo)判斷其燃燒特性。舉例說明如果試件在較高的氧濃度環(huán)境下仍然不滿足燃燒條件，代表試件具有較好的阻燃性能。相反如果試件在較低的氧濃度環(huán)境仍然符合燃燒條件，代表試件的阻燃性能較差易于燃燒。氧指數(shù)測定試驗作為一種依靠特定環(huán)境下氧濃度來對試件進(jìn)行判定的試驗同時易受到諸如環(huán)境因素、設(shè)備因素、操作因素等的影響，產(chǎn)生誤差進(jìn)而影響材料燃燒性能分級的判定。氧指數(shù)測定儀如圖1所示。

1狀態(tài)調(diào)節(jié)對試驗數(shù)據(jù)的影響

國家標(biāo)準(zhǔn)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》對樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)行了規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)要求樣品需要在溫度為23～25℃，濕度為45%～55%的環(huán)境下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)并且狀態(tài)調(diào)節(jié)時間不應(yīng)小于88小時。在滿足以上狀態(tài)調(diào)節(jié)條件下方可開展試驗?？赡芤獑栄踔笖?shù)測定試驗為什么要進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。

試驗前進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)的原因很多，歸根結(jié)底是為了實現(xiàn)待測樣品與狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度和狀態(tài)調(diào)節(jié)濕度以及樣品含水量的平衡。阻燃材料特別是塑料制品在生產(chǎn)過程中由于可能加入的阻燃劑以及其他化學(xué)材料的原因?qū)е略诔鰪S狀態(tài)下材料的燃燒性能極不穩(wěn)定，需要一定的時間來調(diào)節(jié)材料自身的平衡。同時材料在出廠狀態(tài)以及進(jìn)行阻燃處理等措施常常導(dǎo)致材料試樣中的含水量較高。易于對燃燒性能數(shù)據(jù)產(chǎn)生較為明顯的影響。保持試樣在試驗過程中較為穩(wěn)定的含水率可以有效地降低試驗誤差，提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般認(rèn)為在一定時間內(nèi)材料達(dá)到恒重狀態(tài)，即表明材料達(dá)到了平衡。為了驗證以上的分析，根據(jù)不同的狀態(tài)調(diào)節(jié)時間對同一組樣品在相同試驗條件下分別進(jìn)行氧指數(shù)測定試驗。測定結(jié)果如表1所示。

通過以上數(shù)據(jù)表明，樣品氧指數(shù)測定結(jié)果先下降，并隨著狀態(tài)調(diào)節(jié)時間的變化又趨于穩(wěn)定。因此在試驗開始前對樣品進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)是十分必要的，通過樣品狀態(tài)調(diào)節(jié)時間的增加，測定數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。可以有效地降低環(huán)境因素對阻燃材料氧指數(shù)測定結(jié)果的影響[1]。

2試驗具體操作對氧指數(shù)結(jié)果的影響

氧指數(shù)測定試驗流程分為樣品制備、混合氣體調(diào)節(jié)以及樣品燃燒現(xiàn)象分析三個主要環(huán)節(jié)。為了提高試驗的準(zhǔn)確性避免誤差的產(chǎn)生。首先在開展氧指數(shù)試驗之前應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)備說明書制定相應(yīng)的試驗操作規(guī)程，因為在試驗過程中的小細(xì)節(jié)往往就會對試驗結(jié)果帶來一定的影響。但這些影響試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的小細(xì)節(jié)往往都被試驗操作人員忽略了。通過長時間的檢驗工作的積累以及參加多次氧指數(shù)項目實驗室比對的經(jīng)驗對可能影響實驗數(shù)據(jù)的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1）氧濃度的測量是氧指數(shù)測定儀設(shè)計中的核心環(huán)節(jié)，國內(nèi)、外設(shè)備研制廠商均使用氧濃度傳感器用于氧指數(shù)測定設(shè)備的氧濃度測量。本文以產(chǎn)地為英國的AO2氧濃度傳感器為例對該類傳感器進(jìn)行介紹。該類傳感器的工作模式屬于電化學(xué)式的傳感器。是將化學(xué)元素與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電子信號來對氧濃度進(jìn)行定量。由于其獨特的工作模式全新的氧濃度傳感器會封存在氮氣密封包裝中，避免與空氣接觸。氧濃度傳感器的每一次測量工作都會消耗一定量的化學(xué)物質(zhì)，所以在長時間使用時化學(xué)元素會隨著與空氣的反應(yīng)而逐步減少。當(dāng)氧濃度傳感器損耗到一定量時將會影響測量的準(zhǔn)確性。因此在長時間使用后需要對氧濃度傳感器進(jìn)行更換。同時在每次實驗結(jié)束后應(yīng)單獨開啟氮氣對試驗設(shè)備管路進(jìn)行吹掃，目的是將管道內(nèi)的氧氣排空降低對氧濃度傳感器帶來的損耗，延長設(shè)備器件的使用時間。AO2氧濃度傳感器如圖2所示。

3樣品制備對氧指數(shù)結(jié)果的影響

GB/T 2406.2—2009國標(biāo)中對樣品試樣的制備有明確的規(guī)定，其中試驗樣品的長度不應(yīng)小于80 mm并不應(yīng)大于150 mm。國家標(biāo)準(zhǔn)中對樣品長度的要求是一個區(qū)間的范圍而沒有具體要求。忽視這個細(xì)節(jié)將對具體試驗操作帶來一定的影響。

首先氧指數(shù)測定試驗裝置的燃燒筒由上方敞開的圓柱形耐火玻璃構(gòu)成。上方的開口直接與空氣接觸，在注入混合氣體時上方的開口有可能混入一定比例的空氣?？諝獾幕烊雽?dǎo)致燃燒筒上方的氧氣濃度與設(shè)定的目標(biāo)氧濃度產(chǎn)生一定的誤差。具體表現(xiàn)為燃燒筒上方的實際氧濃度要低于燃燒筒中部和下部氧濃度。所以當(dāng)試驗試件制備較長時，試件頂端接觸的氣體濃度實際比目標(biāo)氧濃度更低。這也就解釋了為什么當(dāng)樣品頂端被點燃時的燃燒現(xiàn)象不如試件中后段的燃燒現(xiàn)象更為明顯、劇烈。如果在實際檢驗過程中錯誤地將這種燃燒不充分現(xiàn)象歸納為氧濃度過低，將會導(dǎo)致氧指數(shù)測定結(jié)果偏高產(chǎn)生誤差。為了避免該類試件制備環(huán)節(jié)對氧指數(shù)測定結(jié)果的影響，在日常操作過程中應(yīng)將試件制備為統(tǒng)一長度，并且試件的長度應(yīng)適中不宜過長。以保證試件周圍的氧氣穩(wěn)定、均勻、準(zhǔn)確。氧指數(shù)測定儀燃燒筒示意圖如圖3所示。

4試驗環(huán)境對氧指數(shù)結(jié)果的影響

GB/T 2406.2—2009中對試驗環(huán)境有著明確的要求即環(huán)境溫度應(yīng)達(dá)到（23±2）℃，環(huán)境濕度應(yīng)達(dá)到（55±3）%。當(dāng)環(huán)境溫度升高時會對材料的自身分子結(jié)構(gòu)帶來影響，進(jìn)而影響氧指數(shù)測定結(jié)果。通過查閱相關(guān)論文和模擬試驗得知，氧指數(shù)測定結(jié)果與環(huán)境溫度成反比即在高溫環(huán)境下樣品更容易被點燃，環(huán)境溫度上升氧指數(shù)數(shù)據(jù)下降相反環(huán)境溫度下降氧指數(shù)數(shù)據(jù)上升。

濕度與氧指數(shù)測定結(jié)果之間成正比關(guān)系，同理環(huán)境濕度上升氧指數(shù)數(shù)據(jù)隨之上升相反環(huán)境濕度下降氧指數(shù)數(shù)據(jù)隨之下降。本文通過兩組比對試驗佐證以上論點。選取同一樣品分別在不同環(huán)境溫度和環(huán)境濕度條件下開展對比氧指數(shù)測定試驗，試驗結(jié)果如表2、表3所示。

通過以上數(shù)據(jù)可知，環(huán)境溫度和環(huán)境濕度是造成試驗結(jié)果誤差的因素之一，在試驗過程中應(yīng)該引起重視。特別是樣品的氧指數(shù)測定結(jié)果處于合格線臨界值時。如果不注意這些試驗細(xì)節(jié)將會影響到材料的判定結(jié)果。

5結(jié)論

氧指數(shù)測定作為判定阻燃材料燃燒性能最主要、最直觀的檢驗依據(jù)。通過分析在特定氧濃度環(huán)境下材料的燃燒現(xiàn)象，對材料的阻燃性能進(jìn)行判定分級。通過對大量的實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)以及參加氧指數(shù)試驗?zāi)芰Ρ葘椖糠治隹芍喝鐮顟B(tài)調(diào)節(jié)、設(shè)備操作因素、樣品制備因素、試驗環(huán)境等均會對試驗數(shù)據(jù)帶來一定的影響。通過本文的分析和研究希望對降低誤差的發(fā)生，提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性帶來一定的幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[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]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].

[3]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）