金富 張春野 白日昌 劉惠婧

【摘要】高溫氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)是在傳統(tǒng)氧指數(shù)測(cè)定方法基礎(chǔ)上附加了溫度影響因素的一種新型試驗(yàn)方法。是一種較比傳統(tǒng)氧指數(shù)測(cè)定更加嚴(yán)格的測(cè)試方法，高溫氧指數(shù)測(cè)定針對(duì)長(zhǎng)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(chǎng)景的燃燒性能要求，更貼近材料本身的使用場(chǎng)景。通過對(duì)高溫氧指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究可以加深對(duì)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(rèn)識(shí)。對(duì)在高溫環(huán)境下氧指數(shù)測(cè)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(chǎng)景和應(yīng)用領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】高溫氧指數(shù)測(cè)定；試驗(yàn)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(xiàng)目】本文受遼寧省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目“高溫氧指數(shù)測(cè)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(cè)定是模擬被測(cè)材料在不同溫度條件下燃燒性能的試驗(yàn)方法。與傳統(tǒng)氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)的區(qū)別體現(xiàn)在，傳統(tǒng)的氧指數(shù)測(cè)定適用于被測(cè)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(píng)定材料在特定試驗(yàn)要求條件下的燃燒性能。高溫氧指數(shù)測(cè)定是分析被測(cè)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??？紤]到苯板、擠塑板、聚氨酯等有機(jī)保溫裝飾材料在溫度升高的條件下其氧指數(shù)測(cè)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(shí)，苯板、擠塑板、聚氨酯等有機(jī)保溫材料比在試驗(yàn)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(cè)定試驗(yàn)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(cè)定對(duì)于測(cè)試長(zhǎng)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(shí)際指導(dǎo)意義。高溫氧指數(shù)測(cè)試儀如圖1所示。

1檢測(cè)設(shè)備介紹

高溫氧指數(shù)測(cè)定儀相比傳統(tǒng)的氧指數(shù)測(cè)定儀加入了試驗(yàn)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(dá)到對(duì)燃燒筒內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用。氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w由燃燒筒下方注入，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性在每次開展試驗(yàn)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(cè)定儀設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

高溫氧指數(shù)測(cè)定儀由氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w模塊、燃燒筒、試樣架、K型熱電偶，以及控溫模塊和上位機(jī)系統(tǒng)組成。其中，燃燒筒溫度控制系統(tǒng)和氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w控制系統(tǒng)分別使用PID溫度控制器和PLC單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，兩套系統(tǒng)不交叉控制。上位機(jī)系統(tǒng)具有計(jì)算和輸出控制指令的能力。PLC單片機(jī)具有接受上位機(jī)指令并輸出控制信號(hào)的能力。上位機(jī)系統(tǒng)通過串口與PLC單片機(jī)連接并傳輸控制指令；PLC單片機(jī)通過同軸電纜信道與氧指數(shù)測(cè)定儀混合氣體控制模塊連接。高溫氧指數(shù)測(cè)定儀設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

PID算法主要的作用是修正實(shí)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(jìn)而提高系統(tǒng)的精度和響應(yīng)時(shí)間。

高溫氧指數(shù)測(cè)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(diǎn)。由于燃燒筒的上方是敞開的同時(shí)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(jì)上選用模糊PID算法，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)并達(dá)到平衡狀態(tài)。PID算法示意圖如圖4所示。

2對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(diǎn)，并且價(jià)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(duì)比試驗(yàn)的樣品。本次對(duì)比試驗(yàn)計(jì)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(duì)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(cè)試結(jié)果上帶來的誤差。

對(duì)比試驗(yàn)的樣品被均勻制備成國(guó)標(biāo)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為第2部分：室溫試驗(yàn)》[3]要求的統(tǒng)一長(zhǎng)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(shí)間不充分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)前期準(zhǔn)備完成后計(jì)劃分別在燃燒筒溫度為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃的條件下，在相同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開展氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，按頂面點(diǎn)燃法進(jìn)行氧指數(shù)測(cè)試。每組樣品在燃燒筒不同溫度條件下分別進(jìn)行3組試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果取平均值。目的是觀測(cè)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(cè)定影響因素提供一定的研究數(shù)據(jù)。高溫氧指數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)如表1、圖5所示。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)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(cè)定結(jié)果。以試驗(yàn)樣品的氧指數(shù)結(jié)果為例，當(dāng)以國(guó)標(biāo)GB/T2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為第2部分：室溫試驗(yàn)》要求的環(huán)境條件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它的氧指數(shù)測(cè)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(shí)的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果為29.7%，當(dāng)燃燒筒溫度為65℃時(shí)的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果為29.1%。GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》[4]中對(duì)B1級(jí)墻面保溫泡沫塑料制品的氧指數(shù)要求為≥30.0%，B2級(jí)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(guó)標(biāo)要求條件下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以滿足B1級(jí)要求，但當(dāng)提出更加苛刻的環(huán)境條件要求時(shí)，樣品的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果就無法滿足B1級(jí)要求，僅可滿足B2級(jí)要求。

這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，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(huì)受到分子運(yùn)動(dòng)快慢的影響，當(dāng)材料本身的溫度升高時(shí)會(huì)使得分子運(yùn)動(dòng)加快；另一方面，當(dāng)材料的溫度升高時(shí)能使得材料本身軟化速度加快，更易被點(diǎn)燃，得到的試驗(yàn)結(jié)果是氧指數(shù)下降[5]。

4高溫氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)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(cè)定試驗(yàn)對(duì)以上說法得到了驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》中僅對(duì)常規(guī)條件下的氧指數(shù)測(cè)定做出了相應(yīng)的規(guī)定，并未對(duì)高溫氧指數(shù)測(cè)定做出相應(yīng)的要求?？紤]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(chǎng)所，保溫材料需要長(zhǎng)期被暴露在高溫環(huán)境下，僅僅依靠常規(guī)的氧指數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)并不能夠完全體現(xiàn)出該種材料在特殊場(chǎng)景的燃燒性能。因此，在保溫裝飾材料的設(shè)計(jì)施工規(guī)范中應(yīng)對(duì)材料的適用范圍做出更加詳細(xì)的劃分，特別是消防要求等級(jí)較高的重要場(chǎng)所應(yīng)設(shè)立一套更為嚴(yán)苛的，更加適合應(yīng)用場(chǎng)所特殊性的材料實(shí)施要求和檢測(cè)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(yùn)而生。隨之而來相應(yīng)的檢測(cè)方法和使用場(chǎng)景也應(yīng)更加豐富和多樣化。高溫氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)是一種被認(rèn)為比常規(guī)氧指數(shù)測(cè)定更為嚴(yán)苛的試驗(yàn)方法。通過測(cè)定數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)燃燒筒溫度升高時(shí)，會(huì)對(duì)氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果帶來一定的影響，甚至?xí)绊懭紵阅芊旨?jí)結(jié)果。開展高溫氧指數(shù)測(cè)定研究對(duì)高溫?zé)彷椛鋱?chǎng)所的保溫裝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(xiàn)】

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[4]建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)：GB 8624—2012[S].

[5]龔嘉偉，陳宏業(yè)，何家威.燃燒筒溫度對(duì)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(jiǎn)介】

金富，男，1983年出生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榻ㄖ牧霞跋榔鞑臋z測(cè)。

（編輯：李鈺雙）