極限氧指數的測試及影響因素探究

李豫偉

摘 要：極限氧指數測試是指在一定條件下，評價各種材料燃燒性能的一種有效方法。具體要求是表征試樣在氧、氮混合氣流中維持燃燒所需的最低氧濃度，一般用氧氣所占總體積的百分數來表示。該方法在表征材料的燃燒特性時，能用具體數字表示，分辨率高，重復性好，具有測試方便等特點。該方法不僅可作為判定塑料燃燒性能的標準測試手段，而且也是一種有效可行的研究方法，它可以較好的認識一般材料的燃燒過程，廣泛應用于一般性研究工作。根據相關文獻資料可以發現極限氧指數法已經廣泛運用于各種領域，如電器生產、建筑材料、消防安全等，已經成為一種評價各種材料燃燒性能的有效可行方法。

關鍵詞：氧指數 影響因素

中圖分類號：TD752.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（b）-0224-01

1 設備簡介

檢測極限氧指數的儀器稱為氧指數測定儀，它主要用于測定各種材料，如紡織織物、橡膠、塑料、泡沫材料、木材和其它高分子材料的極限氧指數。氧指數測定儀主要由試樣夾、燃燒筒、流量計、氣源以及控制系統構成。其主要介紹如下。

試樣夾：用于支撐燃燒筒中央垂直的試樣。根據標準規定，對于可以自撐的材料，試樣夾夾持處距離試樣燃燒的最近點至少保持15 mm。對于非自撐材料，如薄膜或薄片，應使用有垂直邊的框架支撐，而且距離邊框頂端20 mm和100 mm處劃標線。所用夾具和支撐邊框的制作應平滑，主要是為了減小上升氣流受到的干擾。

燃燒筒：該部分由一個垂直固定在基座上，并可均勻導入氧氮混合氣體的耐熱玻璃筒組成。標準規定燃燒筒高度為（500±50） mm，內徑在（75～100） mm。

氣源：一般采用質量分數不低于98%的氧氣和氮氣作為氣源。

控制系統和流量測量：該體系由穩壓閥、壓力表、轉子流量計和管路組成。主要用于控制將計量后的氧、氮混合氣體經混合后由燃燒筒底部進入燃燒筒。

計時器：一般用高精度秒表測量時間可達5 min，準確度±0.5 s。

排煙通風系統：材料燃燒產生有毒有害氣體，必須安裝排煙通風系統。主要用于排除燃燒產生的煙塵和氣體。但是風速不能過快，以免對燃燒筒內氣體流速和溫度產生干擾，影響測試準確性。

點火器：標準規定由一根直徑為（2±1） mm，并能連接燃氣噴出火焰的金屬管子構成。當管子引燃試樣時，可以調節燃氣大小以使火焰可以從出口垂直向下噴射（16±4） mm。規定燃燒氣體為純凈的丙烷氣體。

2 影響極限氧指數的因素

2.1 校準氧指數儀

常見氧指數測試儀采用氧分析儀來直接測量氧濃度并直接數字顯示數值。在進行每次試驗之前，為了保證結果的準確無誤，按照要求對設備進行校準，校準過程是利用標準氣體進行。作者作為多年檢測人員，在校驗過程中發現如果只是打開“空氣校驗”旋鈕，通過調節“滿度”使數值顯示為21后，測量結果一般會偏高，主要是因為通過氧分析儀的空氣流速達不到規定要求。可以使用空氣壓縮機輸入壓縮空氣使其達到（40±2） mm/s的流速，然后調節“滿度”使數值顯示為21，從而保證校準的準確。

2.2 使用通風櫥

使用氧指數儀時由于材料的燃燒會產生大量煙塵，不僅污染環境而且對人體有較大的毒性，按照規定該實驗應在通風櫥中使用。但是要特別注意通風櫥的開啟時間問題。該問題主要是由于試驗過程中氧氮混合氣體以（40±2） mm/s的流速通過燃燒筒，如果打開通風櫥就會加快混合氣體在燃燒筒中的流速，從而導致結果偏高，影響結果準確性。正確的做法應該是在每次實驗完畢后開啟通風櫥，進行下一實驗時再關閉通風櫥。

2.3 清理燃燒殘余物

氧指數測定儀燃燒筒基座底部采用直徑3～5 mm的玻璃珠填充，填充高度為80～100 mm，目的是為了充分混合均勻氣體。試驗過程中有時會有灰燼、滴落物產生，有事會有大塊的燃燒殘渣直接落下，所以玻璃珠上方的金屬網正是為了防止滴落的燃燒碎片阻塞氣體入口而設置的。但是金屬網也不是萬能的，隨著時間變長這些滴落的殘余物不可避免會堵塞金屬網眼，同時有些燃燒產生的熔融物質也會滲過金屬網造成玻璃珠板結，這些情況都會導致堵塞氣流使其不均勻。所以要定期清理和更換金屬網和玻璃珠，保證實驗數據的準確。

2.4 制備試樣的要求

標準中對試樣各方面有嚴格的要求，為了保證測試結果的準確性，制備試樣時應嚴格保證試樣的形狀、大小、取向方向、表面及內部情況。一般要求試樣應平整光滑，表面潔凈，不存在裂紋、氣泡、毛刺、飛邊等影響結果的缺陷。此外應按照要求對試樣進行前期養護，保證試樣在溫度（23±2） ℃，相對濕度（50±5）%條件下至少養護88 h。養護的主要目的是為了消除試樣的內應力，使樣品達到要求的平衡狀態，進而減少試驗偏差，保證結果的準確性。另外被測試樣的穩定性和均勻性也對檢測結果產生較大的影響，主要存在的問題是試樣的基料和添加的阻燃劑是否混合均勻。

2.5 點燃試樣的氣體要求

按標準要求點燃試樣的氣體應為在空氣中燃燒的純凈的丙烷氣體，但有時由于其他因素的影響，可能會使用常見的打火機氣（主要成分為丁烷）作為點燃氣體，但是氣體的種類也會在一定程度上影響氧指數的測試結果。根據文獻記載，丁烷的燃燒熱值為2653 kJ/mo1，而丙烷的燃燒熱值為2217.8 kJ/mol，所以兩種氣體燃燒時產生的火焰溫度也不同，燃燒丁烷產生的熱量更多，溫度也更高。當使用丁烷點燃試樣時，試樣更容易燃燒，對結果產生較大偏差。

2.6 溫度控制

點火方式是影響氧指數測試的一個非常重要的因素。當使用頂端點燃法時，標準要求火焰接觸試樣頂部的最長時間為30 s，并每隔5 s移開火焰觀察試樣燃燒情況。這樣做的目的主要是防止給予試樣太多的熱量，影響最終結果的判斷。另外長時間進行試驗時，樣條燃燒產生的熱量會使燃燒筒的溫度逐步提高，有的甚至可以達到80 ℃～ 90℃。這時如果繼續用發熱的燃燒筒進行試驗就會提高燃燒筒里流過的氣流溫度，進而降低測試結果。所以在試驗過程中最好配備2～3個燃燒筒，試驗中輪換進行試驗，保證試驗的溫度。

2.7 儀器設備的影響因素

正常情況下，我們可以從檢定校準證書，說明書等資料中得到儀器的分辨率、精度、靈敏度等，從而得到儀器的不確定度。同時還應考慮到以下因素：出氣口蓋的密封性；進出氣管是否堵塞；壓力表和流量計是否正常運行；管路的氣密性；開關彈簧是否堵塞。

3 結論

氧指數測試作為一種能夠提供材料在實驗室條件下燃燒特性的尺度，可以用于一般性質量控制。但是它還不能用于評定某種材料在實際著火時所呈現的著火危險性，它只能作為評價火災危險性的一個要素。氧指數法具有重復性好、準確性高、再現性好、測試方便等優點，而且應用廣泛，已經成為一種常見的評價燃燒性能級的有效手段。

參考文獻

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