新型塑料煙密度測定儀的結構與應用

于健，高禎瑞

（青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 260042）

新型塑料煙密度測定儀的結構與應用

于健，高禎瑞

（青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 260042）

塑料煙密度測定儀可測定非金屬材料的靜態生煙量的新型測試儀器，按新國標GB/T 8323.22008的技術要求設計生產，其結構、測試技術和要求均取代了GB/T8323-1987的內容。在密閉試驗箱內，靜態測定材料燃燒時生煙量的特性，與錐形量熱儀測定材料燃燒時動態生煙量的特點正好成為互補，使塑料等非金屬材料燃燒時其燃燒特性測試方法和手段更加準確和豐富。

煙密度測定儀；靜態生煙量；透過率；比光密度

新型塑料煙密度測定儀是依據GB/T 8323.2-2008及ISO5659-2《塑料煙生成 第2部分 單室法測定煙密度試驗方法》中所規定的技術條件而生產制造的一種實驗測試設備，適用于測定塑料燃燒時所產生的煙霧的比光密度、最大煙密度、質量煙密度。評定在規定條件下塑料的發煙性能，也適合于其它材料的測試評估（如橡膠、紡織品覆蓋物、涂漆面、木材和其它材料），適用于非金屬材料生產的工廠、大專院校以及科研試驗單位使用，取代了GB/T8323-1987 《塑料燃燒性能試驗方法 煙密度法》的標準規定。

儀器顯著特點是靜態測定材料燃燒時生煙量的特性，與錐形量熱儀動態測定材料燃燒生煙量的特點正好成為互補，是研究材料燃燒生煙特性過程不可缺少的實驗測試儀器，也是測試材料阻燃性能方面的重要環節和方法。

1 結構簡介

新型塑料煙密度測定儀，是結合了NBS煙箱法與錐形量熱儀測試法的特點，在NBS煙箱結構原理的基礎上，設計定制的一種實驗測試儀器。主要結構由電氣控制系統、密閉試驗箱、光度計測量系統、輻射熱流計、稱量系統、錐形輻射加熱器、引燃燃燒系統、煙密度測試軟件等部分組成，如圖1所示。

圖1 結構示意圖

1.1 密閉試驗箱

根據標準要求，密閉試驗箱的容積尺寸為914×610×914 mm（長×寬×高），滿足光徑長914 mm的要求。箱門關閉時應密封效果良好，且門上設有一可以打開的密封觀察窗，便于測試操作時，觀察樣品件的狀態變化情況。密閉試驗箱底部中央處（在稱量系統下面），設有一套排除煙氣的裝置，實驗測試時該裝置關閉，測試數據完成后，由人工操縱電控閥門打開排除密閉試驗箱內的煙氣。

1.2 光度計測量系統

該系統主要由光電倍增管、濾光片、透鏡、光學窗口、光學系統暗箱、發光光源、變壓器、可調電阻、變壓器、控制（定時、記錄）裝置等部分組成，如圖2所示。

圖2 光度計測量系統示意圖

上下光學窗口之間的距離為914 mm （合36″），適合550～650 nm長的光波。發光光源為6.5 V的白熾燈，由變壓器和可變電阻組成控制電路，發出的光線經透鏡、光學窗口，調整為直射的平行光束向上射出，經光電倍增管接收到的光信號轉化為電信號，再放大傳送至電氣控制系統，在監控器屏幕上顯示的數據就是測得的即時光通量。

1.3 輻射熱流計

輻射熱流計主要用來測量錐形加熱器溫度升高時的熱輻射功率。當錐形加熱器通電后，錐形電熱管的溫度，在室溫不斷的升高過程，用輻射熱流計在固定位置，即可測量標定與某一溫度值相對應的輻射功率數，如圖3所示。

圖3 輻射熱流計安裝示意圖

輻射熱流計在測量標定時，需要開通循環冷卻水，保護測試頭不會被較高溫度烤壞，延長使用壽命。測量標定完成后，應把輻射熱流計從固定支架移走，并把測試頭套上蓋子封閉保護，以免磕碰磨損，影響測試精度。

1.4 稱量系統

稱量系統是用來對測試樣品件的質量進行確認、失重監控，為質量光密度的測定，提供質量損失值。稱量系統主要由電子天平、樣品支撐架、防護罩、樣品盒等零部件組成，如圖4所示。

圖4 稱量系統示意圖

樣品件稱重時，應先把樣品盒組合體放置在樣品支撐架上，顯示的重量數值穩定后再點擊“天平清零”按鈕，等到試樣質量顯示數值為“0”后，再稱量實測樣品件的質量。電子天平的R232接口直接與計算機相連，持續輸出的質量變化信號均被計算機按設定的時間采集到，直接參與“質量光密度”MOD的系列測試數據計算。

1.5 錐形輻射加熱器

錐形輻射加熱器是設備的核心部件，主要由圓臺形的電熱管、內罩、外罩、隔熱材料、上下連接板、擋熱板、K型熱電偶等零部件組成，如圖5所示。

圖5 錐形輻射加熱器示意圖

錐形輻射加熱器的加熱溫度可控制在室溫～1 000℃范圍內，由2個K型熱電偶檢測控制。在距下連接板以下25 mm處，可對測試樣品件的表面，提供10～50 kW/m2的均勻輻射功率。輻射功率數值大小的選擇，用熱流輻射計來標定。擋熱板是用來保護稱量系統，免于被錐形加熱器升溫加熱時的強熱輻射損壞。

1.6 引燃燃燒系統

引燃燃燒系統的作用是；把被輻射受熱的測試樣品件引燃著火，產生煙氣。該系統的主要結構組成有：壓縮空氣部分、丙烷氣氣瓶、氣體浮子流量計、混合閥、電控開關閥、噴咀部分、點火器等部分組成， 如圖6所示。

壓縮空氣部分與丙烷氣氣瓶，各自提供0.2～0.4 MPa的氣體，經氣體浮子流量計調整流量后，進入混合閥合為具有一定比例的混合氣體，由電控開關閥控制用氣。點火器的點火絲設置在噴咀部分的出氣口旁邊，點火絲離開噴咀口有約3～5 mm的距離，便于點火時持續產生脈沖電子火花，快速有效地引燃混合氣體。

2 測試應用

圖6 引燃燃燒系統示意圖

根據GB/T 8323.1—2008《 塑料 煙生成 第1部分 煙密度試驗方法導則》以及GB/T 8323.2—2008《塑料 煙生成 第2部分 單室法測定煙密度試驗方法》的規定要求，被測樣品件可分別在4種模式下進行，即：25 kW/m2無引燃火焰；25 kW/m2有引燃火焰；50 kW/m2無引燃火焰；50 kW/m2有引燃火焰；也可單獨在1種或2種模式下進行，但每種模式下需要測試3個樣品。

2.1 樣品件準備

樣品件的外形尺寸規定為：邊長75 mm×75 mm ±1mm的正方形，厚度通常為10 mm以下，常用厚度為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、10 mm，泡沫材料的厚度，一般控制在20～50 mm之間。樣品件應質量均勻、外表面光潔規整。

樣品件應用鋁箔把底面和4個側面包好，被測試的一面外露。

2.2 樣品件測試

通常情況下，在錐形輻射加熱器處于非加熱狀態，儀器應開機預熱，空載運行60 min以上，再觀察監視器畫面的顯示幾項數據是否正常，如圖7所示。

正常的數值為：白熾燈光透過率顯示的數據，應在95%～100%之間變化；煙箱內溫度顯示的數據，應與室溫溫度相似；樣品件質量稱量顯示的數據，應自動顯示為“0”。

上述數值正常后，再把錐形輻射加熱器升溫至設定溫度，用熱流輻射計測量標定或校核其輻射功率，應達到25 kW/m2或50 kW/m2。然后再把壓縮空氣與丙烷氣的混合氣體流量比例調節好。

圖7 監視器操作界面示意圖

應注意，在校核輻射功率時，應保證熱流輻射計的測量端面，與錐形輻射加熱器下端面的垂直距離為25 mm。

2.2.1 稱量與操作

樣品件的稱量是測試煙密度的首要操作步驟，直接關系到質量光密度（MOD）測試數據的準確效果。首先把樣品盒組合體，放在稱量系統的樣品支撐架上，質量稱量顯示的數據穩定后，點擊稱量天平清零按鈕確認。再把用鋁箔包好的實測樣品件放上稱量，此時稱量顯示的數據就是樣品件的初始質量。在可設定的試驗時間處，設置好試驗測試需要的總時間。在可設定的數據采集時間處，設置好測試數據采集的間隔時間（記錄周期）。打開圖5所示的擋熱板，點擊試驗開始控制按鈕，試驗測試開始進行。

測試的數據采集過程曲線變化顯示，可點擊數據曲線顯示選擇欄目，進行比光密度、透過率、質量、質量光密度的時間變化曲線圖像的交替選擇，如圖7所示。點擊實驗結束控制按鈕，就可完成一次測試實驗。

2.2.2 測試方法與要求

根據國標GB8323-2008的規定，測試樣品應該在25 kW/m2或50 kW/m2的輻射照度下，分別按照有引燃火焰或無引燃火焰的模式（共4中模式）進行測試。不論采用哪幾種模式測試，每種試樣的數量應該至少為3個，也就是說每種模式下的樣品件測試次數至少為3次，根據3次測得的數據進行對比分析、選擇確定，3次的測試數據不能混合使用。在測試操作前應具備以下幾條要求：

（1）樣品件。表面規整，外形尺寸75 mm×75 mm×（2～25） mm，通常情況下選取塑料材料厚度為3～10 mm。

用薄鋁箔包裹不受輻射照度的背面與四周側面，在正面四邊包覆并留出65 mm×65 mm面積的中心測試區域。

（2）樣品盒組合體。樣品盒組合體見圖8所示，在測試樣品下面必須要襯墊不燃的隔熱板和耐高溫的纖維材料，具體使用要求為：

①測試樣品包裹后的厚度小于12.5 mm時，應用烘干密度為850 kg/m3±100 kg/m3、厚度為12.5 mm不燃的隔熱板和密度為65 kg/m3的耐高溫的纖維材料共同作為襯墊層。且隔熱板必須放置在測試樣品下面，耐高溫纖維材料上面。

②測試樣品包裹后的厚度大于12.5 mm、小于25 mm時，則只用耐高溫的纖維材料作為襯墊層。

③若測試樣品包裹后的厚度為25 mm時，則不能使用襯墊層。

圖8 樣品盒組合體

（3）煙箱內溫度選擇 初次試驗時，煙箱內溫度顯示應高于室溫。再次做試驗測試時，應注意煙箱內溫度的控制：

①對于普通材料，輻射錐為25 kW/m2時，箱壁溫度應穩定在40 ℃±5 ℃的范圍。

輻射錐為50 kW/m2時，箱壁的溫度應該穩定在55 ℃±5 ℃的范圍。

②對于膨脹型材料，輻射錐為25 kW/m2時，箱壁溫度應穩定在50 ℃±10 ℃的范圍。

輻射錐為50 kW/m2時，箱壁溫度應穩定在60 ±10 ℃的范圍。

這種選擇很重要，通常試驗測試時，往往容易忘記或被忽略，直接影響到比光密度測試數據的精度和準確性。

（4）透過率的滿度調節

儀器預熱、標定完成后，第一塊樣品件測試前的透過率顯示為100%，如圖7透過率所示。再進行第二塊樣品件測試時，透過率顯示的數值會有些下降，當下降數值顯示為90%～95%時，就應該點擊圖7所示的“滿度校正”按鈕，使透過率的顯示數值達到99%～100%之間，且數值跳動變化量小，處于較穩定狀態。

（5）樣品件與輻射錐之間的距離

初始測試前，操作者應復核檢查樣品盒組中，要測試的樣品件上平面與輻射錐下端面之間的垂直距離。通常情況下垂直距離應為25 mm，對于膨脹性材料垂直距離應為50 mm。距離調節位置在圖4所示的樣品支撐架處。

3 結語

新型塑料煙密度測定儀其核心部分的工作原理、設計技術、工藝條件、測試要求等借鑒了大型精密儀器“錐形量熱儀”的先進技術和測試方法，不僅能測試塑料燃燒的煙密度特性，而且還能測試其它非金屬材料燃燒時發煙的特性。

在密閉試驗箱內，靜態測定材料燃燒時生煙量的特性，與錐形量熱儀測定材料燃燒時動態生煙量的特點正好成為互補，使塑料等非金屬材料燃燒時其燃燒特性測試方法和手段更加準確和豐富，為非金屬材料的阻燃研究，測試方法和技術提供了更為準確的依據。

Structure and application of a new plastic smoke density analyzer

Structure and application of a new plastic smoke density analyzer

Yu Jian, Gao Zhenrui
(College of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 260042, Shandong, China)

PThe plastic smoke density analyzer is new test equipment for measuring static smoke production of non-metallic materials. It is designed and produced according to technical requirements of the new national standard GB / T 8323.2-2008, its structure, testing techniques and requirements are to replace the contents of GB / T8323-1987. Its characteristic of statically measuring smoke production of when materials burning in an airtight chamber just becomes complementary of dynamic smoke production measuring by cone calorimeter. It makes combustion characteristics test methods and means of plastics and other non-metallic materials more accurate and abundant.

smoke density analyzer; static smoke production volume; transmittance; specific optical density

TH873；TQ315

1009-797X（2015）22-0091-05

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.036

（R-03）

于健（1956-），男，機械工程師、高級實驗室，曾經發表科技論文20多篇，獲國家實用新型專利6項，發明專利3項，現主要從事實驗室管理工作，以及錐形量熱儀的實驗測試工作。

2015-06-09