氧指數測定儀的改進及其應用

氧指數測定儀是用來鑒定聚合物材料難燃性的儀器。現有氧指數儀存在對樣品形狀有限制和測試數據少等缺陷。改進型氧指數測定儀由氮氣測量與控制裝置、氧氣測量與控制裝置、氮氣與氧氣混合裝置、丙烷點火器、燃燒系統、樣品溫度與時間測量裝置構成。

改進型氧指數測定儀特別適用于沒有固定形狀的樣品，測試結果包括氧指數值和燃燒溫度一時間曲線，氧指數大小基于燃燒溫度而確定。對于氧指數大于80的樣品，改進后的氧指數測定儀可以通過樣品燃燒溫度的高低來判斷阻燃性能的相對優劣。改進型氧指數測定儀適應的樣品范圍更廣、提供測試數據更多和更科學，也更能適應實驗室研究和實驗教學的需要。

氧指數測定儀主要用來測定聚合物等材料燃燒過程所需氧氣的百分比，可作為鑒定這類材料難燃性的手段。國家標準GB/T5454—1997和GB/T2406—1993l2分別規定了紡織品與塑料氧指數燃燒性能的測試方法。現有的氧指數測定儀只適用于勻質固體材料、層壓材料、泡沫塑料、織物、軟片和薄膜等材料的燃燒性能測試。

要測上述材料的氧指數時，必須先將物體制成標準樣片才能進行測試，需要經過很多工序，這無疑給開發研究新型阻燃材料增加了困難與成本。另外，燃燒試驗時，使用者只能通過肉眼觀察樣品燃燒情況及其外觀變化，無法獲得更多和更科學的數據。我們對現有氧指數測定儀進行了一系列的改進，不僅適用于其他沒有確定形狀的樣品，如粉體、液體、膏狀樣品，而且能獲取更科學的數據。

1、改進型氧指數測定儀的原理與構造

現有氧指數的測試過程中，將一定尺寸的試樣用試樣夾夾持于透明燃燒筒內，筒中通入一定比例的氧氣與氮氣混合氣流，點著試樣的上端，觀察隨后的燃燒現象，記錄持續燃燒的時間或燃燒過的長度。試樣的燃燒時間超過3min或火焰前沿超過50mm標線時，就降低氧氣濃度；試樣的燃燒時間不足3min或火焰前沿不到標線時，就增加氧濃度。如此反復操作，從上下兩側逐漸接近規定值，至兩者的濃度差小于0.5，此時得出的氧氣含量就是試樣的氧指數。

改進型氧指數測定儀所測阻燃性能參數包括粉體氧指數(POI)和樣品溫度(Tr)一時間曲線。粉體氧指數測定方法類似于上述氧指數測定方法，采用氧氣占氧一氮氣混合體積比。當燃燒時問達到3min時，樣品背面溫度達到Zda時所對應氧氣含量，稱為粉體氧指數。樣品溫度測定時，將溫度傳感器(熱電偶)固定在樣品池的底部，當樣品點燃時間結束后開始計時，并同時記錄樣品燃燒溫度，實驗結果為燃燒時間一樣品溫度曲線。

改進型氧指數測定裝置由氮氣測量與控制裝置、氧氣測量與控制裝置、氮氣與氧氣混合裝置、丙烷點火器、燃燒系統、樣品溫度與時間測量裝置所構成。其中，燃燒測量系統采用類似于氧指數測定儀的玻璃煙囪，燃燒器的耐熱玻璃煙囪為筒狀組合結構，分為上、下兩部分，上端的直徑較小、下端直徑較大，中間為漸變區域。

簡體的尺寸基于筒中氣體處于層流狀態，避免筒體直徑變化時流動狀態的變化。樣品池則采用具有壁面絕熱保溫圓柱形容器，材質主體可為不銹鋼、陶瓷、玻璃容器等。壁面熱絕緣層可保證樣品池底部所測溫度是由于樣品層的熱傳導作用(膨脹后可能包含對流作用)而造成的溫度升高，避免由樣品池壁面直接熱傳遞而引起的溫度升高。

2、改進型氧指數儀的實驗方法

樣品點火方式(氣源、火焰高度)與常規氧指數的測定方法基本相同。混合氣體的總流量10L/min，氧氣、氮氣以及混合氣體的表前壓力均為0.15MPa左右，但點燃時間可以為30s、60s和90s。對某些極其難燃的樣品，氧指數值可以設定在約80，點燃時間為180s，同時測定樣品燃燒溫度，比較燃燒溫度的高低，判斷阻燃性能的相對優劣。

測試時，打開氧氣瓶和氮氣瓶，將樣品放人樣品池，通氣一段時間后，點燃點火器，對樣品進行加熱，點火器火焰長度為20～40mm；打開溫度記錄儀與計時器，達到規定時間后停止點火，并同時開始記錄燃燒溫度。

實驗結束時，觀察溫度時問曲線在“點燃時間+燃燒時間180s”處的斜率，根據斜率適當地調整氧氣比例，使斜率基本為0，此直線所對應的氧氣所占比例即為氧指數；若不能使恰好在該點處斜率為0，可取斜率Z接近的上下兩條線氧指數的平均值，即斜率稍大于0和稍小于0的兩條曲線。這是由于樣品持續燃燒時，會不斷地產生熱量，從而引起溫度持續上升，則溫度時間曲線斜率會大于0；而燃燒停止時，不再產生熱量，溫度通常會下降，溫度曲線斜率會小于0，所以可以通過曲線的斜率來判斷燃燒是否已停止。

3、結論

改進型氧指數測定儀測試原理同樣基于氧氣的相對消耗量而確定，但其所用樣品形式可以為液體、粉體、膏狀等沒有固定形狀的樣品，且所測結果同時包括氧指數值和燃燒溫度一燃燒時間曲線。特別是對那些陰燃性樣品，由于陰燃同樣會釋放熱量、引起燃燒溫度升高，故這種氧指數測試結果更具有說服力。更值得一提的是，對于通常認為氧指數大于80就無法測試的樣品，這種氧指數測定儀仍可以通過樣品燃燒溫度的高低而判斷阻燃性能的相對優劣。因此，改進型氧指數測定儀適應的樣品范圍更廣、提供的測試數據更多和更科學。