錐形量熱儀在阻燃材料研究中的應用

錐形量熱儀(簡稱CONE)，是基于耗氧原理的材料燃燒性能測試儀器。經過20多年的不斷改進和完善，錐形量熱儀已經成為研究材料燃燒性能Z重要的試驗儀器之一。錐形量熱儀在阻燃材料研究中可以研究阻燃機理、阻燃劑在材料中的阻燃效果，評價阻燃材料的燃燒性和阻燃性以及煙和毒氣的釋放。

1、錐形量熱儀試驗

傳統表征材料燃燒性能的小型實驗方法，例如極限氧指數(LOI)法、UL標準中水平燃燒法、垂直燃燒法與NBS煙箱法等，雖然成本低，實驗比較容易，但是實驗條件與實際火情相差比較大，實驗結果只能應用于一定實驗條件下材料之間燃燒性能的對比研究，不能作為評價材料在真實火災環境中燃燒行為的依據。雖然大型實物燃燒試驗能夠客觀反映材料的火災危險性，試驗結果真實，但是成本高，試驗比較復雜。因此，不可能對所有材料進行大型實物燃燒試驗。

錐形量熱儀試驗容易進行，試驗環境與實際火情極為相似，試驗結果與大型實物燃燒試驗結果之間存在非常好的相關性，因此，錐形量熱儀廣泛應用于材料燃燒性能評價。目前，已經有國際標準組織ISO5660標準、美國材料與試驗協會ASTME1354標準以及英國、加拿大等國家相關標準將錐形量熱儀法確定為進行材料燃燒性能測試的標準試驗方法。非等效采用ISO5660標準，我國也制定了以錐形量熱儀為試驗儀器測試建筑材料燃燒性能的標準。

應用錐形量熱儀可以得到點燃時間、燃燒時間、總熱釋放量、總耗氧量、總煙釋放量、質量損失、平均比質量損失速率、熱釋放速率、有效燃燒熱、質量損失速率、比消光面積、一氧化碳產量以及二氧化碳產量等材料燃燒性能參數。

2、研究阻燃材料的性能

阻燃科學與技術的發展，對阻燃材料燃燒行為的評估、測試手段提出了越來越高的要求。由于阻燃材料在火災中的燃燒行為非常復雜，傳統的測試方法(氧指數法、垂直燃燒法、水平燃燒法)雖然具有操作簡單、快速、重復性好等特點，但普遍存在測試參數單一，測試結果不能定量化等缺點，難以與材料在真實火情中的燃燒行為相關聯，有時對同一種材料的評估，采用不同的實驗方法得到相互矛盾的結果。

錐形量熱儀法由于具有參數測定值受外界影響小，與大型試驗結果相關性好等優點，對材料阻燃效果的評價更真實。同時對材料阻燃機理的分析和研究也有極大的幫助。

2.1研究阻燃機理

利用錐形量熱儀測得的參數(如CO、CO2的生成量、有效燃燒熱、釋熱速率等)，將經阻燃與未經阻燃處理的聚合物進行對比，得出的分析結果對研究阻燃機理有很大幫助。

2.2為材料燃燒危險等級劃分

MarceloM.Hirschler利用錐形量熱儀系統研究了35種商用塑料的燃燒性，對其危險性進行分類。該評價標準在商品交換中可作為材料燃燒危險性大小的等級參數，在實驗室研究中，可為材料選擇提供依據，也可為消防安全設計、消防審核、技術監督等工作提供指導。

2.3研究和評價煙和毒氣的釋放

火災發生時，對人們生命威脅Zda的因素是煙毒的釋放。應用錐形量熱儀不僅可以測試煙釋放參數，還可以應用氣體分析設備，例如氣體分析儀與FTIR等，分析燃燒產物中CO、HCI與HCN等毒氣。錐形量熱儀可快速對某種阻燃劑的發煙性能作出評價，也是研究發煙模式、成煙機理、阻燃效率的重要手段。

2.4評價產品和材料的燃燒性和阻燃性

綜合HRR、pkHRR、THE以及TTI等燃燒性能參數，可以判斷材料潛在的火災危險性。Hirscher與Shakir將電纜在不同熱輻射流量條件下應用錐形量熱儀試驗得到的pkHRR與大型電纜通道試驗結果即炭化長度進行相關，得到比較好的相關性。Wichstron和Goransson等應用比值TTI/pkHRR評價材料潛在的轟燃性，比較好地說明了材料潛在的火災危險性。Petrella提出結合比值pkHRR/TTI與THE可以更加全面地評價材料潛在的火災危險性。因為，HRR與TTI取決于外部熱輻射流量、通風速度與破壞程度，而THE與材料內部能量有關，獨立于環境因素。

3、錐形量熱儀未來的發展方向

由于錐形量熱儀具有眾多傳統燃燒測試儀器所不能具備的優點，在一些國家已經得到了推廣使用。國際標準組織及英美等國家的標準組織已經根據錐形量熱儀制定了各種材料的燃燒測試標準，并取得了較好的效果。從發展趨勢看，錐形量熱儀有可能取代一些傳統的小型火試驗儀器。但是，仍需認識到，雖然錐形量熱儀試驗方法在定量測試熱釋放能量方面比傳統儀器有了較大提高，但錐形量熱儀試驗法本身也具有一定的缺點。

首先，采用耗氧原理進行HRR計算時，耗氧燃燒熱E的值隨燃燒材料本身性質而改變；特別是對于含雜原子材料而言，E值的選擇要做相應改變。其次，在燃燒過程中，凡是沒有氧氣參與的反應，其反應熱效應不能由錐形量熱儀測出，所以對阻燃材料進行釋熱測量時，必須考慮材料非氧化反應的熱效應。

盡管對錐形量熱儀的應用已經做了大量的研究工作，人們仍希望能為錐形量熱儀開拓更多的應用領域。如今，該儀器已被證明能成功地用于工業、檢測試驗室和火災研究室。錐形量熱儀將來可能朝以下方面發展：①增加在聚合物發展方面的應用，用以取代現存的功能單一的TGA和DSC等熱分析裝置。②應用于建筑規范和其它要采用熱釋放率方法可獲得更好結果的其它法規。