新型塑料煙密度測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

于健，高禎瑞

（青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 260042）

新型塑料煙密度測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

于健，高禎瑞

（青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 260042）

塑料煙密度測(cè)定儀可測(cè)定非金屬材料的靜態(tài)生煙量的新型測(cè)試儀器，按新國(guó)標(biāo)GB/T 8323.22008的技術(shù)要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)、測(cè)試技術(shù)和要求均取代了GB/T8323-1987的內(nèi)容。在密閉試驗(yàn)箱內(nèi)，靜態(tài)測(cè)定材料燃燒時(shí)生煙量的特性，與錐形量熱儀測(cè)定材料燃燒時(shí)動(dòng)態(tài)生煙量的特點(diǎn)正好成為互補(bǔ)，使塑料等非金屬材料燃燒時(shí)其燃燒特性測(cè)試方法和手段更加準(zhǔn)確和豐富。

煙密度測(cè)定儀；靜態(tài)生煙量；透過(guò)率；比光密度

新型塑料煙密度測(cè)定儀是依據(jù)GB/T 8323.2-2008及ISO5659-2《塑料煙生成 第2部分 單室法測(cè)定煙密度試驗(yàn)方法》中所規(guī)定的技術(shù)條件而生產(chǎn)制造的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，適用于測(cè)定塑料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的煙霧的比光密度、最大煙密度、質(zhì)量煙密度。評(píng)定在規(guī)定條件下塑料的發(fā)煙性能，也適合于其它材料的測(cè)試評(píng)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(chǎn)的工廠、大專院校以及科研試驗(yàn)單位使用，取代了GB/T8323-1987 《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法 煙密度法》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

儀器顯著特點(diǎn)是靜態(tài)測(cè)定材料燃燒時(shí)生煙量的特性，與錐形量熱儀動(dòng)態(tài)測(cè)定材料燃燒生煙量的特點(diǎn)正好成為互補(bǔ)，是研究材料燃燒生煙特性過(guò)程不可缺少的實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器，也是測(cè)試材料阻燃性能方面的重要環(huán)節(jié)和方法。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

新型塑料煙密度測(cè)定儀，是結(jié)合了NBS煙箱法與錐形量熱儀測(cè)試法的特點(diǎn)，在NBS煙箱結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)定制的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器。主要結(jié)構(gòu)由電氣控制系統(tǒng)、密閉試驗(yàn)箱、光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)、輻射熱流計(jì)、稱量系統(tǒng)、錐形輻射加熱器、引燃燃燒系統(tǒng)、煙密度測(cè)試軟件等部分組成，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 密閉試驗(yàn)箱

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，密閉試驗(yàn)箱的容積尺寸為914×610×914 mm（長(zhǎng)×寬×高），滿足光徑長(zhǎng)914 mm的要求。箱門(mén)關(guān)閉時(shí)應(yīng)密封效果良好，且門(mén)上設(shè)有一可以打開(kāi)的密封觀察窗，便于測(cè)試操作時(shí)，觀察樣品件的狀態(tài)變化情況。密閉試驗(yàn)箱底部中央處（在稱量系統(tǒng)下面），設(shè)有一套排除煙氣的裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)該裝置關(guān)閉，測(cè)試數(shù)據(jù)完成后，由人工操縱電控閥門(mén)打開(kāi)排除密閉試驗(yàn)箱內(nèi)的煙氣。

1.2 光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由光電倍增管、濾光片、透鏡、光學(xué)窗口、光學(xué)系統(tǒng)暗箱、發(fā)光光源、變壓器、可調(diào)電阻、變壓器、控制（定時(shí)、記錄）裝置等部分組成，如圖2所示。

圖2 光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

上下光學(xué)窗口之間的距離為914 mm （合36″），適合550～650 nm長(zhǎng)的光波。發(fā)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(fā)出的光線經(jīng)透鏡、光學(xué)窗口，調(diào)整為直射的平行光束向上射出，經(jīng)光電倍增管接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再放大傳送至電氣控制系統(tǒng)，在監(jiān)控器屏幕上顯示的數(shù)據(jù)就是測(cè)得的即時(shí)光通量。

1.3 輻射熱流計(jì)

輻射熱流計(jì)主要用來(lái)測(cè)量錐形加熱器溫度升高時(shí)的熱輻射功率。當(dāng)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(guò)程，用輻射熱流計(jì)在固定位置，即可測(cè)量標(biāo)定與某一溫度值相對(duì)應(yīng)的輻射功率數(shù)，如圖3所示。

圖3 輻射熱流計(jì)安裝示意圖

輻射熱流計(jì)在測(cè)量標(biāo)定時(shí)，需要開(kāi)通循環(huán)冷卻水，保護(hù)測(cè)試頭不會(huì)被較高溫度烤壞，延長(zhǎng)使用壽命。測(cè)量標(biāo)定完成后，應(yīng)把輻射熱流計(jì)從固定支架移走，并把測(cè)試頭套上蓋子封閉保護(hù)，以免磕碰磨損，影響測(cè)試精度。

1.4 稱量系統(tǒng)

稱量系統(tǒng)是用來(lái)對(duì)測(cè)試樣品件的質(zhì)量進(jìn)行確認(rèn)、失重監(jiān)控，為質(zhì)量光密度的測(cè)定，提供質(zhì)量損失值。稱量系統(tǒng)主要由電子天平、樣品支撐架、防護(hù)罩、樣品盒等零部件組成，如圖4所示。

圖4 稱量系統(tǒng)示意圖

樣品件稱重時(shí)，應(yīng)先把樣品盒組合體放置在樣品支撐架上，顯示的重量數(shù)值穩(wěn)定后再點(diǎn)擊“天平清零”按鈕，等到試樣質(zhì)量顯示數(shù)值為“0”后，再稱量實(shí)測(cè)樣品件的質(zhì)量。電子天平的R232接口直接與計(jì)算機(jī)相連，持續(xù)輸出的質(zhì)量變化信號(hào)均被計(jì)算機(jī)按設(shè)定的時(shí)間采集到，直接參與“質(zhì)量光密度”MOD的系列測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算。

1.5 錐形輻射加熱器

錐形輻射加熱器是設(shè)備的核心部件，主要由圓臺(tái)形的電熱管、內(nèi)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(nèi)，由2個(gè)K型熱電偶檢測(cè)控制。在距下連接板以下25 mm處，可對(duì)測(cè)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(shù)值大小的選擇，用熱流輻射計(jì)來(lái)標(biāo)定。擋熱板是用來(lái)保護(hù)稱量系統(tǒng)，免于被錐形加熱器升溫加熱時(shí)的強(qiáng)熱輻射損壞。

1.6 引燃燃燒系統(tǒng)

引燃燃燒系統(tǒng)的作用是；把被輻射受熱的測(cè)試樣品件引燃著火，產(chǎn)生煙氣。該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成有：壓縮空氣部分、丙烷氣氣瓶、氣體浮子流量計(jì)、混合閥、電控開(kāi)關(guān)閥、噴咀部分、點(diǎn)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(jīng)氣體浮子流量計(jì)調(diào)整流量后，進(jìn)入混合閥合為具有一定比例的混合氣體，由電控開(kāi)關(guān)閥控制用氣。點(diǎn)火器的點(diǎn)火絲設(shè)置在噴咀部分的出氣口旁邊，點(diǎn)火絲離開(kāi)噴咀口有約3～5 mm的距離，便于點(diǎn)火時(shí)持續(xù)產(chǎn)生脈沖電子火花，快速有效地引燃混合氣體。

2 測(cè)試應(yīng)用

圖6 引燃燃燒系統(tǒng)示意圖

根據(jù)GB/T 8323.1—2008《 塑料 煙生成 第1部分 煙密度試驗(yàn)方法導(dǎo)則》以及GB/T 8323.2—2008《塑料 煙生成 第2部分 單室法測(cè)定煙密度試驗(yàn)方法》的規(guī)定要求，被測(cè)樣品件可分別在4種模式下進(jìn)行，即：25 kW/m2無(wú)引燃火焰；25 kW/m2有引燃火焰；50 kW/m2無(wú)引燃火焰；50 kW/m2有引燃火焰；也可單獨(dú)在1種或2種模式下進(jìn)行，但每種模式下需要測(cè)試3個(gè)樣品。

2.1 樣品件準(zhǔn)備

樣品件的外形尺寸規(guī)定為：邊長(zhǎng)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(yīng)質(zhì)量均勻、外表面光潔規(guī)整。

樣品件應(yīng)用鋁箔把底面和4個(gè)側(cè)面包好，被測(cè)試的一面外露。

2.2 樣品件測(cè)試

通常情況下，在錐形輻射加熱器處于非加熱狀態(tài)，儀器應(yīng)開(kāi)機(jī)預(yù)熱，空載運(yùn)行60 min以上，再觀察監(jiān)視器畫(huà)面的顯示幾項(xiàng)數(shù)據(jù)是否正常，如圖7所示。

正常的數(shù)值為：白熾燈光透過(guò)率顯示的數(shù)據(jù)，應(yīng)在95%～100%之間變化；煙箱內(nèi)溫度顯示的數(shù)據(jù)，應(yīng)與室溫溫度相似；樣品件質(zhì)量稱量顯示的數(shù)據(jù)，應(yīng)自動(dòng)顯示為“0”。

上述數(shù)值正常后，再把錐形輻射加熱器升溫至設(shè)定溫度，用熱流輻射計(jì)測(cè)量標(biāo)定或校核其輻射功率，應(yīng)達(dá)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(diào)節(jié)好。

圖7 監(jiān)視器操作界面示意圖

應(yīng)注意，在校核輻射功率時(shí)，應(yīng)保證熱流輻射計(jì)的測(cè)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(cè)試煙密度的首要操作步驟，直接關(guān)系到質(zhì)量光密度（MOD）測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確效果。首先把樣品盒組合體，放在稱量系統(tǒng)的樣品支撐架上，質(zhì)量稱量顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊稱量天平清零按鈕確認(rèn)。再把用鋁箔包好的實(shí)測(cè)樣品件放上稱量，此時(shí)稱量顯示的數(shù)據(jù)就是樣品件的初始質(zhì)量。在可設(shè)定的試驗(yàn)時(shí)間處，設(shè)置好試驗(yàn)測(cè)試需要的總時(shí)間。在可設(shè)定的數(shù)據(jù)采集時(shí)間處，設(shè)置好測(cè)試數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間（記錄周期）。打開(kāi)圖5所示的擋熱板，點(diǎn)擊試驗(yàn)開(kāi)始控制按鈕，試驗(yàn)測(cè)試開(kāi)始進(jìn)行。

測(cè)試的數(shù)據(jù)采集過(guò)程曲線變化顯示，可點(diǎn)擊數(shù)據(jù)曲線顯示選擇欄目，進(jìn)行比光密度、透過(guò)率、質(zhì)量、質(zhì)量光密度的時(shí)間變化曲線圖像的交替選擇，如圖7所示。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)結(jié)束控制按鈕，就可完成一次測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 測(cè)試方法與要求

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB8323-2008的規(guī)定，測(cè)試樣品應(yīng)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(wú)引燃火焰的模式（共4中模式）進(jìn)行測(cè)試。不論采用哪幾種模式測(cè)試，每種試樣的數(shù)量應(yīng)該至少為3個(gè)，也就是說(shuō)每種模式下的樣品件測(cè)試次數(shù)至少為3次，根據(jù)3次測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析、選擇確定，3次的測(cè)試數(shù)據(jù)不能混合使用。在測(cè)試操作前應(yīng)具備以下幾條要求：

（1）樣品件。表面規(guī)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(cè)面，在正面四邊包覆并留出65 mm×65 mm面積的中心測(cè)試區(qū)域。

（2）樣品盒組合體。樣品盒組合體見(jiàn)圖8所示，在測(cè)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(cè)試樣品包裹后的厚度小于12.5 mm時(shí)，應(yīng)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(cè)試樣品下面，耐高溫纖維材料上面。

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

③若測(cè)試樣品包裹后的厚度為25 mm時(shí)，則不能使用襯墊層。

圖8 樣品盒組合體

（3）煙箱內(nèi)溫度選擇 初次試驗(yàn)時(shí)，煙箱內(nèi)溫度顯示應(yīng)高于室溫。再次做試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意煙箱內(nèi)溫度的控制：

①對(duì)于普通材料，輻射錐為25 kW/m2時(shí)，箱壁溫度應(yīng)穩(wěn)定在40 ℃±5 ℃的范圍。

輻射錐為50 kW/m2時(shí)，箱壁的溫度應(yīng)該穩(wěn)定在55 ℃±5 ℃的范圍。

②對(duì)于膨脹型材料，輻射錐為25 kW/m2時(shí)，箱壁溫度應(yīng)穩(wěn)定在50 ℃±10 ℃的范圍。

輻射錐為50 kW/m2時(shí)，箱壁溫度應(yīng)穩(wěn)定在60 ±10 ℃的范圍。

這種選擇很重要，通常試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，往往容易忘記或被忽略，直接影響到比光密度測(cè)試數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性。

（4）透過(guò)率的滿度調(diào)節(jié)

儀器預(yù)熱、標(biāo)定完成后，第一塊樣品件測(cè)試前的透過(guò)率顯示為100%，如圖7透過(guò)率所示。再進(jìn)行第二塊樣品件測(cè)試時(shí)，透過(guò)率顯示的數(shù)值會(huì)有些下降，當(dāng)下降數(shù)值顯示為90%～95%時(shí)，就應(yīng)該點(diǎn)擊圖7所示的“滿度校正”按鈕，使透過(guò)率的顯示數(shù)值達(dá)到99%～100%之間，且數(shù)值跳動(dòng)變化量小，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）樣品件與輻射錐之間的距離

初始測(cè)試前，操作者應(yīng)復(fù)核檢查樣品盒組中，要測(cè)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(yīng)為25 mm，對(duì)于膨脹性材料垂直距離應(yīng)為50 mm。距離調(diào)節(jié)位置在圖4所示的樣品支撐架處。

3 結(jié)語(yǔ)

新型塑料煙密度測(cè)定儀其核心部分的工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝條件、測(cè)試要求等借鑒了大型精密儀器“錐形量熱儀”的先進(jìn)技術(shù)和測(cè)試方法，不僅能測(cè)試塑料燃燒的煙密度特性，而且還能測(cè)試其它非金屬材料燃燒時(shí)發(fā)煙的特性。

在密閉試驗(yàn)箱內(nèi)，靜態(tài)測(cè)定材料燃燒時(shí)生煙量的特性，與錐形量熱儀測(cè)定材料燃燒時(shí)動(dòng)態(tài)生煙量的特點(diǎn)正好成為互補(bǔ)，使塑料等非金屬材料燃燒時(shí)其燃燒特性測(cè)試方法和手段更加準(zhǔn)確和豐富，為非金屬材料的阻燃研究，測(cè)試方法和技術(shù)提供了更為準(zhǔn)確的依據(jù)。

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?。?956-），男，機(jī)械工程師、高級(jí)實(shí)驗(yàn)室，曾經(jīng)發(fā)表科技論文20多篇，獲國(guó)家實(shí)用新型專利6項(xiàng)，發(fā)明專利3項(xiàng)，現(xiàn)主要從事實(shí)驗(yàn)室管理工作，以及錐形量熱儀的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。

2015-06-09