基于錐形量熱儀的纖維集合體燃燒性能測試方法

張憲勝， 王 然， 王 銳， 晏 雄，3， 施楣梧

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029； 3. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620； 4. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082)

基于錐形量熱儀的纖維集合體燃燒性能測試方法

張憲勝1， 王 然2， 王 銳2， 晏 雄1，3， 施楣梧4

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029； 3. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620； 4. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100082)

為從物性角度更全面地研究纖維燃燒特性，快速科學(xué)地評估纖維燃燒性能和確定纖維復(fù)配方案，建立了利用錐形量熱儀測試纖維集合體燃燒性能的一般性方法。通過分析影響纖維樣品測試結(jié)果可重復(fù)性的因素，利用系列實驗確定錐形量熱儀測試纖維燃燒性能的測試條件參數(shù)如輻射強度、格柵遮蓋率、纖維樣品面密度等，并進一步通過實驗對方法進行驗證。結(jié)果表明：錐形量熱儀測試纖維樣品的最優(yōu)參數(shù)分別為輻射強度75 kW/m2、格柵遮蓋率25%、纖維樣品面密度600 g/m2，該條件下測試得到的纖維樣品的最大熱釋放速率(PHRR)的CV值最小，測試結(jié)果的可重復(fù)性最好；并且驗證實驗表明該方法具有較廣的適應(yīng)性和良好的靈敏度。

燃燒性能； 錐形量熱儀； 可重復(fù)性； 適應(yīng)性

火給人類帶來進步的同時也會造成災(zāi)難。軍警和廠礦作業(yè)人員在面對高溫火焰時需要有阻燃防護服裝對人體進行防護、家用紡織品也應(yīng)能防止由微小火焰蔓延成大火。為可能接觸高溫火焰的職業(yè)人員提供阻燃防護服裝、為公共場所和家居使用的紡織品賦予阻燃功能，已成為各國法律法規(guī)部門和技術(shù)研究部門的熱點。但是，現(xiàn)有阻燃纖維尚不能兼顧強度、阻燃性能、著色性能、吸濕和舒適性能、以及抑制熔滴和發(fā)煙等多方面的性能，需要通過多種阻燃纖維的復(fù)配，方可實現(xiàn)阻燃功能的高性價比。但現(xiàn)有紡織品阻燃性能的評價還側(cè)重于織物在固定條件下的燃燒現(xiàn)象描述(例如服用紡織品的阻燃性能多采用續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度等指標進行評價)，而氧指數(shù)作為帶有物性特征的阻燃指標，在傳統(tǒng)概念上也是織物的阻燃指標，需要將纖維制成織物才可以測試，故在操作上費時費力。

隨著現(xiàn)代量熱技術(shù)的發(fā)展，例如錐形量熱儀(以下簡稱“錐量”)是基于氧消耗原理設(shè)計的燃燒產(chǎn)熱量檢測儀器，通過氧氣的消耗量間接計算燃燒過程產(chǎn)生的熱量[1]，其燃燒環(huán)境可以模擬真實的燃燒環(huán)境，實驗結(jié)果與大型火災(zāi)燃燒實驗結(jié)果存在很好的相關(guān)性[2-3]。錐量可以用來測試材料在不同輻射強度下的點燃特性、燃燒產(chǎn)熱量和產(chǎn)煙量等[4-5]：如可快捷得到材料的點燃時間(TTI)、熱釋放速率(HRR)、最大熱釋放速率(PHRR)、總釋放熱(THR)、煙生成速率(SPR)、CO和CO2生成速率等參數(shù)。因為熱量是維持材料燃燒的決定性因素，所以錐量是在燃燒源頭上對材料的阻燃性能評價而不像垂直燃燒指標的燃燒結(jié)果評價，錐量結(jié)果將會對傳統(tǒng)的阻燃測試指標提供良好的說明和補充；因此，利用錐量建立可直接測試纖維集合體燃燒性能并能從產(chǎn)熱角度反映纖維物性的測試方法，將對纖維阻燃改性及機理研究和纖維復(fù)配方案的快速評估提供依據(jù)，對指導(dǎo)阻燃紡織品的開發(fā)具有科學(xué)和工程意義。

錐量目前普遍用于研究塑料、復(fù)合材料等厚型密實材料的燃燒性能；對于較薄較松散的紡織品，尤其是纖維狀樣品，尚處于初步探索階段。文獻[6]和[7]介紹了利用錐量評價不同織物的燃燒性能，但并沒有考慮單層織物測試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和準確性。Jenny Alongi團隊先后對錐量測試滌綸織物[8]和棉纖維[9]的方法進行了優(yōu)化，通過優(yōu)化輻射強度、格柵類型、樣品質(zhì)量等因素，提高了測試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性；但只測試了單種織物和纖維，作為測試方法尚并不具備普適性。目前在錐量測試纖維燃燒性能方面尚未建立統(tǒng)一的方法。

本文研究建立錐量測試纖維集合體燃燒性能的一般性條件和方法。通過設(shè)計纖維樣品形式及優(yōu)化錐量的測試參數(shù)體系，提高了測試結(jié)果的可重復(fù)性和靈敏度、較好地覆蓋了常用的普通纖維和阻燃纖維品種，對揭示纖維的燃燒物性、加快研發(fā)效率、節(jié)約研發(fā)成本，以及阻燃紡織品纖維配方的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 研究思路

建立用錐量測試纖維燃燒性能的一般性方法，應(yīng)能適應(yīng)各種纖維的燃燒性能測試。然而纖維的燃燒性能有易燃、可燃、難燃、不燃之分，并且不同纖維的裂解溫度和燃燒狀態(tài)不同，不同纖維點燃所需的輻射強度以及纖維從熱薄性達到熱厚性所需的厚度并不相同[10]。因此，錐量測試纖維的方法主要從錐量設(shè)備參數(shù)和纖維樣品參數(shù)2方面進行優(yōu)化：錐量的輻射強度、纖維物性及樣品面密度影響纖維的點燃時間及其燃燒狀態(tài)；另外，在不改變樣品盒尺寸的前提下，通過在纖維表面施加格柵，使纖維樣品接近織物的狀態(tài)。所以最終確定對3種參數(shù)進行優(yōu)化，分別是輻射強度、格柵遮蓋率和纖維樣品面密度。

錐量可調(diào)節(jié)的輻射強度范圍是0～100 kW/m2。實驗發(fā)現(xiàn)，輻射強度越大，纖維點燃時間的一致性越好，測試結(jié)果的可重復(fù)性也越好。一般情況下，35 kW/m2用來模擬火災(zāi)初期的輻射強度，50 kW/m2用來模擬火災(zāi)發(fā)展階段的輻射強度，75 kW/m2用來模擬火災(zāi)最盛階段輻射強度[11-12]。Jenny Alongi[8-9]對棉纖維測試時選用了25、35、50 kW/m23檔輻射強度，其中選用50 kW/m2時的可重復(fù)性最好；Serge Bourbigot對PBO和芳綸測試時選用了50、75 kW/m22檔輻射強度[13]，當(dāng)選擇較高的輻射強度時更容易比較2種纖維的阻燃性能，因此為了建立有較好適應(yīng)面的測試方法，并以熱分解溫度較高的阻燃纖維為重點，應(yīng)該選擇較高的輻射強度作為統(tǒng)一的測試條件，故將輻射強度設(shè)定為75 kW/m2。

樣品結(jié)構(gòu)決定樣品性能，對于某一材質(zhì)的纖維進行錐量測試，需要將纖維集合體固定成相同的結(jié)構(gòu)。由于有些散纖維并沒有完全開松，并且纖維間垂直交叉的離散性會使測試產(chǎn)生誤差，因此需要將纖維梳理成均勻的纖維網(wǎng)再進行測試。實驗采用YG232型纖維混合器梳理纖維，在輥筒轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下將纖維附著在黏有絨布的圓筒上，纖維在圓筒上均勻鋪滿后用1根細鐵絲將纖維網(wǎng)挑斷，收攏成纖維束，然后將纖維束重新附著在圓筒上，重復(fù)3次將纖維梳理均勻。根據(jù)實驗樣品所需的重量，得到一定重量的纖維網(wǎng)，然后根據(jù)錐量測試樣品大小的要求，將纖維網(wǎng)折疊裁剪成10 cm×10 cm大小的纖維樣片。

由于纖維網(wǎng)比較蓬松，需要將纖維網(wǎng)壓實成一定的厚度，這一方面減小了由于纖維網(wǎng)密度不同和纖維燃燒卷曲對測試結(jié)果造成的誤差，另一方面纖維壓實后能盡可能模擬織物的實際狀態(tài)。采用激光切割方法制取了不同網(wǎng)格大小的不銹鋼格柵壓覆纖維，其中網(wǎng)格的形狀是正方形，由于金屬格柵的吸熱會使材料測試得到的熱量比實際值小[14]，因此在保證格柵機械強度和耐受高溫?zé)g的前提下，格柵的厚度越小越好。實驗選用2 mm厚的304不銹鋼板，加工了4種不同類型的格柵，如圖1所示，格柵參數(shù)如表1所示，并以格柵遮蓋率定義不同的格柵類型。由于格柵的重量不足以將纖維壓實，采用在格柵四周使用螺栓加壓，并用限位墊片控制相同質(zhì)量的纖維的厚度相同，從而保證其密度相同。限位墊片穿入螺栓中，安置在隔熱陶瓷板上面，限位墊片上方由螺母固定，其厚度與樣品最終壓實的厚度一致。纖維面密度為200 g/m2的樣品被壓實后的厚度為1 mm，并且厚度隨面密度的增加呈線性增加。一定質(zhì)量的纖維網(wǎng)用鋁箔包覆后放在隔熱陶瓷板上，通過螺栓將格柵、纖維網(wǎng)和隔熱陶瓷板固定后再放入樣品盒中，格柵施壓示意圖如圖2所示。

圖1 不同類型的格柵遮蓋Fig.1 Different covering rate of grid

纖維樣品面密度對測試結(jié)果的可重復(fù)性具有一定的影響，由于紡織品比較薄，測試時間比較短，導(dǎo)致誤差比較大。常見織物的面密度一般在150～300 g/m2之間，為了提高測試結(jié)果的穩(wěn)定性可以采用加倍疊合的方式。為擴大纖維樣品面密度的優(yōu)選范圍，選用3個不同的梯度，分別是200、400、600 g/m2，并且為了使纖維樣品的厚度盡量接近相同面密度織物的厚度，把這3個不同面密度樣品的厚度分別固定為1、2、3 mm。

表1 不同格柵的參數(shù)Tab.1 Parameters of different grids

圖2 格柵施壓示意圖Fig.2 Schematic diagram to fix fibers

最終確定的研究思路是利用格柵壓覆纖維樣品，通過系列實驗對格柵遮蓋率和纖維樣品面密度進行優(yōu)選，然后對最優(yōu)參數(shù)進行整體驗證，最終建立錐量測試纖維的一般性方法。

1.2 樣品準備

選用的纖維樣品包括14種，分別是間位芳綸(泰和產(chǎn)和圣歐產(chǎn))、棉、阻燃維綸、聚酰亞胺、苧麻、羊毛、阻燃羊毛、阻燃粘膠、腈氯綸(日本Protex-M、撫順產(chǎn)、臺塑F11)、寶德綸(江蘇寶德新材料有限公司)、Kermel。利用YG232型纖維混合器對散纖維進行梳理，并制備一系列的測試樣品，然后用格柵壓覆固定后進行測試。

1.3 測試方法及評價指標

采用英國FTT公司的錐形量熱儀進行測試，每隔1 s采集一次數(shù)據(jù)，每組實驗重復(fù)測試6次，然后求平均值。錐量測試數(shù)據(jù)主要包括熱釋放速率(HRR)、最大熱釋放速率(PHRR)、點燃時間(TTI)等。由于PHRR和TTI是決定火勢蔓延的最重要因素，因此錐量測試結(jié)果的可重復(fù)性主要根據(jù)這兩個指標進行分析，并且以6次重復(fù)數(shù)據(jù)的CV值大小評價可重復(fù)性的好壞，CV值越小，說明可重復(fù)性越好。

2 結(jié)果及討論

2.1 格柵遮蓋率的影響

選用間位芳綸進行實驗，輻射強度為75 kW/m2,纖維樣品面密度選用3個不同的水平，分別是200、300、400 g/m2，錐量測試結(jié)果見表2所示。

表2 不同格柵遮蓋率下的可重復(fù)性結(jié)果Tab.2 Repeatable results of samples under different grid types

從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)格柵遮蓋率分別為22%、25%、28%和30%時，3種不同面密度纖維樣品的PHRR的CV值之和分別是17.96%、11.4%、16.71%、21.79%，其中當(dāng)格柵遮蓋率為25%時，3種不同面密度纖維樣品的PHRR的CV值之和最小，這說明當(dāng)格柵遮蓋率為25%時，測試結(jié)果的可重復(fù)性最好。另外，當(dāng)纖維樣品面密度相同時，隨著格柵遮蓋率的增加，纖維實際受輻射面積減小，PHRR有減小的趨勢；然而格柵遮蓋率為22%和25%時，相同面密度樣品的PHRR基本相同。因此，從測試結(jié)果的可重復(fù)性和格柵對樣品實際PHRR的影響最小2方面綜合考慮，選用格柵遮蓋率為25%的格柵壓覆纖維比較合適。

2.2 纖維樣品面密度的影響

選用3種具有不同阻燃性能的纖維進行實驗，分別是棉、阻燃維綸、聚酰亞胺。纖維樣品面密度分3個檔次，分別是200、400和600 g/m2，采用遮蓋率為25%的格柵壓覆纖維，輻射強度選用75 kW/m2。錐量測試結(jié)果如表3所示。由表可知，從PHRR角度分析，樣品棉、阻燃維綸、聚酰亞胺的最小CV值分別是2.7%(600 g/m2)、2.9%(600 g/m2)、2.8%(600 g/m2)；從TTI的角度分析，棉、阻燃維綸、聚酰亞胺的最小CV值分別是13.3%(600 g/m2)、10.7%(600 g/m2)、8.0%(600 g/m2)，3種樣品都是在纖維樣品面密度為600 g/m2時，測試結(jié)果的CV值最小，數(shù)據(jù)可重復(fù)性最好，所以纖維樣品面密度應(yīng)選擇600 g/m2比較合適。

表3 3種不同纖維在不同樣品面密度下的測試結(jié)果Tab.3 Test results for 3 kinds of fibers under different grammages

2.3 實驗方法的驗證

從前面的參數(shù)優(yōu)選實驗中可以看出：當(dāng)選用輻射強度為75 kW/m2、遮蓋率為25%的格柵、纖維面密度為600 g/m2的樣品進行測試時，測試結(jié)果具有最好的可重復(fù)性。為了驗證由少數(shù)種類纖維確定的測試方法是否具有普適性和代表性，采用多種典型纖維對方法的可重復(fù)性性和靈敏度進行驗證，實驗結(jié)果如表4所示。

通過對不同樣品測試數(shù)據(jù)表明，采用該實驗方法測試得到的數(shù)據(jù)具有很好的可重復(fù)性,其中除了日本腈氯綸和撫順腈氯綸之外，其他纖維測試時PHRR的CV值都小于5%，這是因為腈氯綸測試結(jié)果的可重復(fù)性略差與其燃燒狀態(tài)有關(guān)，腈氯綸裂解時產(chǎn)生大量的煙，其中有許多不燃性氣體，燃燒初期有閃燃的火苗出現(xiàn)，隨后才是持續(xù)性燃燒，由于點燃時間不太容易確定，造成PHRR值有一定的誤差，故其可重復(fù)性略差。通過典型纖維對錐量方法的可重復(fù)性驗證說明該方法可以應(yīng)用于測試其他種類的纖維。

表4 方法驗證測試結(jié)果Tab.4 Test results for the method verification

根據(jù)錐量的TTI、PHRR和THR等測試指標可看出，不同類型的纖維都有明顯的區(qū)別，可根據(jù)TTI、PHRR和THR從不同角度對纖維進行區(qū)分，評價其阻燃性能的好壞。根據(jù)錐量指標，再結(jié)合傳統(tǒng)的LOI值和垂直燃燒結(jié)果可更全面的反映纖維的燃燒性能。對于相同類型不同種類的纖維也可比較精確地區(qū)分纖維的性能。從羊毛和阻燃羊毛的PHRR對比可看出，阻燃羊毛的PHRR比羊毛的PHRR略低，說明可利用錐量對纖維阻燃改性的好壞進行評價。從2種間位芳綸(泰和產(chǎn)和圣歐產(chǎn))的PHRR對比可看出，2種間位芳綸的PHRR相差并不大，這是因為兩者的結(jié)構(gòu)相同，故阻燃性能差異不大。從3種腈氯綸的PHRR可以對比其阻燃性能的差異，其中腈氯綸(日本Protex-M)的PHRR最小，燃燒熱危害最小，腈氯綸(撫順產(chǎn))的PHRR次之，腈氯綸(臺塑F11)的PHRR最大，燃燒熱危害最大。因此，錐量測試纖維的方法既可以區(qū)分大類的不同，又可以區(qū)分品種的不同。

從實驗方法的驗證結(jié)果可看出，利用最優(yōu)參數(shù)對不同阻燃性能的其他纖維進行測試時，可得到具有較好可重復(fù)性的測試數(shù)據(jù)，說明該測試方法適用于大多數(shù)纖維；并且利用該方法可對比不同類型纖維的阻燃性能，以及比較相同品種不同廠家生產(chǎn)的纖維的阻燃性能，說明該方法具有良好的可分辨性和靈敏度。

3 結(jié) 論

1)本文建立了錐形量熱儀測試纖維集合體燃燒產(chǎn)熱特性的一般性方法，通過設(shè)計纖維樣品形式和優(yōu)化測試參數(shù)。確定纖維梳理均勻后用格柵施壓，最優(yōu)參數(shù)是輻射強度為75 kW/m2、格柵遮蓋率為25%、纖維樣品面密度為600 g/m2。

2)利用一系列不同類型的纖維對測試方法進行驗證，根據(jù)相同樣品測試結(jié)果的可重復(fù)性和不同樣品的測試結(jié)果的可分辨性，說明該測試方法具有良好的普適性和靈敏度。

3)錐量結(jié)果可以定量地從點燃時間、產(chǎn)熱角度反映纖維的阻燃性能，對傳統(tǒng)的阻燃測試方法提供了說明和補充。錐形量熱方法為研究纖維的阻燃性能和纖維混配的阻燃機理提供了條件，使其在紡織品的阻燃性能評價及阻燃紡織品設(shè)計方面具有更好的應(yīng)用前景。

FZXB

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Testing method of combustion behavior of loose fibrous assembly by cone calorimeter

ZHANG Xiansheng1， WANG Ran2， WANG Rui2， YAN Xiong1,3， SHI Meiwu4

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.SchoolofMaterialScienceandEngineering, >BeijingInstituteofFashionTechnology，Beijing100029,China; 3.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology，MinistryofEducation，DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 4.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticSupportDepartment,Beijing100082,China)

In order to study the combustion property of fibers comprehensively based on the intrinsic property, and to quickly and scientifically evaluate fibers′ combustion property and confirm fiber blending scheme as well, a method for evaluating the burning property of fibers by cone calorimeter has been established. The factors that affected the results repeatability have been analyzed. Based on a series of experiments, the testing parameters has been optimized, such as heat flux, grid covering rate, fiber sample grammage, etc, and the method is verified by further experiments. The results show that when the heat flux is 75 kW/m2, grid covering rate is 25%, fiber sample grammage is 600 g/m2, and the result data have favorable repeatability with the minimum CV for PHRR. Furthermore, the verification experiments show that the test method has extensive adaptability and good sensitivity.

combustion behavior; cone calorimeter; repeatability; adaptability

10.13475/j.fzxb.20160301906

2016-03-11

2016-11-05

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CUSF-DH-D-2016012)

張憲勝(1987—)，男，博士生。主要研究方向為阻燃紡織品。施楣梧，通信作者，E-mail：shimeiwu@263.net.cn。

TS 107

A