基于锥形量热仪的纤维集合体燃烧性能测试方法

2017-07-12张宪胜施楣梧

纺织学报 2017年2期

张宪胜，王然，王锐，晏雄，3，施楣梧

(1. 东华大学纺织学院，上海 201620； 2. 北京服装学院材料科学与工程学院，北京 100029； 3. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 4. 中央军委后勤保障部军需装备研究所，北京 100082)

张宪胜1，王然2，王锐2，晏雄1，3，施楣梧4

为从物性角度更全面地研究纤维燃烧特性，快速科学地评估纤维燃烧性能和确定纤维复配方案，建立了利用锥形量热仪测试纤维集合体燃烧性能的一般性方法。通过分析影响纤维样品测试结果可重复性的因素，利用系列实验确定锥形量热仪测试纤维燃烧性能的测试条件参数如辐射强度、格栅遮盖率、纤维样品面密度等，并进一步通过实验对方法进行验证。结果表明：锥形量热仪测试纤维样品的最优参数分别为辐射强度75 kW/m2、格栅遮盖率25%、纤维样品面密度600 g/m2，该条件下测试得到的纤维样品的最大热释放速率(PHRR)的CV值最小，测试结果的可重复性最好；并且验证实验表明该方法具有较广的适应性和良好的灵敏度。

燃烧性能；锥形量热仪；可重复性；适应性

火给人类带来进步的同时也会造成灾难。军警和厂矿作业人员在面对高温火焰时需要有阻燃防护服装对人体进行防护、家用纺织品也应能防止由微小火焰蔓延成大火。为可能接触高温火焰的职业人员提供阻燃防护服装、为公共场所和家居使用的纺织品赋予阻燃功能，已成为各国法律法规部门和技术研究部门的热点。但是，现有阻燃纤维尚不能兼顾强度、阻燃性能、着色性能、吸湿和舒适性能、以及抑制熔滴和发烟等多方面的性能，需要通过多种阻燃纤维的复配，方可实现阻燃功能的高性价比。但现有纺织品阻燃性能的评价还侧重于织物在固定条件下的燃烧现象描述(例如服用纺织品的阻燃性能多采用续燃时间、阴燃时间、损毁长度等指标进行评价)，而氧指数作为带有物性特征的阻燃指标，在传统概念上也是织物的阻燃指标，需要将纤维制成织物才可以测试，故在操作上费时费力。

随着现代量热技术的发展，例如锥形量热仪(以下简称“锥量”)是基于氧消耗原理设计的燃烧产热量检测仪器，通过氧气的消耗量间接计算燃烧过程产生的热量[1]，其燃烧环境可以模拟真实的燃烧环境，实验结果与大型火灾燃烧实验结果存在很好的相关性[2-3]。锥量可以用来测试材料在不同辐射强度下的点燃特性、燃烧产热量和产烟量等[4-5]：如可快捷得到材料的点燃时间(TTI)、热释放速率(HRR)、最大热释放速率(PHRR)、总释放热(THR)、烟生成速率(SPR)、CO和CO2生成速率等参数。因为热量是维持材料燃烧的决定性因素，所以锥量是在燃烧源头上对材料的阻燃性能评价而不像垂直燃烧指标的燃烧结果评价，锥量结果将会对传统的阻燃测试指标提供良好的说明和补充；因此，利用锥量建立可直接测试纤维集合体燃烧性能并能从产热角度反映纤维物性的测试方法，将对纤维阻燃改性及机理研究和纤维复配方案的快速评估提供依据，对指导阻燃纺织品的开发具有科学和工程意义。

锥量目前普遍用于研究塑料、复合材料等厚型密实材料的燃烧性能；对于较薄较松散的纺织品，尤其是纤维状样品，尚处于初步探索阶段。文献[6]和[7]介绍了利用锥量评价不同织物的燃烧性能，但并没有考虑单层织物测试数据的可重复性和准确性。Jenny Alongi团队先后对锥量测试涤纶织物[8]和棉纤维[9]的方法进行了优化，通过优化辐射强度、格栅类型、样品质量等因素，提高了测试数据的可重复性；但只测试了单种织物和纤维，作为测试方法尚并不具备普适性。目前在锥量测试纤维燃烧性能方面尚未建立统一的方法。

本文研究建立锥量测试纤维集合体燃烧性能的一般性条件和方法。通过设计纤维样品形式及优化锥量的测试参数体系，提高了测试结果的可重复性和灵敏度、较好地覆盖了常用的普通纤维和阻燃纤维品种，对揭示纤维的燃烧物性、加快研发效率、节约研发成本，以及阻燃纺织品纤维配方的设计奠定了基础。

1 实验部分

1.1 研究思路

建立用锥量测试纤维燃烧性能的一般性方法，应能适应各种纤维的燃烧性能测试。然而纤维的燃烧性能有易燃、可燃、难燃、不燃之分，并且不同纤维的裂解温度和燃烧状态不同，不同纤维点燃所需的辐射强度以及纤维从热薄性达到热厚性所需的厚度并不相同[10]。因此，锥量测试纤维的方法主要从锥量设备参数和纤维样品参数2方面进行优化：锥量的辐射强度、纤维物性及样品面密度影响纤维的点燃时间及其燃烧状态；另外，在不改变样品盒尺寸的前提下，通过在纤维表面施加格栅，使纤维样品接近织物的状态。所以最终确定对3种参数进行优化，分别是辐射强度、格栅遮盖率和纤维样品面密度。

锥量可调节的辐射强度范围是0～100 kW/m2。实验发现，辐射强度越大，纤维点燃时间的一致性越好，测试结果的可重复性也越好。一般情况下，35 kW/m2用来模拟火灾初期的辐射强度，50 kW/m2用来模拟火灾发展阶段的辐射强度，75 kW/m2用来模拟火灾最盛阶段辐射强度[11-12]。Jenny Alongi[8-9]对棉纤维测试时选用了25、35、50 kW/m23档辐射强度，其中选用50 kW/m2时的可重复性最好；Serge Bourbigot对PBO和芳纶测试时选用了50、75 kW/m22档辐射强度[13]，当选择较高的辐射强度时更容易比较2种纤维的阻燃性能，因此为了建立有较好适应面的测试方法，并以热分解温度较高的阻燃纤维为重点，应该选择较高的辐射强度作为统一的测试条件，故将辐射强度设定为75 kW/m2。

样品结构决定样品性能，对于某一材质的纤维进行锥量测试，需要将纤维集合体固定成相同的结构。由于有些散纤维并没有完全开松，并且纤维间垂直交叉的离散性会使测试产生误差，因此需要将纤维梳理成均匀的纤维网再进行测试。实验采用YG232型纤维混合器梳理纤维，在辊筒转动的状态下将纤维附着在黏有绒布的圆筒上，纤维在圆筒上均匀铺满后用1根细铁丝将纤维网挑断，收拢成纤维束，然后将纤维束重新附着在圆筒上，重复3次将纤维梳理均匀。根据实验样品所需的重量，得到一定重量的纤维网，然后根据锥量测试样品大小的要求，将纤维网折叠裁剪成10 cm×10 cm大小的纤维样片。

由于纤维网比较蓬松，需要将纤维网压实成一定的厚度，这一方面减小了由于纤维网密度不同和纤维燃烧卷曲对测试结果造成的误差，另一方面纤维压实后能尽可能模拟织物的实际状态。采用激光切割方法制取了不同网格大小的不锈钢格栅压覆纤维，其中网格的形状是正方形，由于金属格栅的吸热会使材料测试得到的热量比实际值小[14]，因此在保证格栅机械强度和耐受高温烧蚀的前提下，格栅的厚度越小越好。实验选用2 mm厚的304不锈钢板，加工了4种不同类型的格栅，如图1所示，格栅参数如表1所示，并以格栅遮盖率定义不同的格栅类型。由于格栅的重量不足以将纤维压实，采用在格栅四周使用螺栓加压，并用限位垫片控制相同质量的纤维的厚度相同，从而保证其密度相同。限位垫片穿入螺栓中，安置在隔热陶瓷板上面，限位垫片上方由螺母固定，其厚度与样品最终压实的厚度一致。纤维面密度为200 g/m2的样品被压实后的厚度为1 mm，并且厚度随面密度的增加呈线性增加。一定质量的纤维网用铝箔包覆后放在隔热陶瓷板上，通过螺栓将格栅、纤维网和隔热陶瓷板固定后再放入样品盒中，格栅施压示意图如图2所示。

图1 不同类型的格栅遮盖Fig.1 Different covering rate of grid

纤维样品面密度对测试结果的可重复性具有一定的影响，由于纺织品比较薄，测试时间比较短，导致误差比较大。常见织物的面密度一般在150～300 g/m2之间，为了提高测试结果的稳定性可以采用加倍叠合的方式。为扩大纤维样品面密度的优选范围，选用3个不同的梯度，分别是200、400、600 g/m2，并且为了使纤维样品的厚度尽量接近相同面密度织物的厚度，把这3个不同面密度样品的厚度分别固定为1、2、3 mm。

表1 不同格栅的参数Tab.1 Parameters of different grids

图2 格栅施压示意图Fig.2 Schematic diagram to fix fibers

最终确定的研究思路是利用格栅压覆纤维样品，通过系列实验对格栅遮盖率和纤维样品面密度进行优选，然后对最优参数进行整体验证，最终建立锥量测试纤维的一般性方法。

1.2 样品准备

选用的纤维样品包括14种，分别是间位芳纶(泰和产和圣欧产)、棉、阻燃维纶、聚酰亚胺、苎麻、羊毛、阻燃羊毛、阻燃粘胶、腈氯纶(日本Protex-M、抚顺产、台塑F11)、宝德纶(江苏宝德新材料有限公司)、Kermel。利用YG232型纤维混合器对散纤维进行梳理，并制备一系列的测试样品，然后用格栅压覆固定后进行测试。

1.3 测试方法及评价指标

采用英国FTT公司的锥形量热仪进行测试，每隔1 s采集一次数据，每组实验重复测试6次，然后求平均值。锥量测试数据主要包括热释放速率(HRR)、最大热释放速率(PHRR)、点燃时间(TTI)等。由于PHRR和TTI是决定火势蔓延的最重要因素，因此锥量测试结果的可重复性主要根据这两个指标进行分析，并且以6次重复数据的CV值大小评价可重复性的好坏，CV值越小，说明可重复性越好。

2 结果及讨论

2.1 格栅遮盖率的影响

选用间位芳纶进行实验，辐射强度为75 kW/m2,纤维样品面密度选用3个不同的水平，分别是200、300、400 g/m2，锥量测试结果见表2所示。

表2 不同格栅遮盖率下的可重复性结果Tab.2 Repeatable results of samples under different grid types

从表中数据可以看出，当格栅遮盖率分别为22%、25%、28%和30%时，3种不同面密度纤维样品的PHRR的CV值之和分别是17.96%、11.4%、16.71%、21.79%，其中当格栅遮盖率为25%时，3种不同面密度纤维样品的PHRR的CV值之和最小，这说明当格栅遮盖率为25%时，测试结果的可重复性最好。另外，当纤维样品面密度相同时，随着格栅遮盖率的增加，纤维实际受辐射面积减小，PHRR有减小的趋势；然而格栅遮盖率为22%和25%时，相同面密度样品的PHRR基本相同。因此，从测试结果的可重复性和格栅对样品实际PHRR的影响最小2方面综合考虑，选用格栅遮盖率为25%的格栅压覆纤维比较合适。

2.2 纤维样品面密度的影响

选用3种具有不同阻燃性能的纤维进行实验，分别是棉、阻燃维纶、聚酰亚胺。纤维样品面密度分3个档次，分别是200、400和600 g/m2，采用遮盖率为25%的格栅压覆纤维，辐射强度选用75 kW/m2。锥量测试结果如表3所示。由表可知，从PHRR角度分析，样品棉、阻燃维纶、聚酰亚胺的最小CV值分别是2.7%(600 g/m2)、2.9%(600 g/m2)、2.8%(600 g/m2)；从TTI的角度分析，棉、阻燃维纶、聚酰亚胺的最小CV值分别是13.3%(600 g/m2)、10.7%(600 g/m2)、8.0%(600 g/m2)，3种样品都是在纤维样品面密度为600 g/m2时，测试结果的CV值最小，数据可重复性最好，所以纤维样品面密度应选择600 g/m2比较合适。

表3 3种不同纤维在不同样品面密度下的测试结果Tab.3 Test results for 3 kinds of fibers under different grammages

2.3 实验方法的验证

从前面的参数优选实验中可以看出：当选用辐射强度为75 kW/m2、遮盖率为25%的格栅、纤维面密度为600 g/m2的样品进行测试时，测试结果具有最好的可重复性。为了验证由少数种类纤维确定的测试方法是否具有普适性和代表性，采用多种典型纤维对方法的可重复性性和灵敏度进行验证，实验结果如表4所示。

通过对不同样品测试数据表明，采用该实验方法测试得到的数据具有很好的可重复性,其中除了日本腈氯纶和抚顺腈氯纶之外，其他纤维测试时PHRR的CV值都小于5%，这是因为腈氯纶测试结果的可重复性略差与其燃烧状态有关，腈氯纶裂解时产生大量的烟，其中有许多不燃性气体，燃烧初期有闪燃的火苗出现，随后才是持续性燃烧，由于点燃时间不太容易确定，造成PHRR值有一定的误差，故其可重复性略差。通过典型纤维对锥量方法的可重复性验证说明该方法可以应用于测试其他种类的纤维。

表4 方法验证测试结果Tab.4 Test results for the method verification

根据锥量的TTI、PHRR和THR等测试指标可看出，不同类型的纤维都有明显的区别，可根据TTI、PHRR和THR从不同角度对纤维进行区分，评价其阻燃性能的好坏。根据锥量指标，再结合传统的LOI值和垂直燃烧结果可更全面的反映纤维的燃烧性能。对于相同类型不同种类的纤维也可比较精确地区分纤维的性能。从羊毛和阻燃羊毛的PHRR对比可看出，阻燃羊毛的PHRR比羊毛的PHRR略低，说明可利用锥量对纤维阻燃改性的好坏进行评价。从2种间位芳纶(泰和产和圣欧产)的PHRR对比可看出，2种间位芳纶的PHRR相差并不大，这是因为两者的结构相同，故阻燃性能差异不大。从3种腈氯纶的PHRR可以对比其阻燃性能的差异，其中腈氯纶(日本Protex-M)的PHRR最小，燃烧热危害最小，腈氯纶(抚顺产)的PHRR次之，腈氯纶(台塑F11)的PHRR最大，燃烧热危害最大。因此，锥量测试纤维的方法既可以区分大类的不同，又可以区分品种的不同。

从实验方法的验证结果可看出，利用最优参数对不同阻燃性能的其他纤维进行测试时，可得到具有较好可重复性的测试数据，说明该测试方法适用于大多数纤维；并且利用该方法可对比不同类型纤维的阻燃性能，以及比较相同品种不同厂家生产的纤维的阻燃性能，说明该方法具有良好的可分辨性和灵敏度。

3 结论

1)本文建立了锥形量热仪测试纤维集合体燃烧产热特性的一般性方法，通过设计纤维样品形式和优化测试参数。确定纤维梳理均匀后用格栅施压，最优参数是辐射强度为75 kW/m2、格栅遮盖率为25%、纤维样品面密度为600 g/m2。

2)利用一系列不同类型的纤维对测试方法进行验证，根据相同样品测试结果的可重复性和不同样品的测试结果的可分辨性，说明该测试方法具有良好的普适性和灵敏度。

3)锥量结果可以定量地从点燃时间、产热角度反映纤维的阻燃性能，对传统的阻燃测试方法提供了说明和补充。锥形量热方法为研究纤维的阻燃性能和纤维混配的阻燃机理提供了条件，使其在纺织品的阻燃性能评价及阻燃纺织品设计方面具有更好的应用前景。

FZXB

[1] HUGGETT C. Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurements[J]. Fire and Materials, 1980, 4(2): 61-65.

[2] BABRAUSKAS V. Upholstered furniture heat release rates: measurements and estimation[J]. Journal of Fire Sciences, 1983, 1(1): 9-32.

[3] BABRAUSKAS V, BAROUDI D, MYLLYMKI J, et al. The cone calorimeter used for predictions of the full-scale burning behaviour of upholstered furniture[J]. Fire and Materials, 1997, 21(2): 95-105.

[4] 李斌，王建祺. 聚合物材料燃烧性和阻燃性的评价: 锥形量热仪(CONE)法[J]. 高分子材料科学与工程,1998(5):16-20. LI Bin，WANG Jianqi. Utilization of cone calorimeter for the apparaisal of the flammability and flame retardancy of polymer materials[J]. Polymer Materials Science And Engineering,1998(5):16-20.

[5] 王庆国，张军，张峰. 锥形量热仪的工作原理及应用[J]. 现代科学仪器,2003(6):36-39. WANG Qingguo，ZHANG Jun，ZHANG Feng. The principle and application of the cone calorimeter[J]. Modern Scientific Instruments, 2003(6):36-39.

[6] WHITE R H, NAM S, PARIKH D V. Cone calorimeter evaluation of two flame retardant cotton fabrics[J]. Fire and Materials, 2013, 37(1): 46-57.

[7] NAZARE S, KANDOLA B, HORROCKS A R. Use of cone calorimetry to quantify the burning hazard of apparel fabrics[J]. Fire and Materials, 2002, 26(4/5): 191-199.

[8] TATA J, ALONGI J, CAROSIO F, et al. Optimization of the procedure to burn textile fabrics by cone calorimeter: part I: combustion behavior of poly-ester[J]. Fire and materials, 2011, 35(6): 397-409.

[9] CEYLAN Ö, ALONGI J, VAN L L, et al. Combustion characteristics of cellulosic loose fibres[J]. Fire and Materials, 2013, 37(6): 482-490.

[10] OHLEMILLER T, SHIELDS J. One and two-sided burning of thermally thin materials[J]. Fire and Materials, 1993, 17(3): 103-110.

[11] FRITZ T W, HUNSBERGER P L. Testing of mattress composites in the cone calori-meter[J]. Fire and Materials, 1997, 21(1): 17-22.

[12] PRICE D, LIU Y, HU R, et al. Burning behaviour of foam/cotton fabric combinations in the cone calori-meter[J]. Polymer Degradation and Stability, 2002, 77(2): 213-220.

[13] BOURBIGOT S, FLAMBARD X, POUTCH F, et al. Cone calorimeter study of high performance fibres-application to polybenzazole and p-aramid fibres[J]. Polymer Degradation and Stability, 2001, 74(3): 481-486.

[14] 王然,谢维斌,蒋硕萌,等. 格栅对锥型量热仪最大热释放速率测试影响研究[J]. 纺织导报,2015(3):77-79. WANG Ran, XIE Weibin, JIANG Shuomeng，et al. Influence of grid on pkHRR test of cone[J]. China Textile Leader, 2015(3):77-79.

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUSF-DH-D-2016012)

张宪胜(1987—)，男，博士生。主要研究方向为阻燃纺织品。施楣梧，通信作者，E-mail：shimeiwu@263.net.cn。

TS 107