塑料、橡胶氧指数试验方法的比较

（1．安徽华能电缆集团有限公司，安徽 芜湖 238371；2．安徽华能医用橡胶制品股份有限公司，安徽 芜湖 238371）

0 引言

目前市场上对电缆用材料提出了阻燃要求，阻燃电线电缆得到普及，然而判定材料是否具有阻燃特性，关键是考核材料氧指数指标值（即最低氧浓度值）。所谓氧指数（OI）是指在规定条件下，在（23±2）℃的氧、氮混合气流中维持材料燃烧所需的最低氧浓度，以氧所占的体积百分数数值来表示。因此，氧指数是判断材料与火焰接触燃烧的难易程度，氧指数试验方法是评价高分子材料相对燃烧的一种性能测定方法，可为实际使用中的火灾危险性提供评价依据。一般认为氧指数小于22%属于易燃材料，氧指数在22%～27%属于可燃材料，氧指数大于27%属于难燃材料。目前，国家就不同材料颁布了相应的氧指数试验方法，其中有GB/T2406—2008《塑料 用氧指数法测定燃烧行为》、GB/T10707—2008《橡胶燃烧性能的测定》、GB/T8924—2005《纤维增强塑料燃烧性能试验方法 氧指数法》、GB/T5454—1997《纺织品燃烧性能测定 氧指数法》，而电缆企业常用的材料主要是塑料和橡胶，该文主要分析比较这2 种材料的氧指数试验方法。

1 塑料、橡胶氧指数试验方法的相同点

1.1 采用标准相同

塑料、橡胶氧指数试验方法均采用ISO4589：1996《塑料 用氧指数法测定燃烧行为》国际标准。但是GB/T2406.2—2009《塑料 用氧指数法测定燃烧行为，第2 部分：室温试验》标准等同ISO4589-2：1996 标准，而GB/T10707—2008《橡胶燃烧性能的测定》标准则是等效采用ISO4589：1996 标准。

1.2 试验原理相同

塑料、橡胶氧指数试验方法原理相同，均是将试样垂直固定在透明的燃烧筒内，燃烧筒内有向上流动的氧和氮的混合气体，用点火器点燃试样，观察试样的燃烧特性，记录试样持续燃烧时间或燃烧长度并与规定的限定值相比较。通过在不同的氧浓度中试验，可测得维持材料燃烧所需的最低氧浓度。

1.3 试验环境要求相同

塑料、橡胶氧指数试验方法均要求所有试验均应在21 ℃~25 ℃的试验室环境中进行。

1.4 燃烧系统相同

塑料、橡胶氧指数试验方法燃烧系统均由试验燃烧筒、试验夹、气源、气体测量和控制系统、点火器、计时器和通风排烟系统等组成。

1.5 试验步骤相同

首先应按规定对制取的试验用样品进行调节，试验前要检查设备的电路、气路开关，确保其在关闭状态下。接通电源后对设备的零度和满度进行调节校正，再根据要求的氧指数，调节氧浓度值并始终保持氧、氮的压力在0.09 MPa~0.11 MPa，总流量控制在9.5 L/min~10.5 L/min。然后点燃试样，着火后应立即移去点火器，记录试样的燃烧时间和燃烧长度，观察试样的燃烧情况并对单个燃烧情况进行评价。移出试样，用另一个燃烧筒再进行试验。最后确定初始氧浓度，采用合适的步长继续试验，确定系数K 值并计算试样的最终氧指数数值。

1.6 试验判定依据相同

塑料、橡胶氧指数试验方法均要求试样点燃后，试样燃烧时间应小于180 s或燃烧长度应离试样顶端或上标线小于50 mm，且两者选一即可判定试样的燃烧行为。

2 塑料、橡胶氧指数试验方法的不同点

2.1 试样状态调节要求不同

塑料氧指数试验前，要求试样应在温度21 ℃~25 ℃和湿度45%~55%条件下调节至少88 h；对于含有易挥发可燃物的泡沫材料试样，在21 ℃~25 ℃和湿度45%~55%状态调节前，还应在鼓风烘箱内处理168 h，以除去挥发可燃物。而在橡胶氧指数试验前，要求试样应在温度21 ℃~25 ℃和湿度40%~60%条件下调节16 h 以上，然后立即试验[3]。

通过对试样进行状态调节，减小环境因素对试验结果的影响。选用阻燃聚烯烃试样进行比对试验，按标准要求调节恒湿箱的温度和湿度，并对试样进行状态调节。表1 为不同调节时间下测定的试样氧指数。

通过测试的数据可以看出，随着试样调节时间的增加，试验得出氧指数的平均结果不断降低，当调节时间满足一定时限时，氧指数保持稳定状态。不同调节时间下试样的测试结果不同，因此应严格按照试样按标准要求进行状态调节，然后进行测试，以便在标准的状态调节时间下得到准确的氧指数值。

表1 不同调节时间下试样氧指数测定结果

2.2 燃烧筒内气体流速要求不同

在进行塑料氧指数试验时，要求氧氮气体应在21℃~25℃温度下混合，且燃烧筒内通过的气体流速应控制在38 mm/s~42 mm/s。

而在进行橡胶氧指数试验时，同样要求氧氮气体应在21 ℃~25 ℃温度下混合，但要求燃烧筒内通过的气体流速应控制在30 mm/s~50 mm/s。因此，满足了塑料氧指数试验混合气体的流速，就一定能满足橡胶氧指数试验混合气体的流速要求，但是满足橡胶氧指数试验混合气体的流速，则不一定能满足塑料氧指数试验混合气体的流速要求，因此试验前应对其进行相关检测[1]。

2.3 试样点燃方法要求不同

根据塑料氧指数试验方法规定，在对电器用自撑模塑材料进行氧指数试验时，可采用顶面点燃法和扩散点燃法2 种方法点燃试样。而橡胶氧指数试验方法明确规定，在对橡胶材料进行氧指数试验时，采用顶面点燃法点燃试样。顶面点燃法是将火焰的最低部分施加于试样的顶面，也可覆盖整个顶面，使试样顶面点燃，但不能使火焰对着试样的垂直面或棱燃烧。扩散点燃法是将火焰施加于试样顶面并下移到垂直面近6 mm，直到垂直面处于稳态燃烧或可见燃烧部分达到试样的上标线为止，此时认为试样被点燃。对于易燃或可燃材料，试验时采用顶面点燃法点燃试样较容易实现；但对于难燃材料，采用顶面点燃法点燃试样，效果却不是很好，很难将试样整个顶面点燃。而采用扩散点燃法，点燃试样顶面和垂直面6 mm，使试样稳态燃烧至上标线较为容易。

选用厚度为3 mm 的阻燃聚氯乙烯试样进行比对试验，通过2 种点燃方法进行氧指数测定，点火时间均控制在30 s内，结果见表2。

表2 不同点燃方法试样氧指数测定结果

通过测试数据看出，对于厚度3 mm 的自撑试样，通过对试样扩散点燃法和顶面点燃法点燃进行对比，发现扩散点燃法检测结果较为一致。但无论是用哪种点燃方法试验，撤走点火源并开始计时，通过肉眼对试样点燃情况进行直观判断，都存在一定的误差，可能影响到试验数据，因此只有增加试验次数才能尽量减小误差。

2.4 试样燃烧类型要求不同

物质的燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，一般可分为有焰燃烧和无焰燃烧。有焰燃烧是在规定的试验条件下，材料经引燃并离开火源后，保持发光的气相燃烧，又称气相燃烧即明火，燃烧通常较为剧烈。无焰燃烧是在规定的试验条件下，材料经引燃并离开火源后，保持的辉光固相燃烧，又称固相燃烧（阴燃），俗称余辉、辉光。通常它常伴随物质的有焰燃烧而产生，虽然没有火焰，但燃烧并未停止，仍覆在被燃物表面形成大量的辉光，因此无焰燃烧仍是燃烧。而自熄则是在规定的试验条件下，材料经引燃并离开火源后，就自行熄灭不能持续燃烧。了解了上面的几个定义后，再对塑料、橡胶氧指数试验方法中试样燃烧类型进行分析。

虽然塑料、橡胶氧指数试验方法，均给出氧指数定义为在规定的试验条件下，在21 ℃~25 ℃的氧、氮混合气流中，维持材料燃烧所需的最低氧浓度。但塑料氧指数试验方法标准中明确规定燃烧是指有焰燃烧，且塑料材料在火焰熄灭后，很难发生无焰燃烧（阴燃）现象。因此通常测得的氧指数结果也是指在有焰燃烧状态下的测量值，且所测结果与多家供方提供的数据差距很小，不会超过一个1%。而在橡胶氧指数试验方法中，对燃烧并未明确规定是指有焰燃烧还是指无焰燃烧，只是在燃烧特性评定时提到，在火焰自熄后，要记录燃烧时间和燃烧长度。但是在对橡胶材料进行氧指数试验时，常会发生有焰燃烧与无焰燃烧同时存在的情况。此时按氧指数定义取值较为困难，因此常会出现供需双方检测结果差别较大的现象。如果按橡胶氧指数试验方法中燃烧特性评定提到的在火焰自熄后，记录燃烧时间和燃烧长度，此时应认为是取无焰燃烧状态下的氧指数值。因此，该公司对于橡胶材料氧指数试验通常取无焰燃烧时的氧指数值，常与供方提供的检测数据出入较大，有3%左右的差距。经过与供方沟通确认，供方提供的是有焰燃烧状态下的氧指数值，但在提供的检测报告中并未注明燃烧类型。然后要求供方提供无焰燃烧状态下的氧指数，与该公司的检测结果基本一致，同时要求供方以后在检测报告中注明所测氧指数的燃烧类型，以便供需双方检测统一。例如该公司外购的氯化聚乙烯胶料氧指数测定情况，结果见表3[2]。

表3 外购的氯化聚乙烯胶料氧指数测定结果

从后期的供货检测情况来看，供方注明燃烧类型的氧指数值与该公司实际检测数值基本一致，且供方质量稳定可满足我公司要求。经协商统一后，顺利解决了双方存在的问题，同时促进了双方合作共赢、互惠互利关系。

3 氧指数测定注意事项

3.1 氧指数受环境温度的影响

氧指数法是在实验室条件下评定材料燃烧性能的一种方法，一般氧指数值是在常温常压下测得的。然而，实际材料氧指数与所处环境温度的关系极为明显。同一种材料，当它所处的环境温度升高，材料就越来越容易点燃，既氧指数值越来越小。因此氧指数与环境温度有着密不可分的关系，说明测试某种材料氧指数值时，应该以一定的环境温度为基础；或在确定环境温度的前提下，方可进行材料氧指数值的比较。

3.2 氧指数受试样长度的影响

国家标准规定氧指数试验时试样的长度为70 mm~150 mm，目的是为了与试验燃烧筒的长度保持一致，使燃烧筒内小环境混合气体中的氧浓度均匀恒定。选用阻燃聚烯烃试样进行比对试验，测定不同试样长度样品氧指数，结果见表4。

表4 不同试样长度样品氧指数测定结果

通过测试数据看出，当试样长度较短时，受检试样的燃烧区域上方距离燃烧筒顶部有相当大的距离，因此火焰燃烧所需的氧气完全由仪器本身支持，不受燃烧筒外气流影响。但是随着试样长度的增加，受检试样的燃烧区域与燃烧筒顶部的距离变短，火焰燃烧所需氧气的流动，根据燃烧筒外气流的影响程度逐渐加大。为了能够支持火焰燃烧，仪器本身就需提供更多的氧气以满足火焰燃烧，结果就使测得的氧指数值逐渐增大。因此，应将受检样品的长度规定为某一个特定值而非范围值，以减小环境空气流动对燃烧筒内燃烧状况的影响。而目前市场上所售氧指数制样刀具多数长为110 mm，正是验证了此点。

4 结语

在塑料、橡胶氧指数的试验方法中，既有相同点也有不同点，试验时应认真细致，特别是关于试验方法中的试样点燃方法和试样燃烧类型的鉴别，试验前应明确试验条件、试验方法等因素，以提高试验结果的准确性，减少因人为误差而带来人力、物力、财力上不必要的损失，希望该文能给同行提供些许参考。