高温氧指数测定试验数据研究

金富 张春野 白日昌 刘惠婧

【摘要】高温氧指数测定试验是在传统氧指数测定方法基础上附加了温度影响因素的一种新型试验方法。是一种较比传统氧指数测定更加严格的测试方法，高温氧指数测定针对长期暴露在热源辐射条件下的保温材料和装饰材料更加符合使用场景的燃烧性能要求，更贴近材料本身的使用场景。通过对高温氧指数测定实验数据的研究可以加深对常规装饰装修材料特别是保温材料在高温环境下的燃烧性能的认识。对在高温环境下氧指数测定结果下降较大的影响因素开展研究，可以有效地提高材料的燃烧性能，丰富其使用场景和应用领域。

【关键词】高温氧指数测定；试验方法；保温材料；装饰装修材料

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.022

【基金项目】本文受辽宁省市场监督管理局科技计划项目“高温氧指数测定在保温材料阻燃性能研究中的应用”（2022ZC011）资助。

High Temperature Oxygen Index Test Data Study

JIN Fu， ZHANG Chunye， BAI Richang， LIU Huijing

（Liaoning Inspection， Examination and Certification Centre〔Liaoning Institute of Product Quality Inspection〕， Shenyang 110036， China）

Abstract： The high temperature oxygen index test is a new test method based on the traditional oxygen index test method with the addition of temperature factors. It is a more stringent test method under the condition that the measured object meets the oxygen index， which is more in line with the combustion performance requirements of the use scenario for the thermal insulation materials and decorative materials exposed to the heat source radiation for a long time. Through this study， we can deepen the understanding of the combustion performance of conventional decoration materials， especially insulation materials， under high temperature environment. Especially in the high temperature environment， the research on the factors that affect the great decline of the oxygen index results can effectively improve the combustion performance of the material， and enrich its use scenarios and application fields.

Keywords： high temperature oxygen index； test method； thermal insulation material； decorating and refurbishing materials

高温氧指数测定是模拟被测材料在不同温度条件下燃烧性能的试验方法。与传统氧指数测定试验的区别体现在，传统的氧指数测定适用于被测材料在规定环境温度下，在氧、氮混合气体中能维持燃烧的最低氧浓度。用来评定材料在特定试验要求条件下的燃烧性能。高温氧指数测定是分析被测材料在高温环境下特别是在高温热辐射影响下的燃烧性能。考虑到苯板、挤塑板、聚氨酯等有机保温装饰材料在温度升高的条件下其氧指数测定数据都存在不同程度的下降[1]，因而当环境温度升高时，苯板、挤塑板、聚氨酯等有机保温材料比在试验要求的环境温度条件下更易燃烧[2]。常规的氧指数测定试验不能完全体现出材料在高温状态下的燃烧性能。因此高温氧指数测定对于測试长期暴露在热源高温辐射环境下的保温材料和装饰装修材料的燃烧性能更加具有实际指导意义。高温氧指数测试仪如图1所示。

1检测设备介绍

高温氧指数测定仪相比传统的氧指数测定仪加入了试验环境温度控制环节。它采用PID算法调节电阻丝的输出功率，以达到对燃烧筒内温度进行调节的作用。氧气、氮气混合气体由燃烧筒下方注入，为了保证测试结果的准确性在每次开展试验前应预先设定氧气浓度和燃烧筒温度并使设备充分预热，保证燃烧筒内的温度稳定，预设定浓度的气体均匀、充分的环绕在试样周围。高温氧指数测定仪设计原理如图2所示。

高温氧指数测定仪由氧气、氮气混合气体模块、燃烧筒、试样架、K型热电偶，以及控温模块和上位机系统组成。其中，燃烧筒温度控制系统和氧气、氮气混合气体控制系统分别使用PID温度控制器和PLC单片机进行设置，两套系统不交叉控制。上位机系统具有计算和输出控制指令的能力。PLC单片机具有接受上位机指令并输出控制信号的能力。上位机系统通过串口与PLC单片机连接并传输控制指令；PLC单片机通过同轴电缆信道与氧指数测定仪混合气体控制模块连接。高温氧指数测定仪设计原理图如图3所示。

PID算法主要的作用是修正实际输出的电流值和预期设定值之间的偏差，调整下一次的输出值，使输出值更接近于预期设定值，进而提高系统的精度和响应时间。

高温氧指数测定仪要求燃烧筒的温度控制要准确稳定并且快速响应。温度的控制常常伴有滞后性和非线性的特点。由于燃燒筒的上方是敞开的同时又有混合气体在燃烧筒下方不断注入。燃烧筒温度的控制容易受外界因素的影响，因此在燃烧筒的控制设计上选用模糊PID算法，对温度进行调节并达到平衡状态。PID算法示意图如图4所示。

2对比实验设计

聚苯颗粒保温板具有质地均匀、良好的阻燃性能、优异的保温性能等优点，并且价格低廉，在墙面保温材料中应用最为广泛，非常具有产品代表性。因此，选择聚苯颗粒保温板作为本次对比试验的样品。本次对比试验计划采用同一批次生产的容重约为18 kg/m3的聚苯颗粒保温板作为对比样本。这样可以有效规避不同容重、不同生产批次以及阻燃剂陈化周期在氧指数测试结果上带来的误差。

对比试验的样品被均匀制备成国标GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验》[3]要求的统一长度，并按照标准要求在温度25℃、湿度55%的条件下状态调节96 h。规避状态调节时间不充分对试验结果的影响。试验前期准备完成后计划分别在燃烧筒温度为25℃、35℃、45℃、55℃、65℃的条件下，在相同的实验室环境中开展氧指数测定试验，按顶面点燃法进行氧指数测试。每组样品在燃烧筒不同温度条件下分别进行3组试验，并将试验结果取平均值。目的是观测同一样品在不同环境温度下的燃烧状况并加以记录，为研究不同温度条件下的氧指数测定影响因素提供一定的研究数据。高温氧指数测定数据如表1、图5所示。

3试验数据分析

通过氧指数测定试验数据可以验证当聚苯颗粒保温板在常温环境下的氧指数数据略高于高温环境下的氧指数测定结果。以试验样品的氧指数结果为例，当以国标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》要求的环境条件进行测试时，它的氧指数测定结果为31.1%，随着环境温度的增加，当燃烧筒温度为55℃时的氧指数测定结果为29.7%，当燃烧筒温度为65℃时的氧指数测定结果为29.1%。GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》[4]中对B1级墙面保温泡沫塑料制品的氧指数要求为≥30.0%，B2级墙面保温泡沫塑料制品的氧指数要求为≥26.0%。同一组聚苯颗粒保温板样品当在国标要求条件下进行试验时，可以满足B1级要求，但当提出更加苛刻的环境条件要求时，样品的氧指数测定结果就无法满足B1级要求，仅可满足B2级要求。

这是由于当温度升高时，材料本身的分子结构更加活跃，易于被引燃或者表现为燃烧更加充分。一方面，材料的燃烧是一种复杂的化学反应，以聚苯颗粒保温板为例，它的燃烧行为会受到分子运动快慢的影响，当材料本身的温度升高时会使得分子运动加快；另一方面，当材料的温度升高时能使得材料本身软化速度加快，更易被点燃，得到的试验结果是氧指数下降[5]。

4高温氧指数测定试验的应用前景

通过研究发现，在高温环境作用下我们常用的一些装饰保温材料存在一定的燃烧性能衰减现象，特别是通过高温氧指数测定试验对以上说法得到了验证。在高温环境下的燃烧性能要略低于常规环境下的燃烧性能。国家标准GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》中仅对常规条件下的氧指数测定做出了相应的规定，并未对高温氧指数测定做出相应的要求。考虑到保温装饰材料的应用范围是十分广泛的，特别是存在高温热辐射等环境恶劣的场所，保温材料需要长期被暴露在高温环境下，仅仅依靠常规的氧指数测定数据并不能够完全体现出该种材料在特殊场景的燃烧性能。因此，在保温装饰材料的设计施工规范中应对材料的适用范围做出更加详细的划分，特别是消防要求等级较高的重要场所应设立一套更为严苛的，更加适合应用场所特殊性的材料实施要求和检测制度。

5结论

随着建材行业的快速发展，保温装饰材料产品研发和应用也迎来了快速发展期，越来越多的新产品、新技术应运而生。随之而来相应的检测方法和使用场景也应更加丰富和多样化。高温氧指数测定试验是一种被认为比常规氧指数测定更为严苛的试验方法。通过测定数据分析可知，当燃烧筒温度升高时，会对氧指数测定结果带来一定的影响，甚至会影响燃烧性能分级结果。开展高温氧指数测定研究对高温热辐射场所的保温装饰材料的选择以及新产品的研发和应用具有一定的指导作用。

【参考文献】

[1]崔飞，罗静，高仲亮，等.阻燃PVC电工套管氧指数测定中的影响因素分析[J].林业劳动安全，2009，22（2）：31-35.

[2]吴勇，屈励.环境温、湿度对氧指数测定值的影响[J].消防科技，1997（1）：25.

[3]塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验：GB/T 2406.2—2009[S].

[4]建筑材料及制品燃烧性能分级：GB 8624—2012[S].

[5]龚嘉伟，陈宏业，何家威.燃烧筒温度对塑料氧指数的影响[J].建材发展导向（上），2021，19（1）：5-6.

【作者简介】

金富，男，1983年出生，高级工程师，学士，研究方向为建筑材料及消防器材检测。

（编辑：李钰双）