解析常見(jiàn)的燃燒檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塑料阻燃性能的表征

 

（一）常見(jiàn)燃燒檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)

 

（1）UL 94 垂直燃燒測(cè)試簡(jiǎn)介

 

試樣燃燒行為                                    V-0        V-1      V-2

試樣數(shù)                                           5         5        5

每個(gè)試樣點(diǎn)燃次數(shù)                                 2         2        2

每個(gè)試樣每次點(diǎn)燃后單個(gè)試樣最長(zhǎng)有焰燃燒時(shí)間/s      ≦10     ≦30      ≦30

第二次點(diǎn)燃后單個(gè)試樣最長(zhǎng)無(wú)焰燃燒時(shí)間/s            ≦30     ≦60      ≦60

5個(gè)試樣10次點(diǎn)燃后有焰燃燒總時(shí)間/s                ≦50     ≦250     ≦250

有無(wú)引燃熔滴和熔滴是否引燃脫脂棉                  否       否        是

是否燃燒到夾具                                    否        否        否

（2）IEC 60695 灼熱絲測(cè)試簡(jiǎn)介

灼熱是用直徑為 4ｍｍ的鎳/鉻絲制成的環(huán)。試驗(yàn)時(shí)，用夾具將

樣品夾住，夾具可以在軌道上移動(dòng)。灼熱絲通電加熱達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

定的溫度，移動(dòng)夾具，使灼熱絲以 0.8Ｎ～1.2Ｎ力施加在樣品上，

施加時(shí)間為三十秒。在厚約 10ｍｍ的平滑白松木板上緊裹一層絹

紙作為鋪底層，置于灼熱絲施加點(diǎn)下方(200±5)ｍｍ處。如果樣

品未起燃，或雖然起燃，但在灼熱絲移去三十秒內(nèi)自動(dòng)熄滅，且

不引燃鋪底層，則判灼熱絲試驗(yàn)通過(guò)。

 

（3）UL 1581 VW-1 線(xiàn)材測(cè)試簡(jiǎn)介

VW-1 是電線(xiàn)的防火等級(jí)。其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)驗(yàn)規(guī)定試樣(有金屬芯的線(xiàn)材，直徑有不同規(guī)格）保持垂直，

用試驗(yàn)用的噴燈(火焰高度 125mm，熱功率 500W)燃燒 15 秒鐘，然后停止 15秒鐘，反復(fù) 5 次。 

合格標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）剩余火焰不可超過(guò) 60 秒鐘。

（2）試樣不可燒損 25%以上。

（3）墊在底部的外科用棉不可被落下物引燃。

（4）ASTM D2863 極限氧指數(shù)測(cè)試

氧指數(shù)的定義：

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，在氧氮混合氣流中，測(cè)定剛好能維

持材料燃燒的以體積百分?jǐn)?shù)表示的最低氧濃度。氧指數(shù)是

用來(lái)判斷材料在空氣中與火焰接觸時(shí)燃燒的難易程度。

具體測(cè)試方法：

（1）將試樣垂直固定在燃燒筒中，使氧、氮混合氣流由下

向上流過(guò)。

（2）用點(diǎn)火器點(diǎn)燃試樣頂端，同時(shí)記時(shí)和觀(guān)察試樣燃燒長(zhǎng)度，

與所規(guī)定的判據(jù)相比較。

（3）在不同的氧濃度中試驗(yàn)一組試樣，測(cè)定塑料正好維持平衡

燃燒時(shí)的最低氧濃度，用混合所中氧含量的體積百分?jǐn)?shù)表示。

（4）氧濃度%=氧流量/(氧流量+氮流量)X100%

部分塑料的極限氧指數(shù)

 

聚甲醛  16                      環(huán)氧樹(shù)脂  20

聚甲基丙烯酸甲酯  17            聚碳酸酯  27

聚乙烯  17                      聚氯乙烯  47

聚丙烯  17                      聚砜  60

聚苯乙烯  18                    聚四氟乙烯  95

 （二）不同檢測(cè)燃燒檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程塑料阻燃性能的表征

 

（1）在阻燃 PP（十溴阻燃或八溴）和阻燃增強(qiáng) PBT（十溴阻燃，15％GF）中，即使添加過(guò)量的阻燃劑，灼熱絲依然不能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；但是其在UL 94 垂直燃燒測(cè)試中能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到離火即熄的水平；而氮磷系列膨脹型阻燃劑添加量越多，其灼熱絲和UL94 V0 測(cè)試的阻燃效果都是越好；為什么會(huì)出現(xiàn)上述情況？ 

上述情況的出現(xiàn)是由于阻燃劑的阻燃機(jī)理不同造成的。

如采用溴系阻燃劑熔滴帶走熱量的機(jī)制，則體系要達(dá)到一定溫度，使阻燃劑分解，才能順利滴落把熱量帶走，所以體現(xiàn)在 850℃灼熱絲比 750℃灼熱絲反而更好通過(guò)；同樣由于滴落這種體系，所以通過(guò)測(cè)試的偶然性也要大很多。

UL94 燃燒的氣體是甲烷氣體，噴頭的溫度為 750 度，用藍(lán)火進(jìn)行燃燒火焰測(cè)試；而灼熱絲采用的是燈絲溫度達(dá)到所需要測(cè)試的溫度。用 UL94 V0 測(cè)試時(shí)，噴頭的火焰一直對(duì)垂直的樣條燃燒，能夠持續(xù)不斷的給予穩(wěn)定火焰，有利于體系阻燃劑分解發(fā)揮作用，從而通過(guò)熔滴帶走熱量；而灼熱絲僅僅是插入測(cè)試樣品中間，阻燃劑分解的程度比不上 UL94 V0 的體系，所以阻燃劑分解和熔滴效果要差點(diǎn)，延燃時(shí)間要長(zhǎng)很多。因此，即使通過(guò)加入更多的阻燃劑，從機(jī)理上不能解決延燃的問(wèn)題。如同滴落體系薄制件的阻燃反而比厚制件的好做（主要是能否及時(shí)帶走熱量） 。  采用膨脹型成碳阻燃劑能夠解決上述問(wèn)題，因?yàn)轶w系是成碳的原理，灼熱絲插入制品后，灼熱絲周?chē)商?，阻燃劑的添加量越多，其成碳效果越好，可以達(dá)到完全沒(méi)有延燃時(shí)間。其阻燃機(jī)制一樣符合UL94 V0 燃燒測(cè)試。

    

	阻燃 PP（十溴阻燃或八溴） 阻燃增強(qiáng) PBT（十溴阻燃，15％GF）	氮磷系阻燃 PP 或PBT
阻燃機(jī)理	氣相阻燃//熔滴帶走熱量	成炭//(膨脹或氣相阻燃)
UL94 測(cè)試	薄制件易熔滴，易達(dá)到 V-0。 厚制件不易熔滴，不易達(dá)到 V-0。	厚制件易成炭，易達(dá)到 V-0。 薄制件不易成炭，不易達(dá)到 V-0。
ICE 60695灼熱絲	850℃灼熱絲測(cè)試易熔滴，易通過(guò)。 750℃灼熱絲測(cè)試熔滴略難，通過(guò)略難。 增加阻燃劑用量，改善不大。	薄制件/850℃灼熱絲測(cè)試成炭略難，通過(guò)略難； 增加阻燃劑用量，改善明顯。 相同條件 750℃灼熱絲更容易通過(guò)，溫度越低， 碳層的保護(hù)效果越好。

（2）氫氧化物用于 PE 能夠擁有非常高的氧指數(shù)（一般都38以上） ，但是其比較難通過(guò) UL 94 V0 或者 VW-1。氮磷系列膨脹型阻燃劑用于 PE 氧指數(shù)不算太高（一般僅僅32 左右） ，但是其較易通過(guò) UL94 V0 或者VW-1。為什么？

這一方面是由于氫氧化物和氮磷系膨脹型阻燃劑阻燃機(jī)理造成的，另外一方面是由于燃燒檢測(cè)方法的不同所造成的。 氫氧化物由于依靠釋放結(jié)晶水吸熱阻燃，其能夠降低體系的溫度，從而抑制燃燒過(guò)程，但是如果氫氧化物的量不夠的話(huà)，不能夠熄滅火焰，所以其正好符合氧指數(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，降低溫度的過(guò)程，延遲了燃燒的進(jìn)行，導(dǎo)致其有較高的氧指數(shù)，但是由于其不能完全熄滅火焰，導(dǎo)致其不能滿(mǎn)足 UL94 垂直燃燒的要求。而氮磷系膨脹阻燃劑完全依靠成炭達(dá)到阻燃的目的，如果不能夠完全結(jié)炭覆蓋塑料表面，火焰?zhèn)鬟f速度不會(huì)變慢，所以其氧指數(shù)相對(duì)要低些，但是，一旦碳層形成，火焰就會(huì)立刻熄滅，表現(xiàn)

出 UL94 V0輕松達(dá)到。

 

 （3）某些阻燃聚苯乙烯具有非常高的氧指數(shù)，但是其UL94測(cè)試效果很差，為什么？

這是聚苯乙烯的降解機(jī)制引起的。大部分塑料的燃燒降解過(guò)程是大分子斷鏈，經(jīng)過(guò)一系列的降解才成為小分子的。而聚苯乙烯的降解基本上直接降解為小分子。由于氧指數(shù)的測(cè)試是樣條頂部點(diǎn)燃火焰，聚苯乙烯降解的小分子立刻從頂部釋放，不會(huì)引燃聚苯乙烯體系，導(dǎo)致其氧指數(shù)測(cè)試數(shù)值很高；而UL94 的測(cè)試是樣條從底部點(diǎn)燃火焰，聚苯乙烯降解的小分子立刻被底部的火焰點(diǎn)燃，加速了這個(gè)聚苯乙烯體系的燃燒，所以顯示出阻燃聚苯乙烯具有非常高的氧指數(shù)，但是其 UL94測(cè)試效果很差。

（4）添加相同分?jǐn)?shù)的氮磷膨脹型阻燃劑在聚乙烯和聚丙烯中，UL94 的級(jí)別為什么會(huì)存在差異？

添加相同分?jǐn)?shù)的氮磷膨脹型阻燃劑在聚乙烯和聚丙烯中，阻燃聚丙烯更容易達(dá)到 UL94 V0，而阻燃聚乙烯可能僅僅才為 UL94 V2，只有加入更多的阻燃劑，阻燃聚乙烯才能夠達(dá)到 UL94 V0。 出現(xiàn)上述情況是由于聚乙烯和聚丙烯的降解機(jī)制所引起的，聚乙烯大約在 335～450℃之間分解，其燃燒熱值為 45.9MJ／kg；而聚丙烯分子結(jié)構(gòu)中與叔碳原子相連的 H 活潑性大，與聚乙烯相比，降低了其熱穩(wěn)定性，熱分解過(guò)程中，聚丙烯的分子量降低首先出現(xiàn)在 227～247℃之間，在 302℃以上時(shí)，分解變得顯著，其燃燒熱值為 44.0MJ／kg。氮磷系膨脹型阻燃劑大約在 250℃左右開(kāi)始發(fā)揮效果，其與聚丙烯的匹配效果更好；而在聚乙烯中，在聚乙烯降解前，已經(jīng)消耗更多的阻燃劑；同時(shí)聚乙烯的燃燒熱也是大于聚丙烯的。

（5）不同的環(huán)境下是否要求不同程度的灼熱絲標(biāo)準(zhǔn)？

是的，普通情況下的灼熱絲標(biāo)準(zhǔn)如前所述。

目前，電器對(duì)阻燃方面的要求越來(lái)越高，IEC60335 灼熱絲（即無(wú)人看管電器標(biāo)準(zhǔn)）要求是灼熱絲溫度 750℃，2S 熄滅。許多阻燃劑不能夠穩(wěn)定地做到上述阻燃，但是氮磷系膨脹型阻燃劑能夠很輕松的通過(guò)上述測(cè)試，其正是依靠密閉的碳層，將火焰隔氧熄滅?？梢酝ㄟ^(guò)阻燃劑的加入量，來(lái)調(diào)節(jié)阻燃效果。

 

（6）是否阻燃體系滴落就不能達(dá)到UL 94 V-0 的標(biāo)準(zhǔn)？

從 UL 94V-0的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，如果體系滴落但是不引起燃棉的話(huà)，一樣能夠通過(guò) UL 94V-0。當(dāng)然，從阻燃機(jī)理上來(lái)說(shuō)，不滴落的 UL94 V-0比滴落的 UL 94V-0 的阻燃要穩(wěn)定很多，因?yàn)榈温涞倪^(guò)程存在偶然性，也可能出現(xiàn)很多樣品中出現(xiàn)少量的滴落燃棉的現(xiàn)象，而不滴落阻燃則穩(wěn)定很多，適用范圍也大很多，并能夠適應(yīng)于更多的阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

 （7）是否阻燃制品通過(guò)UL 94V-0 標(biāo)準(zhǔn)就代表阻燃劑能夠滿(mǎn)足最終的阻燃要求？

一般來(lái)說(shuō)，我們測(cè)試制品的阻燃可以通過(guò) UL 94V-0，并不能說(shuō)這個(gè)阻燃制品一定具備阻燃效果。根據(jù) UL746C 標(biāo)準(zhǔn)， 制品通過(guò) 70℃×168h 浸水后阻燃依然保持 UL94 V0 的標(biāo)準(zhǔn)， 才具有真正的阻燃意義。如果制品不能夠通過(guò) UL746C 標(biāo)準(zhǔn)，則表明制品內(nèi)的阻燃劑可能存在析出以及不耐水，不能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用的要求。

 

（8）經(jīng)?？吹接腥酥苯佑么蚧饳C(jī)測(cè)試擠出的樣條來(lái)判斷材料的阻燃性，其存在一定的合理性，也存在一定的局限性，為什么？ 直接用打火機(jī)對(duì)制品進(jìn)行阻燃測(cè)試，對(duì)于鹵素體系，比較容易判斷，因?yàn)槠潴w系的機(jī)制決定了產(chǎn)品的密實(shí)程度對(duì)于阻燃效果影響不大；同樣氫氧化物體系也是這樣；但是對(duì)于氮磷系成炭阻燃體系，由于依靠成炭機(jī)制，產(chǎn)品的密實(shí)程度對(duì)阻燃影響比較大，如剛擠出的條子，其密實(shí)程度有限，內(nèi)部可能存在一些氣泡，對(duì)于成炭有副作用，而經(jīng)過(guò)注塑后的制品其密實(shí)度大大加強(qiáng)，成炭效果也更加的迅速。

（9）VW-1 的燃燒測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似與哪些燃燒測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)？

VW-1 燃燒測(cè)試類(lèi)似垂直燃燒，既與 UL94 燃燒測(cè)試類(lèi)似，但是一般來(lái)說(shuō)，VW-1 燃燒測(cè)試要求比 UL94更高。

 

（10）是否燃燒測(cè)試方法只有以上四種形式呢？

以上四種燃燒測(cè)試方法是目前主要應(yīng)用到的測(cè)試方法，燃燒測(cè)試還有很多表征的方法測(cè)試，并不僅僅是通過(guò)了以上四種測(cè)試，就代表阻燃材料的阻燃性合格。針對(duì)不同的環(huán)境以及要求，阻燃材料還有許多各種各樣的要求，比如：煙密度的要求，材料在某些環(huán)境下水平燃燒的要求，針焰測(cè)試要求等等。熟悉了解材料的測(cè)試要求，才能夠更好的推薦合適的阻燃劑給予客戶(hù)，幫助客戶(hù)做出性能達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。