木材和木质材料是极为重要的原材料, 有着广泛的用途。由于木质材料是由碳、氢、氧等元素组成的有机化合物, 故有可燃性, 在建筑中属可燃性材料, 所以预防木质材料发生火灾是人们极其关注的问题。众所周知, 火灾一旦发生, 将会带来重大的经济损失和人身伤亡, 同时, 木质材料在燃烧过程中会放出许多烟雾和有毒气体, 如烟尘和 CO 等, 将造成环境的污染[ 1, 2] 。因此木质材料的阻燃处理越来越被人们所重视。许多国家都以法律的形式要求使用阻燃材料, 并制定了相应的材料可燃性能的标准实验方法[ 3]。国内外许多专家和学者对木质材料的阻燃处理都进行了大量的研究, 其检测和分析手段也从简单地分析木质材料的燃烧过程发展到深入系统地评价阻燃木质材料的阻燃性能和机理。
一、点燃性的检测
1、氧指数法
氧指数( LOI) 是指在规定条件下, 试样在氧、氮混合气体中刚好能维持燃烧时所需的最低氧浓度。测定氧指数对实验室内筛选阻燃剂配方、初步确定材料的燃烧性能是一种简便、易行、重复性好的方法。标准有中国标准 GB 2406-93, 国际标准ISO/ T C61 D P 4589. 3, 美国标准ASTM D 2863-77, 前苏联标准 OCT 16363, 日本标准 JISD 1322-77 等。
通常采用氧指数仪测定氧指数, 这是一种简单
易行的测试方法, 也是人们测试材料阻燃性能好坏
的常用方法。测试材料的氧指数越高, 表明该材料的
难燃性越好。如日本标准 JISD 1322-77 根据氧指数
的高低将材料的难燃性划分为 3 个等级: LOI≥30
为难燃一级, 27≤LOI< 30 为难燃二级, 24≤LOI<
27 为难燃三级。
2、点着温度的检测
点燃温度可定义为在规定的条件下, 从材料中放出的可燃气体经外火焰点燃并燃烧一定时间的最低温度。点燃温度可表示不同树种木材及采用不同药剂、不同处理方法的阻燃处理木材点燃性能的差异及变化规律, 对进一步探讨材料的燃烧、阻燃机理有一定意义。国家标准有 GB 4610-84( 塑料燃烧性能实验方法——点着温度的测定) , 国外相同的标准有国际标准ISO 871 等。
点燃温度是用点燃温度仪进行测定的。检测方法是采用一个圆形锭炉, 将装有粉末试样的不锈钢容器放入保持一定温度的炉中, 测定用外火焰点燃并维持 5 s 燃烧的最低温度。
二、发烟性的检测
1、重量法
根据材料燃烧发烟前后重量的变化推算发烟量, 如美国标准 ASTM D757。
2、分析法
将烟中水溶气体、非水溶气体及固体烟尘分别收集在不同容器中, 再分别进行定量分析, 如日本标准 JIS K 7217。
3、测光法
通过烟雾对光的吸收而产生的对光遮蔽或光强度衰减程度来测算发烟量, 如日本标准 JIS D 1201。我国国家标准 GB 8627-88( 建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法) , 其原理与测光法基本一致。
三、热分析技术
热分析法是测定物质的某些物理参数与温度关系的方法, 用于研究木质材料的热分解( 热降解) 、燃烧、阻燃机理及测定与热相关的物理量( 如热容、热导率等) 。利用热分析技术可以研究木质材料随温度的变化其重量及热效应的变化情况。当木质材料中加入不同的阻燃剂时, 由于阻燃剂的作用, 导致木质材料的热分解过程变化以及燃烧性能的变化。因此,热分析技术为评价木质材料的阻燃性能和研究阻燃机理提供了有效的手段。热分析技术包括热重分析( TG) 、差热分析( DT A) 、差示扫描量热法( DSC) 、热—力分析和热分析联用技术等。
1、热重分析
热重法又称热失重法, 是在程序升温的环境中,测量试样的重量对温度( 或时间) 依赖关系的一种技术。它通过对被分析物的降解过程加以记录, 得出其分析过程中的重量变化及失重速度, 进而对其可燃性和燃烧过程中的稳定性做出评估。在热图谱上横坐标为温度 T( 或时间 t) , 纵坐标为样品保留重量的分数, 所得的重量—温度( 或时间) 曲线成阶梯状。有的聚合物受热时不止一次失重, 每次失重的百分数可由该失重平台所对应的纵坐标数值直接得到。失重曲线开始下降的转折处即开始失重的温度为起始分解温度, 曲线下降终止转为平台处的温度为分解终止温度。热重分析采用热重分析仪进行测量。热重分析仪由加热器、温度控制器、微量热天平、放大器和记录仪组成。
2、差热分析
差热分析有时也称为热流分析, 是使试样和参比物在程序升温或降温的相同环境中, 测量两者的温度差随温度( 或时间) 的变化关系的一种技术。DT A 图谱的横坐标为温度 T ( 或时间 t) , 纵坐标为试样与参比物之温差 $T = T s- T r, 所得的 $T - T曲线称差热曲线。在曲线中出现的差热峰或基线突变的温度与聚合物的转变温度或聚合物反应时吸热或放热有关。DT A 仪器由控温炉、温度控制器、温度检测器及数据处理装置组成。
3、差示扫描量热法
差示扫描量热法又称为差动分析, 是使试样和参比物在程序升温或降温的相同环境中, 用补偿器测量使两者的温度差保持为零所必须的热量对温度( 或时间) 依赖关系的测试分析方法。DSC 的热图谱的横坐标为温度 T , 纵坐标为热量变化率 dH/ dt, 得到的( dH/ dt ) —T 曲线中出现的热量变化峰或基线突变的温度与聚合物的转变温度相对应。差动分析仪与差热分析仪的结构相似, 由控温炉、温度控制器、热量补偿器、放大器和记录仪组成。与 DT A 不同, 在 DSC 方法中采用热量补偿器以增加电功率的方式可迅速对参比物或试样中温度低的一方给予热量的补偿。所做功即为试样的吸放热变化量, 通过记录下的DSC 曲线直接反应出来, 从而可以从图谱的吸放热峰的面积得到定量的数据。
4、热—力分析
热—力分析是研究高聚物( 如木质材料等) 在程序受热条件下的力学分析方法, 其测试方法主要包括热机械曲线法、扭摆法、纽辫法、动态粘弹谱法及振簧法, 前 1 种为静态力学方法, 后 4 种为动态力学方法。木质材料的链结构决定了它所具有的粘弹性,同时也决定了它的力学状态。用热—力分析的方法可以分析木质材料的各种转变温度( 如玻璃化转变温度和粘流温度等) 与其结构性能的关系、测定木质材料弹性存储模量 E′, 损耗模量 E″和损耗角正切tgD的大小及由于克服高分子链内摩擦能量的变化规律, 探索木质材料的多重转变规律等。
5、热分析联用技术
由不同仪器的特长和功能相结合, 实现联用分析、扩大分析内容, 是现代热分析技术发展的一个趋势。为了得出准确的分析结果, 揭示热过程的本质,单靠一种热分析技术是不够的。早在上世纪 70 年代就开始了热分析联用技术的研究, 在程序控温下对一个试样同时采用多种热分析技术或热分析与其它分析技术联用, 测量物质的物理性质和化学性质随温度变化的关系。最常使用的有 T G-DTA , TGDSC,T G-DTA/ DSC 联用分析技术, 近期发展的有动态热机械分析仪与介电分析联用及与流变仪联用分析技术等。此外, 热分析技术与质谱、红外光谱、傅
里叶变换红外光谱等联用的逸出气体分析( EGA)技术也有较快的发展, 尤其在接口及气体导入技术方面。
四、火焰传播性的检测
1、45°角薄板燃烧法
45°角薄板燃烧法又称小室燃烧法或斜面燃烧法。它是将阻燃处理后的薄板先称重, 然后置于燃烧室 45°角支架上, 用一定高度的火焰点燃一定时间,火源熄灭后计算阳燃及阴燃时间, 并测定炭化面积和失重值。日本防火胶合板标准规定: 薄板厚度 5mm, 火焰长度 65 mm, 将火焰尖端置于试样表板中心位置, 燃烧 2 min。火焰熄灭后, 阳燃时间小于 10s, 阴燃时间小于 20 s, 炭化面积小于 50 cm2 为合格。我国标准有 ZBG 51003-85, 日本标准有 JISA1322-66, 美国标准有 AST M D 1360-79 等。
2、隧道炉法
隧道炉法又称火焰传播指数测试法, 用于模拟失火现场材料表面燃烧时火焰传播速度和距离。该方法是将 600 mm×900 mm×8～10 mm 的试样放入隧道炉中, 外火焰点燃试样一定时间, 测定该段时间内火焰沿材料表面传播的速度以及与某种不燃性材料如石棉标准板表面的火焰传播速度和某种可燃材料如栎木板材表面的火焰传播速度之间的相关公式, 计算出材料的火焰传播指数( FSI) 。FSI 数值越小, 材料的阻燃性能越好。我国行业标准有 ZBG51002-85( 防火涂料防火性能测试方法) , 美国标准有 ASTM E 69-50 等[ 11] 。
3、火传播试验方法
该方法是将试样置于一个既有热辐射源又有明火点燃的燃烧箱中, 通过试样燃烧时烟气温度与不燃性标定板被点燃时烟气温度之间的相关公式计算火传播指数, 并根据此指数考察材料燃烧时火与热的传播性。我国有待批标准GB ××××—××( 阻燃木材燃烧性能试验——火传播试验方法) , 国外同类标准有英国标准 BS 476 Part 6。
五、燃烧热和放热速度的检测
燃烧热是单位质量材料完全燃烧时所释放的热量。放热速度是材料燃烧时单位质量、单位时间放出的热量。二者是消防部门需要考虑的基本参数之一。
六、其它检测方法
1、锥形量热仪法
锥形量热仪( CONE) 是以量热学耗氧原理为基础, 集多种独立试验方法于一体的试验仪器, 又是一种小比例火灾模拟试验仪, 目前被公认是一种科学、合理而先进的试验仪器。通过 CONE 法可获得木质材料在火灾中的多种燃烧参数, 包括热释放参数( 如热释放速率、总释放热和有效燃烧热等) 、点燃参数( 如点燃时间) 、烟及毒性参数( 如烟比率、烟灰产率和比消光面积等) , 可从不同角度评价木质材料的燃烧性和阻燃性[ 12] 。
2、木垛法和火管法
两者均是以材料燃烧前后重量变化即失重率为主要指标衡量材料燃烧性能的方法。木垛法的标准有美国的 ANST / ASTM 160-80 和中华人民共和国公共安全行业标准 GA/ T42. 1-92( 阻燃木材燃烧性能试验方法——木垛法) ; 火管法的标准有美国的AN SI/ A ST M E 69-80、法国标准 DIN 4102, 日本标准 JISA 1322 和英国标准 BS 476 等。
