材料等样品中易燃性能、燃烧速率、火焰蔓延、燃烧强度检测方案

UL94水平垂直燃烧仪的正确选择 摘要：UL 94 水平垂直燃烧仪，设计为对设备和器具部件材料的可燃性能试验，众多应用于最终用途产品的易燃性能、燃烧速率、火焰蔓延、燃烧强度均可被检测，目前已经被广泛应用于该类行业。 关键词：UL94、燃烧测试、仪器 UL94是美国保险协会颁布的关于针对塑料和泡沫材料的防火测试标准，主要用以检测设备和器具部件材料的可燃性能试验，UL94针对材料的燃烧主要分成了五种测试方法，分别是： （1）、50W火焰水平燃烧测试UL 94HB40、HB75分级； （2）、50W火焰垂直燃烧测试V-0、V-1、V-2分级； （3）、500W火焰燃烧测试5VA、5VB分级； （4）、薄膜材料软性试样的垂直燃烧VTM-0、VTM-1和VTM-2分级； （5）、泡沫材料水平燃烧HF-1、HF-2和HBF分级。 下面分别对于UL94的试样架、火源和箱体的各个部分分别进行详解。 一、UL94试样测试程序 1、水平燃烧测试HB分级 试样水平放置，样品的尺寸为125mm×13mm×厚度（最大不能超过超过13mm），各自在距点燃端25mm和100mm做好标记，在距25mm标线最远端用试样夹夹持住试样，本生灯成45度角倾斜，不改变火焰的位置对试样施加30s±1s的时间，对于该试验的试样材料又分成可自撑材料和非自撑材料两种。 1） 可自撑的材料 试样水平夹持在试样夹上，下面有一片水平放置的金属网，根据UL94中2.4C部分和GB/T2408:2008中第6.6部分的规定，金属丝网是由直径为0.40～0.45mm的钢丝制成，每25mm有有20个孔，并切成125mm的方块。根据GB/T2408:2008中第8.2.2部分，试样的自由端应与金属网保持10mm的距离。 2）非自撑试样 根据UL94中第2.10A部分和GB/T2408:2008第8.2.3部分，当试样的自由端下垂不能保持10mm的距离时，应该在试样的下面放置一个支撑架，以保证试样的自由端与金属网的距离保持在10mm，伸出的支撑架距试样自由端近似10mm。在样品的被夹端，必须留有足够的间隙，一使固定物可以向旁边自由的滑动，当样品燃烧时支持固定物要以相同的速度后撤。详见图1 图1 2、垂直燃烧V分级 试样垂直放置，样品尺寸为125mm×13mm×厚度（最大不能超过超过13mm），本生灯垂直放置，根据UL94中V分级的3.14部分和GB/T2408:2008第9.2.4部分，灯口与试样保持10mm±1mm的距离，却在试样燃烧长度变化的过程中要能够保持喷灯口与试样的距离在10s±0.5s内不变，这就需要能够在垂直平面内移动本生灯。 如果在试样燃烧过程中，有熔融物或滴落物时，应将喷灯倾斜45度，以免有熔融滴落滴进喷灯口，对试样施加10s±0.1s的时间后，应立即移开喷灯，至少移开距试样150mm的距离，使其不对试样的续燃产生影响。详见图2 图2 3、500W火焰燃烧5V分级 对于500W火焰燃烧测试，根据UL94中5V4.6部分和GB/T5169.17:2002的规定，又对其分成了条形试样的易燃性测试和板行试样的耐燃穿能力的测试 1）条形试样燃烧测试 垂直试样，试样的尺寸为(125mm±5mm)×(13mm±0.5mm)×厚度（通常是所需的最小厚度，最厚不能超过13mm）。 用环形试样架在试样6mm的地方夹住试样，试样下水平放置了面积为50mm×50mm的棉垫，试样的下端与棉垫的距离为300mm±10mm，该本生灯灯管的轴心线与垂直方向的夹角为20±5度，对试样施加5次每次5s±0.1s，间隔5s±0.1s的火焰燃烧。根据根据GB/T5169.17:2002中第8.2.3部分的规定，如果在试验的过程中，条形试验样品有滴落物，卷缩和伸长，则应调整喷灯位置，使蓝色锥形焰心的锥顶刚好触及到样品的剩余部分，这就需要在实验的过程中能够能够不影响试验箱体内部环境的情况下，在垂直面移动本生灯。在每次施加完火焰后应立即移开喷灯，以免影响试样的续燃。 2)板行试样，试样的尺寸为（150mm±5mm）×(150mm±5mm)×厚度（通常是需的最小厚度，最厚不能超过13mm） 用环形试样夹水平夹持试样，喷灯与垂直面成20±5度角，使蓝色焰心的锥顶刚好触及到板形样品底面的中心，对试样施加5次每次5s±0.5s的火焰，间隔5s±0.5s，每次施加完火焰后应立即移开喷灯，以免影响试样的续燃。 根据燃烧的时间对样品进行分级 4、薄膜材料软性试样的垂直燃烧测试的VTM分级 根据UL94增加5.5条，针对太薄、变形、收缩或燃尽至试样支架的材料进行测试，样品的尺寸为200mm×50mm，延纵向缠绕在直径为12.7mm的棒上，样品垂直夹持，样品底端距燃烧器管的顶端的距离为95mm，喷灯垂直放置，对样品施加3s的火焰，撤离火焰距试样至少150mm的距离，以免影响试样的续燃，等到试样停止燃烧，立即再对试样施加3s的火焰。如果在每次施加火焰过程中，样品有掉下溶化物或燃烧物，，则燃烧器要倾斜到45度，且在施加火焰的过程中，燃烧器在样品未重叠区域稍微移动一些，以免滴落物滴进喷管。 5、泡沫材料的水平测试的HF分级 本生灯垂直放置，根据GB/T 8332:2008的5.2部分，本生灯筒身长100±10mm，内径为9.5mm±0.3mm，在5.3部分规定了灯口安装扇形喷火器的规格，翼顶开口的内部长度为(48±1)mm，内部宽度为(1.3±0.05)mm。 试样支架为长215mm，宽75mm，端部弯成直角，高为13mm，直径为0.8mm的不锈钢丝制成的6.4mm的网格状拖网，托网距箱体的前后左右的距离都要一样，位于箱体上方(175±25)mm。 根据GB/T 8332:2008的6.2部分的规定，样品的尺寸为(150mm±1mm)×(50mm±1mm)，厚度不大于13mm，试样水平放置在拖网上，试样的最前端距本生灯翼顶上方(13±1)mm。 二、实验箱体 箱体体积是这个实验设备的一大关键，因为在试验的过程中，箱体几乎是密封的，与外界没有气体交换，为了保证箱体内燃烧时氧气的消耗不影响试样的测试结果，在GB/T2406:2008中的第6.1部分对于做HB分级和V分级的测试实验箱体的体积规定至少为0.5m³，GB/T8332:2008中的第5.1部分对于做泡沫材料HF分级时测试箱体的体积至少为0.5m³。以上三个分级测试的火焰都为为50W火焰；对于GB5169.17:2002 500W火焰的测试，因为火源更加强烈，对于氧气的消耗更大，则相应的对于箱体的体积要求也就更大，至少为0.75m³。 综上所述，为了保证这个实验准确的进行，符合各个分级测试的要求，实验箱体的体积至少为0.75m³。 试验箱体内部必须呈现暗色，当用一个面向试验箱后面的照度计置于试样的位置，记录的照度值应低于20lx。同时试验箱应配备有能够完全关闭的抽风扇，以排除实验完毕后产生的有毒产物。 3、本生灯 本生灯符合ASTM D5025，灯管长100mm，内径为9.5mm，测试火焰高度为20mm到125mm。 四、实验火源及其校准 对于燃烧气体的选择，原则上可用甲烷、乙烷和丙烷，但由于不同燃烧气体的燃烧热值是不相同的，所以在对于实验结果出现纠纷时，用甲烷作为仲裁气体，所以在条件允许的情况下，我们建议实验室用甲烷气体。 UL94主要的火源有两种，一种是HB分级和V分级的50W火焰测试，一种是5V分级的500W火焰测试，根据ASTM D5207的规定，两种火焰温度下所需气体的压力和流量，见下表： 20-mm（50W）火焰测试 气体名称 气体流量(ml/min) 气体压力(mm水柱) 甲烷 105 <10 125-mm(500W)火焰测试 气体名称 气体流量(ml/min) 气体压力(mm水柱) 甲烷 965±30 125±25 乙烷 380±15 550±100 丙烷 300±10 600±125 从上表可以看出，20mm和125mm的火焰高度，都有相应的气体压力和气体的流量，因为要调节某一规定的火焰高度，我们可以从如下两方面着手，一是减小压力，增大气体的流量；二是增加压力，减小气体的流量。二者都可达到规定的火焰高度。但是这两种火焰高度下火焰燃烧的温度是不一样的。 故标准在对火源的要求时，同时对气体选择及压力和流量都做了规定，其最终的目的就是为了控制火焰的温度，为了试验的准确性，当调节好火焰的流量和压力后，还应用一个K型热电偶对火焰进行温度校准。 为了使测试的准确，在K型热电偶丝下端焊接一个铜锤，放大K型热电偶丝的受热面积。 根据ASTM D5207的规定，对于50W-20mm的火源进行温度校准时，把K型热电偶丝前端的铜锤放置在距喷灯口10±1mm的位置上，当温度从100摄氏度升高到700摄氏度时，用时间应在44±2s。 对于500W-125mm的火源进行温度校准时，应把K型热电偶丝前端的铜锤放置在距喷灯口55±1mm的位置上，当温度从100摄氏度升高到700摄氏度时，用时应在54±2s。 五、应该如何选择UL94测试仪 目前，在中国市场上，有多国的UL94仪器，下面我们将分别对美国Govmark、英国FTT、美国Atalas、意大利CEAST的UL94分别进行了解 1）美国Govmark 通过对该仪器的了解，它主要存在如下几个问题： 1　该试验箱体的体积为0.5立方米 根据GB/T5169.17:2008的6.1部分规定，在500W火焰5V分级中，要求箱体的体积至少为0.75m³，且箱体在实验过程中是密封的，箱体的一定容积是为了试样在实验过程中消耗不影响实验结果。则该试验箱体不适合做500W火焰的5V分级测试。 2　本生灯的位置它仅设置了20度和90度位置 根据UL94中3.14部分和GB/T 2408:2008的9.2.4部分V分级的测试中，试样垂直夹持在试样夹上，本生灯垂直放置在试样下面，喷灯口距试样底端的距离为10mm±1mm，如果施加火焰过程中，试样有燃烧物或熔融物滴落，则将喷灯倾斜45度角，并从试样下后方撤足够距离，防止滴落物滴进灯管。该喷灯不能倾斜45度角，估不符合标准。 3　箱体没有设置操作员能够在试验的过程中对箱体内部喷灯的操作平台 在测试中，必须打开机器的门才可以接触到试样及燃烧器，故无法保证测试在完全封闭的状态下进行。 2）英国FTT和美国Atlas 英国FTT UL94试验仪 美国Atlas UL94试验仪 我们从上面两张照片中分别可以看到，在箱体的下方，靠近箱体的底边有两个操作孔，是为了方便实验员能够移动喷灯或试样架，在实验的过程中能够方便的把喷灯靠近和远离试样，同时还应在遇到UL94中第3.14部分和GB/T2408:2008的9.2.4部分提到当试样燃烧变短时还需垂直方向上移动喷灯，保持喷灯口与试样端依然保持10mm±1mm的距离，在GB/T5169.17:2002中500W火焰测试的8.2.4中规定的，如果试验期间条形实验样品滴下颗粒，卷缩或伸长，则应调整喷灯位置，使蓝色锥行焰心刚好触及条形试样的剩余部分，而不是触及熔融材料和延丝，这个同时也需要喷灯能够在垂直方向上移动。 但是如果把这两个操作的孔安装在箱体的底边，测试人员采用站立或坐的方式，手臂必须弯曲向上才能接触到试样架或本生灯，从人体工学的角度考虑，都非常吃力。另外，根据笔者自身身体力行对ATLAS燃烧箱进行测试，同时观察购买ATLAS用户在测试过程中，实际上都没有通过操作孔来接触试样架和本生灯，而是通过玻璃管侧窗的上移，也就是打开测试箱进行测试，证明该设计本身确实给用户带来非常多的不便，同时也未能按照标准所要求，需要封闭测试箱进行测试的要求。 3）Firemaster UL94 燃烧测试仪 相比较以上几种UL94的箱体，Firemaster UL94 燃烧测试仪，箱体体积大于0.75立方米，同时在操作时候，是通过箱体中间钢化玻璃窗上的操作孔去接触试样架及本生灯，符合人体工学的要求。另外，在UL94 50W 火焰测试，及500W火焰测试中，对于流量和压力的要求，也有很好的配置要求。如果使用甲烷气体，在50W和500W火焰测试中，对于背压的要求分别为0.15PSI和1.37PSI，普通的减压阀根本无法将压力调节到这么低的位置，Firemaster UL94燃烧测试仪，配备精密调压阀，量程为0-2PSI，可以有效的将燃烧气体的压力进行调节，得出准确的测试结果。 参考文献： UL94 ASTM D635-2006 Standard Test Method for Rate of Burning and/or Extent and Time of Burning of Plastics in a Horizontal Position IEC 60895-11-10 IEC 60707 Ed. 2.0 b:1999 Flammability of solid non-metallic materials when exposed to flame sources - List of test methods ISO 1210-1992 Plastics -- Determination of the burning behaviour of horizontal and vertical specimens in contact with a small-flame ignition source ASTM D5048-2009 Standard Test Method for Measuring the Comparative Burning Characteristics and Resistance to Burn-Through of Solid Plastics Using 125-mm Flame ASTM D4840-99（2004） Standard Guide for Sampling Chain-of-Custody Procedures ISO 9773-1998 Plastics -- Determination of burning behaviour of thin flexible vertical specimens in contact with a small-flame ignition source ASTM D4986-2003 Standard Test Method for Horizontal Burning Characteristics of Cellular Polymeric Materials ISO 9772-2001 Cellular plastics -- Determination of horizontal burning characteristics of small specimens subjected to a small flame GB/T2408-2008 燃烧性能的测定水平法和垂直法 GB/T5169.17-2002 电子电工产品着火危险性实验 500W火焰燃烧测试 GB/T 8323-2008 泡沫塑料燃烧性能实验方法 水平法