一种用于研究高分子材料阻燃性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种用于研究高分子材料阻燃性能的方 法。
【背景技术】
[0002] 塑料、橡胶、纤维等有机高分子材料，在实际应用中存在的主要问题之一是易燃， 燃烧过程中发热量和生烟量大，且释放有毒气体，由高分子材料燃烧引起的火灾事故严重 危害公众生命和财产安全，污染生态环境，因此，高分子材料的阻燃日益受到国内外的高度 重视。目前，阻燃高分子材料已成为高分子材料科学和火灾防治领域十分迫切的研究课题。 其中，如何对高分子材料的阻燃性能进行测试和表征是该领域的重要研究方向之一。
[0003]目前，国内外用于表征聚合物材料燃烧性能的实验方法较多，常见的方法有极限 氧指数法、UL-94水平和垂直燃烧法、烟密度法、热分析法、锥形量热仪法等。对于材料的阻 燃机理，尤其是在凝聚相的阻燃机理，往往是通过材料的成炭行为(成炭数量和炭层质量） 进行分析。通常认为，如果材料燃烧或热分解时生成残炭数量越多，炭层表面越连续致密， 则会在材料表面形成有效的防火屏障，切断或减少火焰区与材料内部之间的热量传递和物 质交换，显著提高材料的阻燃性能。采用的研究方法是通过扫描和（或）透射电子显微镜 观察残余物的形态结构，然后根据上述原则进行判断。但是，这种传统的研究方法仅仅是 一种定性的理论分析，高分子材料热分解时生成的炭层到底能够在多大程度上阻止热量传 递，保护材料免于火焰作用，国内外并没有可靠的实验方法和分析表征手段。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种用于研究高分子材料阻燃性能的方法，涉及一种新的对 高分子材料阻燃性能进行表征的技术方法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种用于研究高分子材料阻燃性能 的方法，包括以下步骤： 步骤一、测温热电偶的焊接与温度标定 a、 在盛有甲基硅油的有机玻璃器皿中，将热电偶丝夹在通有直流电流的焊接夹头上， 有机玻璃器皿中设有浸于甲基硅油中的碳棒，将热电偶丝的一端通过碳棒进行焊接，当热 电偶丝的该端部出现焊接圆头时，焊接成测温热电偶，其中，焊接夹头、热电偶丝和碳棒构 成闭合电流回路； b、 将测温热电偶安装在温度测定仪上与标准热电偶进行对比，把测温热电偶所对应的 温度与标准热电偶所对应的温度进行对比，从而进行标定； 步骤二、阻燃材料样品的压制成型 a、 根据待测阻燃高分子材料的成分，合理设定压制成型工艺，把阻燃高分子材料在模 具中通过压制成型得到一系列大小相同的样片，备用； b、 将上述制备的样片按照一定顺序放置在模具中，沿着样品厚度方向放置若干个步骤 一制得的测温热电偶，使各测温热电偶包埋在样片之间，然后将模具置于平板硫化机中，压 制成包埋有测温热电偶的阻燃材料样品，备用； 步骤三、燃烧试验与数据采集 a、 将步骤二制得的阻燃材料样品中的测温热电偶连接至数字记录仪，然后将阻燃材料 样品置于燃烧室中，向其表面喷射火焰，使阻燃材料样品引燃的同时，按下数字记录仪的启 动和记录开关，开始进行燃烧试验和数据采集； b、 将采集到的实验数据进行绘图或制作表格，得到同一个样品不同厚度位置处或不同 组成的样品相同厚度位置处的一系列温度变化曲线或实验数据； c、 比较化学组成/微观结构不同的阻燃高分子材料在燃烧时的内部温度变化，定量表 征燃烧生成的碳质残余物对热量传递的影响，结合对燃烧残余物的形态结构观察，分析高 分子材料的阻燃机理。
[0006] 阻燃评价机理：（1)、在其它测试条件完全相同时，包埋在化学组成不同的阻燃材 料相同位置处的测温热电偶测出的温度越低，表明燃烧生成的碳质残余物(炭层）对热量传 递的阻隔作用越强，阻燃高分子材料的热分解越少，产生的可燃性小分子化合物(燃料）数 量越少，高分子材料的阻燃性能越好。通过比较相同位置处温度的差异，可以定量表征炭层 对热量传递的阻隔作用；（2)、对于同一种高分子材料，在样品厚度方向不同位置处得到的 温度数据反映了材料表面成炭对热量传递的屏蔽效应以及材料内部温度梯度的大小。温差 越大，表明材料表面成炭对热量传递的屏蔽效应越好，材料内部温度梯度越大。
[0007] 其中，步骤一 a的热电偶丝由镍硅热电偶丝和镍铬热电偶丝绞合而成，热电偶丝 的测定温度范围为200~1100°C。
[0008] 其中，步骤二a制得的样片是直径为80mm的圆形样片，样片的厚度为I. 5mm和3mm 两种规格。
[0009] 其中，步骤二b将模具置于平板硫化机中压制成型阻燃材料样品工艺为：将模具 置于平板硫化机的两个加热的模板之间，然后加压并在IOMPa压力下保持lOmin，最后从模 板之间取出模具，并使模具在IOMPa压力下冷却30min后打开模具，即可得到包埋有测温热 电偶的阻燃材料样品。
[0010] 其中，步骤二制得的阻燃材料样品中，各测温热电偶之间具有相同的温度响应特 性，且在相同温度场下，各测温热电偶之间的温度差ΛΤ < 2°C。
[0011] 本发明中，步骤三a的燃烧室包括一侧面敞口的固定座，固定座中设有可上下往 复移动且用于放置阻燃材料样品的试验台，固定座中对应试验台的上方设有喷火装置。
[0012] 进一步的，试验台包括竖直设置的丝杠和控制丝杠转动的电机，丝杠上套设有与 其上的螺纹相配合的带有内螺母结构的滑块，滑块上设有用于调整阻燃材料样品的上表面 与喷火装置所喷出火焰之间夹角的角度调节装置。
[0013] 进一步的，所述的角度调节装置由连接套、与连接套中心位置设置的螺纹孔配合 连接的紧定螺钉以及用于放置阻燃材料样品的承接盘组成，连接套通过可拆卸杆固定在滑 块上，承接盘通过其上设置的延伸杆伸入到连接套内部的螺纹孔中，紧定螺钉将延伸杆可 转动地固定在螺纹孔中。
[0014] 本发明的有益效果：（1)、本发明首先制作测温热电偶，然后在阻燃高分子材料成 型时，将该测温热电偶包埋在模具中阻燃材料样品内部厚度方向的不同位置，成型后，将阻 燃材料样品置于燃烧室进行燃烧，同时按下数字记录仪的启动和记录开关，开始测量和记 录燃烧过程中材料内部不同位置处的温度变化，借以了解材料的成炭行为与阻燃性能之间 的关系。其中，利用数字记录仪实时记录阻燃高分子材料试样燃烧时内部的温度，可以得到 同一个样品不同厚度位置处或不同组成的样品相同厚度位置处的一系列温度变化数据，进 而用于比较化学组成和(或）微观结构不同的阻燃高分子材料在燃烧时的内部温度变化，实 现了阻燃研究从定性的理论分析改进到定量的实验数据表征。
[0015] (2)、本发明的研究方法能够原位、实时地测量和记录高分子材料在火焰作用下燃 烧时内部温度随时间的动态变化，用实验数据来定量表征材料燃烧成炭行为对热量传递的 影响，为阻燃高分子材料研究提供了一种全新的定量分析表征方法。该方法是阻燃高分子 材料研究手段的一个重要突破，其显著进步是实现了高分子材料阻燃研究从定性的理论分 析到定量的实验数据表征。
【附图说明】
[0016] 图1为步骤一中测温热电偶的焊接示意图； 图2为步骤三中燃烧试验示意图； 图3和图4为步骤三燃烧试验中燃烧室的示意图； 图5为燃烧室中固定座的示意图； 图6为实验1中，HIPS和HIPS/ΜΗ复合材料燃烧时，距离样品上表面6mm处的温度随 时间的变化曲线； 图7为实验1中，HIPS和HIPS/ΜΗ复合材料燃烧时，距离样品上表面9mm处的温度随 时间的变化曲线。
[0017] 附图标记：1、数字记录仪，2、燃烧室，3、固定座，4、试验台，5、喷火装置，6、丝杠，7、 滑块，8、角度调节装置，9、连接套，10、紧定螺钉，11、承接盘，12、可拆卸杆，13、延伸杆，14、 导向柱。
【具体实施方式】
[0018] -种用于研究高分子材料阻燃性能的方法，包括测温热电偶的焊接与温度标定步 骤、阻燃材料样品的压制成型步骤以及燃烧试验与数据采集步骤。具体包括以下步骤： 步骤一、测温热电偶的焊接与温度标定 a、如图1所示，在盛有甲基硅油的有机玻璃器皿中，将热电偶丝夹在通有直流电流的 焊接夹头上，有机玻璃器皿中设有浸于甲基硅油中的碳棒，将热电偶丝的一端通过碳棒进 行焊接，当热电偶丝的该端部出现焊接圆头时，焊接成测温热电偶，其中，焊接夹头、热电偶 丝和碳棒构成闭合电流回路，热电偶丝由镍硅热电偶丝和镍铬热电偶丝绞合而成，热电偶 丝的测定温度范围为200~1100°C。
[0019] 将热电偶丝穿过有机玻璃器皿中的有机硅油，当热电偶丝的待焊点与碳棒接触时 瞬间短路，待焊点与碳棒之间产生电弧，电弧的高温使热电偶丝端头迅速熔焊在一起，形成 圆滑的焊头。根据热电偶丝的规格，调节电流的大小，焊接结束后调节电流为0A，断开电源， 取下热电偶丝，测温热电偶焊接完成。有机玻璃器皿中放置有机硅油，一方面，能够减少焊 接时产生的弧光对操作者的伤害，另一方面，可防止焊接点在高温下氧化，使热电偶焊接点 圆滑、光亮。
[0020] b、将测温热电偶安装在温度测定仪上与标准热电偶进行对比，把测温热电偶所对 应的温度与标准热电偶所对应的温度进行对比，从而进行标定； 步骤二、阻燃材料样品的压制成型 a、 根据待测阻燃高分子材料的成分，合理设定压制成型工艺，把阻燃高分子材料在 模具中通过压制成型得到一系列大小相同的圆形样片，样片直径为80mm，样片的厚度为 I. 5mm和3mm两种规格，备用； b、 将上述制备的样片按照一定顺序放置在模具中，沿着样品厚度方向放置若干个步骤 一制得的测温热电偶，使各测温热电偶包埋在样片之间，然后将模具置于平板硫化机中，压 制成包埋有测温热电偶的阻燃材料样品，备用； 步骤三、燃烧试验与数据采集 a、 如图2所示，将步骤二制得的阻燃材料样品中的测温热电偶连接至数字记录仪1，然 后将阻燃材料样品置于燃烧室2中，向其表面喷射火焰，使阻燃材料样品引燃的同时，按下 数字记录仪1的启动和记录开关，开始进行燃烧试验和数据采集； b、 将采集到的实验数据进行绘图或制作表格，得到同一个样品不同厚度位置处或不同 组成的样品相同厚度位置处的一系列温度变化曲线或实验数据； c、 比较化学组成/微观结构不同的阻燃高分子材料在燃烧时的内部温度变化，定量表 征燃烧生成的碳质残余物对热量传递的影响，结合对燃烧残余物的形态结构观察，分析高 分子材料的阻燃机理。
[0021] 其中，步骤二b将模具置于平板硫化机中压制成型阻燃材料样品工艺为：将模具 置于平板硫化机的两个加热的模板之间，然后加压并在IOMPa压力下保持lOmin，最后从模 板之