錐形量熱儀被公認為是測量材料對火反應(yīng)特性或燃燒特性的Z好技術(shù)手段，可測量多種火災(zāi)相關(guān)參數(shù)。它的燃燒環(huán)境極相似于真實的燃燒環(huán)境，其試驗結(jié)果與大型燃燒測試結(jié)果之間存在很好的相關(guān)性，能夠表征出材料的燃燒性能，是新一代的聚合物材料燃燒性能測定儀。

本文為分析錐形量熱儀在火災(zāi)研究中的應(yīng)用情況，主要介紹了其結(jié)構(gòu)和原理，并分析了錐形量熱儀在材料的燃燒性能研究、阻燃材料性能的研究領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，表明錐形量熱儀在室內(nèi)裝修材料、礦井火災(zāi)、塑料、木材等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，Z后探討了錐形量熱儀未來發(fā)展方向。

錐形量熱儀是美國國家標準與技術(shù)研究院于1982年研制的，經(jīng)過20多年的不斷改進和完善，錐形量熱儀已經(jīng)成為研究材料燃燒性能Z重要的實驗儀器之一。

錐形量熱儀是采用氧消耗原理設(shè)計的測定材料燃燒放熱的儀器，可以完成材料的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、樣品點燃時聞、CO和CO2生成率、比消光面積、煙灰質(zhì)量取樣、有效燃燒熱等參數(shù)的測量。錐形量熱儀的燃燒環(huán)境極相似于真實的燃燒環(huán)境，其試驗結(jié)果與大型燃燒試驗結(jié)果之間存在很好的相關(guān)性，能夠表征出材料的燃燒性能。在評價材料、材料設(shè)計和火災(zāi)預(yù)防等方面具有重要的參考價值。

1、錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)、功能、原理

錐形量熱儀燃燒分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由以下部分組成：燃燒室、排氣及流量測試系統(tǒng)、氣體取樣及分析系統(tǒng)、煙氣測試系統(tǒng)、煙灰質(zhì)量取樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、氧氣濃度控制系統(tǒng)。錐形量熱儀主要遵循IS05660和ASTME1354標準，可以完成各種氧氣摩爾分數(shù)條件下的下列參數(shù)的測試工作：①材料的熱釋放速率，kw，m2；②質(zhì)量損失速率，kg/sm2；③樣品點燃時間，s；④CO、C02生成率，kg/kg；⑤比消光面積，m2/kg；⑥煙灰質(zhì)量取樣，kg/kg；⑦有效燃燒熱，mJ/kg。

與其它的一些燃燒測試方式相比，上述參數(shù)可在一個試樣上同時連續(xù)地測出來，而且這些性能參數(shù)的測定是在穩(wěn)定、真實、易于控制的條件下得到，能夠在不同時間、地點重復(fù)操作，因此，可作為文獻參考數(shù)據(jù)備用，為進一步研究材料的燃燒過程提供文獻數(shù)據(jù)。

錐形量熱儀的工作原理是采用氧消耗原理設(shè)計的測定材料燃燒放熱的儀器，即大多數(shù)固體材料完全燃燒每消耗一單位質(zhì)量的氧氣所釋放的熱量基本相同。氧消耗法的優(yōu)點在于實驗全過程可進行溫度測量，這樣對放熱裝置來講，實驗裝置的建立比較容易，并且實驗期間可以隨時觀察到燃燒時發(fā)生的現(xiàn)象;實驗中樣品燃燒產(chǎn)生的煙會盡可能地被收集進入護罩內(nèi)，所以實驗誤差較小。

2、利用錐形量熱儀在火災(zāi)領(lǐng)域所開展的研究

錐形量熱儀雖然屬于小型尺寸的火災(zāi)試驗設(shè)備，但它的一些試驗結(jié)果可以用來預(yù)測材料在大尺寸試驗和真實火災(zāi)情況下的著火性能。目前錐形量熱儀已被多個國家、地區(qū)及國際標準組織應(yīng)用于建筑材料、高分子材料、復(fù)合材料、木材制品以及電纜等領(lǐng)域。研究工作者利用錐形量熱儀開展的研究主要表現(xiàn)在：材料的燃燒性能研究。

2.1研究材料的燃燒性能

2.1.1用于室內(nèi)裝修材料的研究

室內(nèi)裝修材料的使用越來越普遍，已成為重要的新型材料之一。室內(nèi)裝修材料的燃燒特性對建筑火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展、蔓延及危害后果有重要影響。不少研究者采用錐形量熱儀，通過測試各種裝修材料的燃燒特性和不同輻射條件下的各種參數(shù)，比較材料的火災(zāi)安全性能，對材料的安全使用和建筑火災(zāi)預(yù)防與控制具有重要意義。

2.1.2用于礦井火災(zāi)研究

礦井火災(zāi)是煤礦的重大災(zāi)害之一。礦井火災(zāi)不僅使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時也是導(dǎo)致礦工傷亡的主要因素。ZG礦業(yè)大學(xué)安全工程實驗室是Z早把錐形量熱儀應(yīng)用于礦井火災(zāi)領(lǐng)域研究的單位。目前，主要用于分析煤礦井下可燃物質(zhì)的燃燒特性和礦井火災(zāi)煙氣的特性。

(1)井下可燃物燃燒特性的研究。

隨著煤礦生產(chǎn)的機械化和集中化程度的提高，以及支護條件的改善，煤礦中傳統(tǒng)可燃物木材的使用量不斷減少，而礦用輸送帶、電纜和風(fēng)筒等聚合物的使用量卻不斷增多。

(2)礦井火災(zāi)煙氣特性研究。

在井下巷道中一旦發(fā)生火災(zāi)都會產(chǎn)生大量的煙氣，火災(zāi)中85%以上的死者是由于煙氣的影響。利用錐形量熱儀可以精確地測定礦井火災(zāi)煙氣的成分、有害煙氣的產(chǎn)生量、煙氣濃度、煙氣熱量等特性參數(shù)，并對火災(zāi)煙氣危害程度進行了綜合地評價。

2.1.3用于其它方面的火災(zāi)研究

塑料是火災(zāi)中常見的著火材料。采用錐形量熱儀對幾種常用塑料的燃燒裂解行為進行了研究，分析比較了典型塑料材料在不同輻射功率下燃燒裂解的變化規(guī)律，以及不同阻燃體系對塑料燃燒裂解行為的影響。探討了火災(zāi)條件下塑料燃燒裂解的原因，以及某些阻燃體系的阻燃作用。此外，錐形量熱儀還可用于評價包裝材料、農(nóng)作物、小商品、電線電纜等火災(zāi)危險性。近幾年來，還有學(xué)者把錐形量熱儀用于熱塑性高分子材料的燃燒過程模擬與分析。

由于火災(zāi)模型變得越來越復(fù)雜，防火保護工程師對錐形量熱儀提供的數(shù)據(jù)越來越重視，錐形量熱儀可得到與材料燃燒特性相關(guān)的許多數(shù)據(jù)：熱釋放曲線、煙和質(zhì)量損失，同時還可以得到CO、CO2和其它氣體的釋放量，從而可建立材料燃燒特性的數(shù)據(jù)庫。對于一般性的試驗材料，應(yīng)用錐形量熱儀試驗方法進行火性能測定具有較為理想的效果，特別是在聚合物材料燃燒性和阻燃性的研究以及火災(zāi)預(yù)防方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

與錐形量熱儀在火災(zāi)研究中的應(yīng)用相關(guān)文文章：

錐形量熱儀(簡稱CONE)，是基于耗氧原理的材料燃燒性能測試儀器。經(jīng)過20多年的不斷改進和完善，錐形量熱儀已經(jīng)成為研究材料燃燒性能Z重要的試驗儀器之一。錐形量熱儀在阻燃材料研究中可以研究阻燃機理、阻燃劑在材料中的阻燃效果，評價阻燃材料的燃燒性和阻燃性以及煙和毒氣的釋放。

1、錐形量熱儀試驗

傳統(tǒng)表征材料燃燒性能的小型實驗方法，例如極限氧指數(shù)(LOI)法、UL標準中水平燃燒法、垂直燃燒法與NBS煙箱法等，雖然成本低，實驗比較容易，但是實驗條件與實際火情相差比較大，實驗結(jié)果只能應(yīng)用于一定實驗條件下材料之間燃燒性能的對比研究，不能作為評價材料在真實火災(zāi)環(huán)境中燃燒行為的依據(jù)。雖然大型實物燃燒試驗?zāi)軌蚩陀^反映材料的火災(zāi)危險性，試驗結(jié)果真實，但是成本高，試驗比較復(fù)雜。因此，不可能對所有材料進行大型實物燃燒試驗。

錐形量熱儀試驗容易進行，試驗環(huán)境與實際火情極為相似，試驗結(jié)果與大型實物燃燒試驗結(jié)果之間存在非常好的相關(guān)性，因此，錐形量熱儀廣泛應(yīng)用于材料燃燒性能評價。目前，已經(jīng)有國際標準組織ISO5660標準、美國材料與試驗協(xié)會ASTME1354標準以及英國、加拿大等國家相關(guān)標準將錐形量熱儀法確定為進行材料燃燒性能測試的標準試驗方法。非等效采用ISO5660標準，我國也制定了以錐形量熱儀為試驗儀器測試建筑材料燃燒性能的標準。

應(yīng)用錐形量熱儀可以得到點燃時間、燃燒時間、總熱釋放量、總耗氧量、總煙釋放量、質(zhì)量損失、平均比質(zhì)量損失速率、熱釋放速率、有效燃燒熱、質(zhì)量損失速率、比消光面積、一氧化碳產(chǎn)量以及二氧化碳產(chǎn)量等材料燃燒性能參數(shù)。

2、研究阻燃材料的性能

阻燃科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，對阻燃材料燃燒行為的評估、測試手段提出了越來越高的要求。由于阻燃材料在火災(zāi)中的燃燒行為非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的測試方法(氧指數(shù)法、垂直燃燒法、水平燃燒法)雖然具有操作簡單、快速、重復(fù)性好等特點，但普遍存在測試參數(shù)單一，測試結(jié)果不能定量化等缺點，難以與材料在真實火情中的燃燒行為相關(guān)聯(lián)，有時對同一種材料的評估，采用不同的實驗方法得到相互矛盾的結(jié)果。

錐形量熱儀法由于具有參數(shù)測定值受外界影響小，與大型試驗結(jié)果相關(guān)性好等優(yōu)點，對材料阻燃效果的評價更真實。同時對材料阻燃機理的分析和研究也有極大的幫助。

2.1研究阻燃機理

利用錐形量熱儀測得的參數(shù)(如CO、CO2的生成量、有效燃燒熱、釋熱速率等)，將經(jīng)阻燃與未經(jīng)阻燃處理的聚合物進行對比，得出的分析結(jié)果對研究阻燃機理有很大幫助。

2.2為材料燃燒危險等級劃分

MarceloM.Hirschler利用錐形量熱儀系統(tǒng)研究了35種商用塑料的燃燒性，對其危險性進行分類。該評價標準在商品交換中可作為材料燃燒危險性大小的等級參數(shù)，在實驗室研究中，可為材料選擇提供依據(jù)，也可為消防安全設(shè)計、消防審核、技術(shù)監(jiān)督等工作提供指導(dǎo)。

2.3研究和評價煙和毒氣的釋放

火災(zāi)發(fā)生時，對人們生命威脅Zda的因素是煙毒的釋放。應(yīng)用錐形量熱儀不僅可以測試煙釋放參數(shù)，還可以應(yīng)用氣體分析設(shè)備，例如氣體分析儀與FTIR等，分析燃燒產(chǎn)物中CO、HCI與HCN等毒氣。錐形量熱儀可快速對某種阻燃劑的發(fā)煙性能作出評價，也是研究發(fā)煙模式、成煙機理、阻燃效率的重要手段。

2.4評價產(chǎn)品和材料的燃燒性和阻燃性

綜合HRR、pkHRR、THE以及TTI等燃燒性能參數(shù)，可以判斷材料潛在的火災(zāi)危險性。Hirscher與Shakir將電纜在不同熱輻射流量條件下應(yīng)用錐形量熱儀試驗得到的pkHRR與大型電纜通道試驗結(jié)果即炭化長度進行相關(guān)，得到比較好的相關(guān)性。Wichstron和Goransson等應(yīng)用比值TTI/pkHRR評價材料潛在的轟燃性，比較好地說明了材料潛在的火災(zāi)危險性。Petrella提出結(jié)合比值pkHRR/TTI與THE可以更加全面地評價材料潛在的火災(zāi)危險性。因為，HRR與TTI取決于外部熱輻射流量、通風(fēng)速度與破壞程度，而THE與材料內(nèi)部能量有關(guān)，獨立于環(huán)境因素。

3、錐形量熱儀未來的發(fā)展方向

由于錐形量熱儀具有眾多傳統(tǒng)燃燒測試儀器所不能具備的優(yōu)點，在一些國家已經(jīng)得到了推廣使用。國際標準組織及英美等國家的標準組織已經(jīng)根據(jù)錐形量熱儀制定了各種材料的燃燒測試標準，并取得了較好的效果。從發(fā)展趨勢看，錐形量熱儀有可能取代一些傳統(tǒng)的小型火試驗儀器。但是，仍需認識到，雖然錐形量熱儀試驗方法在定量測試熱釋放能量方面比傳統(tǒng)儀器有了較大提高，但錐形量熱儀試驗法本身也具有一定的缺點。

首先，采用耗氧原理進行HRR計算時，耗氧燃燒熱E的值隨燃燒材料本身性質(zhì)而改變；特別是對于含雜原子材料而言，E值的選擇要做相應(yīng)改變。其次，在燃燒過程中，凡是沒有氧氣參與的反應(yīng)，其反應(yīng)熱效應(yīng)不能由錐形量熱儀測出，所以對阻燃材料進行釋熱測量時，必須考慮材料非氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)。

盡管對錐形量熱儀的應(yīng)用已經(jīng)做了大量的研究工作，人們?nèi)韵Ｍ転殄F形量熱儀開拓更多的應(yīng)用領(lǐng)域。如今，該儀器已被證明能成功地用于工業(yè)、檢測試驗室和火災(zāi)研究室。錐形量熱儀將來可能朝以下方面發(fā)展：①增加在聚合物發(fā)展方面的應(yīng)用，用以取代現(xiàn)存的功能單一的TGA和DSC等熱分析裝置。②應(yīng)用于建筑規(guī)范和其它要采用熱釋放率方法可獲得更好結(jié)果的其它法規(guī)。

與錐形量熱儀在阻燃材料研究中的應(yīng)用相關(guān)文文章：

利用錐形量熱儀在50kW/m2熱輻照條件下，研究了工業(yè)酥油、食用酥油和石椅的燃燒性，獲得了點燃時間、比消光面積、Zda熱釋放速率、總釋放熱、有效燃燒熱、Zda煙產(chǎn)生這率、總煙釋放量及質(zhì)量損失速度等參數(shù)。實驗結(jié)采表明，工業(yè)酥油、食用酥油比石蠟容易點燃；工業(yè)酥油和石蠟燃燒性能接近，可燃性和火災(zāi)指數(shù)均高于食用酥油；石蠟和食用酥油燃燒過程的碳煙量比工業(yè)酥油低，石蠟和食用酥油比工業(yè)酥油燃燒完全。三種材料燃燒過程中熱量的釋放滯后于煙氣的擇放，其質(zhì)量的損失主妥由煙氣的釋放造成。穩(wěn)定燃燒時煙氣釋放這率降低，熱釋放速率達到Zda。

錐形量熱儀由美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)與20世紀80年代推出，測試參數(shù)包括熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、一氧化碳釋放速率、比消光面積等30多種，數(shù)據(jù)采集和處理完全由計算機控制。采用錐形量熱儀是近年來在材料燃燒性能領(lǐng)域應(yīng)用研究的一種先進方法，在獲得材料燃燒重要信息的同時還與大型實驗結(jié)果之間存在良好的相關(guān)性。

目前錐形量熱儀法己成為國際上公認的研究材料真實燃燒過程的權(quán)威方法，被許多國家、地區(qū)級國際標準組織廣泛用于建筑材料、高分子材料、木材制造、材料阻燃和火災(zāi)預(yù)防等領(lǐng)域。酥油是一種乳制品，類似黃油，是從牛奶、羊奶中提取的脂肪。在西藏、青海隨處都能見到酥油。酥油除食用和制作酥油花外，還用來制作蠟燭即酥油燈，在西藏、青海所有寺廟里，可以看到千盞酥油燈閃閃爍爍的壯觀場面，在藏族人家中，也能看到長明不滅的酥油燈。這給寺廟建筑和家庭居室埋下了火災(zāi)隱患。

由于酥油燃燒時火光持久穩(wěn)定、燃燒完全并且時刻散發(fā)著清淡的天然奶香味，部分物理性質(zhì)和燃燒現(xiàn)象與石蠟非常相似，考慮到酥油特殊的燃燒性能和預(yù)防火災(zāi)的必要性，通過對比石蠟與酥油的燃燒性對于研究酥油的燃燒性具有重要意義。

1、材料與方法

1.1材料與儀器

工業(yè)酥油購自西寧塔爾寺：食用酥油購自西寧共和路酥油批發(fā)市場：石蠟購自蘭州石化公司：分別將工業(yè)酥油、食用酥油、石蠟按表一制備。

錐形量熱儀英國FIT公司，按照ISO56601標準進行分析。錐形量熱儀工作原理為有機材料燃燒時每消耗1kg氧氣放出13.2mJ的熱量，選用的熱源輻射強度為50kW/時，各實驗條件下重復(fù)3次得到各燃燒性能參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)使用錐形量熱儀專用軟件配合EXCEL進行分析處理。

1.2評價指標

選擇以下燃燒性能指數(shù)評價材料的燃燒特性：

a.引燃時間：指材料從加熱開始到出現(xiàn)穩(wěn)定火焰的時間，單位為s，它反映了材料被點燃的難易程度，是評價材料燃燒性能的重要指標。

b.熱釋放速率：指單位面積釋放熱量的速率，單位為kW/m2。

c.熱釋放總量：指材料從燃燒實驗開始到實驗結(jié)束，單位面積所釋放的熱量總和，單位為Kw/m2。

d.質(zhì)量損失速率：材料燃燒后單位面積、單位時間的質(zhì)量變化值，g/(s/m2)。

e.有效燃燒熱：即單位質(zhì)量損失所放出的熱量，mJ/kJ，有效燃燒熱=熱釋放速率/質(zhì)量損失速率。

f.比消光面積：單位為m2/kg，比消光面積=K?V/(M?As)(K為消光系數(shù)，單位為/m，V為煙道體積流速，m3/s，M為質(zhì)量損失速率，As為樣品面積，單位為時m2。

g.生煙速率：單位時間內(nèi)煙釋放量的多少，單位為m2/s。

h.生煙總量：表示酥油從燃燒開始到燃燒結(jié)束生煙量的總和，生煙總量=比消光面積×質(zhì)量損失速率×樣品面積/燃燒時間。

2、工業(yè)酥油、食用酥油、石蠟燃燒性能對比分析

2.1引燃時間

在50kW/m2熱輻射強度作用下，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的引燃時間分別為50、60、74s，說明在相同條件下，工業(yè)酥油容易被點燃，石蠟相對難點燃。

2.2熱釋放速率和熱釋放總量

從實驗數(shù)據(jù)得到工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的熱釋放速率平均值和峰值分別為286.219、238.946、356.924kW/m2和723.808、238.946、1063.567kW/m2時，說明在相同熱輻射強度作用下，石蠟和工業(yè)酥油燃燒反饋給其表面的熱量較多，熱解速度較食用酥油快，揮發(fā)性可燃物生成量比食用酥油多，從而加速了火焰的傳播：所以石蠟和工業(yè)酥油的火災(zāi)危險性比食用酥油大的多。3種材料的總釋放熱隨著時間的延長而增加，石蠟的總釋放熱平均速率遠大于工業(yè)酥油和食用酥油，說明石蠟比工業(yè)酥油、食用酥油可燃性更強。

2.3質(zhì)量損失速率和質(zhì)量損失

質(zhì)量損失速率表征材料在燃燒時質(zhì)量損失的變化速度，反映了材料在一定熱輻射強度下熱裂解速度和熱裂解行為。隨時間延長，三種材料的質(zhì)量損失速率曲線有明顯的下降趨勢，說明三種物質(zhì)較易熱裂解；質(zhì)量損失率曲線從陡到緩依次為石蠟、工業(yè)酥油和食用酥油，這也說明三種物質(zhì)易燃性即火災(zāi)危險性從大到小依次為石蠟、工業(yè)酥油和食用酥油。

2.4有效燃燒熱

有效燃燒熱表征可燃性揮發(fā)氣體在氣相火焰中的燃燒程度，指在某時刻測得的熱釋放量與質(zhì)量損失之比。實驗測得工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的有效燃燒熱均值分別為35.136、27.631和36.182mJ/kJ，在評價材料的燃燒性方面，與熱釋放速率的結(jié)果是一致的，即石蠟的燃燒性能與工業(yè)酥油相近，可燃性都比食用酥油強。

2.5比消光面積

比消光面積反映材料受熱分解消耗單位材料時的碳煙量。材料燃燒時產(chǎn)生的不完全燃燒有機質(zhì)、碳質(zhì)懸浮粒子以及水汽是形成煙霧的主要物質(zhì)，不完全燃燒也降低了熱釋放。本研究中，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的平均比消光面積分別為433.67，377.245布260.261m2/kg。說明在整個燃燒過程中，工業(yè)酥油產(chǎn)煙量速率Zda，食用酥油次之，石蠟產(chǎn)煙量速率Z小。可以推斷工業(yè)酥油燃燒Z不完全，食用酥油次之，石蠟燃燼率Zgao。

2.6生煙速率和生煙總量

材料在燃燒過程中，未能燃燒的組分以煙霧的形試釋放，錐形量熱儀采用氨-氛激光測定消光系數(shù)，獲得燃燒過程中的動態(tài)煙釋放速率和總煙釋放量。工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟生煙速率曲線皆存在峰值，是因為隨著輻射時間的持續(xù)，各樣品緩慢分解釋放出來的氣態(tài)揮發(fā)物逐漸逸出，濃度越來越大，直到氣相中可燃物濃度達到臨界燃燒濃度，樣品瞬間被點燃，煙釋放速率顯著提高直至達到峰值。隨后有焰燃燒后煙氣中可揮發(fā)性小分子得以燃燒，轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸家约安糠忠谎趸迹瑹熱尫潘俾式档汀?/p>

整個燃燒過程，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟煙釋放率的趨勢相近，煙釋放速率分別為1022.504，1001.374和810.894m2/s，煙釋放速率峰值由大到小的順序為食用酥油、工業(yè)酥油和石蠟，工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟碳煙總量分別為9.039、8.852、7.168m2，即工業(yè)酥油燃燼率比較低，石蠟Zgao，這與平均比消光面積數(shù)據(jù)相符。

3、結(jié)論

比較點燃時間，在50kW/m2熱輻射強度作用下，工業(yè)酥油容易被點燃，食用酥油次之，石蠟相對難以點燃。對比熱釋放速率、熱釋放總量和有效燃燒熱發(fā)現(xiàn)，材料被點燃后，燃燒速亙在由大到小的順序為石蠟Z快，工業(yè)酥油次之，食用酥油Z慢。燃燒到終點，釋放熱總量由多到少的順序為，石蠟Z多，工業(yè)酥油次之，食用酥油Z少。工業(yè)酥油和石蠟燃燒性能相近，可燃性要強于食用酥油，火災(zāi)發(fā)生指數(shù)也要高于食用酥油。

由工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的比消光面積、生煙速率和生煙總量數(shù)據(jù)可知，石蠟在燃燒過程中碳煙量Z少，燃燼率較高，食用酥油次之，工業(yè)酥油燃燒過程中碳煙量太大，燃燒Z不完全。試樣燃燼率的高低與其組成有關(guān)，石蠟由大量的直鏈烷烴和環(huán)烷烴組成，而食用酥油和工業(yè)酥油組成較為復(fù)雜，其主要成分為脂肪，脂肪中含有大量的不飽和脂肪酸，在錐形量熱儀的燃燒環(huán)境中，這是其燃燼率較低的原因。

工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟在燃燒過程中熱量的釋放滯后于煙氣的釋放，其質(zhì)量的損失主要由煙氣的釋放造成。穩(wěn)定燃燒時煙氣釋放率降低，熱釋放速率達到Zda。

通過使用錐形量熱儀研究工業(yè)酥油、食用酥油和石蠟的燃燒性能，可以從材料的易點燃性，熱釋放速率和熱釋放總量，以及碳煙量的多少等指標來評價。不僅可以為其他材料燃燒性能的研究提供經(jīng)驗總結(jié)，預(yù)防火災(zāi)，也可為改善材料燃燒性能并進一步開發(fā)研究新材料提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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汽車油品是一類熱值高，危險性強的材料，是車輛火災(zāi)主要危險源之一。汽車在運行過程中發(fā)動機艙積聚著大量熱量，各類油品暴露于熱輻射下，且行車過程中由于顛簸、碰撞導(dǎo)致的燃油泄漏、滴落而引發(fā)的火災(zāi)舉不勝數(shù)。因此，研究汽車油品在外部輻射條件下的燃燒特性和火災(zāi)危險性對汽車油池火蔓延的預(yù)防和控制，降低火災(zāi)危害程度具有重要意義。

汽車作為代步工具慢慢進入我們的平日出行，提供便捷的同時也帶來一系列安全問題。根據(jù)消防部門公布的數(shù)據(jù)，每年全國發(fā)生的各類火災(zāi)中，汽車火災(zāi)的發(fā)生數(shù)量、造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡均呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。汽車油品是一類熱值高，危險性強的材料，是車輛火災(zāi)主要危險源之一。

汽車在運行過程中發(fā)動機艙內(nèi)氣溫可達到300～500℃，而當(dāng)燃油進到氣缸的那一剎那，環(huán)境氣溫可以達到1500～1800℃，產(chǎn)生的熱量一部分從排氣管排出去，此時排氣管溫度約為800℃，如果油品滴落在這些高溫物體表面，也可以被引燃。常見的汽車火災(zāi)油品故障有排氣管高溫對燃油的熱輻射以及在車輛運行過程中的泄露等等。目前國內(nèi)外關(guān)于汽車油品在外部輻射條件下的研究較少。

本文在錐形量熱儀上對防凍液(JHOA)和潤滑油(PAG)、變速器油(CVTF和ATF)、在不同輻射條件下的燃燒危險性進行研究，測得熱釋放速率、放熱總量等一系列參數(shù)來表征其著火危險性。

1、試驗過程

本文中選用試驗油品均為汽車上常見的油品，分別為手動變速箱油(ATF)、自動變速箱油(CVTF)、汽車防凍液(JHOA)以及汽車潤滑油(PAG)。

研究在錐形量熱儀上開展，該研究設(shè)備能夠重現(xiàn)真實著火情形，并具有可重復(fù)性。錐形量熱儀主要用于評估可燃固體材料，但一些材料例如聚烯烴在測試過程中會發(fā)生熔化成為液體進行燃燒，因此該實驗設(shè)備也能夠用來評判可燃液體物質(zhì)燃燒。研究表明油盤形狀對點燃時間沒有影響，在實驗前按照標準用錫箔紙對油盤內(nèi)層進行包裹，為了便于操作，選取方形油盤(10cm×10cm)進行燃燒測試。

為了得到汽車上典型油品在這些高溫輻射環(huán)境下的著火危險等級，我們利用錐形量熱儀開展外部輻射下測試試驗，選取的輻射強度為20kW/m2、30kW/m2、40kW/m2三種工況進行試驗研究。實驗所使用油品的體積為約30ml。錐形量熱儀的輻射強度通過輻射流量儀器校準以給出設(shè)定得入射強度。在測試過程中我們主要搜集的參數(shù)有：點燃時間(TTI)、熱釋放速率(HRR)、放熱總量(THR)等。

錐形量熱儀的熱通量通過熱流計校準以給出設(shè)定的入射通量，輻射強度穩(wěn)定后，將乘放油品的油盤放置于稱重傳感器上，撤離擋板打開電火花同時啟動程序開始實驗。點燃時間為實驗樣品從放置于外部熱通量下至材料有明顯發(fā)光火焰中間的時間。

當(dāng)樣品暴露于輻射源下一段時間后，液體溫度增加，可以看到液體表面有氣體蒸發(fā)出來，樣品發(fā)生汽化，當(dāng)可燃氣體濃度增加到一定程度后，在電火花的作用下，樣品首先發(fā)生閃燃，隨后熄滅，隨著熱量不斷積聚，汽化加劇，可燃氣體濃度加大，有明火出現(xiàn)，樣品被引燃。在燃燒初期火焰較小，有多個火苗，隨著時間的增長，火焰持續(xù)蔓延燃燒加劇，火苗逐漸凝聚成一股，液體溫度不斷增加達到油品的沸點，樣品發(fā)生沸騰，伴隨著嘶嘶的聲音，可以觀測到有油品隨火焰從盤中沸騰溢出。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1熱釋放速率

熱釋放速率(heatreleaserate，HRR)為樣品著火標準時刻中產(chǎn)生的熱量，作為判斷樣品著火特征與著火危害的基本指標，同時也控制和影響其他燃燒性能參數(shù)。通常情況下，小尺寸著火研究時熱釋放率如果呈現(xiàn)較高水平而點燃時間卻短，那么其著火危害等級也較高。

2.2熱釋放總量

熱釋放總量(TotalHeatRelease，THR)是熱釋放速率對時間的積分而來，在本文中選取20kW/m2來比較四種油品的耐火性能。熱釋放總量表征的為樣品自身儲能，同外部環(huán)境(包括輻射熱通量的大小、風(fēng)量大小等)無關(guān)，熱釋放總量曲線的梯度可呈現(xiàn)著火蔓延速率。

2.3評價標準

雖然點燃時間，熱釋放速率，和總熱釋放量等是評價材料火災(zāi)危險性的重要參數(shù)，但是各參數(shù)只反映材料火災(zāi)危險性的某一個方面。因此，Petrella等人提出將燃燒參數(shù)X和熱釋放總量THE組合在一起進行評估，可以對材料熱危險性有一個相對較真實的評判。Petrella提出的評判可燃材料燃燒的危險等級。

3、結(jié)論

實際中汽車在使用中所儲存的油量為測試所用油量的3-8倍，而實際著火時火焰溫度在400-700℃，在火勢擴散到發(fā)動機艙后，火焰溫度可達600-1000℃，且發(fā)動機艙在運行過程內(nèi)處于高溫環(huán)境，即實際情況中火焰熱通量已超過測試時所加熱輻射。所以，在真實火災(zāi)中油品的放熱總量也超過了實驗測量值，極可能出現(xiàn)更高的危害程度。

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本文概述了紡織品傳統(tǒng)燃燒性能的測試方法及標準、表征指標以及在燃燒火災(zāi)危險性評估中的局限性，zhong點詳述了錐形量熱儀的測量原理、燃燒特性表征，對錐形量熱儀在紡織品燃燒特性測試評價中的應(yīng)用發(fā)展進行研究。

目前，紡織品傳統(tǒng)燃燒性能試驗方法及標準主要集中在測試紡織品的易點燃性以及點燃以后燃燒的速度、樣品的破壞程度等，屬于小型試驗，其試驗環(huán)境與真實火災(zāi)相差較大，試驗獲得數(shù)據(jù)不能很好表征其在火災(zāi)中所能造成的危險性，不能作為評價紡織品在真實火災(zāi)中燃燒的依據(jù)，更不能反映人體在火災(zāi)中由于紡織品燃燒受到的傷害，如熱浪傷害(熱釋放)、煙氣使人窒息(煙氣釋放)、中毒(煙氣毒性)等，不能反映在實際火災(zāi)中由于紡織品的燃燒所造成的對環(huán)境的損害。

為了真實客觀地評價火災(zāi)中材料的燃燒特性，1982年Babrauskas等人開發(fā)設(shè)計了錐形量熱儀(ConeCalorimeter，簡稱CONE)。在錐形量熱儀試驗中，材料的燃燒環(huán)境與真實火災(zāi)環(huán)境相似，其試驗數(shù)據(jù)與大型燃燒試驗結(jié)果之間存在很好的相關(guān)性，在表征紡織品的燃燒特性、評價紡織品存在的火災(zāi)危險性方面具有重要意義。

錐形量熱儀基于氧氣消耗原理進行設(shè)計，用來測量紡織品燃燒時的熱釋放速率、引燃時間、質(zhì)量損失速率、有效燃燒熱、煙氣釋放速率、有害氣體含量等，這些參數(shù)對于分析紡織品的綜合燃燒特性，客觀評價預(yù)測紡織品在真實火災(zāi)中的燃燒行為和危害十分有用。錐形量熱儀是表征紡織品火災(zāi)環(huán)境燃燒特性的較為理想的試驗儀器。

1、傳統(tǒng)燃燒測試方法

1.1表征指標

目前，紡織品的傳統(tǒng)燃燒性能測試方法主要包括45°法、垂直法、水平法、燃燒片劑法、氧指數(shù)法等。表征指標主要包括：引燃時間、續(xù)燃時間、陰燃時間、火焰蔓延時間、損毀長度、火焰蔓延距離、火焰蔓延速率、燃燒速度、極限氧指數(shù)等，這些指標主要反映了紡織品在試驗條件下燃燒的快慢程度、樣品的損壞程度、容易被火焰點燃的程度等。

1.2局限性

燃燒試驗涉及到環(huán)境、熱量、氧氣等多種因素，且這些因素在真實火災(zāi)中是動態(tài)的，因此燃燒試驗非常復(fù)雜。紡織品傳統(tǒng)燃燒性能試驗方法所獲得的試驗數(shù)據(jù)具有一定局限性，不能模擬紡織品在真實火災(zāi)中的燃燒行為，不能用于評估大型火災(zāi)火情危險性及可能造成的哪種危害，只能用于一定試驗條件下，比較不同紡織材料及其制品的阻燃性能。

2、錐形量熱儀法

2.1錐形量熱儀

錐形量熱儀是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種燃燒測試裝置，能模擬真實燃燒時的各種參數(shù)，可以測量材料燃燒時的熱釋放速率。此外，它還可以測量紡織品的點燃時間、質(zhì)量損失速率、煙氣釋放速率、有效燃燒熱、有害氣體含量等參數(shù)，這些表征指標可以綜合評價紡織品的燃燒特性。

2.2表征指標

紡織品通過錐形量熱儀試驗，可以得到的燃燒數(shù)據(jù)主要包括熱量釋放指標、煙氣釋放指標、毒害物質(zhì)指標、引燃時間等，這些試驗數(shù)據(jù)在紡織品阻燃性能研究評價以及紡織品所造成的火災(zāi)危險性方面應(yīng)用廣泛，具有重要意義。

2.2.1熱釋放性指標

紡織品從燃燒開始就釋放出熱量，同時氣相、液相和固相物質(zhì)等的溫度升高，燃燒持續(xù)，在這一階段，Z重要的是材料的燃燒熱量釋放，一般來說，紡織品燃燒時釋放的熱量越多，熱量釋放速度越快，火災(zāi)的危險性越大。

常用的熱釋放性表征指標主要包括熱釋放速率、有效燃燒熱、總釋放熱量。紡織品的熱釋放速率(HRR)是指在設(shè)定的入射熱流強度下，單位面積紡織品燃燒所釋放熱量的速率，其Zda值為熱釋放速率峰值(pkHRR)，表征的是紡織品燃燒過程中的Zda熱釋放程度。HRR和pkHRR越大，紡織品燃燒時釋放的熱量越大，造成的火災(zāi)危險程度就越高。

采用錐形量熱儀還可以測量出紡織品在燃燒過程中的熱釋放速率隨時間的動態(tài)變化。而總釋放熱是指在設(shè)定的入射熱流強度下，紡織品從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和。有效燃燒熱表示在燃燒過程中的某個時刻，熱釋放速率和質(zhì)量損失速率之比，反映的是燃燒中揮發(fā)性氣體在火焰中的燃燒程度，可用于分析阻燃紡織品的阻燃機理。

2.2.2煙氣釋放指標

煙氣釋放指標主要包括生煙速率和總生煙量等。錐形量熱儀采用比消光面積來表示紡織品燃燒時的煙氣釋放。一般火災(zāi)煙氣中顆粒物直徑為幾個微米到幾十個微米，而可見光波長在0.4～0.7微米，煙氣顆粒物對可見光有遮蔽作用，煙氣的釋放會大大降低火災(zāi)現(xiàn)場的能見度，使人們產(chǎn)生恐慌心理，不能合理逃離火場，增大了火災(zāi)的危險性。

2.2.3毒害物質(zhì)

根據(jù)各類火災(zāi)資料統(tǒng)計，紡織品燃燒產(chǎn)生的煙霧毒害物質(zhì)，其危害性常比燃燒時產(chǎn)生的火焰和熱量更為嚴重，是火災(zāi)中導(dǎo)致人類死亡的主要因素之一。錐形量熱儀可以采用附加設(shè)備采集煙氣進行毒害物質(zhì)分析。紡織品燃燒時釋放出的煙氣中，含有一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、各種氮氧化物、含碳無機物等毒害物質(zhì)，這些氣體一旦被人體吸入，危害極大。

2.2.4其他指標

其他指標包括質(zhì)量損失速率、引燃時間等。其中質(zhì)量損失速率是紡織品在燃燒過程中質(zhì)量隨時間的變化率，主要反映樣品在一定輻射熱流強度下熱裂解速度，同時可以得到樣品的質(zhì)量損失曲線，了解不同時刻樣品的殘余物質(zhì)量，用于材料裂解行為分析。引燃時間則是在設(shè)定的輻射熱流強度下，紡織品表面受熱到出現(xiàn)火焰燃燒所用時間，用于表征紡織品容易被點燃的程度。

3、結(jié)語

基于錐形量熱儀表征測試紡織品的燃燒特性，可以從點燃性能、熱釋放速率、總釋放熱、單位時間生煙量、總生煙量、煙氣毒性分析等方面進行分析，試驗數(shù)據(jù)可用于紡織品阻燃整理測試表征和評價，進行紡織品阻燃整理機理研究；可用于評估紡織品造成的火災(zāi)危害程度。加強錐形量熱儀試驗方法在紡織品燃燒特性的應(yīng)用研究，可以進一步完善紡織品燃燒性能的測試表征手段。錐形量熱儀在紡織品阻燃整理機理、燃燒危險性等級、燃燒類型研究等方面具有重要意義。

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