新型塑料烟密度测定仪的结构与应用

于健，高祯瑞

（青岛科技大学环境与安全工程学院，山东 青岛 260042）

新型塑料烟密度测定仪的结构与应用

于健，高祯瑞

（青岛科技大学环境与安全工程学院，山东 青岛 260042）

塑料烟密度测定仪可测定非金属材料的静态生烟量的新型测试仪器，按新国标GB/T 8323.22008的技术要求设计生产，其结构、测试技术和要求均取代了GB/T8323-1987的内容。在密闭试验箱内，静态测定材料燃烧时生烟量的特性，与锥形量热仪测定材料燃烧时动态生烟量的特点正好成为互补，使塑料等非金属材料燃烧时其燃烧特性测试方法和手段更加准确和丰富。

烟密度测定仪；静态生烟量；透过率；比光密度

新型塑料烟密度测定仪是依据GB/T 8323.2-2008及ISO5659-2《塑料烟生成 第2部分 单室法测定烟密度试验方法》中所规定的技术条件而生产制造的一种实验测试设备，适用于测定塑料燃烧时所产生的烟雾的比光密度、最大烟密度、质量烟密度。评定在规定条件下塑料的发烟性能，也适合于其它材料的测试评估（如橡胶、纺织品覆盖物、涂漆面、木材和其它材料），适用于非金属材料生产的工厂、大专院校以及科研试验单位使用，取代了GB/T8323-1987 《塑料燃烧性能试验方法 烟密度法》的标准规定。

仪器显著特点是静态测定材料燃烧时生烟量的特性，与锥形量热仪动态测定材料燃烧生烟量的特点正好成为互补，是研究材料燃烧生烟特性过程不可缺少的实验测试仪器，也是测试材料阻燃性能方面的重要环节和方法。

1 结构简介

新型塑料烟密度测定仪，是结合了NBS烟箱法与锥形量热仪测试法的特点，在NBS烟箱结构原理的基础上，设计定制的一种实验测试仪器。主要结构由电气控制系统、密闭试验箱、光度计测量系统、辐射热流计、称量系统、锥形辐射加热器、引燃燃烧系统、烟密度测试软件等部分组成，如图1所示。

图1 结构示意图

1.1 密闭试验箱

根据标准要求，密闭试验箱的容积尺寸为914×610×914 mm（长×宽×高），满足光径长914 mm的要求。箱门关闭时应密封效果良好，且门上设有一可以打开的密封观察窗，便于测试操作时，观察样品件的状态变化情况。密闭试验箱底部中央处（在称量系统下面），设有一套排除烟气的装置，实验测试时该装置关闭，测试数据完成后，由人工操纵电控阀门打开排除密闭试验箱内的烟气。

1.2 光度计测量系统

该系统主要由光电倍增管、滤光片、透镜、光学窗口、光学系统暗箱、发光光源、变压器、可调电阻、变压器、控制（定时、记录）装置等部分组成，如图2所示。

图2 光度计测量系统示意图

上下光学窗口之间的距离为914 mm （合36″），适合550～650 nm长的光波。发光光源为6.5 V的白炽灯，由变压器和可变电阻组成控制电路，发出的光线经透镜、光学窗口，调整为直射的平行光束向上射出，经光电倍增管接收到的光信号转化为电信号，再放大传送至电气控制系统，在监控器屏幕上显示的数据就是测得的即时光通量。

1.3 辐射热流计

辐射热流计主要用来测量锥形加热器温度升高时的热辐射功率。当锥形加热器通电后，锥形电热管的温度，在室温不断的升高过程，用辐射热流计在固定位置，即可测量标定与某一温度值相对应的辐射功率数，如图3所示。

图3 辐射热流计安装示意图

辐射热流计在测量标定时，需要开通循环冷却水，保护测试头不会被较高温度烤坏，延长使用寿命。测量标定完成后，应把辐射热流计从固定支架移走，并把测试头套上盖子封闭保护，以免磕碰磨损，影响测试精度。

1.4 称量系统

称量系统是用来对测试样品件的质量进行确认、失重监控，为质量光密度的测定，提供质量损失值。称量系统主要由电子天平、样品支撑架、防护罩、样品盒等零部件组成，如图4所示。

图4 称量系统示意图

样品件称重时，应先把样品盒组合体放置在样品支撑架上，显示的重量数值稳定后再点击“天平清零”按钮，等到试样质量显示数值为“0”后，再称量实测样品件的质量。电子天平的R232接口直接与计算机相连，持续输出的质量变化信号均被计算机按设定的时间采集到，直接参与“质量光密度”MOD的系列测试数据计算。

1.5 锥形辐射加热器

锥形辐射加热器是设备的核心部件，主要由圆台形的电热管、内罩、外罩、隔热材料、上下连接板、挡热板、K型热电偶等零部件组成，如图5所示。

图5 锥形辐射加热器示意图

锥形辐射加热器的加热温度可控制在室温～1 000℃范围内，由2个K型热电偶检测控制。在距下连接板以下25 mm处，可对测试样品件的表面，提供10～50 kW/m2的均匀辐射功率。辐射功率数值大小的选择，用热流辐射计来标定。挡热板是用来保护称量系统，免于被锥形加热器升温加热时的强热辐射损坏。

1.6 引燃燃烧系统

引燃燃烧系统的作用是；把被辐射受热的测试样品件引燃着火，产生烟气。该系统的主要结构组成有：压缩空气部分、丙烷气气瓶、气体浮子流量计、混合阀、电控开关阀、喷咀部分、点火器等部分组成， 如图6所示。

压缩空气部分与丙烷气气瓶，各自提供0.2～0.4 MPa的气体，经气体浮子流量计调整流量后，进入混合阀合为具有一定比例的混合气体，由电控开关阀控制用气。点火器的点火丝设置在喷咀部分的出气口旁边，点火丝离开喷咀口有约3～5 mm的距离，便于点火时持续产生脉冲电子火花，快速有效地引燃混合气体。

2 测试应用

图6 引燃燃烧系统示意图

根据GB/T 8323.1—2008《 塑料 烟生成 第1部分 烟密度试验方法导则》以及GB/T 8323.2—2008《塑料 烟生成 第2部分 单室法测定烟密度试验方法》的规定要求，被测样品件可分别在4种模式下进行，即：25 kW/m2无引燃火焰；25 kW/m2有引燃火焰；50 kW/m2无引燃火焰；50 kW/m2有引燃火焰；也可单独在1种或2种模式下进行，但每种模式下需要测试3个样品。

2.1 样品件准备

样品件的外形尺寸规定为：边长75 mm×75 mm ±1mm的正方形，厚度通常为10 mm以下，常用厚度为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、10 mm，泡沫材料的厚度，一般控制在20～50 mm之间。样品件应质量均匀、外表面光洁规整。

样品件应用铝箔把底面和4个侧面包好，被测试的一面外露。

2.2 样品件测试

通常情况下，在锥形辐射加热器处于非加热状态，仪器应开机预热，空载运行60 min以上，再观察监视器画面的显示几项数据是否正常，如图7所示。

正常的数值为：白炽灯光透过率显示的数据，应在95%～100%之间变化；烟箱内温度显示的数据，应与室温温度相似；样品件质量称量显示的数据，应自动显示为“0”。

上述数值正常后，再把锥形辐射加热器升温至设定温度，用热流辐射计测量标定或校核其辐射功率，应达到25 kW/m2或50 kW/m2。然后再把压缩空气与丙烷气的混合气体流量比例调节好。

图7 监视器操作界面示意图

应注意，在校核辐射功率时，应保证热流辐射计的测量端面，与锥形辐射加热器下端面的垂直距离为25 mm。

2.2.1 称量与操作

样品件的称量是测试烟密度的首要操作步骤，直接关系到质量光密度（MOD）测试数据的准确效果。首先把样品盒组合体，放在称量系统的样品支撑架上，质量称量显示的数据稳定后，点击称量天平清零按钮确认。再把用铝箔包好的实测样品件放上称量，此时称量显示的数据就是样品件的初始质量。在可设定的试验时间处，设置好试验测试需要的总时间。在可设定的数据采集时间处，设置好测试数据采集的间隔时间（记录周期）。打开图5所示的挡热板，点击试验开始控制按钮，试验测试开始进行。

测试的数据采集过程曲线变化显示，可点击数据曲线显示选择栏目，进行比光密度、透过率、质量、质量光密度的时间变化曲线图像的交替选择，如图7所示。点击实验结束控制按钮，就可完成一次测试实验。

2.2.2 测试方法与要求

根据国标GB8323-2008的规定，测试样品应该在25 kW/m2或50 kW/m2的辐射照度下，分别按照有引燃火焰或无引燃火焰的模式（共4中模式）进行测试。不论采用哪几种模式测试，每种试样的数量应该至少为3个，也就是说每种模式下的样品件测试次数至少为3次，根据3次测得的数据进行对比分析、选择确定，3次的测试数据不能混合使用。在测试操作前应具备以下几条要求：

（1）样品件。表面规整，外形尺寸75 mm×75 mm×（2～25） mm，通常情况下选取塑料材料厚度为3～10 mm。

用薄铝箔包裹不受辐射照度的背面与四周侧面，在正面四边包覆并留出65 mm×65 mm面积的中心测试区域。

（2）样品盒组合体。样品盒组合体见图8所示，在测试样品下面必须要衬垫不燃的隔热板和耐高温的纤维材料，具体使用要求为：

①测试样品包裹后的厚度小于12.5 mm时，应用烘干密度为850 kg/m3±100 kg/m3、厚度为12.5 mm不燃的隔热板和密度为65 kg/m3的耐高温的纤维材料共同作为衬垫层。且隔热板必须放置在测试样品下面，耐高温纤维材料上面。

②测试样品包裹后的厚度大于12.5 mm、小于25 mm时，则只用耐高温的纤维材料作为衬垫层。

③若测试样品包裹后的厚度为25 mm时，则不能使用衬垫层。

图8 样品盒组合体

（3）烟箱内温度选择 初次试验时，烟箱内温度显示应高于室温。再次做试验测试时，应注意烟箱内温度的控制：

①对于普通材料，辐射锥为25 kW/m2时，箱壁温度应稳定在40 ℃±5 ℃的范围。

辐射锥为50 kW/m2时，箱壁的温度应该稳定在55 ℃±5 ℃的范围。

②对于膨胀型材料，辐射锥为25 kW/m2时，箱壁温度应稳定在50 ℃±10 ℃的范围。

辐射锥为50 kW/m2时，箱壁温度应稳定在60 ±10 ℃的范围。

这种选择很重要，通常试验测试时，往往容易忘记或被忽略，直接影响到比光密度测试数据的精度和准确性。

（4）透过率的满度调节

仪器预热、标定完成后，第一块样品件测试前的透过率显示为100%，如图7透过率所示。再进行第二块样品件测试时，透过率显示的数值会有些下降，当下降数值显示为90%～95%时，就应该点击图7所示的“满度校正”按钮，使透过率的显示数值达到99%～100%之间，且数值跳动变化量小，处于较稳定状态。

（5）样品件与辐射锥之间的距离

初始测试前，操作者应复核检查样品盒组中，要测试的样品件上平面与辐射锥下端面之间的垂直距离。通常情况下垂直距离应为25 mm，对于膨胀性材料垂直距离应为50 mm。距离调节位置在图4所示的样品支撑架处。

3 结语

新型塑料烟密度测定仪其核心部分的工作原理、设计技术、工艺条件、测试要求等借鉴了大型精密仪器“锥形量热仪”的先进技术和测试方法，不仅能测试塑料燃烧的烟密度特性，而且还能测试其它非金属材料燃烧时发烟的特性。

在密闭试验箱内，静态测定材料燃烧时生烟量的特性，与锥形量热仪测定材料燃烧时动态生烟量的特点正好成为互补，使塑料等非金属材料燃烧时其燃烧特性测试方法和手段更加准确和丰富，为非金属材料的阻燃研究，测试方法和技术提供了更为准确的依据。

Structure and application of a new plastic smoke density analyzer

Structure and application of a new plastic smoke density analyzer

Yu Jian, Gao Zhenrui
(College of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 260042, Shandong, China)

PThe plastic smoke density analyzer is new test equipment for measuring static smoke production of non-metallic materials. It is designed and produced according to technical requirements of the new national standard GB / T 8323.2-2008, its structure, testing techniques and requirements are to replace the contents of GB / T8323-1987. Its characteristic of statically measuring smoke production of when materials burning in an airtight chamber just becomes complementary of dynamic smoke production measuring by cone calorimeter. It makes combustion characteristics test methods and means of plastics and other non-metallic materials more accurate and abundant.

smoke density analyzer; static smoke production volume; transmittance; specific optical density

TH873；TQ315

1009-797X（2015）22-0091-05

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.036

（R-03）

于健（1956-），男，机械工程师、高级实验室，曾经发表科技论文20多篇，获国家实用新型专利6项，发明专利3项，现主要从事实验室管理工作，以及锥形量热仪的实验测试工作。

2015-06-09