铝塑复合板用高分子热熔膜燃烧热值不确定度评定

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京100024）

0 前言

作为一种用途广泛的新型建材，铝塑板被广泛运用于各种场所的外墙、帷幕墙板、室内墙壁、天花板等。随着应用场景的不断扩展，国家对其安全性的要求不断加强，尤其体现在防火性能上。根据相关标准的要求，用于高层建筑的幕墙铝塑板和内墙装饰用铝塑板，其燃烧性能等级甚至需要达到A级[1]。

根据GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》中的要求，燃烧热值是评定是否达到A级材料的重要条件[2]。因此，本文对铝塑板中高分子热熔膜进行了燃烧热值测定，其数值是利用在绝热容器中的燃烧温升计算得出，为保证燃烧热值测定的严谨性，对其进行了不确定度评定。

1 实验

1.1 实验依据和方法

1）评定依据：JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》。

2）测量方法：GB8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》；GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃烧性能燃烧热值的测定》。

3）环境条件：温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%，安放地点无热辐射热源，无空气对流。

4）试验仪器：IKAC6000全能氧弹量热仪。

5）被测对象：高分子热熔膜。

6）测量过程：样品制备，为得到可信度高的热值数据，选取有代表性的样品，任意截取各不小于50g的5个样块，为保证均匀性，测试前需将高分子膜裁剪到足够细碎。

在检测前，需要利用具有标准热值的苯甲酸对仪器热容进行标定，以5次标定结果的平均值作为仪器热容，参与样品热值的测定。

对于高热值的高分子材料，无需加入助燃物就可充分燃烧。具体实验流程如下：在坩埚中称量约0.5g高分子膜，利用标准热值的棉线连接点火装置与试样，之后将试样装入氧弹中，在氧气中充分燃烧，记录温度变化，计算被测样品的热值，并以5次实验的算数平均值作为检测结果。

1.2 建立数学模型

根据氧弹量热仪检定规程和检测方法，建立高分子膜热值测定的数学模型，公式如下：

式中：

Q-高分子膜的燃烧热值，J/g；

E-热量体系的热容量，J/K；

ΔT-量热体系温升，K；

q1-点火能量，J；

q2-棉线热值，J/根；

m-高分子膜的质量，g；

根据公式（1）导出方差公式及各输入量的偏导数（灵敏系数）如下：

各输入量的偏导数为：

依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》对测量过程中影响热值数据的因素进行分析，测量不确定度主要包括：A类不确定度，测量重复性引起的不确定度分量；B类不确定度，有量热体系热容量引入的不确定度、温升测量偏差引入的不确定度、样品称量引入的不确定度、棉线热值和点火能量引入的不确定度以及环境因素、测试人员引入的不确定度[3]。

2 燃烧热值不确定度评定

通过对量热体系不确定度分析，依次对各个不确定度分量进行计算，由于测量前需要先对量热仪热容量进行标定，因此先对热容量进行不确定度评定。

2.1 热容量不确定度的评定

使用具有标准热值的苯甲酸对量热体系的热容量进行标定：

式中：

E-量热体系的热容量，J/K；

ΔTs-量热体系温升，K；

ms-标准物质苯甲酸的热值，J/g；

qs-标准物质苯甲酸的质量，g；

q1-点火能量，J；

q2-棉线热值，J/根。

由标定热容量过程可知，量热体系热容量的不确定度包括：A类不确定度，主要为标定时对热容量的测量重复性；B类不确定度，有苯甲酸标准热值的不确定度、苯甲酸称量过程的不确定度、标定时温差测量的不确定度、点火能量不确定度、棉线热值不确定度以及内筒中装水量测量不确定度。

2.1.1 标准物质苯甲酸热值引入的标准不确定度

苯甲酸标准物质证书中给出了苯甲酸的热值为26458J/g，对应热值的相对扩展不确定度为0.1%（包含因子k=2），由此计算出苯甲酸热值的标准不确定度：

2.1.2 苯甲酸称量引入的标准不确定度

校准证书标示了分析天平的最大允许误差为±0.1mg，按均匀分布，包含因子k=，苯甲酸称量的标准不确定度：

2.1.3 棉线热值引入的标准不确定度

利用标准热值的棉线引燃苯甲酸样品。本实验所用棉线已事先经过裁剪，其热值为50J/根，每次使用一根；根据经验，每根棉线的误差不超过2J，按照均匀分布，取k=，由此计算出每根棉线的标准不确定度：

2.1.4 点火能量引入的标准不确定度

实验中点火能量的误差为±1J，按均匀分布，取k=，得出点火能量的标准不确定度：

2.1.5 量热体系温差测量的不确定度

量热仪中温差测量的分辨率为0.0001K，按均匀分布，取k=，其标准不确定度：

根据标定过程中的数学模型导出方差公式，各输入量之间不相关，得出的方差公式为：

将上述数据代入公式（4）中，得：

u1（E）=4.06J/K

2.1.6 氧弹内筒中装水量测量引入的不确定度

实验流程要求，内筒中需要装入10ml去离子水，所用量筒的精确度为0.2ml，25℃环境中水的密度为ρ=0.997g/cm3，比热为C=4.2J/（g·K），由此得出内筒水称量的不确定度：

u2（E）=0.2×0.997×4.2=0.84J/K

2.1.7 热容量重复性测量引起的不确定度

将5次标定出的热容量数值代入贝塞尔公式：

由于u1（E）、u2（E）、u3（E）三个热容量不确定度分量互不相关，合成热容量标准不确定度：

表1 量热体系热容量标定实验数据

2.2 高分子膜称量引入的标准不确定度

校准证书中标示了分析天平的最大允许误差为±0.1mg，按均匀分布，包含因子k=，得出高分子膜称量的标准不确定：

2.3 各输入量引入的高分子膜热值不确定度计算

根据GB/T 14402-2007中对测量次数的规定，另外为保证不确定度评定的准确性，对样品进行了5次重复性热值测量，具体数据如表2所示。

由表2中的数据和前述对各输入量不确定度的计算，将具体数值代入公式（2），求得各输入量引入的不确定度：u1（Q）=29.32J/K

2.4 高分子膜热值重复性测量引起的不确定度

将5次测得的高分子膜热值导入贝塞尔公式，得出不确定度分量：

2.5 高分子膜热值测量实验环境和检测人员引起的不确定度

本次实验在标准的控温控湿实验室中完成，量热仪周围没有其他热辐射仪器，在测试时除必要的实验流程外，室内无多余人员进出扰动，因此可以避免实验室环境对检测结果的影响，其引入的不确定度可忽略不计。

实验检测人员均经专门的上岗培训，熟悉相关的检测标准和试验流程，对相关产品具有一定的测试经验；操作时严格按照操作规程，使用符合要求的称量仪器，因此检测人员引入的不确定度很小，可忽略不计。

2.6 合成标准不确定度

表3中标示的不确定度分量互不相关，因此得出合成标准不确定度：

2.7 扩展不确定度

扩展不确定度为合成标准不确定度与所选用的包含因子乘积，包含因子取k＝2时区间（σ－U，σ＋U）的包含概率为95.45%。

U＝k·u（Q）=2×0.042MJ/kg=0.084MJ/kg

3 结果和讨论

1）对各个不确定度分量进行分析可知，影响不确定度的主要因素为测量重复性和量热系统热容两个不确定度分量，为减少热容量对数值的影响，实验时应按时对仪器进行维护，尽量避免不必要的精确度缺失，另外在样品制备时，应保证样品均匀，且具有代表性。

2）通过以上对高分子膜进行的热值测量及不确定度评定，得出高分子膜热值为45.194MJ/kg，当扩展因子k=2时，其扩展不确定度为0.084MJ/kg，数值与传统烯烃类高分子燃烧热值相吻合，得出的扩展不确定度数值较低，证明了在当前条件下测定高分子膜热值具有较高的准确性。