锥形量热仪在阻燃材料研究中的应用

锥形量热仪(简称CONE)，是基于耗氧原理的材料燃烧性能测试仪器。经过20多年的不断改进和完善，锥形量热仪已经成为研究材料燃烧性能Z重要的试验仪器之一。锥形量热仪在阻燃材料研究中可以研究阻燃机理、阻燃剂在材料中的阻燃效果，评价阻燃材料的燃烧性和阻燃性以及烟和毒气的释放。

1、锥形量热仪试验

传统表征材料燃烧性能的小型实验方法，例如极限氧指数(LOI)法、UL标准中水平燃烧法、垂直燃烧法与NBS烟箱法等，虽然成本低，实验比较容易，但是实验条件与实际火情相差比较大，实验结果只能应用于一定实验条件下材料之间燃烧性能的对比研究，不能作为评价材料在真实火灾环境中燃烧行为的依据。虽然大型实物燃烧试验能够客观反映材料的火灾危险性，试验结果真实，但是成本高，试验比较复杂。因此，不可能对所有材料进行大型实物燃烧试验。

锥形量热仪试验容易进行，试验环境与实际火情极为相似，试验结果与大型实物燃烧试验结果之间存在非常好的相关性，因此，锥形量热仪广泛应用于材料燃烧性能评价。目前，已经有国际标准组织ISO5660标准、美国材料与试验协会ASTME1354标准以及英国、加拿大等国家相关标准将锥形量热仪法确定为进行材料燃烧性能测试的标准试验方法。非等效采用ISO5660标准，我国也制定了以锥形量热仪为试验仪器测试建筑材料燃烧性能的标准。

应用锥形量热仪可以得到点燃时间、燃烧时间、总热释放量、总耗氧量、总烟释放量、质量损失、平均比质量损失速率、热释放速率、有效燃烧热、质量损失速率、比消光面积、一氧化碳产量以及二氧化碳产量等材料燃烧性能参数。

2、研究阻燃材料的性能

阻燃科学与技术的发展，对阻燃材料燃烧行为的评估、测试手段提出了越来越高的要求。由于阻燃材料在火灾中的燃烧行为非常复杂，传统的测试方法(氧指数法、垂直燃烧法、水平燃烧法)虽然具有操作简单、快速、重复性好等特点，但普遍存在测试参数单一，测试结果不能定量化等缺点，难以与材料在真实火情中的燃烧行为相关联，有时对同一种材料的评估，采用不同的实验方法得到相互矛盾的结果。

锥形量热仪法由于具有参数测定值受外界影响小，与大型试验结果相关性好等优点，对材料阻燃效果的评价更真实。同时对材料阻燃机理的分析和研究也有极大的帮助。

2.1研究阻燃机理

利用锥形量热仪测得的参数(如CO、CO2的生成量、有效燃烧热、释热速率等)，将经阻燃与未经阻燃处理的聚合物进行对比，得出的分析结果对研究阻燃机理有很大帮助。

2.2为材料燃烧危险等级划分

MarceloM.Hirschler利用锥形量热仪系统研究了35种商用塑料的燃烧性，对其危险性进行分类。该评价标准在商品交换中可作为材料燃烧危险性大小的等级参数，在实验室研究中，可为材料选择提供依据，也可为消防安全设计、消防审核、技术监督等工作提供指导。

2.3研究和评价烟和毒气的释放

火灾发生时，对人们生命威胁Zda的因素是烟毒的释放。应用锥形量热仪不仅可以测试烟释放参数，还可以应用气体分析设备，例如气体分析仪与FTIR等，分析燃烧产物中CO、HCI与HCN等毒气。锥形量热仪可快速对某种阻燃剂的发烟性能作出评价，也是研究发烟模式、成烟机理、阻燃效率的重要手段。

2.4评价产品和材料的燃烧性和阻燃性

综合HRR、pkHRR、THE以及TTI等燃烧性能参数，可以判断材料潜在的火灾危险性。Hirscher与Shakir将电缆在不同热辐射流量条件下应用锥形量热仪试验得到的pkHRR与大型电缆通道试验结果即炭化长度进行相关，得到比较好的相关性。Wichstron和Goransson等应用比值TTI/pkHRR评价材料潜在的轰燃性，比较好地说明了材料潜在的火灾危险性。Petrella提出结合比值pkHRR/TTI与THE可以更加全面地评价材料潜在的火灾危险性。因为，HRR与TTI取决于外部热辐射流量、通风速度与破坏程度，而THE与材料内部能量有关，独立于环境因素。

3、锥形量热仪未来的发展方向

由于锥形量热仪具有众多传统燃烧测试仪器所不能具备的优点，在一些国家已经得到了推广使用。国际标准组织及英美等国家的标准组织已经根据锥形量热仪制定了各种材料的燃烧测试标准，并取得了较好的效果。从发展趋势看，锥形量热仪有可能取代一些传统的小型火试验仪器。但是，仍需认识到，虽然锥形量热仪试验方法在定量测试热释放能量方面比传统仪器有了较大提高，但锥形量热仪试验法本身也具有一定的缺点。

首先，采用耗氧原理进行HRR计算时，耗氧燃烧热E的值随燃烧材料本身性质而改变；特别是对于含杂原子材料而言，E值的选择要做相应改变。其次，在燃烧过程中，凡是没有氧气参与的反应，其反应热效应不能由锥形量热仪测出，所以对阻燃材料进行释热测量时，必须考虑材料非氧化反应的热效应。

尽管对锥形量热仪的应用已经做了大量的研究工作，人们仍希望能为锥形量热仪开拓更多的应用领域。如今，该仪器已被证明能成功地用于工业、检测试验室和火灾研究室。锥形量热仪将来可能朝以下方面发展：①增加在聚合物发展方面的应用，用以取代现存的功能单一的TGA和DSC等热分析装置。②应用于建筑规范和其它要采用热释放率方法可获得更好结果的其它法规。