1、摘要 I 阻燃 PVC 导管燃烧性比较研究 摘要 ：采用自行设计的燃烧试验装置，在纯氧条件下对 20 种阻燃 PVC 管进行垂直燃烧试验，计算了样品的燃烧线速度、质量损失速度，分别进行了基于燃烧线速度、质量损失速度、氧指数的阻燃性排序，分析了样品的燃烧线速度、质量损失速度与氧指数之间的相互关系。分析表明，样品的燃烧线速度与质量损失速度存在较好的线性关系，随着样品的氧指数增加，燃烧线速度、质量损失速度有下降趋势。探讨了用该装置及燃烧线速度、质量损失速度代替氧指数法评价 PVC 阻燃性能指标的可行性。 关键字 :PVC；纯氧；燃烧线速度； 质量损失速度Abstract II Comparative
2、 study on the flammability of flame retardant PVC duct Abstract: employing the self-designed combustion test device to conduct vertical combustion test for 20 kinds of flame retardant PVC ducts under pure oxygen condition. Calculating the linear velocity of combustion and the speed of quality lose o
3、f the samples. Conducting fire resistance ranks respectively based on linear velocity of combustion, speed of quality lose and oxygen index. Analyzing the relationships among linear velocity of combustion, speed of quality lose and oxygen index of the samples. The analysis shows that: the linear vel
4、ocity of combustion and speed of quality lose of the samples have relatively better linear relation. With the increase of oxygen index, the linear ve locity of combustion and speed of quality lose have decrease trend. Discussing the feasibility of adopting such device and linear velocity of combusti
5、on, speed of quality lose to replace oxygen index method in evaluating the PVC flame retardant performance indicator. Key words: PVC;pure oxygen; linear velocity of combustion;speed of quality lose 目录 III 目录 1 前言 . 1 1.1 研究的目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 3 2 材料与方法 . 5 2.1 试验样品的制备 . 5 2.2 实验装置 . 6 2.3
6、实验方法 . 7 2.4 实验步骤 . 7 2.5 实验现象观察 . 8 3 结果与分析 . 9 3.1 实验结果 . 9 3.2 燃烧性能对比分析 . 9 4 结论与讨论 . 16 4.1 结论 . 16 4.2 讨论 . 16 参考文献 . 18 教师简介 . 20 致谢 . 21 前言 1 1 前言 1.1 研究的目的及意义 PVC 树脂作为世界五大通用塑料之一，占合成树脂总消费量的 29左右。 PVC 是一种可通过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中控等方式进行加工的产品，而且具有较好的机械性能、耐化学腐蚀性和难燃性等特点， 并且 以其低廉的价格和非常突出的性能而成为比较理想的材料，广
7、泛地用于 生产板材、门窗、管道和阀门等塑料硬制品，也用于生产人造革、薄膜、电线电缆等塑料软制品 1。随着国民经济的高速发展 ,包括电力电缆、控制电缆、通讯电缆在内的各种电缆的应用范围越来越广，使用量越来越大。由于大部分塑料电缆的护套原料和绝缘材料都具有可燃性 ，当电线发生短路时，很容易引燃护套料和绝缘料，继而导致火灾发生。 当塑料电缆暴露在高温环境或卷入火灾中，不仅能增大火势和发烟量，而且极易导致火势蔓延。据我国火灾年鉴统计， 1997 年以来，每年电气火灾占火灾总数的 25% 30%造成的直接财产损失占总数的 35% 44%， 而电气火灾中由电线电缆引起的火灾又占了 50%以上 2。尤其是硬
8、质阻燃 PVC 管已经广泛应用于建筑工程的电气预埋管线施工中。硬质阻燃 PVC 管是指以聚氯乙烯树脂为主要原料，加入其它添加剂挤出成型的用于 2kV 以下工业与建筑工程中的电缆电线导管。因其轻质、阻燃、绝缘性好、安装使用方便快捷、卫生、无污染、价格低廉、使用寿命长等优点而逐步代替传统的镀锌钢管在建筑工程的电气施工中 3。在进行室内装饰装修时，对电气线路进行穿管保护已经是广大用户所熟知的一个装修内容。除了动力线路和照明线路外，许多用户已要求将包 括网络线、电 话线、报警线路等所有强、弱电线路都进行穿管保护， PVC 阻燃导管正在扮演着一个越来越重要的角色。因此，研究 PVC 电线电缆阻燃导管火灾
9、条件下的燃烧性能进而降低电线电缆的火灾危害具有重要意义。 在我国 ， PVC仍然是五大通用合成树脂中产量最大的品种 ， 占全部合成树脂及其共聚物产量的 25 以上，自给率达到 95.9， PVC的主要应用领域仍然是建材行业 ， 尤其是管材的应用 ， 所占比例最大 。 国外某调研公司的研究报告显示 ： 在 2011 2012年 ， 以 PVC为原料的塑料管材在总产量中所占比例超过 55。 而 PVC树脂基本可以满足国内的 需要 ， 在国内外经济大环境下 ， PVC管材 行业面临能源不断上涨 、 下游销售不前言 2 畅的局面 ， 尤其是受国家调控房地产政策的影响 ， 房地产业对于 PVC管材需求下
10、降。纵观行业发展和经营的历史状况 ， PVC管材 产能历经了短缺 局部过剩 结构性过剩 全面过剩之后 ， 已经步入体制性过剩时代 ， PVC管材面临难以消化的高库存和日益下行的价格的问题不得不去试图节约成本 。 产能过剩问题已经严重危害了行业的健康发展 ， 导致的结果是企业之间竞相压价 ， 产品价格持续下跌 ， PVC管材 产品质量问题也日益突出 4。 电线导管中的塑料管材因防火性能不良酿成并扩大 电气火灾事故的案例是屡见不鲜的。为防范此类火灾， GB50054 95低压配电设计规范和 JGJ T16-92民用建筑电气设计规范中的有关条文已经规定塑料电线导管采用难燃型材料时，氧指数 (OI)应
11、在 27 以上。但此指标与“方法”第 6 3 条规定的有关要求不一致，指标偏低不够安全，导致在选材时往往将氧指数在 28 31 的 B 级塑料导管纳入使用范围，实践证明这种导管在火灾中不能起到防火保护作用 6。 截止 2005年，我国生产阻燃 PVC管的企业大约有 500多家，但市场上销售的阻燃 PVC管 产品质量却参差不齐，优质阻燃 PVC管 的生产企业屈指可数 。 加上用户在选购此类产品时缺乏专业的指导，很少关注 阻燃 PVC管 的整体质量，往往一味追求低价，导致选用的阻燃 PVC管并不阻燃甚至助燃。 一旦发生电气线路火灾， 阻燃 PVC管 被引燃并释放大量的有毒气体和烟雾 。 而 PVC
12、中含有大量氯元素，纯 PVC中氯元素的含量占其全部质量的 53 4， 当建筑物发生火灾时，建筑物中的 PVC材料将会发生热解和燃烧现象，释放出大量 HCl气体。 这种气体属于粘膜窒息性有毒气体，浓度足够大时会导致呼吸困难、窒息甚至死亡，是建筑物火灾烟气中重要的毒害物质之一 7。 例如重庆 市在 2004年地方监督抽检时，对 16家 22个批次的阻燃 PVC管依据公安部行标 GA305-2001进行检测， 12个批次合格， 10个批次不合格；现场监督抽查的四家门市的 7个批次的产品，全部不合格 8。 我国对 PVC 阻燃导管质量检测主要的强制性技术标准： GA305-2001电气安装用阻燃 PV
13、C 塑料平导管通用技术条件，本标准的制定为生产电气安装 用阻燃 PVC 塑料平导管提供了统一的产品标准，为监督管理此类产品提供了统一的检验依据。在检测试验方法中氧指数（ GB/T2406）是最常用的评判参数，而氧指数试验方法中需要 任意抽取三根导管，每一节导管上切取各种试验试样，而由于导管的圆弧状特点所切取的固定长度试样由于导管直径尺寸不同所实际的试验载量也不同，所以实际得出的氧指前言 3 数并不是最准确值。另一方面 PVC 导管质量检测试验周期较长，工作量较大，对环境要求也更加的苛刻。所以用氧指数试验来评判 PVC 阻燃导管的阻燃性能并不是最完美的方法。 由此看来，国家强制性的 规范，并没有
14、让 PVC 质量市场变的更好，执法不严格以及厂家的偷工减料加上现在实验室检验的长周期，让 PVC 阻燃导管市场更加复杂也更加具有潜在风险。加上氧指数测定法取样上的争议与缺点 ，让本实验更加的具有 现实意义。本实验通过自行设计仪器，克服了氧指数取样的缺点，保留 试样的完整性，并且在大容积高浓度纯氧环境下代替模拟真实火灾环境 ，测定了 PVC 阻燃导管的燃烧线速度、质量损失速度并对试样阻燃 性能进行排序，得出不同厂家、不同类型阻燃 PVC导管的阻燃优劣性，为阻燃 PVC 导管质量检测做出新的贡献。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 由于 GA305 200l 电气安装用阻燃 PVC 塑料平导管通用
15、技术条件的强制性技术检测要求，我国学者对氧指数、烟密度、水平燃烧以及力学要求参数等做了很多的直接与相关研究 19-22。由于真实火灾场景中的复杂性，单个或者一系列的国家阻燃指标并不能完全保证安全。所以很多学者 也 对一定热辐射强度下 PVC 阻燃套管的化学燃烧性能各项指标测定与分析做了很多研究。 崔飞、罗静等对阻燃 PVC 电工套管氧指数测定中的影响因素分析中提到通过对阻燃 PVC 电工套管氧指数测定中的影响因素分析，对现行的阻燃 PVC 电工套管的氧指数检验方法展开讨论，并为执法部门、建设单位和产品生产商提供了数据参考 9。 石小丽等人们对现有氧指数仪进行了一系列的改进，不仅适用于其他没有确
16、定形状的样品，如粉体、液体、膏状样品， 而且能获取更科学的数据。本实验仪器现已经申报国家发明专利 10。 陈伯辉采用 JCY-l 型建材烟密度测试仪，对木材 和 PVC 等典型室内装饰材料的烟密度及其浸水前后材料的发烟性能进行了测试分析与研究，得到 3 种材料的烟密度等级，并对烟气的产生进行了量化，通过计算得到了材料的烟气质量浓度和烟气光学密度，对消防设计提出了相关的建议 11。 陈舒利用水平垂直燃烧测定仪。氧指数测定仪、烟密度测试仪、锥形量热仪对建筑中常用的硬聚氯乙烯管 (PVC u)、交联聚乙烯管 (PEX)、铝塑复合管 (PAP)、聚丙烯前言 4 管 (PP R)、聚 丁烯管 (PB)等
17、 5 五种塑料管材的燃烧性能进行测定。结果表明在试验热辐射强度下， PVC u 的热释放速率峰值和总释热量是五种塑料管材中最小的。但一氧化碳的产率是最高的。在烟密度测试结果表明 PVC U 的产烟量是最大的， LoI和水平垂直燃烧测试表明 PVC u 的氧指数是最高的 12。 郭峰等人通过使用锥形量热计对不同的木质材料和 PVC800S材料的热释放速率、有效燃烧热、 CO2、 CO生成率等参数进行测量以研究分析各材料的燃烧性能。并分析其在不同辐射热强度下的各项指标的差异 13。 在国外，环保的争议从来没有停止过 ， 而阻燃剂的研究热度从来没有停止过。 选择阻燃体系中抑烟剂时其阻燃与抑烟双重作用
18、，目前国外正大力研究高分子复合阻燃剂，并取得可喜成果。由此可见对 PVC的阻燃化设计，除了赋予其良的阻燃性能，基本不影响原材料的物理性能外，还必须考虑到低烟、低毒问题 14。目前， 新的阻燃材料具有低放热率、低生烟性和低毒性，而且阻燃效率不会降低。由于人们使用溴系阻燃剂十分审慎，给其发展前景蒙上阴影。但由于溴系阻燃剂在阻燃领域的历史地位，而且在很多应用领域还很难找到合适的代用品，所以溴系阻燃剂在欧洲等国仍然是无可替代的选择。但寻找 溴系阻燃剂的代用品，已逐步实现阻燃剂的无卤化和生态化，已是明显的发展趋势之一 15。 2016 年开始到以后是聚氯乙烯电缆料 (耐热阻燃护层 )行业发展过程中非常重
19、要关键过程，首先，从外部宏观环境来讲，影响行业发展的新政策、新法规都将陆续出台。转变经济增长方式，严格的节能减排对软聚氯乙烯电缆料 (耐热阻燃护层 )行业的发展都产生了深刻的影响，另 外还有来自通货膨胀、人民币升值、人力资源成本上升等等因素的影响。 从企业内部来讲，产业链各环节竞争、技术工艺升级、出口市场逐步萎缩、产品销售市场日益复杂等都是问题。但是在通用树 脂生产中，以 PVC 树脂耗乙烯量最低，生产成本也最低。而生产 PVC 用的原料氯气，是平衡生产烧碱产生氯气的重要途径，烧碱是国民经济必不可少的十分重要原料。 在此材料不可或缺的情况下 虽然 PVC 阻燃性能已经得到很大的提升，但是在真实
20、火灾中却往往还是会被易燃释放最多的有毒烟气，目前对有 PVC 导管有毒烟气的释放以及环保型的问题并没有很好的办法。所以，目前国内外主要研究趋势是在不严重影响生产成本的前提下怎么样让 PVC 阻燃导管实现环保友好化 23。 材料与方法 5 2 材料与方法 2.1 试验样品的制备 本次实验 PVC 样品收集了 20 根 PVC 样品， 样品来源与云南省质量监督检验中心送检样。 其中涉及到 10 个 品牌 、 20 个不同批次、不同 规格 。 具体品牌 有：联塑、夏宝、中财、川路、波士特、伟星、金龙、亚枫等。试 样表面清洁、平整光滑，无影响燃烧行为的缺陷，如气泡、裂纹。具体见 表 2-1。 表 2-
21、1 20 根样品基本物理参数 编号 样品 厂家 生产 日期 外径（ cm） 总长度 （ cm） 样品厚度（ cm） 质量（ g） 密度（ g/cm） 1 联塑 2015/5/9 2 50 0.18 82.5336 1.61 2 联塑 2015/10/28 2 50 0.178 65.0919 1.27 3 联塑 2015/8/15 2 50 0.188 84.6816 1.58 4 联塑 2015/11/9 2 50 0.172 77.0627 1.56 5 联塑 2015/9/7 2 50 0.138 64.0337 1.58 6 联塑 2015/8/15 2 50 0.172 80.934
22、7 1.63 7 联塑 2015/7/1 2 50 0.142 64.0365 1.54 8 联塑 2015/12/29 2 50 0.134 65.7435 1.67 9 联塑 2015/1/18 2 50 0.144 64.7935 1.54 10 联塑 2015/8/27 2 50 0.158 65.485 1.43 11 联塑 2015/12/10 2.5 50 0.154 95.0213 1.60 12 夏宝 2015/9/20 2 50 0.146 72.8604 1.71 13 中财 2015/10/1 2 50 0.176 82.2155 1.63 14 川路 2015/11/
23、7 2 50 0.142 66.6755 1.61 15 波士特 2015/11/7 2 50 0.14 63.2188 1.54 16 伟星 2015/10/25 2 50 0.148 66.312 1.54 17 金龙 2012/12/29 2 50 0.174 79.5016 1.59 18 亚枫 2014/8/23 2 50 0.148 68.7882 1.60 19 西大 2015/8/23 2 50 0.148 70.1053 1.62 20 苏牛 2015/12/31 2 50 0.128 60.2637 1.60 (1)试样的总长度：将收集来的 20 根阻燃 PVC 样品（其中
24、 DN20 的样品 19 根， DN25的样品 1 根）均做成全长为 50cm 的样品 且表面清洁、平整光滑 。 (2)试样的标线：将全长为 50cm 的样品从上至下分成 3 段，并用标线标出，标线不能太粗，尽量画细。从上至下每一段分别为标记为 A、 B、 C，长分别为 3cm、 40cm、7cm。 第一个标线为实验计时开始处，第二个标线为实验计时停止处。两标线之间长40cm 的 B 段为实验段。 具体见图 2-1。 材料与方法 6 图 2-1 实验样品制备 2.2 实验装置 此实验装 置为自行设计 ， 由氧气钢瓶、燃烧瓶、控制阀门、压力表、流量计、连接管路组成。实验用燃烧瓶由导师主导设计而成
25、，具有耐高温、全透明、高 度高、容积大、方便更换维护等特点。 由氧气钢瓶供给纯氧，通过调节氧气钢瓶上的减压阀门 和压力表 控制出气压力 并借助 可调节流量计确定输出流量， 氧气通过四个入口均匀进入到燃烧瓶底部，氧气均匀通过 20cm 厚的玻璃钢珠层到达实验燃烧层，然后从瓶盖上开口与燃烧气相产物一起排出。本实验中样品长度为 50 厘米，实验时垂直固定在图 2-2 中 玻璃珠钢丝 网承台上，盖上 盖上 后全部处于燃烧瓶内， 利用点火枪从上盖口 均匀点燃样品上端，点燃短时容易所以不会对燃烧瓶内氧气造成很大消耗，并且此时 外界空气扰动不会对燃烧瓶内产生影响 ，氧气供应量充足并能及时把燃烧后气相产物带出
26、燃烧瓶外，且不会因为流量太大反而对燃烧产生冷却效果。 具体实验装置如图 2-2。 实验段 开始计时标线 结束计时标线 开始点火 材料与方法 7 图 2-2 实验装置 示意图 2.3 实验方法 （ 1） 样品的厚度。用游标卡尺分别测量出样品的外径和内经，计算出样品的厚度，并记录； （ 2） 燃烧前样品的总质量。用电子天平分别测量出样品燃烧前的总质量，并记录； （ 3） 燃烧线速度 计算 方法 为样品长度与 样品燃烧时间 的比值 ； （ 4） 质量损失速 度 计算 方法 为样品质量 与 样品燃烧时间 的比值 ； （ 5） 密度测定方法 为样品质量与样品体积的比值。 2.4 实验步骤 （ 1）连接装置，检查气路，确定各部分连接无误，无漏气现象； （ 2）安装样品：将试样垂直地放置在燃烧缸内装有玻璃钢珠承台上； （ 3）缓慢打开氧气阀门通气、再打开氧指数仪阀门并调节流量至每台最大即
