阻燃性能实验方法，看这一篇就够了！

目前，阻燃性已经成为高分子材料的必要条件，制备阻燃性高分子材料是最主要的研究方向。极限氧指数（LOI）测试、UL-94水平或垂直燃烧测试，以及锥形量热仪测试是表征聚合物阻燃性能应用最为广泛的测试方法。

极限氧指数测试是用来评价材料可燃性的一种方法。极限氧指数是指维持竖直方向的样品持续燃烧3min或者火焰在样品上传播5cm时的氧气/氮气混合气体的最低氧气浓度，该值越高，一般认为样品阻燃性越高。因为空气中氧气的浓度为21%，材料的极限氧指数低于21%称为可燃材料，而极限氧指数高于21%称为可自熄材料。根据样品种类及形状的不同，极限氧指数的测试标准有很多种，例如ASTM D2863、ISO4589、DIN4102-B2、NF T51-071。

UL-94水平或垂直燃烧试验时测试材料可燃性和防火安全性最为常见的方法。其测试标准包括ASTM D635、ASTM D635-77、ASTM D3801、IEC60695-11-10、IEC 60707、ISO 1210等。

在UL-94水平燃烧测试过程中，主要依靠火焰传播速率来评价燃烧等级。最常用的评判UL-94 HB级的标准，样品厚度小于3mm，则要小于或等于75 mm/min。在UL-94垂直燃烧测试中，样品垂直放置，并由标准火焰点燃，根据样品两次点燃后到熄灭的时间，两次总的燃烧时间以及样品燃烧过程中是否存在熔滴现象来评价样品的垂直燃烧等级，包括V-0、V-1、V-2 级和无级别。样品达到UL-94垂直燃烧V-0、V-1或V-2级的具体标准见下表。

此分级可以为材料获得工业许可进而商业化应用提供指导作用。另外，此类测试可以为科研工作者研究材料的燃烧行为提供很多有用的信息，包括可以观察燃烧火焰强度、火焰传播长度、火焰传播速度、熔融滴落速度、失重比例以及样品燃烧后的炭层形貌等。

锥形量热仪测试是评价聚合物阻燃性能的重要方法。锥形量热仪是一种根据氧耗原理设计的测定材料燃烧放热的仪器。所谓氧耗原理是指物质完全燃烧时每消耗单位质量的氧气会产生基本相同的热量，即氧耗燃烧热(E)基本相同。

这一原理由Thornton在1918年发现，1980年Huggett 应用氧耗原理对常用易燃聚合物及天然材料进行了系统计算，得到了氧耗燃烧热(E)平均值为13.1kJ/g，材料间的E值偏差为5%，因此，在实际测试中，测定出燃烧体系中氧气的变化，即可换算出材料的燃烧放热。

锥形量热仪测试过程中，聚合物材料在设定的热辐照功率(25~110 kW/m2)进行燃烧，气相产物经过一个排风系统进行收集和分析。锥形量热仪最初的应用是设计火灾模型，由于其可以测量出火灾中可燃物的热释放速率等参数，因此能判断火灾模型中材料的火灾危险性。

锥形量热仪测试的标准包括 ASTM 1356-90、ASTM E1354、ASTME1474和ISO5660等，它可以给出很多项标准材料燃烧性质的参数，如热释放速率(HRR)、热释放速率峰值(p-HRR)、点燃时间(TTI)、总热释放(THR)、质量损失速率(MLR)、消光面积(SEA)、总烟释放(TSR)、有效燃烧热(EHC)、CO产量（COY）和CO2产量（CO2）等。

热重分析仪是分析样品在程序升温过程中样品质量随时间或温度变化情况的仪器。热重分析可以在氮气、氦气、氩气、空气或纯氧气气氛下对材料进行分析，因此可以对材料在惰性气氛中的热降解行为以及有氧气氛中的热氧化分解情况进行研究。

热重分析的升温程序可以根据实验需求自行设定，一般分为等温热重分析和非等温热重分析。

等温热重分析是通过快速升温的方法将样品加热到设定温度，并将此温度保持实验所需要的时间。

最常见的非等温热重分析是以特定小量的样品进行分析，定量描述材料的热稳定性以及不同时间或温度下的残渣质量。

热重分析的升温速率将样品温度升到实验设定温度，因为热重分析有多种气氛选择，以及多种升温程序和升温速率，所以热重分析可以用来模拟和研究样品在不同条件下的分解过程。

傅里叶变换红外光谱(FTIR）或者质谱(MS）仪与热重分析仪联合使用（TG-FTIR 或TG-MS），那么这些联用设备不但可以给出样品质量随温度变化情况，同时还可以给出不同温度下气相分解产物的红外分析谱图或质谱图。因此，TG-FTIR 或TG-MS 是分析材料的热分解机理非常重要的测试手段。

TG-MS是一种高灵敏度和高分辨率的分析方法，可以对材料气相分解产物中浓度很低的气体种类进行分析。而TG-FTIR 则可以对样品整个热分解过程中气相产物的有机官能团进行分析2。热分解气体的气相色谱与质谱联用分析（Py-GC/MS）是另外一种重要的气相产物分析方法。此方法具有测试简单、快速、灵敏和重复性好等特点。Py-GC/MS 可以对样品分解过程中所产生的体产物的相对组成进行分析。

凝聚相的炭层分析对研究阻燃机理也非常重要，因为显微分析手段可以给出很多聚合物燃烧后纤维炭层的详细信息。炭层的形貌千变万化，研究者通常采用显微手段来观察炭层的微观形貌，主要的显微手段包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM)和透射电子显微镜（TEM)。

通过显微手段研究炭层形貌主要分为两种方法，包括以原位观察的形式研究炭层形成过程中的形貌变化，以及对事先准备好的炭层样品进行微观形貌分析。研究者通常对炭层外部形貌和内部微观结构进行分析，研究形貌与材料阻燃性能之间的关系。

红外光谱和拉曼光谱可以用来研究炭层的化学结构，因此对于研究者而言非常重要。傅里叶变换红外光谱配合多种炭层样品制备方法，可以为凝聚相研究提供很多有价值的信息。目前，研究者通常会分析样品在热分解过程中不同温度下的凝聚相化学结构，或者燃烧过程中不同时间点的凝聚产物化学结构。用这种分析方法可以容易地跟踪脂肪族官能团断裂以及稠环芳烃结构形成过程。

另外，只需得到样品燃烧或热分解过程中不同时间、不同位置的凝聚相样品，即可通过这种方法很好地跟踪含Si、P、S或N基团的分解及迁移过程。傅里叶变换红外光谱分析对研究聚合物在25-600 ℃温度范围内的样品十分有效。

核磁共振光谱（NMR）分析可以进一步给出残炭的化学结构分析结果。由于残炭是不溶物质，所以一般只能采用固体核磁技术来表征炭层的化学结构。具体可以通过核磁共振来获得阻燃材料凝聚相中的阻燃元素位置、价态以及相对浓度信息的变化情况，并根据这些结果分析不同的阻燃机理。

X射线光电子能谱(X-ray photoelectronspectroscopy,XPS)是用X射线去辐照样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标绘制出光电子能谱图，从而获得待测物组成。XPS主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析，包括价态。XPS因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱。

X射线衍射（XRD)分析在炭层研究中有两个主要应用：一是研究复杂炭层中的不含碳的结晶产物，这些结晶产物可能是由阻燃剂或添加剂在燃烧过程中形成的；二是分析含碳相。在利用XRD分析真实碳层的时候，无定形碳使XRD分析出现像气体散射一样的谱图，而密度高的坚硬的不完全石墨化的碳则使XRD分析出现类似于四面体结构的谱图。