理论上极限氧指数测定的探讨

故事

　　塑料的极限氧指数（LOI）定义为在规定的条件下，试样在氮、氧混合气体中，维持平衡燃烧的最低氧浓度（体积百分含量）。

　　LOI 测定是由美国人 1966 年提出，并在 1970 年制订了第一个 LOI 测定标准，即ASTMD2863-1970。其后许多国家都制定了相关的标准。如日本的 HSK7201-1976、英国的BS2782.1/141-1978 、 前苏联的 TOCT21793-76 、 国 际 标 准 化 组 织 的 ISO4589-1984 及ISO4589-1981、国际电工委员会的IEC1144-1992、中国的 GB2406-80 及 GB/T2406-93 等。GB/T2406-93 参照 ISO4589-1984 的技术条件，适用于均质固体材料、层压材料、泡沫材料、软片和薄膜材料等。

　　聚合物的氧指数与其燃烧时的成炭率、比燃烧焓及元素组成等因素有关，可按下述诸术计算：
. g: t6 `! R: u
3 }$ }' W) m% E7 ~5 X* e　　1. 按成炭率计算

　　1974 年 P.W.Wan Krevelen 在大量试验基础上，提出了不含卤高聚物 LOI 与成炭率的下述线性关系： LOI=（17.5+0.4CR）/100

　　式中 CR——高聚物加热至 85℃时的成炭率（%）
0 S% `% q/ G8 Z: j" ^* h
% d4 Q' Y. ^6 k1 u5 `　　高聚物的 CR 值具有基团加和性，是分子中各基团对成炭率贡献的总和，如下式所示：

　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M

6 e% f1 P8 Q7 ]6 X　　式中 M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）

　　CFT——每摩尔结构单元的成炭量与碳的摩尔质量（12g/mol）之比，即每摩尔结构单元的成炭量中所含碳物质的量

% ~" W, W- i+ c　　高聚物中的不同基团的 CFT 值可在专门的手册中查得。
9 a: r0 x1 S- m( Y& j' y
& k, ]& R* w( Z　　2.按比燃烧焓计算

* d) _" H+ [$ \/ S' c6 W　　很多高聚物的燃烧焓、氧化焓及起始分解温度与它们的 LOI 间存在一定的对应关系，特别是一些高聚物的 LOI 的倒数与它们的燃烧焓/氧化焓比值之间具有较好的线性关系。LOI 可按下式计算：

3 B* r) }) B2 }# ~" \, ~% k: ?　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）

　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）
3 `% W$ S# c( |, }
　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）
9 i( z7 t7 f" \% z7 u8 ~- h: i
　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
% u0 v0 D4 P& L& W
　　但上式对 C/O 或 C/N 物质的量之比小于 6 的高聚物不适用
8 X) c/ s5 ]* ~( W4 \8 Z8 R
　　△mHb可根据完全燃烧产物（CO2和 H2O）的生成焓及被燃烧高聚物的生成焓求的，也可根据高聚物完全燃烧需氧量按下式计算。

' I4 \. o$ a' A( F　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）
9 k* ]0 E+ g% X7 Y
, H% n6 O! `9 L2 e' e7 o　　式中 mo——高聚物结构单元完全燃烧需氧量（mol/mol）
) u. }2 F# l; ]" Z6 i2 d! q5 T/ R
/ ?' l$ s2 I) M. B7 V  o" `　　合并 1 式和 2 式得：LOI=1.84×10-2M/m
( c4 q8 \  a# s5 ]/ Q
) X0 s  P* ~2 {6 F; v　　注：△ghb值越小（即燃烧时放出的热量越大）或 mo值越大的高聚物，其 LOI 值越低。
' t. M9 T$ H# |9 J
　　3.按元素组成计算
; s6 c) ^" i3 I
　　一般说来，高聚物中的氧含量降低和卤素含量增高，可提高材料的 LOI。
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　　高聚物中起重要作用的还是组成中各元素的相对含量。如 H/C、F/C、Cl/C 等的物质的量比，较小的 H/C 值和较大的 F/C 和 Cl/C 值（即按小的 CP 值），可赋予物质较大的 LOI。

) V  }( O' e, N1 r% X( d　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：

　　CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425

8 N# \% R. N" e- T　　CP 值可按下式计算：
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1 D) p. Q3 h+ I