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）。
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　　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。
( R( M0 b% R: `* W' ~! |. g1 j
　　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：
% Y1 f4 T" n. A4 \( |2 f
　　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
* P+ M1 ~) J8 W$ r
, C! _8 @" Y: Z　　式中 CR——高聚物加热至 85℃时的成炭率（%）
* a' }( x% v2 B3 f9 v4 \# G- M5 ~
, P/ _' s9 |2 P, t7 G　　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：

. a& @5 S( o# Z- M# ^  J" H　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M
" N9 ]& [* Z: n/ \; [
　　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
! u1 J) L! s. }& C
/ Y/ P+ V4 h  B0 ?! x　　高聚物中的不同基团的 CFT 值可在专门的手册中查得。

7 _+ Z1 I3 L: D) m  w, ]　　2.按比燃烧焓计算

　　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：

: P7 ~$ O( a  ?　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）
8 M, J+ B% A& F1 K2 y8 d  D2 T
* r2 R1 {2 \  b) Z3 K　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）
( j# a* c5 B# x; U5 n; A/ @- n. ]
　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）
6 M: h8 u, w$ u4 W
　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
) U  J8 E" L9 _; G! e" r* L
　　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
" S& ^  I5 M, G2 p& H6 L9 P: g' Y
4 `& N6 f6 o7 ?% b9 d& `$ x, }" }　　△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。
. C" \  |. f! P* z: f) }2 e2 `" ~
　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）

+ K3 `3 W7 E' B  v( J* c( r+ h　　式中 mo——高聚物结构单元完全燃烧需氧量（mol/mol）

　　合并 1 式和 2 式得：LOI=1.84×10-2M/m

* a5 ^2 V! K4 p! ]/ c% r　　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。

" h; B2 W8 n) c! m$ c　　3.按元素组成计算

' v/ c1 z+ n! \' ^　　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。

　　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。

　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：

  x! V4 a  j% l4 D　　CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425

　　CP 值可按下式计算：
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