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：
/ O* S- F! i4 p7 L0 `* q% }9 P
9 g! e$ K, U) J$ h4 E1 q" O　　1. 按成炭率计算

% D7 ]" }& g3 N* }( O9 p% `　　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

0 d1 q1 d6 D3 ]3 M, M. j, Q, D4 B/ J! C　　式中 CR——高聚物加热至 85℃时的成炭率（%）

　　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：

" `& b9 }( k2 i( v　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M

& Y! Y5 `2 i/ t( _8 i; J　　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

! S$ r+ _( O3 u1 ~　　高聚物中的不同基团的 CFT 值可在专门的手册中查得。

3 T6 D/ c) V- B- M　　2.按比燃烧焓计算

) o# ~* r8 C0 E0 p! \5 q　　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：
: P# g% S; ^/ t9 J/ M$ Z5 E
5 H  W# @( G* U　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）
+ a1 k5 c% ^. q1 t1 g" I+ }
　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）
9 N/ U) H2 y# L3 Q
  \, s! a  v- E9 a" V2 h　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）

# b. d3 Y* q  `; O8 ^0 j( @0 r　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
8 A- p$ L7 i" y; ?& D% U3 c
　　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

7 \6 d  g( h5 c6 N3 k　　△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。

　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）
1 H2 ?" `5 O( c# C/ ~% P
　　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
& ]# l/ u- X4 [; G- [( I: L: S' l
　　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。

) Z% L- `' L: s7 k+ d6 O- h3 a$ b4 Z　　3.按元素组成计算
& o2 M9 `1 f! k+ j/ r) {
　　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。
0 e7 a2 o1 U$ k4 O8 N* X. Q
　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：
( L5 z$ m7 t/ p$ q' M$ ?6 E
　　CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425
3 F% L5 P  a4 w2 C' s
( ?; Q. Y8 D$ W! ]- A) g% a　　CP 值可按下式计算：
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