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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( ]8 K; n# b  u. C% k% L　　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。

2 P+ D" F5 ^; S9 A; k. t　　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：
# }; T; p. Y; ]* h7 H, u
　　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

: ~- M( U9 A8 I' x! s  H　　式中 CR——高聚物加热至 85℃时的成炭率（%）
! I4 t/ Y$ L7 R0 E! N  j5 u
　　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：

3 f% `7 G; K6 H& O- v' U2 H4 t　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M
& T* q" e; E" m4 x) K1 L8 M1 k
　　式中 M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
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　　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

　　高聚物中的不同基团的 CFT 值可在专门的手册中查得。
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' U- I# q! ~8 S$ b8 @8 M2 t# z　　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：

8 m; B" s; p( h5 Q, s5 U　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）

) W( U* a' k5 U　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）

# n+ A1 x' \  B& v. y1 X　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）
# i+ A. G' M# q0 T4 _
1 M( U2 L; w1 |9 v! u) H# O' k　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
2 i* x4 Q1 U) p! M6 M1 C  [& N
7 _' A+ G. o1 H! z　　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

　　△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。
; K1 G: I1 Z; m  c- `' ^( w
　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）

　　式中 mo——高聚物结构单元完全燃烧需氧量（mol/mol）

1 c- a; j$ ]. C$ r- X1 A+ |8 Z　　合并 1 式和 2 式得：LOI=1.84×10-2M/m

　　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。

  Q& \/ [, J' ?% v9 X( I1 P  k　　3.按元素组成计算
) l( l3 u2 C  a! `5 f6 c
$ S) c1 `2 ]; z/ z/ ~　　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。
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　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：
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$ D! @* H# c7 Z6 n: G- j  ]　　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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