理论上极限氧指数测定的探讨

故事

1 t; A$ Y7 ?& {# i# \　　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。
9 e' F3 n% ~$ m1 W0 g
& M7 y& n) \/ v) o1 v  h　　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：

; y+ N! d# w, ~: Z5 [" ~! w  z　　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（%）

　　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 k* b6 d. K' X5 ~9 r0 Q" z0 J6 _
0 J9 l8 w2 r9 [　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M
6 i6 s- \" w& I+ `, j
/ s/ x& Z+ p; x( |: [6 h　　式中 M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
4 J, c- y" a) |5 D
' u" n: N; {7 g　　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

; R: B5 C8 k" Z3 j# d# n9 z　　高聚物中的不同基团的 CFT 值可在专门的手册中查得。

　　2.按比燃烧焓计算

2 O9 [0 k. g# p7 s　　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：
! m% x! Q* b9 X7 |
　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）
1 J, P0 @* O4 x' S
　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）
0 n8 q: G: `- M/ e5 p2 U: l" x2 |
- Z% z1 P* `' \: k( m　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）
1 y5 p- X- d0 T) ]3 E
. Z; L) p) m, y1 Z) G. ?* U　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
: A* X, X1 w% ?6 C$ ?! f
! h8 }8 h2 R& d" Q　　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。

# x/ \5 [' j: l1 m. {5 z4 ]　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）

$ j* \: P' l3 G7 J# T　　式中 mo——高聚物结构单元完全燃烧需氧量（mol/mol）
4 B* y; I3 y/ t! r$ F9 F4 n8 E4 u
　　合并 1 式和 2 式得：LOI=1.84×10-2M/m
& W$ o2 x5 A* j1 ^: ~
2 D: z& \% C( f1 P　　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。

　　3.按元素组成计算

　　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。

9 l8 T& [* l) F0 C& R7 _# I  W　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：

7 J/ a" g8 F5 j2 ^& s　　CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425
7 D+ N$ v/ d% s9 u4 ~( q
　　CP 值可按下式计算：
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