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。
% ^3 {1 [7 X6 e8 ^
　　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：

; [0 @" E5 _) G1 b5 ?$ @$ X; ]  ^$ D! a　　1. 按成炭率计算
: M* a. n- V7 m$ M% f
　　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
6 p' m9 r9 @9 e0 U/ D$ R7 Q
　　式中 CR——高聚物加热至 85℃时的成炭率（%）

: C4 s1 `6 P- B, D' M; R  M　　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：

( \! J% D. g* v8 _　　CR=λ∑（CFT）i×1200/M

; Z& N4 Z: ]8 t2 W- A　　式中 M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
2 t2 g. k3 H, s/ Q; O$ t6 t
; y7 D- U! S' J( J+ }　　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

; M- \( Z( l9 k; r2 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
+ t3 b) o- y# X6 M! ^( d: T. p
　　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：
- X- A5 y- B; l" s: U4 @! Z
　　LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb（1 式）

　　式中△ghb——高聚物比燃烧焓（J/g）
% X7 m7 [7 Q" `4 ]/ Q- @1 B8 S' i
　　△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓（J/mol）

9 Y/ N0 T1 t4 F' o6 @　　M——高聚物结构单元的摩尔质量（g/mol）
; {* ]" x2 S+ A( j6 f
　　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。

　　△mHb=-4.35×105mo（2 式）
+ v3 K! {- M- S1 G7 K% o( p
- d5 V- p+ F( g1 B9 I% b) t' i　　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
6 Q8 Q/ h8 Z) B" W! N, J+ u" i! _1 s2 j
7 g" [0 }2 }5 ~% O! J1 m+ i　　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。

- D* g, F2 \' V- [1 g　　3.按元素组成计算
7 x) |4 N  x3 N/ u3 c
5 k4 I1 n, B5 p0 x　　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。

, \8 b$ m0 c1 x- c" j4 r　　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。
: ^3 H/ [2 b5 h" z: j
/ `* Q8 b+ @- X1 g4 d, p4 y9 o% i' G　　对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：

0 p  y" A7 f7 }2 d$ X　　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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5 O; Y/ W7 m- r4 q( D' P
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