塑料极限氧指数测定实验解析
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。
一、 理论基础
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：
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：CR=λ∑(CFT)i×1200/M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
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：
LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb(1 式)
式中△ghb——高聚物比燃烧焓(J/g)
△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓(J/mol)
M——高聚物结构单元的摩尔质量(g/mol)
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)
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
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。
对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425CP 值可按下式计算：CP=H/C-0.65(F/C)31-1.1(Q/C)31
二、 实际测定
(一) 通用测定方法
1. 测定 LOI 所用的设备为氧指数仪，其结构见图 2-1。
2. 氧指数仪所用的氮气及氧气的压力不应低于 1MPa。
3. 测定 LOI 的试样形式及尺寸见下表
4. 测定 LOI 过程
将经过状态调节的试样(即压片制条后试样) 安装在试样夹具上，再将夹具垂直置于燃烧筒的中心，并使试样低于玻璃燃烧筒顶至少 100mm，试样暴露部分最低处高于配气装置顶端也至少 100mm。
调节气体控制旋钮，用氧浓度适当的混合气，以(40±10)mm/s 的速率洗涤燃烧筒至少 30s(赶走燃烧筒内余留的空气) 后，把点火器喷嘴插入燃烧筒内，使火焰的外焰接触试样顶端并覆盖整个顶表面。
每隔 5s 左右移开火焰一下，看整个试样顶表面是否着火，如确认着火即立刻移去点火器，并开始计时或观察试样燃烧的长度。如 5s 不能点燃试样可适当延长点火时间，但时间最长为 30s。如在 30s 内不能点燃试样则应加大氧浓度直至 30s 内点燃试样。点燃试样后如续燃时间超过 180s 或续燃长度超过 50mm 划线则应降低氧浓度 0.2%左右，如符合上述要求则应增加氧浓度 0.2%左右，通过一系列试验可得出围绕初始氧浓度值上下出现一组“符合——O”和“不符合——×”的结果，通过查表即可得 K 值并计算 LOI 值。
5. 影响因素
5.1 气体流速：燃烧筒内混合气体的流速在(30～120)mm/s 内变化时，对 LOI 的测定没明显影响，但当混合气体中氧浓度低于空气中氧(21%)时，流速偏低时可能使空气进入筒内使实际含氧量增加而导致 LOI 测定结果偏低。
5.2 试样的厚度及长度：试样 LOI 测定值随试样厚度增加而略有增高，因为越薄的试样越易于燃烧。试样长度只要在标准所要求的范围(70～150)mm 内，就不会影响 LOI 的测定。
5.3 氧气、氮气纯度：玻璃转子流量计指示流量时，由于混气中的氧浓度是通过测量氧、氮两种气体的流量得出，且视氧、氮均为纯气体，但实际使用的都是工业气，因此对 LOI 测定有影响，纯度越低误差越大。
5.4 点燃方式：测定 LOI 时，一定要按照表格中自撑材料(Ⅰ～Ⅳ)采用顶端点燃，非自撑材料(Ⅴ)采用扩散点燃，因为点燃方式不同传递给材料的热量不同，故测得的结果略异。
5.5 点燃气种类：测定 LOI 可采用丁烷、丙烷、液化气或人工煤气为点燃气体，结果基本相同，但仲裁时应使用未混空气的丙烷为点燃气。
5.6 环境温度：随环境温度升高，大多数材料的 LOI 下降，但环境温度在(5～30)℃内变化时，对大多数 LOI 的测定值没有什么影响。
5.7 燃烧筒温度：试样在燃烧筒中的稳定燃烧，需要热量维持，如筒内与室内温差太大不利于保持热平衡，当燃烧筒温度升至 75℃以上时，可导致 LOI 测定值降低。
5.8 其他：如试样存有气泡、裂纹、溶胀、飞边、毛刺等缺陷，对试样的点燃和燃烧行为均有影响，因而会改变 LOI 的测定值。
(二) 用于薄膜的 LOI 测定(卷筒法)
1. 试样厚约(20～100)μ m，取(200×20)mm 的长条卷成筒状(用专用钢棒) 筒条直径约为 2mm，长度约 100mm，在离顶端 50mm 处划标线筒条卷绕约 4～5 层，如试样厚度小于 20μ m，则采用 2 层或多层试样叠合卷筒
2. 影响因素
测定卷筒试样 LOI 的设备和操作过程与上述通用法相同，宜采用顶端点燃法，结果评价是点燃后续燃时间小于 180s，燃烧长度不达标线。
2.1 膜厚及膜层数：卷筒试样的 LOI 测定值与膜厚及膜层数有关，对特薄的膜燃烧能量密度较低，测得的 LOI 值偏高。
2.2 “烟囱效应”：因为卷筒类似一个细长烟囱，测定 LOI 时，燃烧筒出口压力较大，使燃
烧时烟气倒流至试样底部流出，再随上升的气流包围在试样周围致氧浓度降低，引起测定误差。如将卷筒底部用夹子夹紧可避免。
三、 综合评价
在所有材料可燃性测定试验中，LOI 测定具有特别重要的地位，对大多数可燃性试验其结果都是定性的“OK”或“NO”，但 LOI 测定的结果则是定量的。LOI 对研制阻燃材料，特别是比较材料的阻燃性，是一个很有用的技术指标，它反映材料燃烧时对氧的敏感程度。
对 LOI 测定值大于 21%的材料在空气中不会燃烧的观点是错误的，因为 LOI 试验采用是由上往下的顶端点火法，而实际火灾中材料是由下向上燃烧，此时就有对上部材料的预热，所以 LOI 大于 21%的材料就能在空气中燃烧。LOI 法最大的缺陷是无法将其测试结果与火灾安全工程相关联。
塑料极限氧指数测定实验解析
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。
一、 理论基础
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：
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：CR=λ∑(CFT)i×1200/M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
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：
LOI=-8×103/△ghb=-8×103M/△mHb(1 式)
式中△ghb——高聚物比燃烧焓(J/g)
△mHb——高聚物结构单元的摩尔燃烧焓(J/mol)
M——高聚物结构单元的摩尔质量(g/mol)
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)
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
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。
对大多数高聚物来说，可用下式计算其 LOI 值：CP≥1 时，LOI≈0.175、CP≤1 时，LOI≈0.60～0.425CP 值可按下式计算：CP=H/C-0.65(F/C)31-1.1(Q/C)31
二、 实际测定
(一) 通用测定方法
1. 测定 LOI 所用的设备为氧指数仪，其结构见图 2-1。
2. 氧指数仪所用的氮气及氧气的压力不应低于 1MPa。
3. 测定 LOI 的试样形式及尺寸见下表
4. 测定 LOI 过程
将经过状态调节的试样(即压片制条后试样) 安装在试样夹具上，再将夹具垂直置于燃烧筒的中心，并使试样低于玻璃燃烧筒顶至少 100mm，试样暴露部分最低处高于配气装置顶端也至少 100mm。
调节气体控制旋钮，用氧浓度适当的混合气，以(40±10)mm/s 的速率洗涤燃烧筒至少 30s(赶走燃烧筒内余留的空气) 后，把点火器喷嘴插入燃烧筒内，使火焰的外焰接触试样顶端并覆盖整个顶表面。
每隔 5s 左右移开火焰一下，看整个试样顶表面是否着火，如确认着火即立刻移去点火器，并开始计时或观察试样燃烧的长度。如 5s 不能点燃试样可适当延长点火时间，但时间最长为 30s。如在 30s 内不能点燃试样则应加大氧浓度直至 30s 内点燃试样。点燃试样后如续燃时间超过 180s 或续燃长度超过 50mm 划线则应降低氧浓度 0.2%左右，如符合上述要求则应增加氧浓度 0.2%左右，通过一系列试验可得出围绕初始氧浓度值上下出现一组“符合——O”和“不符合——×”的结果，通过查表即可得 K 值并计算 LOI 值。
5. 影响因素
5.1 气体流速：燃烧筒内混合气体的流速在(30～120)mm/s 内变化时，对 LOI 的测定没明显影响，但当混合气体中氧浓度低于空气中氧(21%)时，流速偏低时可能使空气进入筒内使实际含氧量增加而导致 LOI 测定结果偏低。
5.2 试样的厚度及长度：试样 LOI 测定值随试样厚度增加而略有增高，因为越薄的试样越易于燃烧。试样长度只要在标准所要求的范围(70～150)mm 内，就不会影响 LOI 的测定。
5.3 氧气、氮气纯度：玻璃转子流量计指示流量时，由于混气中的氧浓度是通过测量氧、氮两种气体的流量得出，且视氧、氮均为纯气体，但实际使用的都是工业气，因此对 LOI 测定有影响，纯度越低误差越大。
5.4 点燃方式：测定 LOI 时，一定要按照表格中自撑材料(Ⅰ～Ⅳ)采用顶端点燃，非自撑材料(Ⅴ)采用扩散点燃，因为点燃方式不同传递给材料的热量不同，故测得的结果略异。
5.5 点燃气种类：测定 LOI 可采用丁烷、丙烷、液化气或人工煤气为点燃气体，结果基本相同，但仲裁时应使用未混空气的丙烷为点燃气。
5.6 环境温度：随环境温度升高，大多数材料的 LOI 下降，但环境温度在(5～30)℃内变化时，对大多数 LOI 的测定值没有什么影响。
5.7 燃烧筒温度：试样在燃烧筒中的稳定燃烧，需要热量维持，如筒内与室内温差太大不利于保持热平衡，当燃烧筒温度升至 75℃以上时，可导致 LOI 测定值降低。
5.8 其他：如试样存有气泡、裂纹、溶胀、飞边、毛刺等缺陷，对试样的点燃和燃烧行为均有影响，因而会改变 LOI 的测定值。
(二) 用于薄膜的 LOI 测定(卷筒法)
1. 试样厚约(20～100)μ m，取(200×20)mm 的长条卷成筒状(用专用钢棒) 筒条直径约为 2mm，长度约 100mm，在离顶端 50mm 处划标线筒条卷绕约 4～5 层，如试样厚度小于 20μ m，则采用 2 层或多层试样叠合卷筒
2. 影响因素
测定卷筒试样 LOI 的设备和操作过程与上述通用法相同，宜采用顶端点燃法，结果评价是点燃后续燃时间小于 180s，燃烧长度不达标线。
2.1 膜厚及膜层数：卷筒试样的 LOI 测定值与膜厚及膜层数有关，对特薄的膜燃烧能量密度较低，测得的 LOI 值偏高。
2.2 “烟囱效应”：因为卷筒类似一个细长烟囱，测定 LOI 时，燃烧筒出口压力较大，使燃
烧时烟气倒流至试样底部流出，再随上升的气流包围在试样周围致氧浓度降低，引起测定误差。如将卷筒底部用夹子夹紧可避免。
三、 综合评价
在所有材料可燃性测定试验中，LOI 测定具有特别重要的地位，对大多数可燃性试验其结果都是定性的“OK”或“NO”，但 LOI 测定的结果则是定量的。LOI 对研制阻燃材料，特别是比较材料的阻燃性，是一个很有用的技术指标，它反映材料燃烧时对氧的敏感程度。
对 LOI 测定值大于 21%的材料在空气中不会燃烧的观点是错误的，因为 LOI 试验采用是由上往下的顶端点火法，而实际火灾中材料是由下向上燃烧，此时就有对上部材料的预热，所以 LOI 大于 21%的材料就能在空气中燃烧。LOI 法最大的缺陷是无法将其测试结果与火灾安全工程相关联。