UL94 垂直燃燒儀的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用
1．UL94 50W 垂直燃燒試驗(yàn)方法的介紹
根據(jù) UL94（第五版 ，2011）燃燒試驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)（UL Standard for Safety for Tests for Flammability
of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances）中 內(nèi) 容 ，可 知 測(cè) 量 設(shè) 備 燃 燒 儀 主 要 由 源、燃 燒 燈、壓 力 計(jì)、流 量 計(jì) 和 計(jì) 時(shí) 器 等 部 件 組成。對(duì)于 50W 垂直燃燒測(cè)試，測(cè)試樣品的長(zhǎng)寬尺寸 應(yīng) 為 （125 ±5mm）×（13.0 ±0.5mm）， 使 用98%以上純度的甲烷氣體作為氣源，通過調(diào)節(jié)氣體 流 量 為 105mm/min 及 儀 器 背 壓 小 于 10mm 水柱使燃燒燈產(chǎn)生 20±1mm 的火焰高度。其中 燃燒燈構(gòu)造及樣品放置方式如圖 1 所示。
測(cè) 試 時(shí) 從 試 樣 上 端 6mm 處 垂 直 夾 緊 試 樣 ，如圖 1 所示，打開氣源開啟設(shè)備調(diào)節(jié)好流量計(jì)、背壓等測(cè)試參數(shù)，使燃燒燈產(chǎn)生 20±1mm 高 的藍(lán) 色 火 焰 后 ， 在 燃 燒 燈 的 頂 部 中 心 距 試 樣 下 端10±1mm 處對(duì)樣品 施加 10±0.5s 火焰 ，然后立即快速撤離燃燒燈，同時(shí)開始觀察并記錄樣品有焰燃燒時(shí)間 t1 ，當(dāng)試樣燃燒一停止立即再次將燃燒燈移至試樣下，并保持燈管頂部中心與剩余試樣的距離在 10±1mm，對(duì)樣品第二次施加火焰 10±0.5s 后撤離燃燒燈，同時(shí)開始測(cè)定有焰燃燒時(shí)間 t2 和無焰燃燒時(shí)間 t3，在樣品燃燒過程有必要時(shí)應(yīng)移動(dòng)燃燒燈，以躲開滴落物[ 3 ]。可借助脫脂棉幫助判斷樣品是否為無焰燃燒。
兩次施加火焰后根據(jù)樣品的有焰及無焰燃燒時(shí)間、熔滴是否引燃脫脂棉等指標(biāo)，用 V-O、V-1、V-2 級(jí)別綜合評(píng)判材料的燃燒等級(jí)，如表 1 所示。國(guó)標(biāo) GB T 5169.22 等效采用此方法進(jìn)行電工電子產(chǎn)品著火危險(xiǎn)試驗(yàn)。
2 .燃燒儀的技術(shù)要求及設(shè)計(jì)
UL94 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃燒儀各部件的技術(shù)要求進(jìn)行了明確的規(guī)定，如氣源純度、測(cè)試室的容積及密閉性、燃燒燈的尺寸及可移動(dòng)性、流量計(jì)及壓力計(jì)的量程范圍等。根據(jù) UL94 標(biāo)準(zhǔn)（第五版，2011）內(nèi)容，燃燒儀的技術(shù)要求可歸納為表 2 中內(nèi)容，標(biāo)準(zhǔn)還介紹了技術(shù)要求相對(duì)應(yīng)的功能及影響。
標(biāo)準(zhǔn)在 8.5 章節(jié)內(nèi)容還規(guī)定，對(duì)樣品兩次施壓 10±0.5s 火焰過程中，不論樣品長(zhǎng)度是否有變化，燈管頂部中心與試樣均需始終保持 10±l mm 的距離，且當(dāng)有熔融物或滴落物時(shí)，可將噴燈傾斜 45 度，這便要求燃燒燈還可以再垂直平面移動(dòng)且能被傾斜至 45 度角[ 4 ]。由于在測(cè)試過程需要通過操作窗口隨時(shí)移動(dòng)燃燒燈 位置，而 5.1 章節(jié) 中規(guī)定燃燒 儀外殼需 是密閉的，那么燃燒燈窗口也應(yīng)是密閉的。
在以上技術(shù)要求項(xiàng)目中：甲烷氣體純度、壓力計(jì)、流量計(jì)、燃燒燈尺寸等因素直接影響火焰高度的調(diào)節(jié)；在對(duì)樣品施加火焰過程中，燃燒燈的可移動(dòng)性、計(jì)時(shí)裝置等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果起著重要影響；設(shè)備的空間及密封性、排氣裝置、操作窗口的設(shè)計(jì)等因素則影響操作的安全性及方便性。
3 .燃燒儀的設(shè)計(jì)
本文根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一臺(tái)燃燒試驗(yàn)儀及量取火焰高度的夾具，分別如圖 2 及圖 3所示。其中：1- 壓力計(jì)；2- 后視鏡；3- 數(shù)顯流量計(jì)；4- 控制面版；5- 換氣裝置；6- 樣品夾；7- 數(shù)顯計(jì)時(shí)器；8- 燃燒燈；9- 操作窗口。
在圖 2 燃燒儀構(gòu)造圖各部件中：1- 壓力計(jì)采用井型式的，可直接讀取高精度的壓力數(shù)值，能準(zhǔn)確測(cè)量 10mm 的水壓；2- 后視鏡安置在燃燒燈后側(cè)，方便操作員觀察樣品后側(cè)的燃燒情況；3- 流量計(jì)為 數(shù)顯控制 ，且能精確到 1ml/min，量程大于 105ml/min；4- 控 制面版用 于 開 / 關(guān)測(cè)量設(shè)備及抽風(fēng)裝置；5- 抽風(fēng)裝置具有防腐蝕功能，同時(shí)配置逆止閥可保證測(cè)試室在測(cè)試過程中密閉，不會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)流現(xiàn)象，而測(cè)試結(jié)束后又能快速將燃燒室中的廢氣通過管道排出；6- 樣品夾部位與燃燒燈水平方向始終保持垂直，可自動(dòng)在樣品上端 6mm 處夾緊樣品的功能；7- 數(shù)顯計(jì)時(shí)器通過可移動(dòng)的遙控器控制燃燒時(shí)間，時(shí)間顯示器安置在試驗(yàn)箱內(nèi)部燃燒燈附近，如圖 2 中所示，方便操作員同時(shí)觀察樣品火焰燃燒情況并對(duì)燃燒時(shí)間進(jìn)行控制；8-燃燒燈可在水平及垂直平面內(nèi)移動(dòng)，長(zhǎng) 100±10mm,內(nèi)徑為 9.5±0.3mm；且能夠傾斜至 45°角，參照 ASTM D502-2005 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，燃燒燈各部件由金屬構(gòu)成[ 5 ]；9- 操作窗口設(shè)計(jì)為手套形式，既可以通過塑料通道及隔膜在測(cè)試過程中移動(dòng)燃燒燈，同時(shí)又能保證測(cè)試室密封。
該燃燒儀在滿足表 2 中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，同時(shí)使用時(shí)操作方便，如流量計(jì)、樣品夾均為自動(dòng)控制。
4 .試驗(yàn)及應(yīng)用
根據(jù) 3.0 部分內(nèi)容研制一臺(tái) UL94-50W 垂直燃燒試驗(yàn)儀及夾具如圖 4 和圖 5 所示，設(shè)備體積為 200cm×200cm×150cm。其中燃燒燈為手持式，可在垂直及水平面上移動(dòng)，還能傾斜至45°角。量取火焰高度的夾具可幫助操作員在測(cè)量過程中方便準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)火焰高度在 20±1mm 范圍內(nèi)。
4 . 1 計(jì)量數(shù)據(jù)
計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)圖 3 中燃燒試驗(yàn)儀各部件進(jìn)行校準(zhǔn)得到數(shù)據(jù)如表 3 所示，從表 3 中內(nèi)容可知燃燒儀的燃燒燈、計(jì)時(shí)器、流量計(jì)、壓力計(jì) 等部件的技 術(shù)指標(biāo)均符 合要求。
4 . 2 溫度驗(yàn)證
按照 ASTM D5207-09 提供的火焰驗(yàn)證方法，調(diào)整燃燒試驗(yàn)儀 背壓小 于 10mm 水 壓、氣 體 流 量 為 105±5ml/min 使火焰高度為 20±1mm，等待 5min 燃燒穩(wěn)定后，使用直徑為 0.5mm 的 K 型熱電偶及圖 6 所示的銅塊（直 徑 為 5.50±0.01mm、質(zhì) 量 為 1.76±0.01g）放 置在 火 焰 上 方 10±1mm 處 ， 記 錄 銅 塊 溫 度 從 100℃ ±2℃升溫到 700℃±3℃的時(shí)間，對(duì)于 50W 垂直燃燒時(shí)間應(yīng)在 44±2s 范圍[ 6 ]。
使用標(biāo)準(zhǔn)銅塊及熱電偶按照上述步驟對(duì)圖 3 中的燃燒試驗(yàn)儀進(jìn)行三次測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表 4，從表中數(shù)據(jù)可知銅塊由 100~700℃升溫時(shí)間（s）均在 44±2s 合格范圍內(nèi)。
5 .結(jié)論
根 據(jù) UL94 標(biāo) 準(zhǔn) 中 50W 垂 直 燃 燒 試 驗(yàn) 部 分 內(nèi) 容 ， 本 文 設(shè) 計(jì) 研 制 的 燃 燒 儀 能 達(dá) 到UL94 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 50W 垂直燃燒測(cè)量設(shè) 備的各項(xiàng)技 術(shù)指標(biāo)，設(shè)備 在使用過程 中操作方 便，且計(jì)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及火焰溫度驗(yàn)證結(jié)果均符合使用要求。
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