質量損失與炭化體積檢測技術研究

引言

一、檢測項目定義與意義

1. 質量損失（Mass Loss）

• 反映材料的熱分解特性、揮發分釋放速率及熱穩定性；
• 評估阻燃材料在燃燒過程中的有效成分保留能力；
• 指導火災中材料的毒性氣體釋放風險評估。

2. 炭化體積（Char Volume）

• 表征材料在燃燒過程中的成炭能力，直接關聯阻燃效果；
• 炭化層可隔絕熱量和氧氣，抑制燃燒蔓延；
• 用于評估防火涂料的保護性能及建筑材料的耐火等級。

二、檢測方法及標準

1. 質量損失檢測

檢測設備

• 高精度電子天平（精度0.1 mg）；
• 高溫爐或錐形量熱儀（Cone Calorimeter）；
• 惰性氣體環境控制裝置（氮氣或氬氣）。

檢測步驟

1. 預處理：試樣在105℃下干燥至恒重，記錄初始質量（?0m0?）；
2. 條件處理：將試樣置于設定溫度（如750℃）或明火中燃燒一定時間（如30分鐘）；
3. 冷卻稱重：取出試樣冷卻至室溫，測量殘留質量（?1m1?）；
4. 計算質量損失率： 質量損失率=?0−?1?0×100%質量損失率=m0?m0?−m1??×100%

標準規范

• ASTM E1131（熱重分析法測定材料分解溫度及質量損失）；
• ISO 1182（建筑材料不燃性測試中的質量損失評估）。

2. 炭化體積檢測

檢測設備

• 三維激光掃描儀或浸液法裝置；
• 燃燒測試箱（如UL 94垂直燃燒測試儀）；
• 千分尺或游標卡尺。

檢測步驟

1. 試樣制備：按標準尺寸切割材料（如100 mm×100 mm×10 mm）；
2. 燃燒處理：在標準火源（如50 kW/m²熱輻射）下燃燒至自熄；
3. 炭化層測量：
   • 浸液法：將炭化層浸入已知密度的液體中，通過排水體積計算炭化體積；
   • 三維掃描：利用激光掃描獲取炭化層的三維形貌，計算體積變化；
4. 計算炭化率： 炭化體積率=?char?0×100%炭化體積率=V0?Vchar??×100% 其中?charVchar?為炭化體積，?0V0?為原始體積。

標準規范

• GB/T 8624（建筑材料燃燒性能分級中的炭化深度測試）；
• ASTM D7307（塑料材料燃燒后炭化體積測定）。

三、關鍵影響因素及控制

1. 質量損失檢測

• 溫度均勻性：高溫爐溫度波動需控制在±2℃以內；
• 試樣代表性：需取3組平行試樣以降低誤差；
• 環境濕度：干燥處理不足會導致揮發分殘留，影響結果。

2. 炭化體積檢測

• 燃燒條件：火源強度、氧氣濃度需符合標準；
• 炭化層完整性：避免機械損傷導致測量誤差；
• 數據擬合算法：三維掃描需采用高精度軟件建模。

四、實際應用案例

1. 防火涂料性能評估

2. 高分子材料熱分解分析

五、

1. ASTM E1131-20, Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry.
2. GB/T 8624-2012, Classification for Burning Behavior of Building Materials.
3. ISO 1182:2020, Reaction to Fire Tests for Building Products.