2.2.6 环氧树脂烟气释放性能测试方法
影响高聚物在燃烧过程中烟气生成的因素有多种，包括火灾规模、单位质量物质的生烟量、通风情况、火灾传播速率和燃烧温度等，其中有些因素不仅影响生烟量，还影响所生成烟气的特征。火灾中烟气的形成是不可重现的过程，从定量角度描述烟气释放过程比较困难。从实施技术角度考虑，高聚物材料的生烟性测定可分为两大类：①专门用于测定生烟性的仪器；②多功能性仪器测定生烟性，一般与其他阻燃性能同时测定。
测定高聚物生烟性的最好方法是基于人眼对烟的感知和烟对可见度的影响。目前已开发出多种测定材料生烟性的方法，其中最简单的方法为质量法测定材料的生烟量，即将烟质点收集于滤纸或其他介质的表面，再称量其质量，从而估测材料燃烧时的生烟量。电学法可以用于测定材料燃烧的烟密度，其原理是基于电离室中电荷的生成量去测定生烟量。最常用的测试烟气生成的方法是光学法。光学法测定烟气生成量是在一规定空间内模型火实验，进一步测定生成的烟对光束的衰减作用，从而计算得到烟密度，如NBS烟箱和XP2烟箱等。目前市场上已有可用于测定烟密度的光度计产品，其光敏元件的波长范围与人类可视波的波长范围相同，根据其结果人们可选用生烟量较低的材料，为提升防火安全水平提供有用信息。在材料的生烟性能测试中，定量表征材料在火灾过程中的生烟信息比较困难。为了得到材料生烟的确定信息，必须避免不确定的变量，因此测定材料的生烟性能必须在标准条件下测量以得到可重复性的结果，也就是在所规定的条件下可比较不同材料的生烟性。实验室结果可有效地对材料在实际火灾中的生烟行为进行预测。通常情况下测定材料烟密度的方法为光学方法，下面对光学方法的基本原理进行介绍。
当光线通过一个充满烟的空间时，烟质点能够对通过的光起到吸收和散射作用而使光强降低。光衰减程度与烟质点的大小、形状、折射率、光的波长和入射角有关。可简化为Beer-Lambert定律：
F=F0e-σL
式中，F为由于烟层而引起衰减后的光通量；F0为起始光通量；σ为衰减系数；L为通烟的光径长。
衰减系数可用下式表示：
σ=Kπr2n
式中，K为比例消光系数；r为烟质点的半径；n为单位体积内质点数。
光密度可由Beer-Lambert定律衍生得到：
基本上现在所有的以光学法测定烟密度的仪器都是基于Beer-Lambert定律。测定生烟性时，试件在实验室内受热分解或燃烧，试验设备包括两部分：①材料分解系统；②测定系统。材料分解生成的烟气穿过测试室，该室配有光源、光敏元件和其他附件，通过一系列光电转换作用可测得光经烟气衰减后的透射率，进一步计算得到烟密度。
光学法测定烟密度可采用静态法和动态法，静态法是让材料燃烧所生成的烟气全部处于一个密闭系统测定，动态法的烟气测定系统是开放的，即当烟从设备里流出时测定。静态法是模拟封闭空间的生烟性能；动态法则相应于火灾时疏散路径上的生烟情况。测试装置可以水平放置，也可以竖直放置。采用竖直光径或循环空气，可避免烟的分层。对热塑性材料，在测试过程中竖直放置会由于熔化而造成熔滴损失。此外，测试试样的尺寸可根据测定技术及试样的位置（水平放置或竖直放置）而有所变化。测试过程中试样热分解或者燃烧所需要的能量可由辐射装置或明火提供。根据能量的方式或程度试样可以在阴燃或明燃条件下热解。测试材料生烟性能的测试方法主要包括NBS烟箱法、XP2烟箱法、ISO烟箱法和锥形量热仪法等。下面着重介绍NBS烟箱法。
NBS烟密度测试箱试验方法是美国国家标准与技术研究院（NIST，NBS的前身）建立的。NBS烟密度测试箱试验方法广泛应用于检测塑料制品、轨道交通非金属材料、船舶非金属材料和电线电缆制品等的烟密度等级。NBS烟箱法不仅在美国、法国、德国和中国均被引用为国家标准，而且被ISO接受。该测试标准的测试结果精确，同时光学传感器使用了精密的光电倍增管，可以捕获箱体内细微的烟气含量变化，同时如果与傅里叶（FTIR）红外变换装置对接，则可完成烟气含量的定性及定量分析等。但是NBS烟箱确定的材料生烟性，无论理论上还是实际上都有一些缺点，其中最重要的是此种测试方法缺乏大型火灾的相关性。用NBS法测定的烟密度一般情况下不能与大型火灾的结果相关联，因此NBS烟箱法不能预测材料在真实火灾场景下的危险性。此外NBS烟箱法的缺点还包括以下几点：①垂直放置的试样容易熔化滴落；②试验过程中不能测定试样的实时质量；③只能采用单一的辐照热流量；④当烟箱中的氧含量低于14%时，材料燃烧自熄，在封闭的NBS烟箱中，随着试样的燃烧氧气含量下降，有时在试验结束前氧含量可降低至14%；⑤NBS烟箱不适用于复合材料的严密测定，因为当氧气含量低于14%时，复合材料中的部分物质可能不燃烧。尽管如此，与其他烟箱相比，NBS烟箱还是考虑了一些实际火场因素，可测定材料明燃和阴燃情况下的烟密度。此外研究人员也对NBS烟箱进行了一些改进，如在系统中引入压缩空气，提供可控通风装置和测压元件，给烟箱提供氮-氧混合气体，改进点火源等。
材料燃烧过程中烟气毒性的产生是一个复杂过程，其理论及实际方面的系统研究还处于初级阶段，所以下面只简单介绍测定方法和有关基本概念。材料燃烧后形成的有毒物质对人和动物的影响至关重要，因此材料燃烧毒性得到人们更多的重视。燃烧产物毒性试验的主要目的是确定火灾气体对生物的病理影响，研究这些毒性气体对生物的实际毒性，区分火灾气体所能引起的各种不同类型的毒性，进而研究火灾气体中各组分对人体的综合致毒作用。
检测材料燃烧产物毒性的试验方法主要包括化学分析法和生物分析法两大类。在实际分析烟气的过程中，经常将化学分析法和生物分析法结合使用。在测量真实火灾气体的危害性时，合理的取样方式非常重要，取样的时间和地点不同，得到的结果会不同。用于燃烧产物测定的方法主要是光谱法（红外光谱、质谱、色谱、色谱-质谱和核磁共振法）。通常情况下用于分析燃烧产物的生物体中毒与生物体吸入气体的时间及气体中所含有毒物质浓度的关系，生命组织中毒后发生的降解及致死的原因等。火灾烟气毒性的评价、预测和控制是解决材料燃烧烟气毒性危害问题的关键。国内外普遍采用小尺寸试验装置如锥形炉、管式炉和杯炉等模拟材料在全尺寸下的烟气释放，同时釆用化学分析法或动物暴露染毒法，通过有效剂量分数模型对火灾烟气毒性进行评价。但仅采用化学分析测定燃烧气体产物的组分不能全面评估燃烧产物的毒性大小。
一些实验室规模的生物方法为材料烟气毒性的评价提供了更丰富的手段。生物毒性测定方法基于燃烧产物对试验动物中枢神经系统及生理状态的影响，但是这种评价方法与很多因素有关，如材料的裂解温度、分解模式、分解产物的温度及浓度、动物的种类及中毒时间等。因此影响动物试验结果的变量极其复杂。另一种评价材料燃烧毒性的方法基于材料燃烧毒性产物对试验动物支气管的刺激，具体表现为吸入有毒气体的浓度与动物呼吸频率之间的关系。还有一种评价方法为动物吸入被人为控制的有毒材料热降解或燃烧的气态产物，进一步测定以下参数：①连续分析空气-燃烧气态产物混合物的组成（如O2、CO、CO2、卤化氢和氰化物等的含量）；②被测试动物的血液情况（pH值，O2、CO和CO2的含量）；③测试动物的中枢神经系统情况，测量心电图和血压。评价燃烧产物毒性的方法如表2.3所示。
以试验方法评价材料燃烧气态产物的毒性时，将材料在人为条件下燃烧或热裂解，通常情况与材料在实际火灾所处条件不一样。因此必须进行火灾模拟试验，以评估材料在大量燃烧或裂解时的行为，从而关联到人为控制的烟气毒性试验。
表2.3 评价燃烧产物毒性的方法
注：LT为一定有毒气态产物浓度下被试动物吸入死亡剂量所需的时间。
火灾烟气毒性测量是一门涉及燃烧、物理、化学和环境等众多相关内容的跨学科研究领域。火灾中的烟气成分十分复杂，因此这极大地增加了研究的难度，毒性的测试装置如表2.4所示。我国公安部四川消防研究所率先开展了一系列材料燃烧火灾烟气毒性方面的研究工作。世界主要发达国家的相关研究机构也都分别提出了火灾烟气毒性的评价方法和测试手段。小尺寸试验装置如锥形量热仪，测试条件是在固定的热通量且通风条件良好的情况下对材料生烟速率和烟气生成总量进行测量；烟密度箱则是表征小尺寸材料在封闭空间内、固定热流量条件下进行有焰或无焰燃烧时的烟气释放情况。但是火灾烟气释放情况随着火灾场景的改变而发生变化。管式炉可解决上述问题，在管式炉中进行的模拟试验，能够对被测材料在燃烧环境中的温度、氧浓度和通风情况等进行调控。此外，所用的试验装置中加热炉需要匀速移动以达到均匀加热石英管中样品的目的。
表2.4 烟气毒性测试装置
