ĆWICZENIE 7
BADNIE PALNOÅšCI METOD
WSKAy
NIKA TLENOWEGO wg PN ISO 4589-
2:1999
I. CZ
ŚĆ TEORETYCZNA
1. Definicje podstawowe
Wskaz
nik tlenowy WT
Wskaz
nik tlenowy jest to najmniejsza wyrażona w procentach objętościowych zawartość
tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, która w warunkach metody badań podtrzymuje stałe palenie
się badanej próbki tworzywa.
WT= V / (V )*100%
O2 O2- V
N2
WT - wskaz
nik tlenowy [%],
Vo - objętościowy przepływ tlenu [cm3 /s],
2
V - objętościowy przepływ azotu [cm3/s].
N2
2. Czynniki wpływające na wartość wskaz
nika tlenowego
Na wartość wskaz
nika tlenowego mają wpływ następujące czynniki:
budowa chemiczna tworzywa, wymiary próbki, sposób ustawienia spalanej próbki i sposób
zainicjowania spalania, ciśnienie, temperatura oraz szybkość przepływu gazów.
Budowa chemiczna tworzywa
Związek pomiędzy budową chemiczną tworzywa a jego palnością jest bardzo złożony z uwagi
na zawartość atomów tlenu, chlorowców, azotu, fosforu w makrocząsteczkach polimeru, jak i innych
substancji modyfikujących tworzywa. Na podstawie badań palności metodą wskaz
nika tlenowego
stwierdzono, że ze zwiększaniem się zawartości tlenu w polimerze jego palność wzrasta, zatem maleje
jego wskaz
nik tlenowy (rys. l).
Stosunek ilości atomów O/C w polimerze
Rys. 1. Wpływ budowy chemicznej polimeru na jego palność określoną za pomocą wskaz
nika tlenowego
1-10 żywice epoksydowe o różnym składzie chemicznym,
PE - polietylen,
PMMA - polimetakrylan metylu,
PS - polistyren,
PPO - poli 2,6 - dwumetylo - 1,4 oksyfenylen,
PAW - polialkohol winylowy,
PTE - politlenek etylenu,
PW - poliwęglan,
POM - polioksymetylen,
PA-6 - poliamid  6
Na podstawie wykresu (rys. l) można zauważyć, że w polimerach winylowych, takich jak:
[ CH - CH - ] - polietylen
2 2 n
[ CH CH ] - polistyren PS
2 n
C H
6 5
[ CH CH ]  polialkohol winylowy PAW
2 n
OH
wskaz
nik tlenowy wzrasta w kolejności podstawników.
Jeżeli w składzie polimeru występują heteroatomy, np. chlor, fluor albo grupy aminowe w
poliamidach - NH i poliimidach - N-H to w czasie rozkładu termicznego powstają takie produkty jak
2
HCL, czy NH , które powodują obniżenie palności polimerów. Zastąpienie wodorów w polietylenie w
3
ilości większej niż jeden wodór przez chlor, np. polichlorek winylidenu:
Cl
[ CH C ]
2 n
Cl
czy wszystkich czterech przez atomy fluoru, np. politereftalan etylu PTFE (teflon):
F F
C C
F F
powoduje, że związki te palą się jeszcze trudniej niż sam polietylen (tabela 1). Spalanie się każdego z
wymienionych polimerów może zachodzić tylko w dostatecznie wysokiej temperaturze, powodującej
dysocjację polimeru i usunięcie z powierzchni wywiązujących się gazów (HC1 i F ), co umożliwia dostęp
2
tlenu do węgla. Na podstawie wskaz
nika tlenowego podanego w tabeli l można również stwierdzić, że
Wzrost wskaz
nika tlenowego
obecność atomów siarki w polimerze polisulfonowym obniża jego palność. Niemniej jednak wpływ
zawartości siarki w polimerze nie jest tak jednoznaczny. Zależy on od połączeń siarki z innymi atomami (np.
wodór, węgiel) w makrocząsteczce polimeru. W celu obniżenia palności do tworzyw wprowadza się pewne
składniki, tj. wypełniacze nieorganiczne: fosfor, antymon, wypełniacze organiczne - monomery, które
powodujÄ… wzrost wskaz
nika tlenowego
Opierając się na wartości wskaz
nika tlenowego, wprowadzono w przemyÅ›le ame­
rykańskim podział tworzyw sztucznych ( wykorzystywany również w naszym kraju) na tzw.
tworzywa:
- palne, gdy wskaz
nik tlenowy WT < 21%,
- samogasnÄ…ce gdy wskaz
nik tlenowy 21% - niepalne, gdy wskaz
nik tlenowy 28% Tabela 1
Wskaz
nik tlenowy wybranych polimerów i materiałów naturalnych
Rodzaj tworzywa lub materiału Wskaz
nik tlenowy WT
naturalnego zakres w [%]
1 2
polietylen 17,3 do 30,2
polipropylen 17,0 do 29,2
polichlorek winylu 20,6 do 80,7
polialkohol winylu / 22,5
polichlorek wmylidenu 60
polistyren 17,0 do 23, 5
poliimid 36,5
politereftalan etylu (teflon) 95
tworzywa fenolowe 18 do 66
tworzywa epoksydowe 18,3 do 49
wełna (tkanina) 23,8 do 25,2
bawełna (tkanina) 18,6 do 27,3
drewno 22,4 do 24,6
tektura 24,7
poliwęglan 21, 3 do 44 ,
polisulfon 30 do 51
Nylon 6/6 (poliamid 6/6) 21 do 38
Wymiary próbki
Nie wpływają one w sposób znaczący na wielkość wskaz
nika tlenowego. Jedynie
wzrost grubości próbki powoduje pewien niewielki wzrost wartości wskaz
nika tlenowego (rys. 2).
Sposób ustawienia i zainicjowania spalania badanej próbki tzw.
metodą "świecy" (ang. candle type method)
W badaniu palności tworzyw opartym na pomiarze wskaz
nika tlenowego metodÄ… tzw.
"świecy" próbka jest ustawiona w aparacie pionowo i podpalona od góry za pomocą płomienia
palnika. Rozprzestrzenianie się płomienia zachodzi z góry do dołu. Są to najmniej korzystne
warunki spalania. W takim położeniu palącej się próbki wskaz
nik tlenowy jest najwyższy.
Jednocześnie przy tak wyznaczonym granicznym stężeniu tlenu równym wskaz
nikowi
tlenowemu następuje równowaga między ciepłem wytwarzanym przez palącą się próbką a
ciepłem oddawanym do otoczenia. Spalanie jest stabilne, nie zakłócone przez tak niekorzystne
zjawiska jak deformacja próbki, kapanie płonących kropel, które wpływałyby na wyniki
oznaczenia. Poza tym, w przypadku zapalenia od dołu i rozprzestrzeniania się płomienia od dołu
do góry, nastąpiłoby dodatkowe ogrzanie próbki płomieniem i wydzielającym się ciepłem, a w
następstwie tego obniżenia wartości wskaz
nika tlenowego.
Przepływ mieszaniny tlenu i azotu
Przepływ mieszaniny gazów: tlenu i azotu powinien być laminarny, zapewniający Stałą
szybkość dyfuzji tlenu do strefy spalania. Wzrost szybkości przepływu powoduje nieznaczny
wzrost wskaz
nika tlenowego.
Ciśnienie
Wzrost ciśnienia powoduje nieznaczne obniżenie wartości wskaz
nika tlenowego.
Temperatura
Temperatura gazów omywających próbkę wywiera duży wpływ na wartość wskaz
nika tlenowego.
Ze wzrostem temperatury maleje wartość wskaz
nika tlenowego.
Z danych literaturowych wynika, że zależność procentowego spadku wartości wskaz
nika tlenowego
zmierzonego w temperaturze 25°C - WT od temperatury jest dla wiÄ™kszoÅ›ci materiałów identyczna
25
%WT= [WTÅ‚ /WT ] x 100% (1)
25
Dokładniejsze badania wykazały, że istnieje zależność % WT od temperatury w postaci określonej
25
równaniem
%WT = 108  2,9*10-7T3 (2)
25
(2)
Na podstawie tych równań można określić temperaturę, przy której wskaz
nik tlenowy substancji nie
spalajÄ…cych siÄ™ w powietrzu w warunkach normalnych osiÄ…gnie wskaz
nik tlenowy równy 21, tzn.
temperaturę, od której możliwe jest jej spalanie w powietrzu. Dla substancji, której WT w
temperaturze 25°C jest wiÄ™kszy od 21 można okreÅ›lić temperaturÄ™, od której jest ona palna w realnych
warunkach.
Tabela 2
Wartości wskaz
nika tlenowego dla wybranych tworzyw sztucznych
WT tworzywa w Temperatura, przy której
temperaturze 25°C [%] tworzywo bfdzie miaÅ‚o
25 100
30 216
35 280
40 323
45 349
50 375
55 393
3. Zastosowanie wskaz
nika tlenowego
MetodÄ™ pomiaru wskaz
nika tlenowego stosuje siÄ™ do wszystkich tworzyw sztucznych w celu
porównawczej oceny ich zapalności. Stosuje się ją przy ocenie modyfikacji tego samego rodzaju
tworzywa oraz ocenie wpływu dodatku wypełniaczy i plastyfikatorów na spalanie tworzywa i
skuteczności działania antypirenów. Określając WT, bada się także skuteczność działania
gazowych środków gaśniczych oraz wpływ budowy chemicznej gazów, cieczy i ciał stałych na
proces spalania. Wskaz
nik tlenowy .nie stanowi podstawy do klasyfikacji tworzyw pod względem
zagrożenia pożarowego. Do scharakteryzowania zagrożenia pożarowego tworzywa należy oprócz
wyników WT znać oznaczenia temperatury zapalenia, ciepła spalania, ilości wydzielonego dymu i
analizy deriwatograficznej. Pewne modyfikacje metody oznaczania WT umożliwiają określenie tego
wskaz
nika także dla palnych cieczy i gazów.
Wskaz
nik tlenowy wybranych cieczy i gazów
Tabela 3
Rodzaj cieczy palnej Wskaz
nik tlenowy
benzen 13,3
metanol 11,1
etanol 12,6
Rodzaj gazu palnego Wskaz
nik tlenowy
[%]
wodór 5,4
tlenek węgla 7,6
acetylen 8,5
etylen 10,5
II. CZ
ŚĆ DOŚWIADCZALNA
Oznaczanie palności tworzyw sztucznych metodą wskaz
nika tlenowego
wg PN EN ISO 4589-2: 1999
1. Zasada pomiaru wskaz
nika tlenowego wg PN ISO 4589-2:1999
Metoda polega na ustaleniu minimalnego stężenia tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, przy
którym próbka badanego tworzywa umocowana w kolumnie pomiarowej pali się płomieniem.
Małą kształtkę do badań utrzymuje się pionowo w mieszaninie tlenu z azotem przepływającej
ku górze przez przezroczysty komin na uchwycie kształtki.
Zapala się górny koniec kształtki do badań i obserwuje dalsze jej spalanie w celu porównania
czasu palenia lub długości odcinka (patrz: tab.2), który uległ spaleniu, z określonymi
wartościami granicznymi dla tego rodzaju palenia.
Podając serie próbek przy różnych stężeniach tlenu ustala się jego minimalne stężenie przy
którym będą spełnione kryteria określone w tab. 2.
2. Metodyka badań
2.1. Przygotowanie kształtek do badań i ich wymiary
Kształtki (próbki) w ilości wskazanej przez prowadzącego należy formować lub wycinać
stosując odpowiednie sposoby spełniające określone wymagania techniczne dotyczące
materiału, tak aby spełniały wymagania w zakresie typu kształtki (patrz tab. 1).
Tabela 1.
Wymiary kształtek do badań
TYP WYMIARY
Szerokość
KSZTAA
TKI DO TYPOWE ZASTOSOWANIA
Długość mm Grubość mm
mm
BADAC

I 80-150 10 ą 0,5 4 ą 0,5 Dla materiałów formowanych
80-150 10 ą 0,5 10 ą 0,5 Dla materiałów porowatych
II
Dla materiałów w postaci płyt  jak
80-150 10 Ä… 0,5 d" 10,5
III
otrzymano
Rozmiar alternatywny dla
samonośnych materiałów
IV 70-150 6,5 Ä… 0,5 3 Ä… 0,25
formowanych lub płyt do celów
elektrotechnicznych
1400-5
52 ą 0,5 d" 10,5 Dla giętkich folii lub płyt
V
Dla cienkich folii  jak otrzymano ,
140-200 20 0,02 do 0,10 ograniczone dla folii, które można
VI
nawinąć na określony pręt
- Kształtki typu I, II, III i IV są odpowiednie dla materiałów, które zachowują sztywność przy
tych wymiarach, kształtki typu V są odpowiednie dla materiałów wymagających
podtrzymywania podczas badania.
- Wyniki otrzymane dla kształtek III i V mogą być tylko porównywalne z wynikami dla
kształtek tego samego typu i grubości. Przyjmuje się, że liczbę rodzajów grubości materiałów,
będą regulować inne normy.
- Kształtka typu VI jest odpowiednia dla cienkich folii, które po zwinięciu utrzymują
sztywność. Wymiary podawane w tabeli są wymiarami oryginalnych folii, z których
wykonuje siÄ™ zwoje.
2.2.Opis Aparatury Badawczej
Badania przeprowadza się w aparacie do oznaczania zapalności metodą wskaz
nika
tlenowego.
Stanowisko badawcze składa się z następujących części:
1. Komin do badań składa się z żaroodpornej rury szklanej podtrzymywanej przez podstawę,
przez którą można wprowadzać mieszaninę gazów zawierających tlen.
2. Podstawa komina jest wyposażona w urządzenie umożliwiające równomierne
rozprzestrzenianie mieszaniny gazów wchodzących do komina. Urządzenie składa się z
dyfuzora i komory mieszania zawierajÄ…cÄ… folie metalowÄ….
Rysunek 2. Schemat typowej aparatury do
oznaczania zapalności metodą
wskaz
nika tlenowego
3. Ekran z siatki drucianej.  montuje się go poniżej uchwytu kształtki i służy aby zapobiec
zanieczyszczeniu dróg dopływu gazu i jego przesyłaniu przez spadające przy spalaniu
szczÄ…tki.
4. Uchwyt kształtki.  powinien być odpowiedni do jej pionowego podtrzymywania
pośrodku komina. Dla materiałów zachowujących sztywność, próbka powinna być
umocowana w małym uchwycie oddalonym o co najmniej 15cm od najbliższego punktu,
w którym próbka może się palić, zanim zostanie przekroczone kryterium długości
spalonego odcinka.
Dla próbek z materiałów giętkich folii lub płyt próbka powinna być utrzymywana przez
obydwa pionowe brzegi. Do tego celu stosuje siÄ™ ramkÄ™ ze znakami odniesienia przy
20mm i 100mm poniżej wierzchołka ramki.
5. Układ doprowadzenia gazów.  obejmuje odpowiednio, z
ródła sprężonego tlenu i / lub
Rysunek 3.Ramka podtrzymujÄ…ca
kształtki elastyczne
azotu o czystości nie mniejszej niż 98% (m/m) i / lub czystego powietrza [zawierającego
20,9%(V/V) tlenu].
Przewody doprowadzające powinny być połączone w sposób zapewniający całkowite
wymieszanie gazów przed wejściem do urządzenia rozdzielnego w podstawie komina, tak
aby wahania stężenia tlenu w mieszaninie gazów wpływających do komina poniżej
poziomu kształtki do badań były mniejsze od 0,2%(V/V).
6. Palnik zapalający.  składa się z rurki, którą wprowadza się do komina w celu przyłożenia
do badanej ksztaÅ‚tki pÅ‚omienia uchodzÄ…cego z otworu wylotowego o Å›rednicy Ø 2mm Ä…
1mm znajdującego się na jej końcu. Palnik ten jest zasilany propanem C H bez
3 8
wstępnego mieszania z powietrzem.
Dopływ paliwa powinien być uregulowany w ten sposób aby płomień sięgał od otworu
wylotu rurki 16mm ą 4mm pionowo w dół, gdy rurka znajduje się w kominie jest
ustawiona pionowo a płomień pali się w atmosferze komina.
7. Układ odprowadzania spalin.  powinien zapewniać wystarczającą wentylację i usuwać
dym lub sadzę uchodzące z komina w taki sposób, aby nie wpływało to na szybkość
przepływu gazu.
8. Urządzenia kontrolne i pomiarowe przepływu do pomiaru stężenia tlenu w mieszaninie
gazów z dokładnością ą0,5 [V/V] i regulacji stężenia z dokładnością ą0,1 [V/V] przy
prędkości przepływu gazu przez komin wynoszącej 40mm/s ą 2mm/s w temperaturze
23°C Ä… 2°C.
2.3.Sposób zapalenia kształtek do badań
Do badań było wykorzystuje się zapalanie wierzchołkowe. Podczas tego zapalenia
palnik służy do rozpoczęcia palenia tylko na szczytowej powierzchni górnego końca kształtki.
Najmniejszą widzialną część płomienia należy przyłożyć ruchem zamiatającym do
wierzchołka kształtki i jeżeli to konieczne, całą objętość płomienia na płaszczyzny pionowe
lub krawędzie kształtki. Płomień taki należy przyłożyć na czas do 30s, usuwając go co 5s na
moment, w celu sprawdzenia czy pali się cały wierzchołek kształtki.
Kształtkę uważa się za zapaloną, jeżeli palenie utrzymuje się na całej szczytowej części
kształtki po kolejnym pięciosekundowym zapłonie. Wówczas należy zacząć pomiar czasu
palenia i długości palonej części kształtki.
2.4.Kryteria pomiarów wskaz
nika tlenowego.
Tabela 2.
Kryteria alternatywne 2
Typ kształtki Sposób
Czas palenia
do badań 1 postępowania Długość spalonego odcinka 3
po zapłonie [s]
A
Zapłon 180 50 mm poniżej wierzchołka próbki
I, II, III, IV i VI wierzchołkowy
B
180 50 mm poniżej górnego znaku odniesienia
Zapłon postępujący
B
V 180 80 mm poniżej górnego znaku odniesienia (na ramce)
Zapłon postępujący
1
Kształtki typu I, II, III i IV są odpowiednie dla materiałów, które zachowują sztywność przy tych wymiarach.
Kształtki typu V są odpowiednie dla materiałów wymagających podtrzymywanie podczas badania
2
Kryteria te niekoniecznie przyczyniają się do uzyskania równoważnych wyników wskaz
nika tlenowego dla
próbek o różnym kształcie lub badanych z zastosowaniem różnych warunków lub sposobów zapłonu.
3
Długość spalonego odcinka jest przekroczona, gdy jakakolwiek część palącej się w sposób widoczny kształtki,
łącznie z palącymi się kroplami opadającymi po pionowych powierzchniach, przekracza poziom określony w
czwartej kolumnie tablicy
2.5. Przebieg ćwiczenia
l. Przygotowaną wcześniej próbkę wg pkt. 2.1. i 2.2 ze statywem umieścić w komorze spalania
2. Odkręcić butlę z gazem propan-butanem i zapalić palnik gazowy tak aby uzyskać płomień ok. 10 mm
3. Otworzyć zawór butli z azotem. Ciśnienie wyjściowe na reduktorze powinno wynosić od 1,7 do
2atm.
34 Otworzyć zawór butli z tlenem. Ciśnienie wyjściowe na reduktorze powinno wynosić od 1,7 do
2atm.
5. Włączyć zasilanie urządzenia pomiarowego (wcisnąć przycisk POWER)
6. Wcisnąć dowolny okrągły przycisk na części frontowej urządzenia i odczekać kilka
sekund.
7. Przyciskami + ; - wybrać żądane stężenie tlenu, które wskazywane jest jako SET POINT
8. Wcisnąć przycisk GAS SUPPLY.
9 Zapalić próbkę wg sposobu opisanego w pkt. 2.3
9. Rejestrować czas spalania próbki.
10. Koniec jednostkowego pomiaru jest wyznaczony czasem trwania spalania lub długością
spalonej próbki (patrz tab.2).
11. Dokładność oznaczenia wskaz
nika tlenowego określa prowadzący.
12. Wyniki należy zapisywać w tabeli
Nazwa materiału
L.p. Stężenie tlenu Czas trwania Długość Wskaz
nik tlenowy
[%] spalania [s] spalonego [%]
odcinka [mm]
1.
2.
3.
4.
5.
13. Po każdym jednostkowym pomiarze należy wyłączać zasilanie urządzenia gazami
technicznymi- tlenem i azotem (wycisnąć GAS SUPPLY)
14. Po zakończeniu pomiarów zakręcić butle z gazami technicznymi.
LITERATURA
1. PN-ISO 4589-2:1999., Oznaczanie zapalności tworzyw sztucznych metodą wskaz
nika
tlenowego.
2. M. Heine, M. Wiater: Wskaz
nik tlenowy jako kryterium palności tworzyw sztucznych.
Biuletyn Informacji Technicznej 1978 nr 1.
3. B. A
aszkiewicz: Termoodporne i trudno zapalne włókna organiczne. WNT Warszawa 1976.
4. E.M. Bulewicz, Archiwum Termodynamiki i Spalania 1976 R2.
5. S.C. Betes, P.R. Salomon, Journal ofFire Science \993, vol. 11 - maj, czerwiec.
6. C.J. Hilado: Flammability Handbook for Plastics. Westport Technic Publ, Company 1982