燃烧三要素（2）— 极限氧浓度

发布时间：2025-01-08

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一、极限氧浓度((Limiting Oxygen Concentration, LOC)

燃烧三角形表明，氧化剂（一般为氧气）是燃烧的必要条件，但实际上这个条件并不充分——对可燃气体而言，存在一个可引起燃烧的最低氧浓度，低于极限氧浓度时，燃烧反应就不会发生。从安全角度考虑可燃性气体的防火防爆时，极限氧浓度就是可燃混合气体中氧的最高允许浓度。对于液体或固体材料而言，极限氧浓度又可称为氧指数(Oxygen Index,OI)

氧指数越高，意味着材料不易燃烧，阻燃性能越好；反之，氧指数越低，材料越容易燃烧。具体来说，一般认为氧指数小于22的材料属于易燃材料，氧指数在22至27之间的材料属可燃材料，氧指数大于27的材料则属难燃材料。

（上图例）氧指数与阻燃等级对照

氧指数的测试通常是在特定的实验装置中进行，采用氧-氮混合气体作为试验介质。测试时，将材料样品置于混合气体中，逐渐增加氧气浓度，同时减少氮气浓度，观察材料的燃烧行为。当材料在混合气体中刚好能够维持燃烧时，此时的氧气浓度即为该材料的氧指数。对可燃气体通常采取的防火防爆措施之一，就是提高不活泼气体的浓度，使氧浓度降低到极限氧浓度之下，这种通过稀释氧浓度防火防爆的方法称为可燃气体的惰化。极限氧浓度（以体积分数表示）表示燃烧反应时氧气的体积占燃烧反应物质总量的百分比，因此可以由燃烧下限来计算极限氧浓度(体积分数)：

公式.png

需要注意的是，无论是国标中讨论的极限氧浓度还是氧指数，均是在氮气与空气混合条件下测得的极限氧浓度值。在实际情况中，各种可燃性气体的极限氧浓度在不同的不活泼气体氛围下是不一致的，在做安全性研究时，不应简单套用国标条件下测得的极限氧浓度值。下面列出几种常见气体的不同气体惰化情况的极限氧浓度。

甲烷（Methane）：10.0%（氮气惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

乙烷（Ethane）：9.0%（氮气惰化），11.5%（二氧化碳惰化）

丙烷（Propane）：9.5%（氮气惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

丁烯（n-Butane）：10.0%（氮气惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

二、极限氧浓度的测定（GB/T 38301）

术语：

极限空气浓度：limiting air concentration（LAC）

在规定的试验条件下,可燃气体(蒸气)、空气和惰性气体混合物遇火源不发生爆炸的最大空气浓度。

极限氧浓度：limiting oxygen concentration（LOC）

在规定的试验条件下,可燃气体(蒸气)、空气和惰性气体混合物遇火源不发生爆炸的最大氧气浓度。以体积分数(%)表示,可按下式通过极限空气浓度进行换算:

公式 2.png

（注意该国标方法是在空气条件下对极限氧浓度进行测试，通过极限空气浓度推出极限氧浓度）

测试步骤：

1.一般要求：

依照下列试验步骤,四次重复测试确定待测可燃气体的极限空气浓度LAC,配好气后应搅拌均匀：

步骤1: 依照 GB/T 12474 测定待测可燃气体(蒸气)的爆炸下限 LEL和爆炸上限 UEL。

步骤2: 确定当量浓度线顶点附近待测混合物的爆炸极限。若惰性气体采用氮气,且待测可燃气体的当量浓度线未知,则设定待测可燃气体浓度为Xs=1.2LEL,通过改变空气和惰性气体浓度测定混合物的爆炸极限(空气和惰性气体浓度分别为X…1、X…1)。采用渐进法测试首次惰性气体体积分数设定为50%,随后增加惰性气体的体积分数级差为5%,接近爆炸极限时体积分数级差降低为0.5%。

2.一般程序步骤

① 爆炸极限应通过测定沿爆炸上限 UEL,线附近的至少4个同等间隔点来确定,测定时惰性气体浓度为定值,以体积分数0.5%步长改变空气的浓度进行测定,见下图。

② 在爆炸区分布图上标注测试点,连接测试点,采用插值法确定爆炸上限UEL曲线。绘制爆炸上限 UEL,曲线的切线,平行于惰性气体边线,与空气轴线的交点即为极限空气浓度LAC。

③ 以空气体积分数X_air,LAC为定值,上部和下部各体积分数5%范围内,改变待测可燃气体的浓度至少再测定5个点,测定步长为体积分数2.5%,进一步确定极限空气浓度值LAC,测定结果见图1。若被引燃,采用差值法重新测定。

④ 依据测定的LAC值,采用式(1)计算待测可燃气体的极限氧浓度LOC。

（注:具有高能的不稳定化学物质,如丁二烯,环氧乙烷等,极限氧浓度(LOC)体积分数为0%,爆炸上限体积分数为 100%）

极限空气浓度.png

（上图）极限空气浓度确定一般程序

要理解国标所描述的测定步骤，需要熟悉可燃性图表的概念，详见另一篇文章《可燃性图表》。或可直接选用设备自动测定气体的可燃性，此项目常用的检测设备有：临界氧指数仪、气体爆炸特性测试装置。

PHINIX菲尼克斯出品：临界氧指数仪

是基于临界氧指数法，用于测试样品燃烧所需要氧气的最低浓度。临界氧指数法，是将 O₂/N₂ 混合后，测量刚好维持试样燃烧所需要的最低氧浓度（摩尔浓度）。本仪器利用质量流量控制器，精确控制 O₂/N₂ 的流量，通过混合室混合，充分保证浓度控制的准确性，采用英国顺磁氧传感器，配合检测 O₂ 浓度，性能良好。针对准确度要求较高的试验用户制造，也可满足一般用户需求。（更多仪器详细介绍请移步网页：https://phinix.cn/products/15.html)

产品引用的检测技术标准

1、ASTM D2863-13

2、ISO4589-1-2017塑料用氧指数法测定燃烧行为第1部分: 一般要求

3、ISO4589-2-2017塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分: 室温试验

4、GB T 2406-2

5、GBT 2406.1-2008

6、GB/T10707-2008橡胶阻燃性能的测定

7、GBT 5454-1997 纺织品燃烧性能试验氧指数法

8、GB/T 8924-2005纤维增强塑料燃烧性能试验方法氧指数法

9、GBT 2406.2-2009 塑料用指数法测定燃烧行为第2部分: 室温试验

10、QB/T 1650-1992硬质聚氮乙烯泡沫塑料板材(该标准5.3.9规定，参考GB/T 2406)

产品规格：