阻燃性能测试中氧指数测定的原理和操作步骤

氧指数（LOI）是评价材料阻燃性能的核心定量指标，通过测定材料维持燃烧的最低氧气浓度，直接量化其阻燃能力——LOI越高，材料越难燃烧。作为GB/T 2406、ISO 4589等标准的核心测试方法，它广泛应用于塑料、纺织品、橡胶等材料的阻燃评估。本文将系统拆解氧指数测定的原理逻辑与实操细节，从样品制备到结果判定，为实验室精准测试提供清晰指南。

氧指数的基本概念与阻燃性关联

氧指数全称“极限氧指数”，定义为“材料在氧氮混合气体中维持燃烧所需的最低氧体积分数”，单位为%。它是燃烧三要素（燃料、氧气、热源）的量化延伸：当氧浓度降低到临界值时，自由基链式反应无法持续，燃烧终止。LOI与阻燃性直接正相关：LOI<21%为易燃（如聚乙烯，LOI≈17%）；21%-27%为可燃（如聚丙烯，LOI≈18%）；27%-32%为难燃（如ABS，LOI≈24%）；>32%为不燃（如聚氯乙烯，LOI≈40%）。

相较于垂直燃烧等定性测试，氧指数是定量分析，结果更具可比性，因此成为材料阻燃性能的“基准指标”——企业研发阻燃材料时，需通过氧指数验证配方效果；质检机构则用它判定产品是否符合阻燃标准。

氧指数测定的核心原理

燃烧的本质是自由基链式反应：材料受热分解产生H·、OH·等自由基，与氧气反应释放热量，维持燃烧。氧指数测定的关键是“控制氧浓度”——用惰性氮气稀释氧气，模拟不同氧环境，找到“维持燃烧的最低氧浓度”。

为什么用氧氮混合气体？因为氮气不参与燃烧，能精准调节氧浓度；若用空气（21%氧），无法改变氧浓度，无法找到临界值。实验中，混合气体从燃烧筒底部向上流动，确保样品周围氧浓度均匀，避免局部氧富集影响结果。

氧指数仪的结构与功能分工

氧指数仪主要由5部分组成：

1、燃烧筒：垂直玻璃筒（内径≥75mm，高≥450mm），底部有玻璃珠层（均匀布气）和金属网（收集滴落物）；

2、气体系统：氧气瓶、氮气瓶、减压阀、流量控制器、混合器，可精确调节氧氮流量比例（精度±0.1%）；

3、点火装置：本生灯（火焰高度10mm）或电子点火器，用于点燃样品顶部；

4、样品夹：金属制，垂直固定样品，确保样品在筒中心；

5、显示系统：实时显示氧浓度、流量，误差≤±0.2%。

其中，流量控制器是核心——若流量波动超过±0.5L/min，会导致氧浓度不稳定，结果偏差大；混合器需充分混合氧氮，避免分层，否则筒内氧浓度上高下低，影响燃烧。

样品制备的标准要求

样品质量直接决定结果准确性，需严格遵循3点：

1、尺寸合规：塑料样品按GB/T 2406.1为120mm×10mm×4mm（偏差±0.2mm）；纺织品按GB/T 5454为300mm×50mm（厚度≤10mm）；

2、状态调节：塑料需在(23±2)℃、RH(50±5)%环境中放置24小时；纺织品在(20±2)℃、RH(65±5)%中放置24小时，消除湿度影响——若样品潮湿，燃烧时需先蒸发水分，导致燃烧时间延长，结果偏高；

3、外观整洁：样品表面无毛刺、裂纹、油污，避免局部受热不均——如塑料样品有毛刺，会先从毛刺处引燃，导致燃烧时间缩短，结果偏低。

实验前的仪器校准与准备

实验前需完成3步校准：

1、流量校准：用皂膜流量计校准氧气、氮气流量表，确保流量显示误差≤±0.5L/min；

2、气体纯度检查：氧气纯度≥99.5%，氮气≥99.9%——若氮气含氧量≥0.5%，会导致氧浓度测量值偏大；

3、氧浓度校准：用已知浓度的混合气体（如21%氧）校准传感器，确保显示值误差≤±0.2%。

此外，需检查燃烧筒是否清洁：若有残留滴落物，需用酒精擦拭干净，避免滴落物引燃新样品；样品夹需灵活，确保样品垂直固定——若样品倾斜，燃烧时会向一侧偏移，影响燃烧长度测量。

样品安装与气体条件设定

安装样品时，需将样品垂直夹在样品夹上，放入燃烧筒中心：样品底部距玻璃珠层100mm，顶部距筒口≥100mm，避免火焰溢出；样品不能接触筒壁，否则筒壁会吸热，导致燃烧速度减慢，结果偏高。

气体条件设定需基于材料预估LOI：如预估LOI为25%，总流量设为10L/min（GB/T 2406要求），则氧气流量=10×25%=2.5L/min，氮气流量=7.5L/min；通入混合气体5分钟，置换筒内空气——若通气时间不足，残留空气会导致氧浓度偏高，结果偏小。

点火操作与燃烧状态观察

点火是关键步骤，需严格遵循标准：用本生灯，火焰高度调至10mm，从样品顶部边缘处点火——火焰接触样品1-2mm，持续30秒，或直到样品顶部10mm范围内燃烧（以先到者为准）；移开点火器，立即计时并观察2个指标：

1、燃烧时间：若超过60秒，说明氧浓度过高，需降1%；

2、燃烧长度：若超过50mm（120mm样品），同样需降氧浓度；

3、熄灭时间：若10秒内熄灭，或燃烧长度<5mm，需升1%氧浓度。

例如，某塑料样品在25%氧浓度下燃烧70秒，说明氧浓度过高，需调至24%；若在24%下燃烧50秒，仍需调至23%，直到找到临界值——即“连续5个样品中3个能维持燃烧的最低氧浓度”。

临界氧浓度的确定与结果计算

临界氧浓度的判定需满足“5个样品中3个符合燃烧要求”：如在23%氧浓度下，5个样品中有3个燃烧时间超过60秒，2个不足60秒，则23%为临界值；若在22%下只有2个符合，说明23%是最低氧浓度。

结果计算需取5个有效样品的平均值，保留一位小数。若某样品燃烧时滴落物引燃底部棉花（GB/T 2406要求放置棉花），需记录为“滴落引燃”，该样品结果无效，需重新测试——因为滴落物燃烧属于额外燃烧，不能反映材料本身的阻燃性。

实验中的关键注意事项

1、环境稳定：实验室温度需保持(23±2)℃，湿度(50±5)%，避免风或空调气流影响气体流动——若有气流，会导致燃烧筒内氧浓度波动，火焰跳动；

2、点火时间：不能超过30秒，否则样品过度加热，会导致燃烧时间延长，结果偏高；

3、样品垂直：样品若倾斜，燃烧时会向一侧偏移，导致燃烧长度测量不准确；

4、气体流量：需保持稳定，若流量突然下降，会导致氧浓度降低，样品熄灭，结果偏大。

常见误差来源与解决方法

误差1：结果偏差大——原因可能是样品尺寸不一致（如塑料样品厚度偏差超0.2mm），解决方法是用卡尺测量每块样品的尺寸，确保合规；

误差2：氧浓度显示不准——原因是气体纯度不够（氮气含氧量高），解决方法是更换高纯度氮气；

误差3：燃烧时火焰跳动——原因是气流干扰，解决方法是关闭实验室风扇，用挡板遮挡燃烧筒；

误差4：样品熄灭快——原因是通气时间不足，残留空气导致氧浓度偏高，解决方法是延长通气时间至5分钟。