表征材料燃燒性能的試驗方法較多，從最開始的傳統方法，如氧指數(LOI) 法、UL 标準中的水平燃燒、垂直燃燒法及NBS 煙箱法，到最新的錐形量熱儀法(CONE)和微型量熱儀法(MCC)，經過多年的研究與發展，燃燒性能試驗方法有了很大的進步與改善。

相較于傳統的小型試驗方法存在的試驗操作環境與真實火災相差較大，試驗獲得的數據隻能用于一定試驗條件下材料間燃燒性能的相對比較，不能作為評價材料在真實火災中行為依據的問題。新一代實驗室阻燃性能試驗儀器，逐漸向着試驗環境同火災材料的真實燃燒環境接近，所得試驗數據能夠評價材料在火災中的燃燒行為的方向發展。

目前，實驗室材料燃燒性能和阻燃性能的評價方法主要有四種：

• 錐形量熱儀(CONE)
• 氧彈量熱儀
• 單體燃燒儀（SBI）
• 氧指數測定儀

錐形量熱儀

能夠測得燃燒材料的多項參數，實驗結果更接近材料在實際燃燒時的行為。由CONE測得的數據還是性能化火災設計和火災模型化最為重要的數據來源。此外，錐形量熱儀被認為是研究火災退化，煙霧排放和放熱性能的好方法。

氧彈量熱儀

用于測定材料的燃燒熱值，熱值是材料的自然屬性，與材料的外形尺寸和使用狀态等不相關，可以從理論上給予材料所具備的能量，以及在火災中有多大的火災危險和動能。此方法對火場燃燒規模的預估和火災危險性防治體系的建立具有一定的指導意義。但隻針對單一組分材料材料熱值計算，對于組成結構複雜的聚合材料，采用此方法就存在一定的局限性。

單體燃燒儀

是一種中等規模大小、采用耗氧原理的火災模拟試驗，能夠反應材料在火災中的燃燒模型和釋放的熱量，但相較于小型試驗法，單體燃燒儀作為中型試驗法設備體積較大，布設及試驗成本更高。

氧指數測定儀

氧、氮混合氣流中，測定剛好維持燃燒所需的最低氧濃度。氧指數是最原始的測試方法，其優點是方便、快捷、成本低廉、但不能真實反應其對火的反應，所以隻能用于初步的判定。

随着阻燃科學與技術的迅速發展，出現了各種新的測試手段，上述四種方法是目前實驗室對阻燃材料燃燒行為進行評估的主要手段，其中最具有代表性的是錐形量熱儀。錐形量熱儀法由于具有參數測定值受外界因素影響小，與大型實驗結果相關性好等優點被應用于很多領域的研究，并且錐形量熱儀是公認的測量材料對火反應特性或燃燒特性的最好技術手段。

錐形量熱儀（Cone Calorimeter，簡稱CONE）是火災科學研究領域中最為重要的儀器設備之一。它不僅可以用于研究各類材料或制品的燃燒性能，以評價材料或制品的燃燒行為，而且其測得的數據還是性能化火災設計和火災模型化最為重要的數據來源。此外，通過CONE測試還能在一定程度上預測材料或制品在大尺寸試驗中的燃燒行為和燃燒性能。

錐形量熱儀(CONE)是美國國家科學技術研究所(NIST)的 Babrauskas于 1982 年提出，主要用以解決當時基于密閉空間内焓損失測定方法的小型熱釋放測試的不足。由于設備錐形加熱器的形狀，故被稱為錐形量熱儀。

相關标準

對于CONE測試法，目前我國執行的是GB/T 16172-2007 《建築材料熱釋放速率試驗方法》，此标準等同采用ISO 5660-1：2002，而目前國外執行的有效國際标準為ISO 5660-1：2015 《對火反應試驗—熱釋放、産煙量及質量損失率,第1部分:熱釋放速率(錐形量熱儀法)和煙生成速率（動态測量）》，新版國際标準與我國采用的GB/T 16172标準存在一定的差異。

當然，錐形量熱儀(CONE)在高校及科研中應用非常廣泛，能夠測試的标準非常多，并不是僅限于GB/T 16172-2007/ISO 5660-1：2015，不同國家和行業均有相應的測試标準，下面列出部分經常提及的相關标準以供參考。

試驗原理&測試設備

錐形量熱儀以氧消耗原理為基礎，研究發現，基于耗氧量原理的量熱計是最佳測試方法，即材料燃燒釋放熱量總是和燃燒過程耗氧量成正比，每消耗1kg氧氣将釋放13.1MJ的熱量，且受燃料類型和是否發生完全燃燒影響很小。

錐形量熱儀原理圖

隻要能精确地測定出材料在燃燒時消耗的氧量，就可以獲得準确的熱釋放速率(具體計算方法可參照GB/T 16172 标準中給出的公式)。不同熱輻射強度下的熱釋放速率(HRR)是CONE 給出的最重要的參數之一，同時還能給出其它許多參數。

iCone2 錐形量熱儀

iCone2 錐形量熱儀是先進的自動錐形量熱儀。基于FTT數十年在量熱儀設計和制造方面的專業探索，iCone2 具有直觀的交互式顯示界面、自動或手動控制、靈活多樣的控制選項，且内置數據采集技術，能夠用于數據采集、分析和報告。許多防火測試實驗室以前未曾見過的功能，結構緊湊、準确、可靠且易于維護。并且能夠适用于ISO标準及中國标準。

iCone系列的設備組成

• 圓錐形加熱器。5kW電熱元件，輸出熱量可達100kw/m2，可使用電動閥可調整高度，遠距離控制錐形加熱器的位置，用于測試水平或垂直方向的試樣。
• 溫度控制器。熱流量可通過3個k型熱電偶和3項(PID)的溫度控制器控制，可以使用ConeCalc軟件設置測試期間的10步溫度剖面圖，等速加熱或分步控制熱流量。
• 電動控制隔熱闆。可通過7英寸觸摸屏或ConeCalc軟件自動/手動控制拆分快門機構，保護樣品在測試前不暴露在熱的輻射下，确保初始質量測量的穩定性和操作人員的安全。
• 火花點火。10kV火花點火器，可自動定位與控制，配有安全切斷裝置。
• 試樣夾。不鏽鋼制造，樣品大小100mm×100mm，厚度不超過50mm，水平和垂直擺放。
• 測壓元件。安裝在一個獨立的工作台上，避免了來自主機上排氣扇所産生振動的影響。0.01g高分辨率，量程可達5.0kg或8.2kg。
• 玻璃防護屏。覆蓋尺寸600mm×600mm,可收縮式的4面耐熱玻璃防護屏為燃燒模塊提供了一個自由的氣流條件，并且為每個角度觀察提供了清楚的視野。并且可以手動或電子控制耐熱玻璃防護屏的升降。
• 排氣系統。采用不鏽鋼制造，使用壽命長。包含大引擎蓋，氣體樣品取樣針，排風扇和孔闆流量測試器。正常運行為24升/秒。
• 氣體采樣。包括微粒過濾器、冷凍冷阱、泵、幹燥筒和流量控制器。
• 煙霧遮蔽。用激光系統測量，使用矽光電二極管，和一個0.5 mW氦氖激光器，主要及備用光電探測器。同時備有定位支架和0.3、0.8中性密度濾波器進行校準。
• 校準爐。校準儀器測試出的熱釋放率，使用99.5%純度的甲烷。
• 熱流計。用ConeCalc軟件自動設置樣品表面的輻射水平。
• 觸摸屏。帶有火花點火器定位、火模隔熱控制、加熱器高度調節、排風機控制和測試控制，7”的觸摸控制器與主機的計算機控制相鄰設計。
• 固定氣體分析控制台 (iCone Classic)或移動氣體分析架(iCone mini)。通過手動閥門和流量計控制和測量進入分析器的氣體流量。
• 數據采集系統。
• ConeCalc軟件。操作語言包括英語、法語、德語、西班牙語和日語。用戶界面基于Windows操作系統，帶易于使用的按鈕操作，标準Windows數據輸入方法，下拉選項，點擊選中，以及開關。

測量參數

錐形量熱儀的最大優點，就是能夠在實驗中測得多個與材料燃燒性能相關的數據，一些數據對阻燃研究和材料評價至關重要。那麼CONE到底能夠獲得哪些參數，下面我們介紹一下。

熱釋放速率(Heat Release Rate，簡稱HRR)

HRR是指在預置的入射熱流強度下，材料被點燃後，單位面積的熱量釋放速率。HRR是表征火災強度的較重要性能參數，單位為kW/m2；HRR的最大值為熱釋放速率峰值(Peak of HHR，簡稱pkHRR)，pkHRR 的大小表征了材料燃燒時的最大熱釋放程度。HRR 和pkHHR 越大，材料的燒燒放熱量越大,形成的火災危害性就越大。

總釋放熱(Total Heat Release ，簡稱THR)

THR 是指在預置的入射熱流強度下，材料從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和。單位為MJ/m²。将HRR與THR結合起來，可以更好地評價材料的燃燒性和阻燃性，對火災研究具有更為客觀、全面的指導作用。

質量損失速率(Mass Loss Rate，簡稱MLR)

MLR是指燃燒樣品在燃燒過程中質量随時間的變化率,它反應了材料在一定火強度下的熱裂解、揮發及燃燒程度。MLR值由5 點數值微分方程算出。MLR 的單位為g/s。

煙生成速率(Smoke Produce Rate，簡稱SPR)

SPR 被定義為比消光面積與質量損失速率之比，單位為m2/ S，即SPR=SEA/MLR，式中SEA為比消光面積，SEA表示揮發單位質量的材料所産生的煙，它不直接表示生煙量的大小，隻是計算生煙量的一個轉換因子。

有效燃燒熱(Effective Heat Combustion，簡稱EHC)

EHC 表示在某時刻t時，所測得熱釋放速率與質量損失速率之比,它反應了揮發性氣體在氣相火焰中的燃燒程度，對分析阻燃機理很有幫助。

點燃時間(Time to Ignition，簡稱TTI)

TTI是評價材料耐火性能的一個重要參數(單位：s)，它是指在預置的入射熱流強度下，從材料表面受熱到表面持續出現燃燒時所用的時間。TTI 可用來評估和比較材料的耐火性能。

有毒氣體釋放率(如碳氧化物)

材料燃燒時放出多種氣體，其中含有CO，HCN，SO2，HCl，H2S等毒性氣體，毒性氣體對人體具有極大的危害作用，其成分及百分含量可通過錐形量熱儀中的附加設備收集分析。

上面我們詳細介紹了錐形量熱儀（CONE），那麼就不得不再介紹一下微型量熱儀（MCC）。

微型量熱儀通常在幾秒内就可确定基本化學熱數值，預測材料防火性能。這一技術能用很小的樣品（1-50mg）迅速确定參數，如熱釋放速率系數（W/g）、燃燒熱量（J/g）、着火溫度（°C）等，典型可重複性為±5%。

微型量熱儀數據和防火測試數據 (錐形量熱儀, OSU 熱釋放速率測定儀), 可燃性測試(LOI 高溫氧指數儀, UL94 水平/垂直燃燒儀) 以及燃燒測試 (氧彈量熱儀) 相關聯，因此被視為确定和預測材料防火性能的一種高效，低成本的工具。

相關标準

關于微型量熱儀法，目前最常提及的是ASTM D7309 《Standard Test Method for Determining Flammability Characteristics of Plastics and Other Solid Materials Using Microscale Combustion Calorimetry（用微型燃燒量熱法測定塑料和其他固體材料可燃特性的标準試驗方法）》。我國根據ASTM D7309使用翻譯法修改編寫了商檢行業标準SN/T 4879-2017《聚合物及其複合材料燃燒性能試驗方法 微型量熱法》，标準中進行了少量調整。

試驗原理&測試設備

微型量熱儀同樣基于傳統的氧耗量量熱法。首先在熱解器中以恒定的升溫速率（通常1-5K/s）加熱樣品，并通過惰性氣體從熱解器中吹掃降解産物。将氣流與氧氣混合并在900℃下進入燃燒室，在那裡分解産物被完全氧化。燃燒氣體的氧氣濃度和流速用于确定燃燒過程中涉及的氧氣消耗，并且由這些測量确定熱釋放速率。總的來說，MCC是小型的錐量，但數據上不如錐量定量、詳細。

FAA微型量熱儀

FTT的FAA微型量熱儀由 FTT 和聯邦航空管理局（FAA）共同研發。以秒為單位确定基本化學熱數值，預測材料防火性能。

FAA産品特點

• 雙向96-264VAC, 50-60Hz（不需要切換）
• 厭氧和有氧高溫分解
• 幾分鐘内就可以得到測試結果
• 自動控制溫度和氣體流速
• 樣品尺寸（1-50mg）
• 過溫保護裝置
• 可拆卸的設備後蓋，便于後期的部件維護，如燃料電池

測量參數

熱釋放速率(Heat Release Rate，簡稱HRR)

MCC微型量熱儀通過控制加熱速率和過量氧含量消除這種不确定性，從而得到一個特性熱釋放放速率 (K/s)。

燃燒熱量

在燃燒過程中所釋放的熱量，這個數值是火災危險性重要指标。

着火溫度

點燃溫度對于消防安全非常重要，着火溫度越高，材料燃燒更慢，給予逃離密閉空間的時間就越長。

阻燃性

MCC通過測試材料熱釋放能力來評定材料的阻燃性能，所以也是測試材料阻燃性的極好選擇。

錐形量熱儀是基于“耗氧原理”的新一代燃燒試驗儀器，其最大的特點是以強制外加熱輻射模式來研究物質的燃燒行為，并以時間為維度，即時地記錄物質在燃燒過程中釋放熱、重量、氣氛等多方面的變化，可以在一定程度上較全面的定量描述物質的燃燒過程，并以此考察物質在特定外場環境下的燃燒性能，進而剖析其内在的燃燒特性。就試驗規模而言，錐形量熱法仍歸屬于小型實驗的範疇，但因為錐形量熱儀獨特的強制燃燒設計，可以有效模拟現實火災的燃燒情景，其測試結果可與傳統大型燃燒試驗的結論形成比對。

錐形量熱儀和微型量熱儀在各行業研究中的應用主要可以概括為3方面，并以此為基礎應用于各個行業：

01 評價材料的燃燒性能

綜合HRR，PHRR和TTI，我們可以定量地判斷出材料的燃燒危害性。HRR，PHRR愈大，TTI愈小，材料潛在的火災危害性就愈大；反之,材料的危害性就小。

02 評價阻燃機理

由EHC，HRR和SEA等性能參數可讨論材料在裂解過程中的氣相阻燃、凝聚相阻燃情況若HRR下降，表明阻燃性提高，這也可由EHC降低和SEA增加得到；若氣相燃燒不完全，說明阻燃劑在氣相中起作用，屬于氣相阻燃機理。若EHC無大的變化，而平均HRR下降，說明MLR亦下降，這屬于凝聚相阻燃。

03 進行火災模型化研究

發明CONE的初衷就是為了進行火災模型設計，通過CONE可測定出火災中最能表征危害性的性能參數HRR，從而進行火災模型設計。值得注意的是，在測試過程中,火災模型設計需要的其他性能，如毒性、煙等也和HRR一并測出。

建築材料防火性能至關重要，與建築材料阻燃性能相關的标準和試驗方法是目前涉及範圍較廣、發展較為完備的領域。與ISO 5660-1：2002等同的GB/T 16172-2007被大量标準引用以材料的阻燃性能，如GB/Z 5169.32-2013《電工電子産品着火危險試驗 第32部分:熱釋放 絕緣液體的熱釋放》、GB 8624-2012《建築材料及制品燃燒性能分級》等。

相關标準（部分）

• GB/T 16172建築材料熱釋放速率試驗方法
• ASTM E1740用錐形熱量計測定牆面覆層材料的釋熱率及其它着火試驗響應特性的标準試驗方法
• CAN ULC 135使用氧耗熱量計評定建築材料燃燒分級測試方法
• BS 476 Part 15建築材料及構件防火測試，第15部分：産品放熱性測試-錐形量熱儀

電線電纜的阻燃問題一直是業内廣為關注的焦點。為模拟線纜的實際燃燒過程，電線電纜的燃燒試驗普遍具有試驗種類多、規模大、成本高的特點，且通常要結合多項試驗結果才能對其阻燃的有效性進行綜合判定，而電纜料多采用極限氧指數來定量評估其阻燃性能。電線電纜的燃燒過程遠較氧指數實驗複雜，二者的結果并不具有對應性。

錐形量熱儀可以同時滿足線纜成品與電纜料的測試需求，為二者試驗結論間的類比提供了基礎。如歐洲标準EN 50399“着着火條件下電纜的通用試驗，火焰蔓延試驗中測量熱釋放量和冒煙量－測試儀器、程序和結果。”中即聯用錐形量熱儀的氧分析系統與煙霧分析系統來研究成束電纜燃燒過程中熱釋放與煙霧釋放速率。

此外，在《基于CONE和MCC的典型電纜燃燒性能研究》中，采用錐形量熱儀和微燃燒量熱儀對4類不同護套材料電纜的8種電纜樣品進行燃燒性能分析研究。

相關标準（部分）

• ANSI/ASTM D6113用錐形熱量計測定電氣或光纜中含有的絕緣材料着火試驗響應特性的試驗方法
• EN 50399着火條件下電纜的通用試驗，火焰蔓延試驗中測量熱釋放量和冒煙量－測試儀器、程序和結果

軌道客車使用複合材料已經有着幾十年的曆史，在車輛輕量化方面起到了重要的作用。随着列車防火需求的提升，内飾材料的安全性也逐步得到提高，地鐵和高鐵要求嚴格的材料防火性能，同時也是錐形量熱儀的重要應用領域之一。

相關标準（部分）

• EN 45545-2 鐵路應用—鐵路車輛的防火保護—第2部分:材料和元件的防火要求

在國際海域航行的船舶都要遵循SOLAS（海上生命安全公約）的規定，船舶包括輪船、艦艇等等。由于船舶發生火災時不易逃生，其材料的防火性能特别受到關注。

相關标準（部分）

• IMO MSC 40(64) / ISO 9705 and ISO 5660: 高速船舶防火材料

美國聯邦航空管理局（FAA）監管在美國運營的飛機，但其指導方針在被全球采用。在美國聯邦航空局飛機材料防火測試手冊中詳細介紹了客機所用材料的防火測試。FTT微型量熱儀就是與FAA共同研發，且微型量熱儀的測試數據與FAA測試标準中ASTM E906 OSU 熱釋放速率測定儀的數據相關聯，且試驗成本較低。

塑料是火災中常見的着火材料，錐形量熱儀被普遍用于對幾種常用塑料的燃燒裂解行為進行了研究，分析比較典型塑料材料在不同輻射功率下燃燒裂解的變化規律，以及不同阻燃體系對塑料燃燒裂解行為的影響。探讨了火災條件下塑料燃燒裂解的原因，以及某些阻燃體系的阻燃作用。

此外，錐形量熱儀還可用于評價包裝材料、農作物、小商品等火災危險性。近幾年來，還有學者把錐形量熱儀用于熱塑性高分子材料的燃燒過程模拟與分析和研究金屬、鋼結構等材料的燃燒性能，是推進阻燃材料研發的重要試驗設備。

相關研究文獻

• 鄭澤勳, 李金梅, 李強,等. 輻射熱作用下金屬鈉燃燒現象試驗研究[J]. 消防科學與技術, 2020(2):154-157.
• 鄧軍, 闫钰, 康付如,等. 含改性矽微粉矽橡膠阻燃抑煙研究[J]. 高分子通報, 2020(01):61-71.
• 李勝, 張廣鑫, 王文博,等. 基于錐形量熱儀法對環氧樹脂燃燒性能的研究[J]. 化學與粘合, 2019(6).
• 簡麗霞. 采用錐形量熱儀(CONE)研究和評價鋼結構防火塗料[J]. 磚瓦世界, 2019(12).
• 郭軍紅, 劉國天, 何婷香,等. ZnO/MoO3/Al(OH)3阻燃聚丙烯材料的制備及性能[J]. 精細化工, 2019, 036(006):1235-1240.

室内裝修及家具材料的使用非常普遍，這些材料的燃燒特性對建築火災的發生、發展、蔓延及危害後果有重要影響。不少研究者采用錐形量熱儀，通過測試各種裝修及家具材料(如壁紙、PVC複合闆、膠合闆、室内裝飾、裝修材料等)的燃燒特性和不同輻射條件下的各種參數，比較材料的火災安全性能，對材料的安全使用和建築火災預防與控制具有重要意義。

相關标準（部分）

• ASTM F1550用實驗室耗氧熱量計測定遭破壞後修複設施中床墊或家具用部件或合成材料燃燒試驗響應特性的标準試驗方法
• ASTM E1474-2010用小型耗氧量熱計測定裝飾家具和床墊部件或組件的放熱率的标準試驗方法

相關研究文獻

• 楊甯，宋魁．幾種鋪地材料燃燒性能的錐形量熱計研究[J]．消防科學與技術，2005，24(3)：1-3．
• 蔡晶菁, 楊濤, 歐明輝. 室内裝飾裝修材料對火反應特性試驗[J]. 消防科學與技術, 2017, 036(008):1046-1048.
• 劉傑. 基于錐形量熱儀的家具常用木材有無助燃劑添加的燃燒特性的研究[D]. 2016.
• 邸芃, 史慧芳. 建築室内裝修材料燃燒特性[J]. 消防科學與技術, 2013(02):121-123.
• 鄧小波, 姚紅豔, 楊森, et al. 錐形量熱儀在飾面型防火塗料防火性能研究中的應用[C]// 中國阻燃學術年會會議. VIP, 2012:24-27.
• 馬哲，舒中俊．兩種常見壁紙燃燒性能的實驗研究[J]．化學建材，2004，(6)：27-31．
• 舒中俊，何嘉松．一種PVC複合闆燃燒性能的錐形量熱計實驗研究[J]．化學建材，2003，(6)：23-25．
• 楊昀，張和平，張軍，等．用錐形量熱儀研究膠合闆的燃燒特性[J]．燃燒科學與技術，2006，12(2)：159-163．
• 劉松林．室内裝飾材料的燃燒性能研究[D]．重慶：重慶大學，2005．
• 康茹，尤傑，乙華．室内裝修材料的錐形量熱儀的對比研究[J]．消防技術與産品信息，2006，(5)：17-19．

木材是建築、家具的主要原材料，同時被用于構建防火帶、人工林等重要設施，其燃燒性能的研究與阻燃性能的改善一直是關注較多的領域。錐形量熱儀作為研究材料燃燒性能的優質方法，被大量應用于木材阻燃性能的研究。如基于錐形量熱儀以南方7種樹葉為例評價比較一維和三維燃燒性；進行蘇北防火林帶8種主要樹種抗火能力的分析；測試ASD阻燃劑對落葉松材阻燃性能的影響；進行竹材發泡闆熱解和燃燒特性測試等。

相關标準（部分）

• GB/T 34749-2017 木材及木質複合材料耐火試驗方法 錐形量熱儀

相關研究文獻

• 張文福, 方晶, 劉樂群,等. 竹材發泡闆熱解和燃燒特性[J]. 東北林業大學學報, 2016, 44(012):47-50.
• 金森, 楊豔波. 基于錐形量熱儀的一維和三維燃燒性評價比較:以南方7種樹葉為例[J]. 林業科學, 2016.
• 江津凡, 萬福緒, 孫祥. 蘇北防火林帶8種主要樹種抗火能力的分析[J]. 南京林業大學學報(自然科學版), 2012(02):151-154.
• 宋雨澎, 郭明輝, 龔新超. ASD阻燃劑對落葉松材阻燃性能的影響[J]. 林業工程學報, 2017, 002(004):51-56.

錐形量熱儀及微型量熱儀作為火災科學研究領域重要的儀器設備之一，被越來越多的應用于各領域的研究試驗中。歐美大地與英國FTT合作，基于FTT在熱量計設計和制造方面數十年的專業知識與探索，其代表産品iCone2 量熱儀（ISO 5660；ASTM E1354）必将成為火災測試領域中用戶信賴的測試設備。iCone2 采用新的控制和自動化技術，直觀的界面，複雜而靈活的控制選項以及内置的數據采集技術，使用簡便，準确，可靠且易于維護，是先進的自動錐形量熱儀。

更多阻燃試驗相關知識，關注公衆号“材料試驗”和“歐美大地儀器”。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!