UL94-2013燃烧试验方法和经验分享 Discussion on UL94-2013 flame test
UL94-2012燃烧试验方法和经验分享 Discussion on UL94-2013 flame test
UL94-2013燃烧主要包括对材料，如塑料，PCB板等对进行防火试验，因为每种材料的特征不同，起火的化学反应也不同；同时在燃烧中，对试验设备、方法和标准理解方面都需要一定的认识和经验，才能使燃烧结果更准确。个人认为主要是标准结合产品特点而提出的：传统家电产品采用元器件相对较少，对电热器具，主要是发热元件配与内部布线和较少的控制零部件，对电动器具，则主要是电动机配与内部布线和较少的控制零部件。电子信息产品大量采用电子线路，使用密集的电子元器件，构造上主要是由焊接了大量电子元器件的印制线路板和外壳组成。因而电子信息产品特别强调使用的电子元器件、PCB、隔板和外壳的耐燃等级，另外对起弧零部件、空气过滤装置、高压元器件的材料也给予了足够的关注。
摘要：本文就燃烧过程、燃烧试验设备与要求、燃烧试验的比较等进行了分析探讨和归纳总结，最后提出了燃烧试验标准存在问题和建议。
Abstract：the paper describe the fire process, the requirements for test flames apparatus, the comparison of the fire test methods and some problem with the fire test standards.
关键词：燃烧，试验，过程，设备，方法，比较，标准
Keywords：flame, fire, test, process, apparatus, methods, comparison, standards
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1 燃烧过程
电子电器产品大量使用塑料材料，了解塑料材料燃烧过程将加深我们对燃烧试验原理和结果的理解，加深对材料可燃性级别（对材料点燃后的燃烧特性和熄灭能力的鉴别）的理解。
着火燃烧是气相的化学反应，固体和液体本身并不着火，火焰总是在塑料之上，这表明是气体在着火，当固体或液体加热到一定温度时，固体或液体释放出气体。正如我们日常生活中看到的蜡烛的燃烧，火焰的热会先将固态的蜡熔解成液态，而液态的蜡会藉由毛细现象沿著烛芯上升，再经火焰加热变成气态，我们所看到的烛火，其实就是燃烧的气态蜡。固体塑料材料加热后随着温度升高而发生化学裂变，裂变产生可燃气体、不可燃气体、液体和含碳剩余物。热量继续施加到释放出来的气体上，使裂变气体温度升高到引燃温度时，可燃气体与空气中的氧混合产生燃烧。要维持火焰燃烧，可燃性气体和施加到固体或液体上的热能需要持续，这可以由外部施加也可以由已引燃火焰反馈提供，当外部施加热源停止或撤离后，火焰燃烧的持续性取决于剩余火焰反馈的热能，当反馈热能足够产生裂变时，火焰将持续，反之，火焰将熄灭。
对于HB级材料，其大部分裂变气体都是可燃的，其火焰热能通常足以提供持续裂变需要的热能，引燃后撤离外部热能时，燃烧将得以持续相对较长的时间。对于5V,V-0,V-1,V-2级材料，其大部分裂变气体都是不可燃的，其少部分可燃气体提供的热能不足以提供持续裂变需要的热能，撤离外部热能后，火焰将减小并熄灭。
2 燃烧试验设备
本文主要介绍燃烧器和燃烧试验箱的相关要求。
2.1 燃烧器
2.1.1本生灯
本生灯是以德国化学家Robert Bunsen名字命名的一种燃烧器，燃烧器由燃气入口和位于燃烧器筒身底部的可调节进气量的空气入口（或称气孔）组成， 燃气和空气在灯管中混合后再点燃。采用本生灯的好处是其燃烧火焰温度高，产生的烟尘少，火焰光亮度低，热效高。
图1 本生灯火焰 a b c d
本生灯空气进量影响燃烧反应的彻底程度，较少的空气会导致燃烧不充分，火焰呈现为黄色。更多的空气与可燃气混合会导致燃烧更充分，火焰呈现为蓝色。图1为不同空气进量情况下火焰的燃烧情况（包括火焰颜色变化），其中火焰a为气孔关闭时的火焰，此时可燃气只在燃烧端与空气相互扩散混合；b为气孔轻微打开时的火焰；c为气孔打开一半时的火焰；d为气孔几乎全部打开时的火焰。
2.1.2扩散型和预混合型火焰（Diffusion type and premixed type flame）
电工电子产品着火危险试验标准GB/T 5169.7-2001 提到两种试验方法：扩散型和预混合型火焰试验方法，但GB/T 5169系列标准包括GB/T 5169.1-2007《着火试验术语》标准中并未给出这两种火焰类型的定义。
燃烧反应通常由两种反应物组成：燃料和氧化剂，在化学反应能够进行之前，两种反应物须在分子水平上进行混合，其中至少一种反应物应是气态或液态，他们的分子才能分散到另一种反应物中，燃烧反应的差异与燃烧开始时反应物是混合好的还是分开的有关。
扩散型火焰是指在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散和整体对流运动使反应物分子相遇，接着进行燃烧反应，扩散火焰需要“扩散”这个输运机理来把反应物混合在一起，即空气与可燃气体的混合是在燃烧端进行，例如上述本生灯燃烧器进气孔完全关闭时，燃烧器产生火焰为扩散型火焰，蜡烛燃烧火焰、针焰试验火焰（参考标准见表1序号4）也都是扩散型火焰。
预混合型火焰是在发生化学反应之前，反应物已经均匀混合，即空气与可燃气体预先混合之后在燃烧端点燃，例如上述气孔打开时的本生灯燃烧器产生的火焰，家庭用煤气炉或天然气炉产生的火焰以及表1序号1-3所列标准规定的试验火焰都是预混合型火焰。
表1 燃烧器火焰类型
两种火焰的主要区别在于火焰的温度不同、火焰对于对流空气运动和通风造成火焰偏移的敏感程度不同。预混合型试验火焰有较好的稳定性，热效更高。扩散型火焰颜色体现为黄色，而预混合型火焰则是蓝色。
需要注意的是：预混合型火焰也存在扩散过程，从这个意义讲本生灯内焰可以认为是预混合型火焰，而外焰认为是扩散型火焰。
2.1.3 燃烧器的校准
早期，燃烧器火焰由以下特征表示：燃烧器示意图、气体基本特性、火焰可视特征、火焰总高度和蓝色焰心高度，为了提高技术标准中试验火焰的可重复性，新版标准使用由IEC工程图规定的燃烧器，采用规定的单一高纯度的可燃气体，采用规定的空气，采用新的校验方法和技术要求，详见表2所列标准，这些标准的主要规定归纳于表3和表4。
表2 燃烧器火焰、装置和确认试验方法标准
表3 燃烧器火焰采用气体、空气和火焰高度
试验方法
|
气体流量
（mL/min）
|
空气流量
（L/min）
|
总高度
(mm)
|
蓝色焰心高度（mm）
|
火焰试验
|
1000W
|
丙烷，650
|
10
|
170-190
|
50-60
|
500W(A)
|
甲烷，965
|
/
|
115-135
|
38-42
|
500W(C)
|
甲烷，965
|
6.3
|
丙烷，380
|
5.9
|
50W
|
甲烷，105
|
/
|
18-22
|
/
|
针焰试验
|
丁烷或丙烷（纯度≥95%）
|
不允许空气进入燃烧管
|
12±1
|
/
|
除注明外，以上气体纯度均应≥98%
|
表4 火焰确认试验相关参数与试验箱体积
试验方法
|
铜块规格:
直径，重量
|
铜块由（100±5）℃升至（700±3）℃的时间
|
确认装置中的X, Y
(mm)，见图2
|
试验箱容积
|
火焰
试验
|
1000W
|
Φ9mm
（10±0.05）g
|
(45±5)s
|
95,
≥75
|
1.0m3
|
500W
|
Φ9mm
（10±0.05）g
|
(54±2)s
|
55±1,
≥75
|
0.75m3
|
50W
|
Φ5.5mm
（1.76±0.01）g
|
(44±2)s
|
10±1,
≥75
|
0.5m3
|
针焰试验
|
Φ4.0mm
（0.58±0.01）g
|
(23.5±1.0)s
|
6.0±0.5,
≥40
|
0.5m3
|
灼热丝试验
|
银箔
|
熔化温度：
(960±15)℃
|
/
|
0.5m3
|
图2 火焰确认试验装置（引自GB/T 5169.7-2001图3）
2.2 对燃烧试验箱的要求
实验室通风柜、试验箱的容积应足够大，见表4最后1列，保证有足够空气以支撑材料完全燃烧化学反应。试验箱应允许观察试验的进程并且应是无气流环境，同时允许试验样品周围空气的正常热循环。试验箱的内表面应是深色的，将一个照度计面向试验箱后部放在试验火焰的位置时，显示的照度应小于20lx，光照对比度可保证清晰观察试样燃烧情况。为了安全和方便起见，这个能完全封闭的试验箱应装有排气装置，如排气扇，以便排除可能有毒的燃烧产物，排气装置在试验期间应关闭，在试验后应立即打开排出燃烧产物。可能需要强制关闭的风门，可以在试验箱里放一面镜子，以便观察试验样品的另一面。
3. 燃烧试验比较
3.1 预选试验与成品试验
预选试验是先于成品试验对材料、零件、元件或组件进行的燃烧特性试验，预选试验有助于在设计阶段预选适用的材料、零件、元件或组件。材料的预选试验通常使用具有标准形状的试件，如矩形条状或矩形板状试件，并常采用标准模制工艺设备, 影响预选试验结果准确性的因素包括：
试样的厚度；试样的形状和位置；试样的位置和方向；
材料成分如着色剂、填充剂和阻燃剂的剂量、各向异性的方向和分子量等；材料、零件、元件和组件的组合及其相互影响；材料、零件、元件和组件的制造工艺的影响；
是否有防火罩子、防火隔板和防火涂层；
环境影响和污染效应，如：温度、老化、通风等效应；
起燃源的施加位置，起燃源的类型和功率，起燃源的施加时间；
散热装置；传热效果等。0
成品试验是对一台完整产品、零件、元件或组件进行的着火危险试验。
3.2 燃烧试验方法
电子电器产品中的燃烧试验方法主要有：灼热丝试验、针焰试验和火焰试验。
灼热丝试验是灼热的发热棒与试样物理接触以引燃试样来模拟评定由于灼热元件或过载电阻之类热源在短时间内所造成的热应力的着火危险性。在设备内部容易使火焰蔓延的绝缘材料或其他固体可燃材料的零件可能会由于灼热电线或灼热元件而起燃，在一定条件下，例如流过导线的故障电流、元件过载以及不良接触的情况下，某些元件会达到某一温度而使其附近的零件起燃。适用于电工设备及其组件和零部件、固体电绝缘材料或其他固体可燃材料。
针焰试验用于模拟设备内由于故障条件可能引起的小火焰的影响，从而评定着火危险性。
火焰试验模拟电工电子产品周围发生着火时早期阶段火焰的影响，以便通过模拟技术评定着火危险程度，表5给出了火焰试验方法的适用范围。
表5火焰试验方法的适用范围
序号
|
试验方法标准
|
适用范围
|
1
|
GB/T 5169.16-2008《电工电子产品着火危险试验 第16部分: 试验火焰 50W 水平与垂直火焰试验方法》
|
V-0,V-1,V-2,HB40,HB75级材料,固体材料及密度≥250kg/m3的泡沫塑料
|
2
|
GB/T 5169.17-2008《电工电子产品着火危险试验 第17部分: 试验火焰 500W 火焰试验方法》
|
5VA,5VB级材料,固体材料及密度≥250kg/m3的泡沫塑料
|
3
|
GB/T 8332-2008(ISO9772，IDT) 《泡沫塑料燃烧性能试验方法 水平燃烧法》
|
HF-1,HF-2,HBF级泡沫材料（密度＜250kg/m3的泡沫塑料 ）
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4
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ISO9773 Plastics -- Determination of burning behaviour of thin flexible vertical specimens in contact with a small-flame ignition source，暴露于小型火焰引燃源时易弯曲垂直薄试样燃烧特性的测定
|
VTM-0,VTM-1,VTM-3级遇火卷曲但不起燃的软薄材料
|
3.3 水平燃烧试验和垂直燃烧试验的选用
水平燃烧试验评定燃烧程度和/或火焰蔓延的速度（即燃烧速率），垂直燃烧试验评定移开试验火焰后的燃烧程度。
水平燃烧试验主要是对非耐燃固体材料的燃烧试验，垂直燃烧试验主要是对耐燃固体材料的燃烧试验。
3.4 产品安全标准阻燃要求的差异
不同产品的安全标准对阻燃的要求不尽相同，以GB 4706-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分 通用要求》和GB 4943-2001《信息技术设备的安全 通用要求》标准为例，GB 4706-2005第30.2条“耐热和耐燃”主要是对器具采用的非金属材料进行灼热丝试验（对适用的PCB基材采用针焰试验），而GB 4943-2001第4.7条“防火”对设备所用的零部件提出了不同的可燃性等级（如5V, V-0, V-1, V-2, HB, HBF, HF-1, HF-2等）的要求。
那么这两个标准对耐燃性为什么有不同要求？
个人认为主要是标准结合产品特点而提出的：传统家电产品采用元器件相对较少，对电热器具，主要是发热元件配与内部布线和较少的控制零部件，对电动器具，则主要是电动机配与内部布线和较少的控制零部件。电子信息产品大量采用电子线路，使用密集的电子元器件，构造上主要是由焊接了大量电子元器件的印制线路板和外壳组成。因而电子信息产品特别强调使用的电子元器件、PCB、隔板和外壳的耐燃等级，另外对起弧零部件、空气过滤装置、高压元器件的材料也给予了足够的关注。
曾被问到的另外一个问题是：电子信息产品安全标准中为什么认为15VA功率就着火危险而言是安全的？只要我们感知一下日常生活中用到的白炽灯泡的玻壳外表面温度就可以明白这个数值的来由了。
4. 燃烧试验标准存在问题
就目前接触到的一些燃烧试验标准存在问题举例如下：
a) GB/T 11020-2005（IEC 60707:1999，IDT）《固体非金属材料暴露在火焰源时的燃烧性试验方法清单》, IEC 60707:1999, Flammability of solid non-metallic materials when exposed to flame sources List of test methods 标准已经于2003年作废 ；建议在整机标准修订时应逐渐直接引用燃烧性试验方法标准，最终取消该标准。
b) GB/T 2408-2008（IEC 60695-11-10:1999，IDT）《塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法》与GB/T 5169.16-2008( IEC 60695-11-10：2003,IDT) 《电工电子产品着火危险试验 第16部分: 试验火焰 50W 水平与垂直火焰试验方法》两个标准有重复，对应的是不同版本的同一IEC标准，GB/T 5169.16对应的IEC标准版本更新，建议在整机标准修订时应逐渐引用GB/T 5169.16标准，最终取消GB/T 2408-2008标准。
c) 对应于ISO 9772:2001有国标GB/T 8332-2008《泡沫塑料燃烧性能试验方法 水平燃烧法》，但尚无对应于ISO 9773:2003（Plastics -- Determination of burning behavior of thin flexible vertical specimens in contact with a small-flame ignition source）的国标，建议尽快出台国标。
d) 产品标准引用废弃的着火危险试验基础标准，以音视频产品安全标准IEC 60065:2005为例，标准中1.2条、20.1条、附录G Flammability test methods引用到如下2个着火危险试验标准：
1) IEC 60707:1999, Flammability of solid non-metallic materials when exposed to flame sources List of test methods ，该标准已于2003年作废，如a)所述；
2) IEC 60695-2-2:1991, Fire hazard testing Part 2: Test methods Section 2: Needle-flame test已经于2004年被 IEC 60695-11-5:2004代替（GB/T 5169.5-2008《电工电子产品着火危险试验 第5部分：试验火焰 针焰试验方法 装置、确认试验方法和导则》对应于该IEC标准）。
信息技术产品安全标准 IEC 60950-1:2005第4.7.3.2条和附录P涉及到的IEC 60695-2-20 Fire hazard testing – Part 2-20: Glowing/hot wire based test methods – Hotwire coil ignitability - Apparatus, test method and guidance已经于2007年作废，参考标准改为IEC 60695-2-13: 2000 Fire hazard testing - Part 2-13: Glowing/hot-wire based test methods - Glow-wire ignitability test method for materials（对应国标GB/T 5169.13-2006电工电子产品着火危险试验 第13部分：灼热丝/热丝基本试验方法 材料的灼热丝起燃性试验方法）。
我国即将推出的新版GB 8898和GB 4943将分别对应于IEC 60065: 2005和IEC 60950-1: 2005，对于IEC标准中的错误，建议作出修正。
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