燃燒熱值測定不確定度評定報告

摘要：隨著鋁塑板在建材行業(yè)中的廣泛使用，行業(yè)內(nèi)對其在實(shí)際應(yīng)用中的防火性能越來越重視，除了鋁板與芯材這兩種主要組分外，用于粘接的高分子熱熔膜（高分子膜）也是判定防火性能的重要指標(biāo)。因此，本文利用氧彈量熱儀對高分子膜的熱值進(jìn)行了測定，并通過建立數(shù)學(xué)模型和分析對燃燒熱值的不確定度進(jìn)行了評定,得出被測高分子膜的熱值為45.194 MJ/kg，當(dāng)擴(kuò)展因子k=2時，其擴(kuò)展不確定度為0.084 MJ/kg。

關(guān)鍵詞：高分子熱熔膜；氧彈量熱儀；燃燒熱值；不確定度

1  概述

作為一種用途廣泛的新型建材，目前，鋁塑板被廣泛運(yùn)用于各種場所的外墻、帷幕墻板、室內(nèi)墻壁、天花板等，隨著對其應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展及深化，以及相關(guān)政策和法規(guī)的提出，國家對建筑材料安全性的要求不斷加強(qiáng)，尤其體現(xiàn)在防火性能上；根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，用于高層建筑的幕墻鋁塑板和內(nèi)墻裝飾用鋁塑板，其燃燒性能等級甚至需要達(dá)到A級^[1]。

根據(jù)GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的要求，燃燒熱值是評定是否達(dá)到A級材料的重要條件^[2]；因此，本文中對鋁塑板中高分子熱熔膜進(jìn)行了燃燒熱值測定，其數(shù)值是利用在絕熱容器中的燃燒溫升計算得出，為保證燃燒熱值測定的嚴(yán)謹(jǐn)性，對其進(jìn)行了不確定度評定。

1)  評定依據(jù)：依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》

2)  測量方法：GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》
                  GB/T 14402-2007《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》

3)  環(huán)境條件：溫度(23±2)℃，相對濕度(50±5)％，安放地點(diǎn)無熱輻射熱源，無空氣對流

4)  試驗(yàn)儀器：熱值儀（全能氧彈量熱儀）

5） 被測對象：鋁塑復(fù)合板用高分子膜

6） 測量過程：樣品制備，為得到可信度高的熱值數(shù)據(jù)，選取有代表性的樣品，任意截取每塊不小于50g的5個樣塊，為保證均勻性，在測試前需要將高分子膜裁剪到足夠細(xì)碎。

在進(jìn)行檢測前，需要利用具有標(biāo)準(zhǔn)熱值的苯甲酸對儀器熱容進(jìn)行標(biāo)定，以5次標(biāo)定結(jié)果的平均值作為儀器熱容，參與樣品熱值的測定。

對于高熱值的高分子材料，無需再加入助燃物就可充分燃燒。具體實(shí)驗(yàn)流程如下，在坩堝中稱量約0.5g高分子膜，利用標(biāo)準(zhǔn)熱值的棉線連接點(diǎn)火裝置與試樣，之后將試樣裝入氧彈中，在氧氣中充分燃燒，記錄溫度變化，計算出被測樣品的熱值，并以5次實(shí)驗(yàn)的算數(shù)平均值作為檢測結(jié)果。

2  建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)氧彈熱量計檢定規(guī)程和檢測方法，建立高分子膜熱值測定的數(shù)學(xué)模型，具體如下：

                                                     (1)

式中：

Q     高分子膜的燃燒熱值，J/g；

E     熱量計的熱容量，J/K；

ΔT    量熱體系溫升，K；

q₁    點(diǎn)火能量，J；

q₂    棉線熱值，J/根；

m    高分子膜的質(zhì)量，g；

根據(jù)公式（1）導(dǎo)出方差公式及各個輸入量的偏導(dǎo)數(shù)(靈敏系數(shù))如下：

     (2)                                      

各輸入量的偏導(dǎo)數(shù)為： ； ； ； ；   

3  不確定度分量的主要來源及其分析

依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》對測量過程中影響熱值數(shù)據(jù)的因素進(jìn)行分析，測量不確定度主要包括：

3.1 A類不確定度

測量重復(fù)性引起的不確定度分量。

3.2 B類不確定度

B類不確定度主要包括，量熱系統(tǒng)熱容量引入的不確定度、溫升測量偏差引入的不確定度、樣品稱量引入的不確定度、棉線熱值和點(diǎn)火能量引入的不確定度以及環(huán)境因素、測試人員引入的不確定度。 

4  標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

通過對量熱系統(tǒng)不確定度分析，依次對各個不確定度分量進(jìn)行計算，由于測量開始前需要先對量熱系統(tǒng)熱容量進(jìn)行標(biāo)定，因此先對系統(tǒng)熱容量進(jìn)行不確定度評定。

4.1系統(tǒng)熱容量不確定度的評定

使用具有標(biāo)準(zhǔn)熱值的苯甲酸對量熱系統(tǒng)的熱容量進(jìn)行標(biāo)定：

                                     (3)

式中： E   量熱系統(tǒng)的熱容量J/K；ΔT_s    量熱體系溫升K；m_s  標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸的熱值J/g；q_s    標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸的質(zhì)量，g；q₁    點(diǎn)火能量，J；q₂  棉線熱值，J/根。

由標(biāo)定熱容量過程可知，量熱體系熱容量的不確定度包括：A類不確定度主要為標(biāo)定時對熱容量的測量重復(fù)性；B類不確定度有苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)熱值的不確定度，苯甲酸稱量過程的不確定度，標(biāo)定時溫差測量的不確定度，點(diǎn)火能量不確定度，棉線熱值不確定度以及內(nèi)筒中裝水量測量不確定度。

（1）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸熱值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中給出了苯甲酸的熱值為26458 J/g，對應(yīng)熱值的相對擴(kuò)展不確定度為0.1%（包含因子k=2），由此計算出苯甲酸熱值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）苯甲酸稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

校準(zhǔn)證書標(biāo)示了分析天平的最大允許誤差為±0.1mg，按均勻分布，包含因子 ，苯甲酸稱量的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

（3）棉線熱值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

利用標(biāo)準(zhǔn)熱值的棉線引燃苯甲酸樣品，本實(shí)驗(yàn)所用的棉線已事先經(jīng)過裁剪其熱值為50J/根，每次使用一根；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)每根棉線的誤差不超過2J，按照均勻分布取 由此計算出每根棉線的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

（4）點(diǎn)火能量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火能量的誤差為±1J，按均勻分布，取 ，得出點(diǎn)火能量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

（5）量熱系統(tǒng)溫差測量的不確定度

量熱儀中溫差測量的分辨率為0.0001K，按照均勻分布，取 ，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

根據(jù)標(biāo)定過程中的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)出方差公式，各輸入量之間不相關(guān)，得出的方差公式為：

                                                 (4)

將上述數(shù)據(jù)代入公式（4）中，得

u₁(E)=4.06J/K

（6）氧彈內(nèi)筒中裝水量測量引入的不確定度

實(shí)驗(yàn)流程要求，內(nèi)筒中需要裝入10ml去離子水，所用量筒的精確度為0.2ml，25℃環(huán)境中水的密度為ρ=0.997g/cm³，比熱為C=4.2J/(g·K)，由此得出內(nèi)筒水稱量的不確定度為：                    u₂(E)=0.2×0.997×4.2=0.84J/K

（7）熱容量重復(fù)性測量引起的不確定度

將五次標(biāo)定出的熱容量數(shù)值代入貝塞爾公式：

由于u₁(E)、u₂(E)、u₃(E)三個熱容量不確定度分量互不相關(guān)，合成熱容量標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.2高分子膜稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

校準(zhǔn)證書中標(biāo)示了分析天平的最大允許誤差為±0.1mg，按均勻分布，包含因子 ，得出高分子膜稱量的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

4.3各輸入量引入的高分子膜熱值不確定度計算

根據(jù)GB/T 14402-2007中對測量次數(shù)的規(guī)定，另外為保證不確定度評定的準(zhǔn)確性，對樣品進(jìn)行了5次重復(fù)性熱值測量，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2中的數(shù)據(jù)和前述對各輸入量不確定度的計算，將具體數(shù)值代入公式（2），求得各輸入量引入的不確定度：    u₁(Q)=29.32J/K

4.4 高分子膜熱值重復(fù)性測量引起的不確定度

將5次測得的高分子膜熱值導(dǎo)入貝塞爾公式，得出不確定度分量：

4.5實(shí)驗(yàn)環(huán)境引起的不確定度

本次實(shí)驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)的控溫控濕實(shí)驗(yàn)室中完成的，量熱系統(tǒng)周圍沒有其他的熱輻射儀器，在測試時除必要的實(shí)驗(yàn)流程外，屋內(nèi)無多余的人員進(jìn)出擾動，因此可以避免實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對檢測結(jié)果的影響，其引入的不確定度可以忽略不計。

4.6檢測人員引入的不確定度

在實(shí)驗(yàn)中檢測人員均經(jīng)過專門的上崗培訓(xùn)，熟悉相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)流程，對相關(guān)產(chǎn)品具有一定的測試經(jīng)驗(yàn)；操作時嚴(yán)格按照操作規(guī)程，使用符合要求的稱量儀器，因此檢測人員引入的不確定度很小，可忽略不計。

5  合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

表3中標(biāo)示的不確定度分量互不相關(guān)，因此得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

6  擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與所選用的包含因子乘積，包含因子取k＝2時

U＝k·u(Q)=2×0.042MJ/kg=0.084MJ/kg

k=2時區(qū)間(σ－U，σ＋U)的包含概率為95.45％。

被測高分子膜的檢測結(jié)果報告為：

Q=45.194MJ/kg，U=0.084MJ/kg；k=2

7 結(jié)果和討論

•  
• 45.194 MJ/kg，當(dāng)擴(kuò)展因子k=2時，其擴(kuò)展不確定度為0.084MJ/kg，數(shù)值與傳統(tǒng)烯烴類高分子燃燒熱值相吻合，得出的擴(kuò)展不確定度數(shù)值較低，證明了在當(dāng)前條件下測定高分子膜熱值具有較高的準(zhǔn)確性。