燃烧热值测定不确定度评定报告

摘要：随着铝塑板在建材行业中的广泛使用，行业内对其在实际应用中的防火性能越来越重视，除了铝板与芯材这两种主要组分外，用于粘接的高分子热熔膜（高分子膜）也是判定防火性能的重要指标。因此，本文利用氧弹量热仪对高分子膜的热值进行了测定，并通过建立数学模型和分析对燃烧热值的不确定度进行了评定,得出被测高分子膜的热值为45.194 MJ/kg，当扩展因子k=2时，其扩展不确定度为0.084 MJ/kg。

关键词：高分子热熔膜；氧弹量热仪；燃烧热值；不确定度

1  概述

作为一种用途广泛的新型建材，目前，铝塑板被广泛运用于各种场所的外墙、帷幕墙板、室内墙壁、天花板等，随着对其应用场景的不断扩展及深化，以及相关政策和法规的提出，国家对建筑材料安全性的要求不断加强，尤其体现在防火性能上；根据相关标准的要求，用于高层建筑的幕墙铝塑板和内墙装饰用铝塑板，其燃烧性能等级甚至需要达到A级^[1]。

根据GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》中的要求，燃烧热值是评定是否达到A级材料的重要条件^[2]；因此，本文中对铝塑板中高分子热熔膜进行了燃烧热值测定，其数值是利用在绝热容器中的燃烧温升计算得出，为保证燃烧热值测定的严谨性，对其进行了不确定度评定。

1)  评定依据：依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》

2)  测量方法：GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》
                  GB/T 14402-2007《建筑材料及制品的燃烧性能燃烧热值的测定》

3)  环境条件：温度(23±2)℃，相对湿度(50±5)％，安放地点无热辐射热源，无空气对流

4)  试验仪器：热值仪（全能氧弹量热仪）

5） 被测对象：铝塑复合板用高分子膜

6） 测量过程：样品制备，为得到可信度高的热值数据，选取有代表性的样品，任意截取每块不小于50g的5个样块，为保证均匀性，在测试前需要将高分子膜裁剪到足够细碎。

在进行检测前，需要利用具有标准热值的苯甲酸对仪器热容进行标定，以5次标定结果的平均值作为仪器热容，参与样品热值的测定。

对于高热值的高分子材料，无需再加入助燃物就可充分燃烧。具体实验流程如下，在坩埚中称量约0.5g高分子膜，利用标准热值的棉线连接点火装置与试样，之后将试样装入氧弹中，在氧气中充分燃烧，记录温度变化，计算出被测样品的热值，并以5次实验的算数平均值作为检测结果。

2  建立数学模型

根据氧弹热量计检定规程和检测方法，建立高分子膜热值测定的数学模型，具体如下：

                                                     (1)

式中：

Q     高分子膜的燃烧热值，J/g；

E     热量计的热容量，J/K；

ΔT    量热体系温升，K；

q₁    点火能量，J；

q₂    棉线热值，J/根；

m    高分子膜的质量，g；

根据公式（1）导出方差公式及各个输入量的偏导数(灵敏系数)如下：

     (2)                                      

各输入量的偏导数为： ； ； ； ；   

3  不确定度分量的主要来源及其分析

依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》对测量过程中影响热值数据的因素进行分析，测量不确定度主要包括：

3.1 A类不确定度

测量重复性引起的不确定度分量。

3.2 B类不确定度

B类不确定度主要包括，量热系统热容量引入的不确定度、温升测量偏差引入的不确定度、样品称量引入的不确定度、棉线热值和点火能量引入的不确定度以及环境因素、测试人员引入的不确定度。 

4  标准不确定度的评定

通过对量热系统不确定度分析，依次对各个不确定度分量进行计算，由于测量开始前需要先对量热系统热容量进行标定，因此先对系统热容量进行不确定度评定。

4.1系统热容量不确定度的评定

使用具有标准热值的苯甲酸对量热系统的热容量进行标定：

                                     (3)

式中： E   量热系统的热容量J/K；ΔT_s    量热体系温升K；m_s  标准物质苯甲酸的热值J/g；q_s    标准物质苯甲酸的质量，g；q₁    点火能量，J；q₂  棉线热值，J/根。

由标定热容量过程可知，量热体系热容量的不确定度包括：A类不确定度主要为标定时对热容量的测量重复性；B类不确定度有苯甲酸标准热值的不确定度，苯甲酸称量过程的不确定度，标定时温差测量的不确定度，点火能量不确定度，棉线热值不确定度以及内筒中装水量测量不确定度。

（1）标准物质苯甲酸热值引入的标准不确定度

苯甲酸标准物质证书中给出了苯甲酸的热值为26458 J/g，对应热值的相对扩展不确定度为0.1%（包含因子k=2），由此计算出苯甲酸热值的标准不确定度为：

（2）苯甲酸称量引入的标准不确定度

校准证书标示了分析天平的最大允许误差为±0.1mg，按均匀分布，包含因子 ，苯甲酸称量的标准不确定为：

（3）棉线热值引入的标准不确定度

利用标准热值的棉线引燃苯甲酸样品，本实验所用的棉线已事先经过裁剪其热值为50J/根，每次使用一根；根据经验每根棉线的误差不超过2J，按照均匀分布取 由此计算出每根棉线的标准不确定为：

（4）点火能量引入的标准不确定度

实验中点火能量的误差为±1J，按均匀分布，取 ，得出点火能量的标准不确定度：

（5）量热系统温差测量的不确定度

量热仪中温差测量的分辨率为0.0001K，按照均匀分布，取 ，其标准不确定度为：

根据标定过程中的数学模型导出方差公式，各输入量之间不相关，得出的方差公式为：

                                                 (4)

将上述数据代入公式（4）中，得

u₁(E)=4.06J/K

（6）氧弹内筒中装水量测量引入的不确定度

实验流程要求，内筒中需要装入10ml去离子水，所用量筒的精确度为0.2ml，25℃环境中水的密度为ρ=0.997g/cm³，比热为C=4.2J/(g·K)，由此得出内筒水称量的不确定度为：                    u₂(E)=0.2×0.997×4.2=0.84J/K

（7）热容量重复性测量引起的不确定度

将五次标定出的热容量数值代入贝塞尔公式：

由于u₁(E)、u₂(E)、u₃(E)三个热容量不确定度分量互不相关，合成热容量标准不确定度：

4.2高分子膜称量引入的标准不确定度

校准证书中标示了分析天平的最大允许误差为±0.1mg，按均匀分布，包含因子 ，得出高分子膜称量的标准不确定为：

4.3各输入量引入的高分子膜热值不确定度计算

根据GB/T 14402-2007中对测量次数的规定，另外为保证不确定度评定的准确性，对样品进行了5次重复性热值测量，具体数据如表2所示。

由表2中的数据和前述对各输入量不确定度的计算，将具体数值代入公式（2），求得各输入量引入的不确定度：    u₁(Q)=29.32J/K

4.4 高分子膜热值重复性测量引起的不确定度

将5次测得的高分子膜热值导入贝塞尔公式，得出不确定度分量：

4.5实验环境引起的不确定度

本次实验是在标准的控温控湿实验室中完成的，量热系统周围没有其他的热辐射仪器，在测试时除必要的实验流程外，屋内无多余的人员进出扰动，因此可以避免实验室环境对检测结果的影响，其引入的不确定度可以忽略不计。

4.6检测人员引入的不确定度

在实验中检测人员均经过专门的上岗培训，熟悉相关的检测标准和试验流程，对相关产品具有一定的测试经验；操作时严格按照操作规程，使用符合要求的称量仪器，因此检测人员引入的不确定度很小，可忽略不计。

5  合成标准不确定度

表3中标示的不确定度分量互不相关，因此得出合成标准不确定度为：

6  扩展不确定度

扩展不确定度为合成标准不确定度与所选用的包含因子乘积，包含因子取k＝2时

U＝k·u(Q)=2×0.042MJ/kg=0.084MJ/kg

k=2时区间(σ－U，σ＋U)的包含概率为95.45％。

被测高分子膜的检测结果报告为：

Q=45.194MJ/kg，U=0.084MJ/kg；k=2

7 结果和讨论

•  
• 45.194 MJ/kg，当扩展因子k=2时，其扩展不确定度为0.084MJ/kg，数值与传统烯烃类高分子燃烧热值相吻合，得出的扩展不确定度数值较低，证明了在当前条件下测定高分子膜热值具有较高的准确性。