微納米含能材料靜電積累特性與危險(xiǎn)性分析

周文韜,何中其,陳網(wǎng)樺

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

粉狀含能材料如黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)等,電阻率一般可達(dá)到1010～1013Ω·m[1],屬于高絕緣材料。這些物料在混藥、造粒、輸送、倒藥、干燥等工藝過程中,與各種機(jī)器設(shè)備、管道、操作工具等摩擦,易積累大量的靜電電荷[2]。靜電一旦產(chǎn)生就會(huì)在粉體中停留很長時(shí)間,并形成很高的靜電電位,從而產(chǎn)生靜電電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到周圍介質(zhì)(一般為空氣)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)靜電放電現(xiàn)象,給生產(chǎn)過程帶來極大的危險(xiǎn)[3-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì),在雷管生產(chǎn)過程中發(fā)生的著火爆炸事故中約有15%是由于靜電放電引起的[4]。

檢測(cè)不同粉狀含能材料的靜電積累量并分析其變化規(guī)律,對(duì)于有效制定生產(chǎn)過程中的防靜電措施、預(yù)防靜電危害,提高火炸藥及制品的生產(chǎn)、輸運(yùn)、使用安全,具有十分重要的意義。劉鈞等[6]采用斜槽法對(duì)3種不同粒度(0.167，0.14，0.108 mm)的鈍化RDX進(jìn)行靜電積累量實(shí)驗(yàn),得出靜電積累量隨粒度減小而增大的結(jié)論。陸明等[7]采用斜槽法驗(yàn)證了靜電積累量與粉體質(zhì)量存在的線性關(guān)系,并分析了鋁粉對(duì)RDX的靜電抑制作用。周銘銳等[8]通過石英砂驗(yàn)證了環(huán)境溫濕度對(duì)粉體靜電積累量的影響,并發(fā)現(xiàn)糊精和聚乙烯醇可以作為良好的抗靜電劑使用。由于采用斜槽法對(duì)超細(xì)粉體進(jìn)行靜電積累量測(cè)試時(shí),材料本身的強(qiáng)附著性易造成下滑過程中出現(xiàn)團(tuán)聚和吸附現(xiàn)象,嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此,陸明等[7]在工業(yè)級(jí)RDX中加入20%～30%的超細(xì)RDX進(jìn)行斜槽法靜電積累實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示其靜電積累量較純工業(yè)級(jí)RDX有所減少,與靜電積累量隨著粒徑減小而增大的普遍規(guī)律不相符[6,9],不能準(zhǔn)確反映超細(xì)含能材料的靜電危險(xiǎn)性大小。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),超細(xì)含能材料較普通含能材料更容易出現(xiàn)靜電吸附、迸射等粉體帶電現(xiàn)象。因此,本研究設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)篩過篩替代斜槽法來模擬生產(chǎn)使用過程中粉體物料與設(shè)備之間的摩擦起電過程,通過降低粉體團(tuán)聚、吸附現(xiàn)象對(duì)靜電積累量測(cè)試的干擾來達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量超細(xì)含能材料靜電積累特性的目的。采用控制變量的研究方法[9],對(duì)影響粉體物料摩擦起電靜電積累量的幾個(gè)因素進(jìn)行研究,得到微納米狀態(tài)下RDX、HMX的靜電積累規(guī)律,從而為相關(guān)的生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括4個(gè)部分:樣品杯、標(biāo)準(zhǔn)篩、法拉第筒、數(shù)字電荷儀,組成如圖1 所示。

樣品杯用于稱取一定量的實(shí)驗(yàn)樣品,為100 mL玻璃燒杯。標(biāo)準(zhǔn)篩直徑100 mm,篩網(wǎng)材料為304號(hào)不銹鋼,孔徑大小為0.6 mm(30目)、0.355 mm(50目)、0.22 mm(70目)、0.16 mm(90目),上虞市道墟張興紗篩廠生產(chǎn)。法拉第筒是一種依靠靜電感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的專門用以檢測(cè)高絕緣材料靜電積累量的設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為開蓋狀態(tài)下的類法拉第筒,被測(cè)樣品高度小于內(nèi)筒容積高度30%。數(shù)字電荷儀的型號(hào)為EST111 型,北京勞保所科技發(fā)展公司生產(chǎn),測(cè)試范圍為±10 pC～±20 μC,準(zhǔn)確度為±(0.5%讀數(shù)+2數(shù)位),環(huán)境溫度要求在-10～45 ℃,濕度要求小于80%RH。

為了消除設(shè)備表面吸附水及落塵對(duì)摩擦起電過程產(chǎn)生的影響,實(shí)驗(yàn)前對(duì)樣品杯、標(biāo)準(zhǔn)篩、法拉第筒用清水進(jìn)行擦拭或沖洗,并用電熱吹風(fēng)機(jī)干燥,冷卻后實(shí)驗(yàn)。

圖1 過篩法靜電積累量測(cè)試裝置圖
Fig.1 Diagram of electrostatic accumulation test with sieving method

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品:RDX、HMX,平均粒度,工業(yè)級(jí)約為100 μm,納米級(jí)為80 nm,實(shí)驗(yàn)樣品均由南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心提供[10]。為消除粉體的水分含量對(duì)靜電積累量的影響,測(cè)試前采用水浴烘箱干燥樣品,保證其在60 ℃恒溫烘箱中3 h前后的質(zhì)量變化不大于0.1%。過篩前的干燥樣品放入干燥器內(nèi)冷卻后待用。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

粉體摩擦起電過程符合固體接觸分離起電原理[11-13]。該原理認(rèn)為,當(dāng)兩種不同性質(zhì)的材料之間接觸距離小于25×10-10m,原子核外電子就會(huì)由逸出功小的一邊向大的一邊轉(zhuǎn)移,最終在接觸面兩邊形成偶電層,偶電層兩邊的電位差稱為接觸電位差。當(dāng)兩種材料發(fā)生分離時(shí),轉(zhuǎn)移的電子經(jīng)過再分配,形成帶有一定電荷量、一正一負(fù)的兩個(gè)帶電體。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)固體接觸分離起電原理,利用標(biāo)準(zhǔn)篩過篩過程模擬粉體物料在生產(chǎn)、輸運(yùn)過程中與設(shè)備壁面之間的摩擦與接觸起電。過篩中,被測(cè)樣品粉體試樣經(jīng)篩孔下落,與篩網(wǎng)間發(fā)生有效接觸,產(chǎn)生靜電積累。粉體靜電積累量大小主要受到粉體和篩網(wǎng)間接觸電位大小(由粉體物料與篩網(wǎng)材料特性決定)、粉體與篩網(wǎng)間有效接觸(接觸距離小于25×10-10m)次數(shù)、粉體的電導(dǎo)能力(電阻率)性質(zhì)3方面因素的影響[12-13]:

(1)火炸藥的種類、篩網(wǎng)的材料決定了接觸電位的高低;

(2)篩孔的孔徑、火炸藥的物理性質(zhì)決定了發(fā)生有效接觸的幾率;

(3)火炸藥的電導(dǎo)能力決定了接觸表面分離時(shí),偶電層電荷的再分布規(guī)律和靜電得到積累的程度。

為此,本研究結(jié)合控制變量的研究方法,改變標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑、被測(cè)試樣種類、粉體粒徑大小等因素,研究它們對(duì)整體靜電積累量的影響。實(shí)驗(yàn)過程中,除研究樣品質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑對(duì)靜電積累量影響的部分外,其余默認(rèn)的測(cè)試條件均為:樣品量5 g,標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑0.355 mm(50目)。

3 結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量對(duì)RDX過篩過程靜電積累的影響

采用50 目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)5組不同質(zhì)量的工業(yè)級(jí)RDX樣品過篩,測(cè)量其靜電積累量,結(jié)果見表1。靜電積累量與樣品質(zhì)量的關(guān)系見圖2。

表1 不同質(zhì)量工業(yè)級(jí)RDX的靜電積累量Table 1 Electrostatic accumulation of industrial RDX with different mass

由表1、圖2可知,(1)RDX經(jīng)篩網(wǎng)過篩后所攜帶的靜電電荷為負(fù)電荷,說明RDX與不銹鋼材料相接觸時(shí),一部分電子由不銹鋼向RDX發(fā)生了轉(zhuǎn)移,RDX的電子逸出功高于不銹鋼; (2)工業(yè)級(jí)RDX經(jīng)50 目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量大小與質(zhì)量較好地滿足線性關(guān)系,其質(zhì)量電荷密度q基本保持不變,該結(jié)果與文獻(xiàn)[8]結(jié)果一致,表明在過篩過程中質(zhì)量的改變對(duì)于RDX粉體與不銹鋼篩網(wǎng)之間產(chǎn)生有效接觸的幾率影響不大; (3)Glor等[14]實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)質(zhì)量電荷密度為0.1 μC·kg-1的粉料,堆積成半徑為1 m的粉堆時(shí)就開始出現(xiàn)錐形放電。日本《靜電安全導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)中將物料質(zhì)量電荷密度達(dá)到0.01 μC·kg-1的狀態(tài)即定義為“有可能產(chǎn)生靜電放電危險(xiǎn)”[15]。據(jù)此,工業(yè)級(jí)RDX經(jīng)50 目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的質(zhì)量電荷密度達(dá)到-5.84 μC·kg-1,存在較大的靜電放電危險(xiǎn)性。

圖2 質(zhì)量對(duì)RDX靜電積累量的影響
Fig.2 Effects of RDX mass on its electrostatic accumulation

3.2 篩孔徑對(duì)過篩過程靜電積累量的影響

對(duì)5 g納米R(shí)DX經(jīng)30、50、70、90目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表2所示,靜電積累量與標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑的關(guān)系見圖3。

表2 納米R(shí)DX經(jīng)不同孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量Table 2 Electrostatic accumulation of nano-RDX sieved by different mesh standard sieves

圖3 標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑對(duì)納米R(shí)DX靜電積累量的影響
Fig.3 Effects of standard sieve aperture on electrostatic accumulation of nano RDX

對(duì)于同種粉體,當(dāng)設(shè)備更換或工藝參數(shù)做出調(diào)整時(shí),其靜電危險(xiǎn)性也可能發(fā)生顯著的變化。由表2可以看出,納米R(shí)DX經(jīng)不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量存在明顯不同。經(jīng)90目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量與經(jīng)30目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量相差近8倍。由圖3可以看出,靜電積累量與標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑之間近似地滿足一定的線性關(guān)系。靜電積累量隨標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑的減小而增大。在影響粉體靜電積累量大小的3方面因素中,當(dāng)粉體和篩網(wǎng)材質(zhì)均未變化時(shí),引起靜電積累量差異的原因主要是粉體與篩網(wǎng)間接觸幾率發(fā)生了變化。形狀為正方形的標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔,隨著孔徑的減小,周長面積比增大。在過篩量一定時(shí),較大周長面積比的篩孔與粉體之間的接觸次數(shù)更多。

3.3 工業(yè)級(jí)與納米級(jí)RDX、HMX的靜電積累情況對(duì)比

對(duì)工業(yè)級(jí)與納米級(jí)RDX、HMX經(jīng)50目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后進(jìn)行靜電積累量測(cè)試,5次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 經(jīng)50目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后RDX、HMX的質(zhì)量電荷密度Table 3 Mass charge density of RDX,HMX sieved by 50 mesh standard sieve μC·kg-1

由表3可以看出,RDX的質(zhì)量電荷密度明顯高于HMX,相同粒徑條件下,RDX的質(zhì)量電荷密度平均值約為HMX的2.6 倍。RDX與HMX的質(zhì)量電荷密度存有差異原因是:(1)RDX、HMX得失電子能力的差異是造成質(zhì)量電荷密度不同; (2)RDX、HMX電阻率的不同,產(chǎn)生靜電后短時(shí)間內(nèi)消散的速率存在差異; (3)RDX、HMX的密度、流散性、顆粒形狀等物理性質(zhì)不同使得其過篩過程中與篩網(wǎng)發(fā)生有效接觸的幾率不同。具體要確定每個(gè)因素產(chǎn)生作用的程度,還需要進(jìn)一步研究。

由表3可以看出,納米R(shí)DX與納米HMX經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的質(zhì)量電荷密度均各自為其工業(yè)級(jí)狀態(tài)下的3.6 倍左右。這主要是因?yàn)榛鹫ㄋ幍某?xì)化處理改變其物理性質(zhì)的結(jié)果。對(duì)裝有100 mL工業(yè)級(jí)RDX和納米級(jí)RDX的燒杯分別進(jìn)行稱重,計(jì)算其密度得到,工業(yè)級(jí)RDX的密度約為0.95 g·cm-3,納米級(jí)RDX的密度約為0.19 g·cm-3。超細(xì)化處理后RDX的疏松度明顯增大,其自然堆積狀態(tài)下的密度與工業(yè)級(jí)相差約5 倍。若不考慮粉體物料的顆粒性質(zhì)而將其近似地當(dāng)成均勻分布的流體,在過篩過程中,物料與一定孔徑的篩網(wǎng)間發(fā)生接觸的總面積與其體積成正比。也就是說對(duì)于相同質(zhì)量粉體,密度越小與篩網(wǎng)發(fā)生接觸的機(jī)會(huì)將越大。另外,費(fèi)歇爾[16]指出,隨著顆粒半徑的減小,附著力與重力的比值會(huì)增大。經(jīng)超細(xì)化處理后RDX、HMX的附著性表現(xiàn)更為明顯。較大的附著性使粉體在過篩過程中與篩網(wǎng)的接觸更加緊密,增加了粉體與篩網(wǎng)的接觸幾率。

表3可以看出,納米R(shí)DX的質(zhì)量電荷密度為-21.1 μC·kg-1,納米HMX的質(zhì)量電荷密度為-8.1 μC·kg-1,較工業(yè)級(jí)狀態(tài)的質(zhì)量電荷密度有了明顯提升,依據(jù)日本《靜電安全導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)——0.01 μC·kg-1

即為“有可能產(chǎn)生靜電放電危險(xiǎn)”的狀態(tài)判斷,本研究所測(cè)得質(zhì)量電荷密度與其相差近3個(gè)數(shù)量級(jí),存在很大的靜電放電危險(xiǎn)。按Glor等實(shí)驗(yàn)所得的0.1 μC·kg-1粉料堆,在半徑達(dá)到1 m時(shí)開始出現(xiàn)錐形放電的結(jié)論,推測(cè)納米材料經(jīng)50目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的質(zhì)量電荷密度與其相比超出近2個(gè)數(shù)量級(jí),出現(xiàn)靜電放電的臨界粉體堆積直徑將減小。生產(chǎn)使用過程中應(yīng)時(shí)刻關(guān)注,避免大量帶電物料堆積。

4 結(jié) 論

(1)含能材料經(jīng)過納米化處理之后的靜電危險(xiǎn)性明顯增大,平均粒度約為80 nm的RDX、HMX質(zhì)量電荷密度均均約為工業(yè)級(jí)狀態(tài)下的3.6 倍。其中,納米R(shí)DX經(jīng)50 目標(biāo)準(zhǔn)篩(孔徑為0.355 mm)過篩后的平均質(zhì)量電荷密度為-21.1 μC·kg-1,納米HMX為-8.1 μC·kg-1,存在非常大的靜電危險(xiǎn)性,生產(chǎn)使用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制物料堆積。

(2)工業(yè)級(jí)RDX經(jīng)50 目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩后的靜電積累量與質(zhì)量呈較好的線性關(guān)系,質(zhì)量越多,靜電積累量越大,質(zhì)量電荷密度在實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi)基本保持不變,與傳統(tǒng)斜槽法所得結(jié)果一致,說明使用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行摩擦起電靜電積累實(shí)驗(yàn)具有較好的可行性。

(3)RDX、HMX兩種猛炸藥粉體經(jīng)不銹鋼篩網(wǎng)過篩后攜帶的靜電電荷均為負(fù)電荷。在相同測(cè)試條件下,RDX在工業(yè)級(jí)、納米級(jí)狀態(tài)下的質(zhì)量電荷密度均約為同狀態(tài)下HMX的2.6倍。

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