粉末阻燃劑對(duì)鈦粉燃燒抑制的實(shí)驗(yàn)研究

裴鳳娟，胡雙啟，葉亞明，孫彬峰，胡立雙

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051）

粉末阻燃劑對(duì)鈦粉燃燒抑制的實(shí)驗(yàn)研究

裴鳳娟，胡雙啟，葉亞明，孫彬峰，胡立雙

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051）

利用粉塵云最低著火溫度測(cè)試儀研究粉末阻燃劑對(duì)鈦粉塵云燃燒的抑制作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：質(zhì)量相等的3種不同粉末阻燃劑對(duì)鈦粉塵云著火的抑制作用強(qiáng)弱依次為磷酸二氫銨、碳酸鈣、二氧化硅。伴隨著阻燃劑質(zhì)量的增加，鈦粉塵云最低著火溫度升高；通過研究混合粉末阻燃劑對(duì)鈦粉塵云著火的抑制作用發(fā)現(xiàn)，磷酸二氫銨與碳酸鈣在混合作用下的抑制效果最佳，二者存在協(xié)同作用。當(dāng)兩種阻燃劑的質(zhì)量均為50 mg時(shí)，鈦粉塵云最低著火溫度達(dá)到568℃。

粉末阻燃劑；鈦粉塵云；最低著火溫度

粉塵爆炸事故伴隨著工業(yè)化的進(jìn)展越來越頻繁，近年來國內(nèi)發(fā)生多起因粉塵爆炸導(dǎo)致的生產(chǎn)安全事故，粉塵爆炸事故不斷引起社會(huì)各界的關(guān)注［1］。在加工和處理金屬粉末時(shí)，不可避免地產(chǎn)生粉塵云，存在發(fā)生爆炸的潛在危險(xiǎn)?；诒举|(zhì)安全和緩和原則的粉末抑爆是最為常用的抑爆手段，它是一種在可燃粉塵中加入粉末阻燃劑來抑制燃燒、爆炸的措施［2-5］。粉末阻燃劑種類繁多，主要的抑制機(jī)理有物理作用機(jī)理、化學(xué)作用機(jī)理、物理化學(xué)混合作用機(jī)理。阻燃劑的混合對(duì)粉塵爆炸會(huì)表現(xiàn)出不同于單一阻燃劑的抑爆行為［6-8］。鈦金屬因具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特性在汽車、航空等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［9］。鈦粉性質(zhì)非常活潑在生產(chǎn)加工過程中遇熱表面、電火花、明火等容易發(fā)生火災(zāi)［10］。因此研究鈦粉塵云燃燒過程中阻燃劑的抑制機(jī)理，對(duì)于采取合理的預(yù)防措施和減緩鈦粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)有重要的理論意義。測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱爐、溫度控制系統(tǒng)、粉塵擴(kuò)散系統(tǒng)、熱電偶構(gòu)成。

圖1 粉塵云最低著火溫度測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)樣品

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法

采用粉塵云最低著火溫度測(cè)試儀（MITTA）進(jìn)行

測(cè)試前通過溫度控制系統(tǒng)將加熱爐設(shè)定一溫度值，當(dāng)爐膛內(nèi)溫度加熱到設(shè)定的溫度，在空氣儲(chǔ)存器中充入適量空氣，將樣品加入裝樣室并按下粉塵擴(kuò)散開關(guān)進(jìn)行點(diǎn)火。粉塵云著火判斷依據(jù)為：粉體噴出后3 s內(nèi)產(chǎn)生明顯火焰判定為著火。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品鈦粉，中位徑d50=45 μm，純度大于99%，形狀為球形或類球形，鈦粉的工業(yè)參數(shù)分析如表1所示。

表1 鈦粉的工業(yè)參數(shù)分析

常用的燃燒、爆炸抑制劑有鹵代烷、水、粉末及混合抑制劑等。筆者選用粉末阻燃劑來研究對(duì)鈦粉燃燒的抑制作用。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，購買了分析純級(jí)別，純度高于96.1%的3種阻燃劑，分別為磷酸二氫銨、碳酸鈣、二氧化硅。將阻燃劑加入半圓型行星球磨機(jī)進(jìn)行研磨，研磨至粒徑＜75 μm。所有實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)前放入溫度為50℃的真空干燥機(jī)中干燥10 h。實(shí)驗(yàn)條件：環(huán)境溫度為14～17℃，環(huán)境濕度為30%～35%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同的粉末阻燃劑對(duì)鈦粉最低著火溫度的影響

將鈦粉質(zhì)量固定為300 mg，以50 mg為梯度逐步向鈦粉中分別加入磷酸二氫銨、碳酸鈣、二氧化硅。測(cè)試結(jié)果繪制成圖2。從圖2可以看出：3種不同的粉末阻燃劑對(duì)鈦粉的最低著火溫度的影響較為明顯，伴隨著阻燃劑質(zhì)量的增加，抑制效果越來越強(qiáng)烈；磷酸二氫銨對(duì)鈦粉塵云最低著火溫度的影響最為明顯，碳酸鈣次之，二氧化硅的抑制作用相對(duì)較弱。

圖2 惰性粉體對(duì)鈦粉最低著火溫度的影響

二氧化硅抑制機(jī)理為物理吸熱，首先，二氧化硅充當(dāng)吸熱源吸收熱量降低加熱爐傳給鈦粉塵云的熱量；其次，充當(dāng)障礙物，阻礙熱量傳遞給鈦粉顆粒，同時(shí)，二氧化硅分散在加熱爐中會(huì)降低加熱爐管內(nèi)氧氣的含量，不利于鈦粉充分燃燒。由于碳酸鈣顆粒較小容易受熱，因此在加熱的過程中會(huì)有少量的粉末發(fā)生分解。鈦粉的燃燒是氧氣分子直接與顆粒表面接觸發(fā)生燃燒［11-12］，所以碳酸鈣在分解的過程中吸收了大量的熱，且產(chǎn)生了二氧化碳稀釋了爐膛內(nèi)的氧氣，因此鈦粉塵云最低著火溫度升高，式（1）為碳酸鈣的分解方程式。磷酸二氫銨除了具有與二氧化硅相同的物理吸熱作用外，還具有更為復(fù)雜的化學(xué)分解作用。在溫度高于150℃開始吸熱發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成磷酸、焦磷酸、偏磷酸與氨氣，焦磷酸和偏磷酸附著在鈦粉顆粒表面阻礙熱傳遞，阻礙與氧化劑的接觸。分解產(chǎn)生的氨氣阻礙鈦粉燃燒，產(chǎn)生的水以水蒸氣的形式存在降低加熱爐管內(nèi)氧氣濃度，同時(shí)分解產(chǎn)生的自由基PO·能夠捕捉火焰區(qū)的H·，自由基濃度降低，致使火焰熄滅。因此磷酸二氫銨對(duì)鈦粉最低著火溫度的影響強(qiáng)于前兩者。

由圖2可以看出：隨著溫度的升高，磷酸二氫銨的抑制效果逐漸變?nèi)?，碳酸鈣和二氧化硅則逐漸增強(qiáng)。因?yàn)樵谧璧K鈦粉著火的過程中，原因是隨著溫度的升高磷酸二氫銨的分解效率下降。

2.2 混合粉末阻燃劑對(duì)鈦粉塵云最低著火溫度的影響

磷酸二氫銨在抑制鈦粉塵云著火的過程中存在分解效率下降的問題，碳酸鈣與二氧化硅對(duì)鈦粉著火的抑制作用相對(duì)較低。因此研究磷酸二氫銨分別與二者混合時(shí)對(duì)鈦粉燃燒的抑制行為的變化。將磷酸二氫銨和碳酸鈣按不同比例混合作為新的阻燃劑，取100 mg混合粉末阻燃劑加入300 mg鈦粉中混合均勻裝入最低著火溫度測(cè)試儀測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。磷酸二氫銨和二氧化硅的混合物進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 磷酸二氫銨和碳酸鈣混合阻燃劑的抑制行為

表3 磷酸二氫銨和二氧化硅混合阻燃劑的抑制行為

由表2和表3中的數(shù)據(jù)對(duì)比圖2中的3種單一的阻燃劑抑制結(jié)果可知：磷酸二氫銨和碳酸鈣的混合阻燃劑抑制效果比二者單獨(dú)作用時(shí)強(qiáng)，磷酸二氫銨和二氧化硅的混合阻燃劑的抑制效果比磷酸二氫銨單獨(dú)作用時(shí)弱。

磷酸二氫銨分解產(chǎn)生的磷酸與碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸氫鈣和水蒸氣等，反應(yīng)產(chǎn)物阻礙粉塵著火降低氧氣含量；同時(shí)，此過程能加速磷酸二氫銨的分解速率，可以快速地分解出更多抑制劑，增強(qiáng)磷酸二氫銨的抑制效果。二氧化硅性質(zhì)穩(wěn)定不與磷酸和磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)，即磷酸二氫銨和二氧化硅在加熱時(shí)沒有發(fā)生任何附加反應(yīng)，二氧化硅的抑制效果相對(duì)較差，所以二者混合，反而降低了磷酸二氫銨的抑制效果。

磷酸與碳酸鈣的反應(yīng)：

由表2還可以看出：磷酸二氫銨和碳酸鈣的質(zhì)量比由9∶1變化到 5∶5，鈦粉塵云的著火溫度由495℃增加到了568℃，即對(duì)鈦粉塵云的著火抑制效果增強(qiáng)。當(dāng)碳酸鈣含量少時(shí)，只能與少量的磷酸發(fā)生附加反應(yīng)，抑制效果弱。隨著碳酸鈣含量的增加可以與更多的磷酸二氫銨發(fā)生附加反應(yīng)阻止鈦粉著火。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)鈦粉塵云燃燒、爆炸的抑制可選擇磷酸二氫銨與碳酸鈣的混合粉。

磷酸二氫銨受熱分解方程式為：

3 結(jié)論

1）磷酸二氫銨對(duì)鈦粉塵云最低著火溫度的影響最為明顯，其次為碳酸鈣，二氧化硅與前二者相比最弱。隨著3種阻燃劑質(zhì)量的增加對(duì)鈦粉著火的抑制作用增強(qiáng)。2）在相同質(zhì)量條件下，磷酸二氫銨與碳酸鈣的混合粉體對(duì)鈦粉塵云著火的抑制效果比二者單獨(dú)作用時(shí)強(qiáng)，二者存在協(xié)同作用。磷酸二氫銨和二氧化硅的混合阻燃劑的抑制效果比磷酸二氫銨單獨(dú)作用時(shí)弱。3）磷酸二氫銨與碳酸鈣的混合粉體（碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～50%），隨著碳酸鈣質(zhì)量的增加鈦粉塵云最低著火溫度升高。當(dāng)兩種阻燃劑的質(zhì)量均為50 mg時(shí)，鈦粉塵云最低著火溫度達(dá)到568℃。

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聯(lián)系方式：1010465169@qq.com

Research on burning inhibition of flame retardant powder to titanium dust cloud

Pei Fengjuan，Hu Shuangqi，Ye Yaming，Sun Binfeng，Hu Lishuang
（School of Chemical Engineering and Environment，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Use the minimum ignition temperature tester to study the burning inhibition of flame retardant powder to titanium dust cloud.The experimental results showed that:under the same mass condition，the inhibitory strength of three different flame retardant powders on the ignition of titanium dust cloud from strong to weak were NH4H2PO4，CaCO3，and SiO2.With the increase in mass of flame retardant powder，the minimum ignition temperature of dust cloud increased.Through the study of inhibit impact of mixed flame retardant powder on the ignition of titanium dust cloud found that the inhibitory impact of the mixed dust of NH4H2PO4and CaCO3was the best，and there was synergy effect between the two.When the mass of two flame retardant powder was both 50 mg，the minimum ignition temperature of titanium dust cloud reached 568℃.

flame retardant power；titanium dust cloud；minimum ignition temperature

TQ134.11

A

1006-4990（2017）04-0061-03

2016-10-24

裴鳳娟（1990— ），女，碩士研究生，主要從事防火防爆工程方面的研究，已發(fā)表論文1篇。

胡雙啟