Al(OH)3 對(duì)聚丙烯腈粉火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懷芯?

郝 崢，許開(kāi)立，張毓媛，劉 博

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，可燃性粉塵是引起火災(zāi)、爆炸的重要影響因素之一。近年來(lái)，隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，粉塵火災(zāi)、爆炸事故也時(shí)有發(fā)生。據(jù)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，粉塵爆炸發(fā)生在糧食、冶金、木材、紡織等多個(gè)行業(yè)。粉塵爆炸事故具有事故后果嚴(yán)重，易發(fā)生二次爆炸等特點(diǎn)，因此針對(duì)粉塵爆炸的起因和抑制研究，對(duì)預(yù)防粉爆事故有著重要的意義。

各國(guó)學(xué)者對(duì)各類(lèi)粉塵的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?、爆炸成因及抑爆機(jī)理等進(jìn)行了研究。Amyotte 等從粉塵爆炸特性及爆炸機(jī)理出發(fā)闡釋了引起粉塵爆炸的原因，并提出了一些預(yù)防和控制措施。員亞龍等通過(guò)搭建豎直開(kāi)口方管道燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下聚磷酸銨對(duì)糖粉火焰的抑制效果，分析了聚磷酸銨對(duì)糖粉火焰的抑制機(jī)理。覃小玲等利用20 L 球形爆炸實(shí)驗(yàn)裝置分析了蔗糖粉塵爆炸特性及抑爆劑的選擇。Gieras通過(guò)模擬玉米淀粉在空氣中的爆炸過(guò)程及并開(kāi)展相應(yīng)的抑爆實(shí)驗(yàn)，得出水霧相較于干粉滅火劑有更好的抑爆效果。蘇愛(ài)玲從氫氧化鋁的外觀出發(fā)介紹了6 種制備氫氧化鋁的方法，分析了其作為阻燃劑的可行性，并介紹了氫氧化鋁在工業(yè)上的應(yīng)用且預(yù)測(cè)了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)工業(yè)粉塵爆炸特性的已有研究成果進(jìn)行分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)：不同種類(lèi)的工業(yè)粉體爆炸特性和爆炸機(jī)理有所不同，不同抑爆劑對(duì)粉塵抑爆機(jī)理也不一樣，而對(duì)大分子聚合物聚丙烯腈（polyacrylonitrile,PAN）的爆炸特性及抑爆機(jī)理未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道，聚丙烯腈在工業(yè)上主要用于制作合成纖維，在紡織設(shè)備加工纖維時(shí)會(huì)所分離出的細(xì)小塵屑顆粒，其粒徑大多為1～400 μm，在一定條件下會(huì)發(fā)生爆炸事故。聚丙烯腈極限氧指數(shù)（limiting oxygen index, LOI）僅為17%左右，屬于易燃纖維。聚丙烯腈在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生HCN、CO、CHN 等有毒氣體，嚴(yán)重危害工業(yè)生產(chǎn)中工人的生命安全。在抑爆劑方面，多選用NaHCO和Al(OH)進(jìn)行氣體粉塵爆炸抑爆研究，由于較好的熱解特性，NaHCO和Al(OH)在抑爆領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Wang 等研究了封閉系統(tǒng)中Al(OH)和Mg(OH)對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體的抑爆特性，發(fā)現(xiàn)Al(OH)對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體的抑爆效果相對(duì)較好。余明高等對(duì)不同材料的熱重實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，研究了Al(OH)、Mg(OH)和尿素的分解，通過(guò)熱重分析和差示掃描量熱分析，得出了Al(OH)的熱解降溫性能較好的結(jié)論。另外，諸多學(xué)者利用NaHCO和Al(OH)針對(duì)氣體粉塵進(jìn)行了抑爆特性研究。

目前，人們對(duì)某些化學(xué)活性粉末對(duì)氣體粉塵爆炸的抑制作用和機(jī)理有了明確的認(rèn)識(shí)。然而，關(guān)于抑制PAN 粉塵爆炸的抑制劑的種類(lèi)研究不常見(jiàn)。為了有效抑制PAN 的爆炸，需要研究目前應(yīng)用較廣泛、效果較好的抑爆材料Al(OH)對(duì)PAN 粉塵爆炸的抑制效果和作用機(jī)理。本文通過(guò)搭建透明管道爆炸傳播測(cè)試系統(tǒng)，研究抑爆劑Al(OH)對(duì)PAN 火焰的影響，并通過(guò)熱解分析及紅外分析研究抑爆劑的抑爆機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

本實(shí)驗(yàn)使用的材料PAN 由大慶腈綸廠提供，外觀呈白色粉末狀，密度為1.14～1.15 g/cm，為相對(duì)分子質(zhì)量約1.5×10的高純度粉塵。Al(OH)購(gòu)買(mǎi)自中國(guó)上海麥克林公司，外觀呈白色非晶形粉末狀。利用激光粒度分析儀（laser particle size analyzer, LPSA）測(cè)定PAN 和Al(OH)的粒度分布，采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）對(duì)PAN 和Al(OH)的顆粒形狀及表面微觀形貌進(jìn)行觀察。如圖1 所示，PAN 粉塵的粒徑在2～30 μm 之間，PAN 顆粒呈球狀，且表面有不均勻裂隙。如圖2 所示，Al(OH)粉塵粒徑在1～15 μm 之間，Al(OH)呈現(xiàn)為塊狀晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 PAN 粉塵粒徑分布Fig. 1 Particle size distribution of PAN powder

圖2 Al(OH)3 粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of Al(OH)3

如圖3、圖4 和圖5 所示，為模擬工業(yè)環(huán)境條件下的PAN 粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑顟B(tài)，實(shí)驗(yàn)采用透明管道爆炸傳播測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的管道直徑為0.15 m，管道共分6 節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)0.5 m，管道總長(zhǎng)3 m，包括管道系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝影機(jī)。管道組件為帶法蘭的玻璃管，內(nèi)設(shè)有壓力傳感器及溫度傳感器（圖5 中，S1、S2、……、S6 為布置的傳感器）。噴粉系統(tǒng)主要由高壓空氣瓶、減壓閥、輸氣開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)氣罐、電磁閥、粉塵倉(cāng)和分散閥組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將目標(biāo)粉體置于粉塵倉(cāng)中，打開(kāi)輸氣開(kāi)關(guān)，將壓縮空氣充入儲(chǔ)氣罐中直至壓力達(dá)到額定噴粉壓力（1 MPa）停止進(jìn)氣，設(shè)定好點(diǎn)火能量參數(shù)（=20 J）和點(diǎn)火延遲時(shí)間（=20 ms）。由控制系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，電磁閥打開(kāi)，壓縮空氣將粉塵倉(cāng)中的粉塵通過(guò)分散閥噴入管道中，延遲時(shí)間后激發(fā)點(diǎn)火。點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火電極、點(diǎn)火能量發(fā)生器組成。壓力傳感器采用CYG 系列固態(tài)壓阻壓力傳感器，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)數(shù)據(jù)線接入動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)。采用Photron 公司生產(chǎn)的高速攝影機(jī)拍攝記錄粉塵云火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于收集溫度、壓力等數(shù)據(jù)。

圖3 透明管道爆炸傳播系統(tǒng)Fig. 3 Transparent pipeline explosion propagation test system

圖4 透明管道爆炸傳播系統(tǒng)Fig. 4 Transparent pipeline explosion propagation test system

圖5 透明管道爆炸傳播系統(tǒng)及傳感器布置Fig. 5 Transparent pipeline explosion propagation system and arrangement of the sensors

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用透明管道爆炸傳播測(cè)試系統(tǒng)，將PAN 粉塵和Al(OH)按照表1 所示的材料比例進(jìn)行混合。如圖6 所示，純PAN 粉塵在20 ms 時(shí)的噴粉長(zhǎng)度達(dá)到1 m，經(jīng)計(jì)算，6 g PAN 粉塵在管道內(nèi)爆炸濃度為340 g/m。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄溫度及壓力數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)記錄火焰?zhèn)鞑D像。

圖6 PAN 粉塵噴粉Fig. 6 PAN powder spraying

表1 混合粉塵物質(zhì)比例Table 1 Material proportions of the mixed powder

對(duì)混合物燃燒產(chǎn)物進(jìn)行掃描電鏡（scanning electron microscope, SEM）分析和傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer, FTIR）分析，從微觀分析抑爆機(jī)理。采用熱分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)分析，得出粉體的TG（thermogravimetreic）曲線和DSC（differential scanning calorimeter）曲線，分析PAN 粉塵、Al(OH)的熱解行為，得出升溫過(guò)程中Al(OH)對(duì)PAN 粉熱解的抑制機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al(OH)3 對(duì)PAN 粉塵爆炸火焰抑制特性研究

利用PCC 軟件處理高速攝像機(jī)記錄下來(lái)的火焰?zhèn)鞑ビ跋瘢玫絇AN 粉塵與不同含量Al(OH)的混合物爆炸的火焰?zhèn)鞑D像，如圖7 所示。

圖7 Al(OH)3 與PAN 粉混合物測(cè)試樣品的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律Fig. 7 Flame propagation law of the Al(OH)3 and PAN powder mixtures

圖7(a)為不添加Al(OH)時(shí)的火焰?zhèn)鞑D像，火焰發(fā)展過(guò)程可分為3 個(gè)階段：(1) 火焰點(diǎn)火階段，在此階段，PAN 粉塵在管道內(nèi)被噴出后形成粉塵云，系統(tǒng)在20 ms 后將粉塵云點(diǎn)燃，同時(shí)火焰開(kāi)始出現(xiàn)；(2) 火焰增長(zhǎng)階段，粉塵云被點(diǎn)火后，火焰不斷擴(kuò)張，在火焰增長(zhǎng)階段前期，火焰前鋒呈拋物線形狀向前發(fā)展，火焰前鋒形狀規(guī)則、連續(xù)、輪廓清晰；在火焰增長(zhǎng)階段后期，由于火焰前端粉塵粒子減少以及管道內(nèi)部湍流的影響，火焰輪廓最終演變?yōu)椴灰?guī)則形狀，火焰后方出現(xiàn)不連續(xù)火焰，最終火焰在管道中傳播至1.8 m 時(shí)，火焰停止向前傳播，此時(shí)，PAN 粉塵爆炸火焰在管道中傳播的最長(zhǎng)距離為1.8 m；(3) 火焰消散階段，受到管道內(nèi)火焰前后壓差和粉塵粒子減少的影響，火焰出現(xiàn)后退現(xiàn)象并且完整火焰區(qū)域變小，火焰隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸消失。

接下來(lái)，可以利用爆炸火焰在管道中傳播的最長(zhǎng)距離來(lái)對(duì)比不同含量的Al(OH)對(duì)PAN 粉塵的抑爆效果。從圖7(b)和圖7(c)可以看出，在添加抑爆劑后，PAN 火焰亮度明顯變低，且完整火焰區(qū)域變小，不連續(xù)火焰區(qū)域占比增大，隨著Al(OH)的比例增長(zhǎng)，爆炸火焰在管道中傳播的最長(zhǎng)距離明顯縮短，分別為1.25 和0.95 m，火焰亮度較圖7(a) 明顯變暗，且火焰形狀更加離散。這表明在該實(shí)驗(yàn)條件下，Al(OH)對(duì)PAN 粉火焰的傳播有一定抑制效果。觀察圖7(d)，在添加質(zhì)量比為60%的Al(OH)后，點(diǎn)火后管道內(nèi)產(chǎn)生火焰較暗且范圍較小，爆炸火焰在管道中傳播的最長(zhǎng)距離為0.65 m，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在該質(zhì)量比下PAN 粉未能完全引燃。添加質(zhì)量比為70%的Al(OH)，多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，管道內(nèi)未出現(xiàn)火焰。表明在60%質(zhì)量比下的Al(OH)是抑制PAN 粉火焰?zhèn)鞑サ呐R界點(diǎn)。從圖7 中分析得出，混合粉塵中Al(OH)的含量越高，對(duì)PAN 粉塵爆炸的抑制效果越明顯，添加超過(guò)60%的Al(OH)能夠?qū)AN 粉塵爆炸抑制住。

2.2 Al(OH)3 對(duì)PAN 粉塵爆炸壓力的影響

針對(duì)每個(gè)壓力傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，取最大壓力值為壓力波經(jīng)過(guò)該測(cè)點(diǎn)的壓力值，做出混合物粉塵爆炸壓力變化離散曲線。如圖8(a)所示，PAN 粉塵被點(diǎn)燃后，由于生成大量反應(yīng)產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物在短時(shí)間內(nèi)被大量釋放，在管道空間內(nèi)形成壓力，隨著壓力的不斷推進(jìn)形成壓力波，壓力波后的化學(xué)反應(yīng)不斷為壓力波提供能量，所以在點(diǎn)燃階段管道內(nèi)壓力逐漸上升，在0.2 m 處被壓力傳感器1 采集到，該點(diǎn)壓力值為PAN 粉塵爆炸最大壓力0.48 MPa。隨著爆炸過(guò)程的發(fā)生，參與爆炸的PAN 粉塵減少，產(chǎn)生的爆炸產(chǎn)物減少，壓力波后的化學(xué)反應(yīng)不能及時(shí)給壓力波提供能量，使得壓力波快速衰減，同時(shí)壓力波受管道器壁的阻力作用而逐漸削弱，所以管道空間內(nèi)釋放出的壓力逐漸降低，在1.7 m 的傳感器4 測(cè)得的壓力值降低至0.18 MPa。在PAN 粉塵中加入抑爆劑后，抑爆劑降低了PAN 粉塵的燃燒反應(yīng)速度，減少了PAN 粉塵的爆炸參與量，使爆炸產(chǎn)生的反應(yīng)物質(zhì)減少，從而降低了管道內(nèi)的壓力。數(shù)據(jù)顯示，60%質(zhì)量比的Al(OH)使PAN 粉塵最大爆炸壓力變?yōu)?.1 MPa，最大爆炸壓力下降率達(dá)到78.2%。實(shí)驗(yàn)中采用高速攝影機(jī)采集火焰?zhèn)鞑D像，采用基于Roberts 算子的MATLAB 程序，提取了粉塵火焰的邊緣。通過(guò)改變火焰前緣的水平位置獲得火焰?zhèn)鞑ニ俣?，如圖8(b)所示，爆炸初始火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u升高，在0.75 m附近，火焰?zhèn)鞑ニ俣人俣冗_(dá)到最大，之后速度的變化開(kāi)始逐漸減緩。同時(shí)可以看出，在添加不同質(zhì)量比的Al(OH)后混合物的最大爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ニ俣榷济黠@下降，說(shuō)明Al(OH)對(duì)于PAN 粉爆炸有抑制效果，質(zhì)量比為60%的Al(OH)混合物產(chǎn)生的最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆底顬槊黠@，也驗(yàn)證了2.1 節(jié)得出的結(jié)論。

圖8 混合物爆炸壓力離散圖Fig. 8 Maximum explosion pressure and maximum flame speed distributions of the mixture explosions

2.3 Al(OH)3 含量對(duì)PAN 粉塵爆炸火焰溫度的影響

實(shí)驗(yàn)選用直徑25 μm 的Pt-Pt/Rh13%為材料制作R 型微細(xì)熱電偶，用于PAN 粉塵爆炸火焰溫度的采集。利用溫度傳感器記錄火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中管道內(nèi)的溫度，取值為火焰經(jīng)過(guò)溫度傳感器時(shí)的最大溫度值。混合物爆炸溫度曲線取6 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大溫度數(shù)據(jù)，有助于研究整個(gè)爆炸環(huán)境中的溫度演化規(guī)律。如圖9 所示，純PAN 粉塵爆炸時(shí)，火焰整體溫度最高，且在傳感器1 處溫度達(dá)到最大值981.5℃，隨著火焰的傳播，參與爆炸的PAN 顆粒減少，另外受管壁的冷卻作用和爆炸能量的輻射衰減，爆炸火焰溫度逐漸降低，在傳感器6 測(cè)得的溫度為220 ℃。在分別添加不同含量的Al(OH)后，與不添加抑制劑的火焰溫度變化趨勢(shì)基本相同，但最高溫度均明顯下降，由于抑爆劑Al(OH)在高溫下會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，吸收大量環(huán)境熱量，所以環(huán)境溫度降低。60%的Al(OH)能夠?qū)⒒鹧孀罡邷囟冉档椭?52 ℃，最高火焰溫度下降率達(dá)到53.9%。結(jié)合圖7 火焰的明亮度可知，火焰越暗，火焰溫度越低，Al(OH)產(chǎn)生的抑制效果越好。

圖9 混合物爆炸溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 9 The detected explosion temperature of the mixtures

2.4 PAN 粉塵爆炸固態(tài)產(chǎn)物的表征

為了從微觀角度分析Al(OH)對(duì)PAN 粉的抑爆表現(xiàn)，利用SEM 和FTIR 分析爆炸后的爆炸殘留物的顆粒狀態(tài)和官能團(tuán)的變化，分析結(jié)果可以為抑爆劑對(duì)PAN 粉爆炸的抑爆機(jī)理提供依據(jù)。

如圖10(a)所示，可以看出添加Al(OH)的PAN 粉塵爆炸后較為完整，PAN 粉塵在高溫作用下達(dá)到熔融狀態(tài)，多個(gè)顆粒發(fā)生粘連，出現(xiàn)多數(shù)的未爆顆粒和爆炸不完全的顆粒。將爆炸不完全顆粒的圖像放大得到圖10(b)，圖10(b)顯示顆粒表面有較為細(xì)小的球狀顆粒AlO和塊狀物質(zhì)Al(OH)，是因?yàn)楸ㄟ^(guò)程中Al(OH)熱解為HO 和AlO，AlO和未爆炸的Al(OH)能夠?qū)AN 顆粒包覆，阻礙外界能量對(duì)PAN 顆粒的熱對(duì)流、熱輻射等加熱作用，從而抑制PAN 粉塵的爆炸。

圖10 爆炸產(chǎn)物SEM 圖Fig. 10 SEM images of the explosion products

采用FTIR 檢測(cè)爆炸前混合粉塵和爆炸后混合粉塵樣品中官能團(tuán)種類(lèi)。在紅外光譜中，選取400～4000 cm的波段。

圖11 為Al(OH)粉體抑爆劑對(duì)PAN 粉塵抑爆的FTIR 分析。紅外光譜表明：1600 cm處表現(xiàn)為水分子的吸收譜帶，爆炸后振動(dòng)峰強(qiáng)度增加；1400 cm附近應(yīng)Al—O 的伸縮振動(dòng)，爆炸后振動(dòng)峰強(qiáng)度增加；3450 cm附近為Al(OH)的羥基伸縮振動(dòng)，爆炸后3451、3529 和3621 cm處的振動(dòng)峰消失。這是因?yàn)锳l(OH)在爆炸過(guò)程中參與反應(yīng)，分解生成AlO和HO，Al(OH)的羥基減少，水分子和Al—O增加。

圖11 Al(OH)3 對(duì)PAN 粉抑爆的FTIR 分析Fig. 11 FTIR analysis of the suppression effect of Al(OH)3 on PAN powder explosion

2.5 Al(OH)3 對(duì)PAN 粉熱分解行為的影響

分別對(duì)PAN 粉塵、Al(OH)顆粒、PAN 粉塵與Al(OH)混合物（40%）進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)研究，熱分析儀設(shè)定參數(shù)中氣氛條件為空氣，氣體流量20 mL/min，升溫速率為20℃/min，升溫區(qū)間為25～800 ℃。圖12為PAN、Al(OH)及混合物的熱重分析曲線。

PAN 粉塵燃燒爆炸反應(yīng)涉及環(huán)化-脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)和碳化反應(yīng)，如圖12(a) 所示。TG 曲線顯示：在50～290 ℃階段，主要發(fā)生的反應(yīng)為相鄰氰基間低聚環(huán)化反應(yīng)；在290～480 ℃曲線有一個(gè)突然下降的過(guò)程，該階段的主要反應(yīng)為環(huán)化分解和炭化反應(yīng)；在480～800 ℃曲線趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)炭渣的繼續(xù)氧化分解。DSC 曲線在310 ℃處有一個(gè)向上的放熱峰，表明在310 ℃時(shí)分解反應(yīng)最劇烈，放出大量熱。結(jié)合PAN 粉塵TG-DSC 曲線可知，PAN 粉塵火焰發(fā)生發(fā)展過(guò)程為：PAN 粉塵在管道內(nèi)被點(diǎn)燃后，PAN 顆粒經(jīng)歷環(huán)化-脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)和碳化反應(yīng)等3 個(gè)燃燒反應(yīng)；燃燒反應(yīng)在310 ℃時(shí)分解反應(yīng)最劇烈，短時(shí)間內(nèi)持續(xù)釋放出較多熱量，使得管道內(nèi)的環(huán)境溫度急劇升高；在傳感器1 處（點(diǎn)火源附近）采集到了PAN 粉塵爆炸火焰的最高溫度達(dá)到了981.5 ℃（如圖9 所示）。在溫度上升的同時(shí)，顆粒燃燒過(guò)程釋放出的大量氣體在局部空間形成壓力波，壓力波后的化學(xué)反應(yīng)不斷為壓力波提供能量，推動(dòng)壓力波在管道內(nèi)進(jìn)行傳播，傳感器1 采集到了PAN 粉塵爆炸最大壓力為0.48 MPa（如圖8(a)所示）。由于反應(yīng)釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴(kuò)散傳輸，使得緊挨著的一層未燃顆粒發(fā)生燃燒反應(yīng)，形成一層新的火焰，火焰由燃燒區(qū)向未燃區(qū)的擴(kuò)散，形成了火焰?zhèn)鞑バ袨?，在傳感? 采集到了PAN 粉塵爆炸火焰速度為117 m/s（如圖8(b)所示）?；鹧嬖诠艿纼?nèi)的傳播受到壓力波的相互作用、外受管壁的冷卻作用和爆炸能量的輻射衰減等綜合影響，使得火焰速度、火焰溫度和爆炸壓力隨著火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的增加逐漸減小，火焰在管道內(nèi)傳播至1.8 m 后火焰熄滅（圖7(a)所示），在傳感器4 處，測(cè)得的火焰溫度為387 ℃，爆炸壓力為0.18 MPa，火焰速度為56 m/s。

圖12 熱重曲線圖Fig. 12 Thermogravimetric curves

研究Al(OH)的TG-DSC 曲線可以得知Al(OH)作用于PAN 粉塵爆炸的最佳階段。觀察圖12(b)的Al(OH)的熱重曲線，TG 曲線顯示：Al(OH)在140 ℃左右開(kāi)始分解，320 ℃左右分解結(jié)束，320～800 ℃曲線趨于平穩(wěn)。DSC 曲線存在一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱峰，峰值為290 ℃。圖12(c)為PAN 粉塵和Al(OH)的混合粉體TG-DSC 曲線。與圖12(a) 對(duì)比，混合粉體的TG 曲線顯示：混合粉體的失重量為20%，低于PAN 粉的60%。DSC 曲線顯示：混合粉體在290 ℃有明顯的吸熱峰，表明290～310 ℃時(shí)Al(OH)的熱解吸熱效率能夠高于PAN 粉塵的放熱效率，有效降低爆炸環(huán)境溫度。在310 ℃以上時(shí)，DSC 曲線出現(xiàn)向上的放熱峰，是由于隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，Al(OH)的完全反應(yīng)，PAN 粉塵持續(xù)發(fā)生放熱反應(yīng)。所以Al(OH)對(duì)PAN 粉的最佳抑制溫度為290～310 ℃，另外，要想抑制PAN 粉的爆炸，要達(dá)到較高的Al(OH)的摻入量，使Al(OH)的熱解吸熱作用能夠降低環(huán)境溫度至臨界爆炸溫度以下。Al(OH)在爆炸反應(yīng)中起到吸熱降溫作用，結(jié)合爆炸產(chǎn)物的SEM 和FTIR 分析，可以看出Al(OH)和金屬氧化物AlO對(duì)PAN 顆粒的包覆作用也能夠起到抑爆作用，另外由于Al(OH)反應(yīng)生成HO，在高溫作用下HO 氣化，形成的水蒸氣也能夠占用一部分氧氣空間，在爆炸過(guò)程中起到氣體惰化作用。

2.6 Al(OH)3 對(duì)PAN 粉的爆炸抑制機(jī)制

綜合SEM、FTIR 和熱重分析，可以得出：Al(OH)粉體抑爆劑在PAN 粉爆炸抑爆過(guò)程中存在物理抑制和化學(xué)抑制的協(xié)同作用。

物理抑制作用有以下3 方面。(1) 物理包覆作用：在爆炸過(guò)程中，Al(OH)粉體抑爆劑在抑爆過(guò)程中的包覆作用分為兩個(gè)，首先受外力破碎分離，顆粒嵌入或附著在爆炸顆粒表面，對(duì)爆炸顆粒進(jìn)行包覆，減少和隔絕外界對(duì)爆炸顆粒的熱對(duì)流、熱輻射等；其次少量的Al(OH)生成金屬氧化物AlO，附著在爆炸顆粒表面，對(duì)爆炸顆粒進(jìn)行包覆。(2) 物理吸熱降溫作用：Al(OH)熱解過(guò)程吸收大量熱量，生成的產(chǎn)物HO 氣化過(guò)程也吸收大量的熱，有效降低環(huán)境溫度。(3) 氣體惰化作用：抑爆劑在爆炸過(guò)程中生成的HO，在爆炸環(huán)境中蒸發(fā)成水蒸氣，會(huì)占有一部分爆炸空間，Al(OH)的熱分解反應(yīng)產(chǎn)生的氣化水蒸氣在有限環(huán)境中與氧氣爭(zhēng)奪空間，起到降低爆炸環(huán)境中氧濃度的作用。

化學(xué)抑制作用體現(xiàn)在以下方面：Al(OH)固體顆粒進(jìn)入燃燒爆炸火焰區(qū)后可發(fā)生均相與非均相化學(xué)反應(yīng)，能與燃燒爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中的自由基進(jìn)行多次鏈反應(yīng)，這些反應(yīng)消耗了維持燃燒爆炸連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵自由基?O 和?OH，減少了自由基?H、?OH 與?O 之間的放熱反應(yīng)，從而抑制了燃燒爆炸反應(yīng)。

3 結(jié) 論

利用透明管道爆炸傳播測(cè)試系統(tǒng)，研究不同含量Al(OH)對(duì)PAN 粉火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊?，分析抑制劑作用機(jī)理，研究結(jié)論如下：

(1)Al(OH)對(duì)PAN 粉火焰?zhèn)鞑ビ忻黠@抑制效果，在一定范圍內(nèi)，添加Al(OH)的含量越大，對(duì)PAN 粉抑制效果越好，當(dāng)添加質(zhì)量比為60%的Al(OH)時(shí)，PAN 粉塵不能完全燃燒；

(2)對(duì)混合物粉塵的熱重分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Al(OH)對(duì)PAN 粉塵的最佳抑制溫度區(qū)間為290～310 ℃，較高的Al(OH)摻入量，能夠利用Al(OH)的熱解吸熱作用將環(huán)境溫度降低至臨界爆炸溫度以下，從而中斷爆炸反應(yīng)，起到抑爆作用；

(3)Al(OH)對(duì)PAN 粉塵燃燒的抑制機(jī)制包括物理抑制和化學(xué)抑制；物理抑制包括包覆、吸熱降溫、氣體惰化3 種方式；化學(xué)抑制主要通過(guò)消耗維持燃燒爆炸連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵自由基?O 和?OH，減少了自由基?H、?OH 與?O 之間的放熱反應(yīng)。