粉末阻燃劑對鈦粉燃燒抑制的實驗研究

裴鳳娟，胡雙啟，葉亞明，孫彬峰，胡立雙

（中北大學化工與環境學院，山西太原030051）

粉末阻燃劑對鈦粉燃燒抑制的實驗研究

裴鳳娟，胡雙啟，葉亞明，孫彬峰，胡立雙

（中北大學化工與環境學院，山西太原030051）

利用粉塵云最低著火溫度測試儀研究粉末阻燃劑對鈦粉塵云燃燒的抑制作用。實驗結果表明：質量相等的3種不同粉末阻燃劑對鈦粉塵云著火的抑制作用強弱依次為磷酸二氫銨、碳酸鈣、二氧化硅。伴隨著阻燃劑質量的增加，鈦粉塵云最低著火溫度升高；通過研究混合粉末阻燃劑對鈦粉塵云著火的抑制作用發現，磷酸二氫銨與碳酸鈣在混合作用下的抑制效果最佳，二者存在協同作用。當兩種阻燃劑的質量均為50 mg時，鈦粉塵云最低著火溫度達到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化的進展越來越頻繁，近年來國內發生多起因粉塵爆炸導致的生產安全事故，粉塵爆炸事故不斷引起社會各界的關注［1］。在加工和處理金屬粉末時，不可避免地產生粉塵云，存在發生爆炸的潛在危險。基于本質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，主要的抑制機理有物理作用機理、化學作用機理、物理化學混合作用機理。阻燃劑的混合對粉塵爆炸會表現出不同于單一阻燃劑的抑爆行為［6-8］。鈦金屬因具有強度高、質量輕等特性在汽車、航空等領域中得到廣泛應用［9］。鈦粉性質非常活潑在生產加工過程中遇熱表面、電火花、明火等容易發生火災［10］。因此研究鈦粉塵云燃燒過程中阻燃劑的抑制機理，對于采取合理的預防措施和減緩鈦粉塵爆炸風險有重要的理論意義。測試。實驗裝置的結構示意圖見圖1。實驗裝置主要由加熱爐、溫度控制系統、粉塵擴散系統、熱電偶構成。

圖1 粉塵云最低著火溫度測試儀的結構示意圖

1 實驗裝置、測試方法和實驗樣品

1.1 實驗裝置和測試方法

采用粉塵云最低著火溫度測試儀（MITTA）進行

測試前通過溫度控制系統將加熱爐設定一溫度值，當爐膛內溫度加熱到設定的溫度，在空氣儲存器中充入適量空氣，將樣品加入裝樣室并按下粉塵擴散開關進行點火。粉塵云著火判斷依據為：粉體噴出后3 s內產生明顯火焰判定為著火。

1.2 實驗樣品

實驗樣品鈦粉，中位徑d50=45 μm，純度大于99%，形狀為球形或類球形，鈦粉的工業參數分析如表1所示。

表1 鈦粉的工業參數分析

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鈦粉燃燒的抑制作用。為了確保實驗的準確性，購買了分析純級別，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進行研磨，研磨至粒徑＜75 μm。所有實驗樣品實驗前放入溫度為50℃的真空干燥機中干燥10 h。實驗條件：環境溫度為14～17℃，環境濕度為30%～35%。

2 實驗結果與分析

2.1 不同的粉末阻燃劑對鈦粉最低著火溫度的影響

將鈦粉質量固定為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。測試結果繪制成圖2。從圖2可以看出：3種不同的粉末阻燃劑對鈦粉的最低著火溫度的影響較為明顯，伴隨著阻燃劑質量的增加，抑制效果越來越強烈；磷酸二氫銨對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較弱。

圖2 惰性粉體對鈦粉最低著火溫度的影響

二氧化硅抑制機理為物理吸熱，首先，二氧化硅充當吸熱源吸收熱量降低加熱爐傳給鈦粉塵云的熱量；其次，充當障礙物，阻礙熱量傳遞給鈦粉顆粒，同時，二氧化硅分散在加熱爐中會降低加熱爐管內氧氣的含量，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有少量的粉末發生分解。鈦粉的燃燒是氧氣分子直接與顆粒表面接觸發生燃燒［11-12］，所以碳酸鈣在分解的過程中吸收了大量的熱，且產生了二氧化碳稀釋了爐膛內的氧氣，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，還具有更為復雜的化學分解作用。在溫度高于150℃開始吸熱發生熱分解反應，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。分解產生的氨氣阻礙鈦粉燃燒，產生的水以水蒸氣的形式存在降低加熱爐管內氧氣濃度，同時分解產生的自由基PO·能夠捕捉火焰區的H·，自由基濃度降低，致使火焰熄滅。因此磷酸二氫銨對鈦粉最低著火溫度的影響強于前兩者。

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弱，碳酸鈣和二氧化硅則逐漸增強。因為在阻礙鈦粉著火的過程中，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鈦粉著火的抑制作用相對較低。因此研究磷酸二氫銨分別與二者混合時對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試儀測試，實驗結果見表2。磷酸二氫銨和二氧化硅的混合物進行同樣的實驗，實驗結果見表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中的數據對比圖2中的3種單一的阻燃劑抑制結果可知：磷酸二氫銨和碳酸鈣的混合阻燃劑抑制效果比二者單獨作用時強，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作用時弱。

磷酸二氫銨分解產生的磷酸與碳酸鈣發生反應，生成磷酸氫鈣和水蒸氣等，反應產物阻礙粉塵著火降低氧氣含量；同時，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，增強磷酸二氫銨的抑制效果。二氧化硅性質穩定不與磷酸和磷酸鹽發生反應，即磷酸二氫銨和二氧化硅在加熱時沒有發生任何附加反應，二氧化硅的抑制效果相對較差，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：

由表2還可以看出：磷酸二氫銨和碳酸鈣的質量比由9∶1變化到 5∶5，鈦粉塵云的著火溫度由495℃增加到了568℃，即對鈦粉塵云的著火抑制效果增強。當碳酸鈣含量少時，只能與少量的磷酸發生附加反應，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生附加反應阻止鈦粉著火。因此，在實際生產中對鈦粉塵云燃燒、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 結論

1）磷酸二氫銨對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種阻燃劑質量的增加對鈦粉著火的抑制作用增強。2）在相同質量條件下，磷酸二氫銨與碳酸鈣的混合粉體對鈦粉塵云著火的抑制效果比二者單獨作用時強，二者存在協同作用。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作用時弱。3）磷酸二氫銨與碳酸鈣的混合粉體（碳酸鈣的質量分數在0～50%），隨著碳酸鈣質量的增加鈦粉塵云最低著火溫度升高。當兩種阻燃劑的質量均為50 mg時，鈦粉塵云最低著火溫度達到568℃。

［1］ 多英全，劉垚楠，胡馨升.2009～2013年我國粉塵爆炸事故統計

分析研究［J］.中國安全生產科學技術，2015，11（2）：186-190. ［2］ 伍毅，袁旌杰，蒯念生，等.碳酸鹽對密閉空間粉塵爆炸壓力影響的試驗研究［J］.中國安全科學學報，2010，20（10）：92-96.

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聯系方式：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，已發表論文1篇。

胡雙啟