粉末阻燃剂对钛粉燃烧抑制的实验研究

裴凤娟，胡双启，叶亚明，孙彬峰，胡立双

（中北大学化工与环境学院，山西太原030051）

粉末阻燃剂对钛粉燃烧抑制的实验研究

裴凤娟，胡双启，叶亚明，孙彬峰，胡立双

（中北大学化工与环境学院，山西太原030051）

利用粉尘云最低着火温度测试仪研究粉末阻燃剂对钛粉尘云燃烧的抑制作用。实验结果表明：质量相等的3种不同粉末阻燃剂对钛粉尘云着火的抑制作用强弱依次为磷酸二氢铵、碳酸钙、二氧化硅。伴随着阻燃剂质量的增加，钛粉尘云最低着火温度升高；通过研究混合粉末阻燃剂对钛粉尘云着火的抑制作用发现，磷酸二氢铵与碳酸钙在混合作用下的抑制效果最佳，二者存在协同作用。当两种阻燃剂的质量均为50 mg时，钛粉尘云最低着火温度达到568℃。

粉末阻燃剂；钛粉尘云；最低着火温度

粉尘爆炸事故伴随着工业化的进展越来越频繁，近年来国内发生多起因粉尘爆炸导致的生产安全事故，粉尘爆炸事故不断引起社会各界的关注［1］。在加工和处理金属粉末时，不可避免地产生粉尘云，存在发生爆炸的潜在危险。基于本质安全和缓和原则的粉末抑爆是最为常用的抑爆手段，它是一种在可燃粉尘中加入粉末阻燃剂来抑制燃烧、爆炸的措施［2-5］。粉末阻燃剂种类繁多，主要的抑制机理有物理作用机理、化学作用机理、物理化学混合作用机理。阻燃剂的混合对粉尘爆炸会表现出不同于单一阻燃剂的抑爆行为［6-8］。钛金属因具有强度高、质量轻等特性在汽车、航空等领域中得到广泛应用［9］。钛粉性质非常活泼在生产加工过程中遇热表面、电火花、明火等容易发生火灾［10］。因此研究钛粉尘云燃烧过程中阻燃剂的抑制机理，对于采取合理的预防措施和减缓钛粉尘爆炸风险有重要的理论意义。测试。实验装置的结构示意图见图1。实验装置主要由加热炉、温度控制系统、粉尘扩散系统、热电偶构成。

图1 粉尘云最低着火温度测试仪的结构示意图

1 实验装置、测试方法和实验样品

1.1 实验装置和测试方法

采用粉尘云最低着火温度测试仪（MITTA）进行

测试前通过温度控制系统将加热炉设定一温度值，当炉膛内温度加热到设定的温度，在空气储存器中充入适量空气，将样品加入装样室并按下粉尘扩散开关进行点火。粉尘云着火判断依据为：粉体喷出后3 s内产生明显火焰判定为着火。

1.2 实验样品

实验样品钛粉，中位径d50=45 μm，纯度大于99%，形状为球形或类球形，钛粉的工业参数分析如表1所示。

表1 钛粉的工业参数分析

常用的燃烧、爆炸抑制剂有卤代烷、水、粉末及混合抑制剂等。笔者选用粉末阻燃剂来研究对钛粉燃烧的抑制作用。为了确保实验的准确性，购买了分析纯级别，纯度高于96.1%的3种阻燃剂，分别为磷酸二氢铵、碳酸钙、二氧化硅。将阻燃剂加入半圆型行星球磨机进行研磨，研磨至粒径＜75 μm。所有实验样品实验前放入温度为50℃的真空干燥机中干燥10 h。实验条件：环境温度为14～17℃，环境湿度为30%～35%。

2 实验结果与分析

2.1 不同的粉末阻燃剂对钛粉最低着火温度的影响

将钛粉质量固定为300 mg，以50 mg为梯度逐步向钛粉中分别加入磷酸二氢铵、碳酸钙、二氧化硅。测试结果绘制成图2。从图2可以看出：3种不同的粉末阻燃剂对钛粉的最低着火温度的影响较为明显，伴随着阻燃剂质量的增加，抑制效果越来越强烈；磷酸二氢铵对钛粉尘云最低着火温度的影响最为明显，碳酸钙次之，二氧化硅的抑制作用相对较弱。

图2 惰性粉体对钛粉最低着火温度的影响

二氧化硅抑制机理为物理吸热，首先，二氧化硅充当吸热源吸收热量降低加热炉传给钛粉尘云的热量；其次，充当障碍物，阻碍热量传递给钛粉颗粒，同时，二氧化硅分散在加热炉中会降低加热炉管内氧气的含量，不利于钛粉充分燃烧。由于碳酸钙颗粒较小容易受热，因此在加热的过程中会有少量的粉末发生分解。钛粉的燃烧是氧气分子直接与颗粒表面接触发生燃烧［11-12］，所以碳酸钙在分解的过程中吸收了大量的热，且产生了二氧化碳稀释了炉膛内的氧气，因此钛粉尘云最低着火温度升高，式（1）为碳酸钙的分解方程式。磷酸二氢铵除了具有与二氧化硅相同的物理吸热作用外，还具有更为复杂的化学分解作用。在温度高于150℃开始吸热发生热分解反应，生成磷酸、焦磷酸、偏磷酸与氨气，焦磷酸和偏磷酸附着在钛粉颗粒表面阻碍热传递，阻碍与氧化剂的接触。分解产生的氨气阻碍钛粉燃烧，产生的水以水蒸气的形式存在降低加热炉管内氧气浓度，同时分解产生的自由基PO·能够捕捉火焰区的H·，自由基浓度降低，致使火焰熄灭。因此磷酸二氢铵对钛粉最低着火温度的影响强于前两者。

由图2可以看出：随着温度的升高，磷酸二氢铵的抑制效果逐渐变弱，碳酸钙和二氧化硅则逐渐增强。因为在阻碍钛粉着火的过程中，原因是随着温度的升高磷酸二氢铵的分解效率下降。

2.2 混合粉末阻燃剂对钛粉尘云最低着火温度的影响

磷酸二氢铵在抑制钛粉尘云着火的过程中存在分解效率下降的问题，碳酸钙与二氧化硅对钛粉着火的抑制作用相对较低。因此研究磷酸二氢铵分别与二者混合时对钛粉燃烧的抑制行为的变化。将磷酸二氢铵和碳酸钙按不同比例混合作为新的阻燃剂，取100 mg混合粉末阻燃剂加入300 mg钛粉中混合均匀装入最低着火温度测试仪测试，实验结果见表2。磷酸二氢铵和二氧化硅的混合物进行同样的实验，实验结果见表3。

表2 磷酸二氢铵和碳酸钙混合阻燃剂的抑制行为

表3 磷酸二氢铵和二氧化硅混合阻燃剂的抑制行为

由表2和表3中的数据对比图2中的3种单一的阻燃剂抑制结果可知：磷酸二氢铵和碳酸钙的混合阻燃剂抑制效果比二者单独作用时强，磷酸二氢铵和二氧化硅的混合阻燃剂的抑制效果比磷酸二氢铵单独作用时弱。

磷酸二氢铵分解产生的磷酸与碳酸钙发生反应，生成磷酸氢钙和水蒸气等，反应产物阻碍粉尘着火降低氧气含量；同时，此过程能加速磷酸二氢铵的分解速率，可以快速地分解出更多抑制剂，增强磷酸二氢铵的抑制效果。二氧化硅性质稳定不与磷酸和磷酸盐发生反应，即磷酸二氢铵和二氧化硅在加热时没有发生任何附加反应，二氧化硅的抑制效果相对较差，所以二者混合，反而降低了磷酸二氢铵的抑制效果。

磷酸与碳酸钙的反应：

由表2还可以看出：磷酸二氢铵和碳酸钙的质量比由9∶1变化到 5∶5，钛粉尘云的着火温度由495℃增加到了568℃，即对钛粉尘云的着火抑制效果增强。当碳酸钙含量少时，只能与少量的磷酸发生附加反应，抑制效果弱。随着碳酸钙含量的增加可以与更多的磷酸二氢铵发生附加反应阻止钛粉着火。因此，在实际生产中对钛粉尘云燃烧、爆炸的抑制可选择磷酸二氢铵与碳酸钙的混合粉。

磷酸二氢铵受热分解方程式为：

3 结论

1）磷酸二氢铵对钛粉尘云最低着火温度的影响最为明显，其次为碳酸钙，二氧化硅与前二者相比最弱。随着3种阻燃剂质量的增加对钛粉着火的抑制作用增强。2）在相同质量条件下，磷酸二氢铵与碳酸钙的混合粉体对钛粉尘云着火的抑制效果比二者单独作用时强，二者存在协同作用。磷酸二氢铵和二氧化硅的混合阻燃剂的抑制效果比磷酸二氢铵单独作用时弱。3）磷酸二氢铵与碳酸钙的混合粉体（碳酸钙的质量分数在0～50%），随着碳酸钙质量的增加钛粉尘云最低着火温度升高。当两种阻燃剂的质量均为50 mg时，钛粉尘云最低着火温度达到568℃。

［1］ 多英全，刘垚楠，胡馨升.2009～2013年我国粉尘爆炸事故统计

分析研究［J］.中国安全生产科学技术，2015，11（2）：186-190. ［2］ 伍毅，袁旌杰，蒯念生，等.碳酸盐对密闭空间粉尘爆炸压力影响的试验研究［J］.中国安全科学学报，2010，20（10）：92-96.

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［12］ 王犇，臧晓勇，赵琳，等.硫磺粉尘爆炸特性研究［J］.无机盐工业，2014，46（9）：62-65.

联系方式：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

裴凤娟（1990— ），女，硕士研究生，主要从事防火防爆工程方面的研究，已发表论文1篇。

胡双启