超细氯化钠粉末的抗团聚改性研究及其对铝粉爆炸的抑制机制

《Powder Technology》：Study on anti-agglomeration modification of ultra-fine sodium chloride powder and its explosion suppression mechanism on aluminum powder

针对超细氯化钠爆炸抑制剂吸湿结块及流动性差的问题，采用表面疏水改性与流动助剂双策略优化。通过实验发现，添加60%改性NaCl（MNaCl）可使铝粉爆炸火焰前峰高度降低52.9%，75%添加率时基本抑制爆炸。分子动力学模拟表明，疏水改性层有效阻隔水分渗透并降低粒子间作用力。研究系统揭示了改性机制，为工业粉尘爆炸防控提供技术方案。

　　这项研究围绕超细氯化钠（NaCl）爆炸抑制剂的吸湿性聚集和流动性差等问题展开，旨在通过表面疏水性调控和流动助剂添加，提升其在工业粉尘爆炸防控中的应用性能。在工业生产中，粉尘爆炸是一个常见的安全隐患，尤其是在冶金、有色金属、建筑材料和机械制造等行业。一旦发生爆炸，其传播速度极快，可在数毫秒内覆盖整个工作空间，伴随强烈的压力波和持续的高温辐射，造成多重破坏效应。因此，开发高效的粉尘爆炸抑制剂对于保障工业安全至关重要。

当前，工业界广泛采用粉末爆炸抑制剂作为预防措施。然而，传统粉末抑制剂在储存过程中容易因颗粒间的范德华力而发生聚集和结块，这不仅影响其喷洒的均匀性，还降低了分散效率。为了解决这一问题，研究者们正在探索对粉末材料进行深入的分散性能研究，以建立有效的爆炸抑制环境和快速冷却通道。近年来，研究重点放在对固体惰性介质的复合改性上，通过提升其抑制可燃粉尘爆炸的能力，改善工业生产的安全性。

研究者们已经开发出多种新型粉末抑制剂，如利用工业废料中的磷酸（PG）制备的磷酸镁（MAP）粉末抑制剂，以及通过热分解吸收热量并生成惰性气体的碳酸钙（CaCO?）粉末。这些研究结果表明，适当的改性可以显著降低粉尘爆炸的敏感性和危害性。然而，一些新型抑制剂的合成过程涉及复杂的化学反应，这在工业化生产中带来了高成本和工艺不稳定的问题。相比之下，氯化钠作为传统D类粉末爆炸抑制剂的核心成分，其原材料来源广泛，生产工艺成熟，能够实现大规模生产。当氯化钠颗粒尺寸被控制在20微米以下时，其比表面积显著增加，从而提高了对金属粉尘爆炸的抑制效果。然而，氯化钠基的抑制剂在实际应用中仍面临吸湿性聚集和流动性差等挑战，这限制了其在工业中的广泛应用。

为了解决上述问题，本研究聚焦于对氯化钠粉末进行表面疏水性调控和流动助剂添加，以优化其分散性能，提升爆炸抑制效果。研究过程中，采用空气喷射磨作为研磨设备，对氯化钠进行超细研磨。随后，使用SHR高速加热混合器进行表面改性，选择了三种具有不同功能优势的疏水剂和流动助剂。其中，含甲基氢的硅油（DY H202）因其能够形成强疏水膜的能力而被选用；硅烷偶联剂（KH550）则因其在提高颗粒表面亲水性方面的效果而被采用。此外，还加入了镁硬脂酸（MgSt）作为流动助剂，通过其填充效应降低颗粒间的摩擦力，从而改善粉末的流动性。

通过单因素实验，研究分析了关键因素如表面改性剂类型和添加剂比例对粉末性能的影响，并确定了最佳的改性条件。研究发现，当添加5%的疏水性二氧化硅（SiO?）时，粉末的接触角达到了115.93°，表明其表面疏水性得到了显著提升。这一结果表明，疏水性二氧化硅能够更有效地填充颗粒间的空隙，形成更紧密的结构，从而有效防止水分渗透，提高粉末的稳定性。同时，镁硬脂酸的添加进一步增强了粉末的流动性，使其在实际应用中更加均匀地分散。

在实验过程中，研究人员还采用了Materials Studio进行分子动力学模拟，构建了粉末-改性剂模型，以量化颗粒间的相互作用变化，为改性分子的设计提供了理论依据。通过模拟，研究人员能够深入理解疏水层如何抑制水分渗透，并揭示其在防止颗粒聚集中的微观机制。这一研究不仅为氯化钠粉末的改性提供了科学依据，还为工业粉尘爆炸的防控提供了新的技术路径。

实验结果表明，在铝粉爆炸抑制场景中，添加60%的改性氯化钠（MNaCl）粉末能够将爆燃火焰前沿高度降低52.9%，相较于未改性的添加剂具有显著的提升效果。此外，当MNaCl添加比例达到75%时，铝粉爆炸基本被抑制。这一结果验证了改性氯化钠粉末在实际应用中的有效性，表明其在工业粉尘爆炸防控中的潜力。

研究还发现，提高粉末的抗聚集能力关键在于表面改性处理。这一过程通过使用表面活性剂或功能性材料，在颗粒表面进行物理吸附和化学键合，从而调整界面特性，实现分散稳定。例如，Yu等人通过选择三种插层化合物对高岭土进行改性，制备了改性高岭土复合抑爆剂，实验结果表明，改性后的高岭土粉末聚集特性得到了显著改善。同样，Wang等人采用氟化-能效改性方法制备了含氟能效复合粉末（Al-5Li@FSG），实验结果显示，复合粉末具有较低的表面能和良好的疏水性，从而提升了其稳定性并降低了与水的反应性。Zhang等人则通过原位聚合制备了改性铝粉，研究发现，氟聚合物在改性铝粉中的高气体产量有效抑制了颗粒的聚集。

研究还指出，粉末表面的微观结构特性是决定其分散稳定性的关键因素。目前，研究人员普遍依赖扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等宏观方法对粉末的分散状态进行实验测量和评估。然而，这些方法在揭示粉末表面改性剂的动态吸附路径等微观机制方面存在局限。因此，采用Materials Studio进行分子动力学模拟成为一种新的研究手段，能够突破这一瓶颈，构建粉末-改性剂模型，量化颗粒间的相互作用变化，为改性分子的设计提供理论支持。

通过这一研究，我们不仅对超细氯化钠粉末的性能缺陷有了更深入的理解，还为解决其在工业应用中的实际问题提供了系统性的解决方案。研究结果表明，通过表面疏水性调控和流动助剂添加，能够显著提升氯化钠粉末的抗聚集能力和爆炸抑制效果。这一研究不仅为氯化钠粉末的改性提供了科学依据，还为工业粉尘爆炸的防控提供了新的技术路径。

此外，研究还强调了不同改性方法在提升粉末性能方面的应用价值。例如，Yang等人通过将蛭石粉末与碳酸氢钠（NaHCO?）进行改性和混合，采用SEM和XRD进行宏观分析，发现改性后的复合粉末具有更紧密的排列结构，减少了聚集效应，提高了分散性。Bian等人则通过SEM等实验方法研究了布洛芬（IBU）粉末在硬脂酸涂层前后的性能变化，实验结果显示，硬脂酸盐能够均匀地覆盖在IBU颗粒表面，影响颗粒间的分子间作用力，从而改善其流动性能。然而，这些宏观实验在揭示改性剂在粉末表面的动态吸附路径等微观机制方面仍存在一定的局限性。

综上所述，这项研究通过系统的实验和模拟分析，为解决超细氯化钠粉末在工业应用中的性能问题提供了新的思路和方法。研究不仅验证了疏水性二氧化硅和镁硬脂酸在提升粉末性能方面的有效性，还揭示了改性层如何抑制水分渗透，从而减少颗粒间的相互作用。这些发现为工业粉尘爆炸的防控提供了坚实的理论基础和技术支持，具有重要的实际应用价值。