改性干水对聚丙烯粉尘爆炸特性的影响

《Powder Technology》：Effect of modified dry water on the explosion characteristics of polypropylene dust

研究干水（DW）及其改性（MAP-DW、KHCO3-DW）对聚丙烯（PP）粉尘爆炸的抑制效果。通过20L球形爆炸舱实验和热分析（TG-DSC、TG-FTIR-MS），发现KHCO3-DW在低掺量（φ≈1.2）时抑制率达80%以上，使Kst趋近于0。机理包括KHCO3-DW的缓释冷却/惰化（H2O/CO2）和可循环气相K-链终止反应，MAP-DW通过高温磷自由基淬灭和凝结核层形成起作用，而纯DW主要依赖蒸发冷却和SiO2纳米颗粒吸附自由基。研究揭示了不同改性剂的作用机制及最佳掺量范围。

　　在工业生产与加工过程中，聚丙烯（PP）作为一种常见的热塑性塑料，其粉尘具有较高的爆炸风险。尤其是在粉尘浓度达到一定范围时，PP粉尘在空气中与氧气混合可能引发剧烈的燃烧反应，从而形成具有破坏力的粉尘爆炸。为了有效控制和预防这类危险，科学家们致力于研究和开发高效的粉尘爆炸抑制剂。近年来，一种被称为“干水”（Dry Water, DW）的材料因其独特的物理和化学特性，成为研究的热点。DW是由微米级水滴被疏水性二氧化硅（SiO?）包裹形成的自由流动粉末，具有较高的含水量（可达约90 wt%）。由于其特殊的结构，DW不仅能够防止水滴之间的合并，还能够在空气中良好分散，与粉尘云共同悬浮。在受热条件下，DW中的水滴会迅速蒸发，为系统提供显著的蒸发冷却效果和蒸汽稀释作用，从而降低局部火焰温度，减少可燃物质的体积分数。同时，脆弱的SiO?外壳在高温下会破碎成高比表面积的纳米颗粒，这些颗粒可作为自由基吸附和异相淬灭的场所，进一步提升抑制效果。

与传统惰性粉末相比，DW具有更高的单位质量热容量和更好的粉尘云分散性能。传统惰性粉末通常需要大量添加，容易结块，并且在低剂量时可能反而促进燃烧。而DW通过其独特的蒸发冷却和稀释机制，能够在较低剂量下实现显著的抑制效果。例如，在某些实验条件下，DW能够完全抑制粉尘爆炸，其效果优于传统的ABC/BC干粉抑制剂。这一特性使得DW成为一种极具潜力的粉尘爆炸抑制材料，尤其是在处理热塑性聚合物粉尘时。

本研究聚焦于聚丙烯粉尘爆炸的抑制问题，重点分析了三种不同类型的DW抑制剂：纯干水（DW）、单氨磷酸干水（MAP-DW）和碳酸氢钾干水（KHCO?-DW）。实验在标准的20 L球形爆炸容器中进行，涵盖了四种不同的粉尘粒径（10 μm、30 μm、60 μm、140 μm）以及从低浓度到高浓度的粉尘云条件。实验结果显示，最大爆炸压力（Pmax）和最大压力上升率（dp/dt max）均表现出浓度依赖的单峰特征。对于粒径为10 μm的PP粉尘，Pmax在浓度达到约300 g/m3（St-1）时达到约0.68 MPa。在接近最佳的PP粉尘浓度条件下，通过剂量比（φ）进行参数化的剂量–反应实验表明，KHCO?-DW的抑制效果优于MAP-DW，而MAP-DW又优于纯DW。

所有类型的DW抑制剂均能有效降低Pmax和dp/dt max，同时延缓压力上升的动力学过程。其中，KHCO?-DW在15 wt%的添加比例下（KH-15），能够在φ≈1.2的条件下实现超过80%的Pmax降低，使Kst（粉尘爆炸指数）向St-0趋近。然而，在极低的φ值下，偶尔会观察到压力上升率的轻微增加，这可能与粉尘云的增强扩散有关。为了进一步理解这些抑制剂的作用机制，研究结合了热重分析（TG）与热重–差示扫描量热（DSC）以及热重–傅里叶变换红外光谱（FTIR）–质谱（MS）的联用技术。通过这些技术，研究者能够区分物理过程（如蒸发冷却、稀释以及SiO?提供的异相淬灭位点）与化学抑制路径（如磷酸化学和钾循环的自由基淬灭机制）。

纯PP粉尘的热解过程通常表现为单一阶段的吸热反应，其热解温度范围大约在370–505°C之间，主要由C?–C?烯烃主导。而DW则表现出强烈的低温吸热反应，其温度范围约为30–130°C。这种差异表明，DW在较低温度下就能通过蒸发冷却机制有效抑制火焰的传播。相比之下，MAP-DW则在高温下提供更强的P自由基淬灭和凝相屏障的形成，而KHCO?-DW则通过慢释放冷却和惰性作用（如H?O/CO?的释放）以及可循环的气相K循环来加速链终止反应。这些不同的作用机制使得不同类型的DW在抑制粉尘爆炸时表现出不同的效果。

在处理PP粉尘爆炸时，研究发现，通过系统地调整DW的添加比例和粒径，能够实现更有效的抑制。实验还表明，KHCO?-DW在较低剂量下就能达到显著的抑制效果，这与其在高温下释放的H?O/CO?以及K循环的化学作用密切相关。而MAP-DW则在更高剂量下表现出更强的抑制能力，这与其在高温下对P自由基的淬灭作用有关。研究进一步揭示了PP粉尘爆炸的抑制机制，即通过物理和化学过程的协同作用，DW能够有效降低爆炸压力和压力上升率，同时延缓爆炸反应的进程。

在工业应用中，粉尘爆炸的控制不仅依赖于抑制剂的选择，还与粉尘的粒径、浓度以及分散条件密切相关。因此，研究者需要综合考虑这些因素，以优化抑制剂的使用效果。例如，在低浓度和小粒径条件下，PP粉尘更容易形成气相主导的燃烧反应，这使得其爆炸压力和压力上升率较高。而在高浓度和大粒径条件下，PP粉尘则可能由于氧气不足和颗粒聚集效应而降低爆炸的严重程度。因此，合理的粉尘云设计和良好的分散条件对于准确评估爆炸的严重程度至关重要。

本研究的实验数据表明，不同类型的DW在抑制PP粉尘爆炸时具有不同的效果。通过系统地调整DW的添加比例和粒径，研究者能够更精确地控制爆炸压力和压力上升率，从而实现更有效的抑制。此外，研究还发现，在低剂量条件下，PP粉尘的爆炸反应可能表现出一定的促进效应，这与粉尘云的扩散和颗粒的相互作用有关。因此，在实际应用中，需要确定合理的剂量范围和安全阈值，以确保抑制剂的使用效果。

为了更全面地理解这些抑制剂的作用机制，研究结合了热重分析（TG）与差示扫描量热（DSC）以及热重–傅里叶变换红外光谱（FTIR）–质谱（MS）的联用技术。通过这些技术，研究者能够区分物理过程（如蒸发冷却、稀释以及SiO?提供的异相淬灭位点）与化学抑制路径（如磷酸化学和钾循环的自由基淬灭机制）。这些发现不仅有助于深入理解PP粉尘爆炸的抑制机制，还为工程应用提供了重要的指导。

在实际应用中，粉尘爆炸的控制需要综合考虑多种因素，包括粉尘的粒径、浓度、分散条件以及抑制剂的类型和添加比例。因此，研究者需要通过系统的实验和数据分析，来确定最佳的抑制剂配方和使用条件。例如，在处理PP粉尘爆炸时，需要选择合适的粒径和浓度，以确保抑制剂的有效性。同时，还需要考虑粉尘云的分散条件，以优化抑制剂的使用效果。

本研究的实验数据表明，KHCO?-DW在抑制PP粉尘爆炸时表现出更强的性能。其通过慢释放冷却和惰性作用，以及可循环的气相K循环，能够有效降低爆炸压力和压力上升率，同时延缓爆炸反应的进程。而MAP-DW则通过高温下的P自由基淬灭和凝相屏障的形成，表现出一定的抑制效果。相比之下，纯DW在较低剂量下就能实现显著的抑制效果，这与其在低温下的蒸发冷却机制有关。

综上所述，本研究通过系统地分析不同类型的DW抑制剂在PP粉尘爆炸中的作用机制，揭示了其在不同条件下的抑制效果。研究结果表明，KHCO?-DW在抑制PP粉尘爆炸方面具有显著的优势，特别是在较低剂量下即可实现有效的抑制。同时，研究还发现，在某些条件下，PP粉尘的爆炸反应可能表现出一定的促进效应，这与粉尘云的扩散和颗粒的相互作用有关。因此，在实际应用中，需要合理选择抑制剂的类型和添加比例，以确保其抑制效果。此外，研究还强调了在粉尘爆炸控制中，物理和化学过程的协同作用的重要性，以及如何通过优化这些过程来实现更有效的抑制。这些发现不仅有助于深入理解PP粉尘爆炸的抑制机制，还为工程应用提供了重要的指导。