含能粉体的静电起电：AP/HMX/铝粉溜槽进料与铝粉仓卸料

《Process Safety and Environmental Protection》：Electrostatic charging of energetic powders: AP/HMX/Al powder chute feeding and Al powder hopper discharge

　　

摘要

含能粉末进料过程中的静电荷取决于材料组合与进料历史，而法拉第杯测量仅反映宏观代数净电荷。本研究利用实验室溜槽试验，在单组分、顺序进料和等质量预混条件下考察了高氯酸铵（AP）、八异丙基肼（HMX）和铝粉（Al）的静电荷特性。采用工程规模铝料斗试验、基于离散元（DEM）的接触起电机模拟以及后续电场后处理，研究宏观净起电并定性展示模型预测的空间分布。AP与304不锈钢接触后获得正净电荷，而HMX和Al获得负净电荷。进料顺序使最终荷质比变化幅度高达4.86倍。对于预混体系，测量值比无符号质量加权独立组分参考值低66.6%–68.6%，表明单独组分值不能直接组合以预测混合物。两次铝料斗试验的荷质比分别为0.00698和0.00741 nC/g。DEM模型在所采用的模型假设下展示了空间非均匀的粒子带电情况。实验结果表明，进料顺序和预混对测试条件下的宏观净起电有影响。

引言

复合固体推进剂制造涉及广泛的输送操作，包括含能粉末的输送、进料和混合。在这些操作过程中，粒子-壁面和粒子-粒子界面上的反复接触与分离产生摩擦静电荷转移，导致粉末系统中静电荷积累（Lacks and Shinbrot, 2019, Pavey, 2004）。从工艺安全角度来看，粉末输送操作中的静电荷积累尤为重要，因为静电放电可与粉尘分散、设备密闭性和局部点燃敏感性相互作用，在工艺系统中引发火灾或爆炸危险（Yuan et al., 2015）。高氯酸铵（AP）、八异丙基肼（HMX）和铝粉（Al）是复合固体推进剂中广泛使用的固体组分（Du et al., 2022, Nie et al., 2022）。这三种材料均表现出显著的静电敏感性，并频繁涉及推进剂生产过程中的静电危险评估（Deng et al., 2019, Naseem et al., 2021, McClain et al., 2019）。当足够的电荷积累导致局部电场增强时，可能发生静电放电（ESD），并可能成为含能粉末的点火源（Hosseinzadeh et al., 2019, Wilms et al., 2024）。因此，理解静电荷积累并准确评估进料过程中的相关危险是推进剂制造中的重要工艺安全问题（Choi et al., 2015, Bi et al., 2022）。

已有大量研究致力于理解含能粉末中的静电荷特性。以往研究表明，材料性质、粒子尺寸、流动条件和接触表面对粒子带电行为有显著影响（Zhao et al., 2023）。例如，已使用实验室规模筛分系统研究了环三亚甲基三硝胺（RDX）和HMX粒子的摩擦起电行为（Zhou et al., 2015）。这些研究加深了对粒子-壁面带电机理的理解，并为静电风险减缓提供了指导。从更广泛的粉末工艺安全角度来看，静电荷积累应与粉尘分散以及点火和爆炸特性一并考虑。粉尘爆炸研究表明，粒子尺寸、粉尘浓度、湿度和分散条件对点火和爆炸行为有强烈影响（Azam and Mishra, 2019, Eckhoff, 2019）。对于金属粉末，特别是含铝粉尘，爆炸严重性和预防与粒子尺寸分布、粉尘浓度、反应活性和通风条件密切相关（Serrano et al., 2021, Luo et al., 2021, Yang et al., 2021, Qu et al., 2024）。此外，关于最小点火能、最小点火温度和火灾爆炸特性预测的研究进一步表明，点火敏感性应与粉末性质和工艺条件一并评估（Jiao et al., 2019, Chen et al., 2024, Marmo et al., 2017）。因此，含能粉末输送过程中的静电危险评估不仅应考虑单个粉末的固有起电倾向，还应考虑可能影响电荷积累和点火敏感性的操作条件、粉末分散状态和粒子间相互作用。然而，大多数现有静电研究集中在单组分粉末上。相比之下，在多组分含能粉末进料过程中，不同粉末组分之间的接触及其导致的电荷转移和再分配对测量净电荷的影响仍了解不足。

在工业推进剂制造中，AP、HMX和Al通常作为多组分粉末混合物而非单独材料进行处理。在这种条件下，静电行为不仅受粒子-壁面带电机理控制，还受粒子间接触、电荷转移和电荷再分配的影响，同时符号相反的粒子电荷在宏观测量中可能发生代数抵消（Anderson and Fox, 1995, Hansen et al., 2020）。因此，仅凭单组分起电数据无法可靠预测多组分系统的静电荷积累行为。粒子-粒子相互作用可显著改变粒子-壁面电荷转移（Naik et al., 2016），而粒子尺寸差异可进一步增强内部电荷分离（Bilici et al., 2014）。这些研究表明粒子间耦合是控制多组分系统中静电荷积累的重要因素。

除起电机理本身外，静电测量结果的解释对粉末输送操作的工艺安全评估也至关重要。在工程实践中，测量的静电指标常被用于指导操作条件选择、进料顺序设计、设备监测、接地策略和危险控制措施。以往关于本质安全、粉尘爆炸预防、动态安全评估、牵制与贝叶斯网络分析以及工艺安全管理的研究强调，事故预防应考虑危险演化、不确定性、贡献因素间的相互作用以及安全屏障的有效性，而不能仅依赖易于测量的工艺变量（Khakzad et al., 2013, Khan et al., 2015, De Rademaeker et al., 2014, Lee et al., 2019）。这一观点对含能粉末进料尤为重要，因为在法拉第杯测量主要提供收集的粒子组合的宏观净电荷的情况下，流动粉末内部可能仍存在局部电荷富集和强电场区域。因此，本研究考察进料顺序和预混如何影响测量的宏观净电荷，并将壁面预充电作为顺序依赖行为的可能解释（Naik et al., 2015, Hu et al., 2018）。另设一个铝料斗案例与粗粒度数值模型进行描述性对比。

因此，本研究旨在：（i）研究AP、HMX和Al的摩擦起电特性；（ii）考察进料顺序和多组分相互作用的影响；（iii）使用工程规模铝料斗-排放案例、DEM接触起电机模拟和电场后处理评估宏观荷质比测量的解释。研究结果为含能粉末进料和输送过程中的静电起电解释提供了工艺工程基础。

章节摘要

材料

选择AP、HMX和Al作为测试材料，它们是复合固体推进剂中常见的固体组分。使用激光粒度分析仪（Bettersize 2600，中国）测量三种粉末的粒度分布，如图1所示。AP、HMX和Al的中位粒径（D₅₀）分别为349.29、166.95和42.60 μm。粒度分布跨度按公式（1）计算。根据公式（1），计算得到的AP、HMX和Al的跨度值分别为0.93、0.88，

粉末进料过程中静电荷积累的动态演化

图4展示了AP、HMX和Al进入法拉第杯的电荷和质量历史，测量质量流量约为10 g/s，对应溜槽倾角50°、下落高度100 mm、进料质量3 g。进料过程中质量与累计净电荷同步变化。与304不锈钢接触后，AP显示正净电荷，而HMX和Al显示负净电荷。使用带符号的荷质比描述电荷

结论

• (1)
  AP、HMX和Al在进料过程中表现出不同的摩擦起电特性。在质量流量10 g/s、下落高度100 mm的条件下，HMX、AP和Al的荷质比绝对值分别为10.31、6.81和1.21 nC/g。三种粉末的荷质比均随质量流量先增大后减小，并随下落高度增大而减小。
• (2)
  顺序进料体系的宏观起电响应取决于进料

CRediT作者贡献声明

吕佳露：原稿撰写、可视化、方法论、概念构思。岳亚君：形式分析。罗伊敏：项目管理。李文龙：调查、数据管理。蒋小涵：数据管理。崔彦东：数据管理。许飞扬：调查。徐森：验证。吴兴良：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在与本文所提交工作相关的任何商业或关联利益冲突。

致谢

感谢参与本研究的所有合作者。本工作得到国家自然科学基金（编号12402436、编号22208272）和航天化学动力全国重点实验室开放研究基金项目（NKLACP320261A07）资助。

吕佳露|岳亚君|罗伊敏|李文龙|蒋小涵|崔彦东|许飞扬|徐森|吴兴良