3種阻燃粉體抑制鋯粉云爆炸強度的效果和機理

王秋紅 閔銳 王清峰

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 校醫(yī)院，陜西 西安 710054)

粉體在為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大能量的同時也帶來了許多安全隱患[1]。當(dāng)存在點火源且空氣中粉體濃度超過其爆炸下限時，就可能發(fā)生爆炸事故[2]。對于金屬粉塵爆炸及其抑制機理，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。其中關(guān)于金屬粉塵燃爆方面的研究有：Armstrong[3]概述了粉塵爆炸基本問題和產(chǎn)生的影響因素；Cashdollar等[4- 5]研究了鎂、鋁、鐵、錫等金屬粉塵云和碳、硅等元素粉塵云的爆炸溫度、壓力以及爆炸下限濃度等爆炸特性，并以此評估礦物和金屬加工中粉塵物質(zhì)的爆炸危險；Matsuda等[6]介紹了鋯、鉭和有機硅粉塵3類金屬粉塵爆炸危險性評估試驗，同時討論了國際上公認(rèn)的金屬粉塵爆炸試驗方法；Khaikin等[7]利用金屬氧化動力學(xué)規(guī)律的特點，分析了鋁粒子和鎂粒子的點火問題和點火過程；Sun等[8]分析了管道中鋁粉塵云的火焰?zhèn)鞑ミ^程和火焰結(jié)構(gòu)；Toleshov[9]研究了鋁金屬粉塵在生產(chǎn)及使用過程中發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險的評價方法，以及爆轟波出現(xiàn)和傳播的條件；Sakata等[10]揭示了鋁、鈦、鋅、鐵基的合金粉末在冷噴涂過程中的粉塵爆炸特性；Dufaud等[11]探討了粉塵質(zhì)量濃度、粒度分布和濕度對鋁粉塵爆炸的影響；Ioffe[12]分析了鋯金屬粉塵爆炸過程中的壓力變化特征和爆炸機理；Molodetsky等[13]對鋯粉顆粒燃燒過程進行了分析，研究了燃燒過程中溫度躍變和微爆炸機理；Arimondi等[14]分別從宏觀動力學(xué)以及微動力學(xué)兩個方面闡述了燃燒狀態(tài)下鋯顆粒的氧化過程；Ewald等[15]采用二維有限差分模型模擬了鋯在氧氣中的燃燒過程，并研究了影響鋯粉燃燒的因素；丁以斌等[16]探究了方形開口管道中鋯粉塵云火焰的傳播特性，并分析了質(zhì)量濃度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀秽囓姷萚17]研究了初始點火能量、點火延遲時間、粉塵云質(zhì)量濃度等因素對鋯粉塵云爆炸強度的影響，揭示了鋯金屬粉塵云的爆炸特性。

關(guān)于金屬粉塵抑爆方面的研究有：Eckhoff[18]歸納了目前用于粉塵抑爆的常見措施，包括控制點火源，避免形成粉塵云，采用隔離、泄放、通風(fēng)技術(shù)等通用方法；Eckhoff[19]還研究了粉塵粒徑、粉塵云中顆粒團聚程度、粉塵云濃度以及湍流程度對粉塵云著火敏感性和爆炸強度的影響，并探討了防治粉塵爆炸的本質(zhì)安全化工藝設(shè)計；Oleszczak等[20]建立了粉塵-空氣混合物的爆炸抑制數(shù)學(xué)模型，并提出了在工業(yè)設(shè)施中常用的爆炸抑制系統(tǒng)及影響其抑制效率的因素；文獻[21- 22]總結(jié)了工業(yè)生產(chǎn)過程中金屬粉塵的防爆技術(shù)，主要有電氣設(shè)備防爆處理，通風(fēng)排氣系統(tǒng)設(shè)計，空氣管道和集塵器中積聚灰塵及時清理，對顆粒進行包覆等措施；Mintz等[23]發(fā)現(xiàn)了氧化鎂與鎂、鋁金屬粉塵混合后，可以有效降低鎂、鋁金屬粉塵的爆炸危險性；Taveau等[24]揭示了碳酸氫鈉、磷酸二氫銨(ABC)和碳酸氫鉀等物質(zhì)對鋁粉塵云爆燃的抑制作用；Jiang等[25]研究了ABC粉對鋁粉塵云爆炸的抑制機理；李亞男等[26- 27]分析了碳酸二氫銨、碳酸鈣對鎂粉、鋁粉、鎂鋁合金粉以及鈦粉粉塵云最小點火能和爆炸強度的抑制效果； 梅曉凝[28]探究了微米級鋁粉塵云的爆炸強度以及對磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈣、磷酸二氫銨、二氧化硅和氯化鈉5種抑爆劑種類和添加量的敏感程度；魏吳晉[29]闡明了碳酸氫納對納米級鋁粉塵云的滅火效果。

目前金屬粉體的研究主要集中在常見金屬粉的著火特性、燃爆特性和防爆措施，對鋯金屬粉塵云爆炸特性的研究較少。鋯金屬由于吸氣能力強、活性大、熔點高、比熱容小、燃燒速度快和燃燒熱量高、機械性能和耐腐蝕性能強等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、新能源和軍工等重要領(lǐng)域。在一定溫度下，鋯粉能在 O2、N2、H2O 等氣體中燃燒，并且能自爆，能引燃各類常見物質(zhì)[30]，且不能采用傳統(tǒng)的水介質(zhì)滅火劑滅火。美國礦物局對易燃燒爆炸的 24 種金屬作了危險性評估，發(fā)現(xiàn)鋯比鎂和鈦更具危險性，是一種危險性金屬[31]。因此，對鋯金屬粉塵云的燃爆特性以及阻燃材料的研究尤為必要，需要對能夠抑制鋯金屬粉塵爆炸的粉體材料進行專門研究。本文對磷酸二氫銨(ABC)、三聚氰胺焦磷酸鹽(MPP)和三聚氰胺氰尿酸鹽(MCA)抑制鋯粉云爆炸強度的效果和機理進行分析，并對比三者中抑制鋯粉爆炸效果的較優(yōu)阻燃粉體，以期為生產(chǎn)、儲運鋯粉企業(yè)提供參考。

1 實驗系統(tǒng)與實驗材料

1.1 實驗系統(tǒng)介紹

采用20 L近球形爆炸實驗系統(tǒng)開展鋯粉云爆炸和抑爆實驗，該實驗系統(tǒng)由爆炸罐、配氣系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和容器清潔系統(tǒng)組成，如圖1所示。近球形爆炸罐高為35 cm，內(nèi)徑為30 cm。噴粉系統(tǒng)由壓縮空氣氣瓶、電磁閥、儲氣罐、儲粉罐、粉體擴散器和托粉皿組成，用來噴起粉塵，形成粉塵云。點火系統(tǒng)采用化學(xué)點火頭作為點火源，采用中心點火方式。電磁閥的開啟時間、噴粉時間以及點火延遲時間由控制系統(tǒng)控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、采集卡和計算機等。壓力傳感器位于點火電極的上方。當(dāng)爆炸罐內(nèi)壓力發(fā)生變化時，由安裝在爆炸罐壁上的壓力傳感器接收爆炸壓力信號，通過采集卡將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，經(jīng)過計算程序，顯示出最大爆炸壓力。采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA 449 F3型熱重-差熱同步熱分析儀(見圖2)對抑爆機理進行微觀探究。

圖1 20 L近球形爆炸實驗系統(tǒng)示意圖

圖2 同步熱分析儀Fig.2 Simultaneous thermal analyzer

1.2 實驗過程及參數(shù)設(shè)置

近球形爆炸系統(tǒng)實驗過程如下：①檢查爆炸罐氣密性；②檢查各儀器是否處于正常工作狀態(tài)；③稱量一定質(zhì)量的測試粉塵，并將粉塵平鋪在托粉皿上；④將化學(xué)點火頭分別連接在點火電極兩端，并使點火頭處于點火電極中心部位，蓋好爆炸罐頂蓋，并上緊螺絲；⑤對爆炸罐抽真空；⑥在控制軟件中點擊聯(lián)動測試，系統(tǒng)自動開啟電磁閥，點火并記錄壓力曲線。該過程中的電磁閥開啟會將儲氣罐中的1 MPa壓縮空氣噴入爆炸管內(nèi)，使托粉皿上的粉塵分散于爆炸罐內(nèi)，且使罐內(nèi)的壓力恰好達到常壓?？刂栖浖?shù)設(shè)置為：采樣頻率為5 kHz，采樣時間為1 s，電磁閥開啟時間為10 ms。

熱重-差熱同步熱分析儀的參數(shù)設(shè)置過程如下：將樣品均勻平鋪在坩堝底部后，將坩堝放入儀器中，軟件顯示出樣品質(zhì)量后保存，并對溫度和靈敏度進行校正。軟件中設(shè)置參數(shù)如下：吹掃氣O2和N2的流速分別為5、10 mL/min，保護氣N2的流速為10 mL/min，升溫速率為10 ℃/min。

1.3 實驗材料特性

金屬粉體材料采用鋯粉(分子式為Zr)，純度達99.9%。鋯粉和3種阻燃粉體的實物圖如圖3所示，物質(zhì)特點如表1所示。實驗開始前將所有粉體分別置于30 ℃恒溫真空箱中干燥12 h，以確保實驗中的樣品使用條件一致,減少樣品中水分對實驗結(jié)果的影響。

1.4 粉體材料粒度分析

采用Malvern 2000激光粒度儀對粉體材料進行粒度分析。鋯粉及3種阻燃粉體的粒徑分布如圖4所示，平均粒徑分布如表2所示。由表中可知，3種阻燃材料(ABC、MPP、MCA)的粒度分布非常接近，粒徑大小對其阻燃效果差異性的影響可以忽略。

圖3 鋯粉及3種阻燃粉體的實物圖

表1 鋯粉及3種阻燃粉體的物質(zhì)特點

圖4 鋯粉及3種阻燃粉體的粒徑分布

表2 鋯粉及3種阻燃粉體的平均粒徑分布

2 阻燃粉體抑制鋯粉云爆炸強度的效果分析

文獻[17]研究得到點火延遲時間為80 ms，點火能量為3 kJ。本文考察不同鋯粉塵云質(zhì)量濃度C(20～200 g/m3)對鋯粉云最大爆炸壓力pm的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，當(dāng)鋯粉云質(zhì)量濃度為80 g/m3時，鋯粉云的最大爆炸壓力達到峰值0.465 MPa，即是鋯粉云爆炸最猛烈狀態(tài)。

圖5 鋯粉云的最大爆炸壓力與粉塵云質(zhì)量濃度的關(guān)系

針對80 g/m3鋯粉云(1.6 g鋯粉均勻懸浮在20 L爆炸罐內(nèi))爆炸最猛烈狀態(tài)，進一步探索ABC、MPP、MCA阻燃粉體粉塵云質(zhì)量濃度的增加對鋯粉云爆炸最猛烈狀態(tài)的抑制效果。將ABC、MPP、MCA阻燃粉體與1.6 g鋯粉進行不同質(zhì)量配比，阻燃粉體與鋯粉的配比關(guān)系見表3。

不同質(zhì)量濃度的ABC、MPP、MCA阻燃粉體抑制鋯粉云爆炸最猛烈狀態(tài)，阻燃粉體與鋯粉混合體系的最大爆炸壓力(pm)與阻燃粉體粉塵云質(zhì)量濃度(Cm)之間的關(guān)系如表4所示。從表中可知：①當(dāng)鋯粉云中存在ABC、MPP、MCA阻燃粉體時，形成的混合粉塵云體系最大爆炸壓力都有大幅度的下降，說明ABC、MPP、MCA阻燃粉體對鋯粉云爆炸強度有抑制作用；②隨阻燃粉體粉塵云質(zhì)量濃度的增加，混合粉塵云體系最大爆炸壓力呈現(xiàn)持續(xù)遞減的趨勢，說明阻燃粉體添加量越多，抑制鋯粉云爆炸的效果越好；③ABC粉對鋯粉云爆炸的抑制效果占有極大的優(yōu)勢，200 g/m3的ABC粉可完全抑制住鋯粉云在最猛烈狀態(tài)時的爆炸。

表3 阻燃粉體與鋯粉的配比關(guān)系

表4 混合體系最大爆炸壓力Table 4 Maximum explosion pressure of the mixture systems

3 阻燃粉體抑制鋯粉云燃燒的機理分析

采用同步熱分析儀分別對純鋯粉、鋯粉與3種阻燃粉體的混合體系進行熱重-差熱分析，得到鋯粉添加阻燃粉體混合體系在空氣氣氛中的熱重特征和熱反應(yīng)特征，以期揭示3種阻燃粉體抑制鋯粉云氧化燃燒的機理。對鋯粉添加阻燃粉體混合體系進行樣品制備，成分配比如下：純鋯粉樣品質(zhì)量為6 mg，添加阻燃材料為0 mg；混合體系中鋯粉質(zhì)量為6 mg，添加阻燃粉體質(zhì)量為3 mg，質(zhì)量配比為2∶1。

3.1 鋯粉的熱重-差熱分析

鋯粉的TG-DTG和TG-DSC的熱分析譜圖如圖6所示。圖中m為相對質(zhì)量，t為溫度，q為熱流量。從圖中可知，鋯粉與空氣反應(yīng)是一個增重放熱過程，主要分為4個階段。

圖6 純鋯粉的熱重-差熱譜圖

(1)低溫氧化階段：在32.08 ℃時鋯粉開始與空氣中的氧氣進行低溫氧化，在32.08～89.58 ℃間，鋯粉的增重過程在DSC曲線上對應(yīng)一個小的放熱峰。

(2)緩慢氧化階段：在89.58～257.08 ℃間，鋯粉發(fā)生不明顯的失重，在DSC曲線上對應(yīng)一個小的吸熱峰，這是由于鋯粉在實驗前進行過恒溫干燥處理，已排除水分對實驗的影響，故二次蒸發(fā)水分較少。

(3)劇烈反應(yīng)階段：在257.08～772.08 ℃間，鋯粉繼而發(fā)生增重，隨著溫度的升高，TG曲線上升的速度增加，反應(yīng)速率加快；在602.08 ℃時，鋯的增重速率達到最大；在604.58 ℃時，其放熱速率達到最大。

(4)反應(yīng)平衡階段：當(dāng)溫度達到772.08 ℃時，TG曲線逐漸趨于水平，表示化學(xué)反應(yīng)結(jié)束。

3.2 3種阻燃粉體的熱重-差熱分析

3種阻燃材料ABC、MPP、MCA的TG-DTG和TG-DSC熱分析譜圖如圖7所示。

圖7 3種阻燃粉體的熱重-差熱譜圖

從圖7可知，ABC、MPP、MCA阻燃粉體在空氣中被加熱都是失重吸熱的過程。ABC粉體在31.01～147.96 ℃間因少量水分蒸發(fā)而發(fā)生不明顯的失重吸熱，在147.96～476.91 ℃、476.91～743.05 ℃間因粉體受熱分解發(fā)生兩次明顯的失重吸熱，分別在198.00和614.90 ℃時失重速率達到最大，對應(yīng)在200.61和617.33 ℃時吸熱速率達到最大；在743.05 ℃時ABC粉體質(zhì)量基本上不再發(fā)生變化，其熱分解過程結(jié)束。分解步驟如下所述：在31.01～147.96 ℃期間，由于ABC粉自身穩(wěn)定性較好，故ABC粉不發(fā)生分解；在147.96～476.91 ℃期間，ABC粉開始分解為氨氣和磷酸，并伴隨著部分磷酸脫水生成焦磷酸；在476.91～743.05 ℃期間，未脫水的磷酸脫水生成偏磷酸，生成的偏磷酸繼續(xù)脫水生成五氧化二磷，過程伴隨水蒸氣的生成。

MPP粉體在28.59～177.23 ℃間發(fā)生不明顯的失重吸熱。在177.23～344.22 ℃、344.22～420.70 ℃、420.70～759.62 ℃間因粉體受熱分解發(fā)生3次明顯的失重吸熱，分別在272.65、388.96、540.27 ℃時失重速率達到最大，對應(yīng)在280.22、394.22、544.74 ℃時吸熱速率達到最大；在759.62 ℃時，MPP粉體的熱分解過程趨于結(jié)束。分解步驟如下所述：MPP粉體在28.59到177.23 ℃間因自身水分蒸發(fā)而引起失重；在177.23到344.22 ℃間，MPP粉體受熱分解為焦磷酸和三聚氰胺；在344.22～420.70 ℃間，三聚氰胺繼續(xù)分解為密白胺、密勒胺等胺類物質(zhì)和氨氣，這個過程中同時伴隨有焦磷酸的分解，產(chǎn)生磷酸、偏磷酸以及水蒸氣；在420.70～759.62 ℃間，上一階段產(chǎn)生的胺類物質(zhì)繼續(xù)分解產(chǎn)生氨氣、氰化氫等，并有少量的磷酸失水形成偏磷酸[32- 33]。

MCA粉體在30.13～274.47 ℃間未發(fā)生質(zhì)量改變，在274.47～445.89 ℃間因粉體受熱分解發(fā)生一次明顯的失重吸熱，在419.15 ℃時失重速率達到最大，對應(yīng)在425.67 ℃時吸熱速率達到最大，在445.89 ℃時MCA粉體的熱分解過程結(jié)束。分解步驟如下所述：MCA粉體在溫度達到274.47 ℃時開始分解成三聚氰胺和氰尿酸，三聚氰胺又繼續(xù)分解成密白胺、密勒胺等胺類物質(zhì)和氨氣，其中氰尿酸屬于難燃?xì)怏w。

3.3 鋯粉添加阻燃粉體混合體系的熱重-差熱分析

鋯粉添加阻燃粉體混合體系的TG-DTG和TG-DSC熱分析譜圖如圖8所示。

綜合對比圖6-圖8可知，鋯粉添加阻燃粉體混合體系在空氣中被加熱都是增重-失重-再增重、放熱-吸熱-再放熱的過程。鋯粉添加ABC粉混合體系在26.68～97.46 ℃間的TG曲線開始緩慢上升，說明在此溫度時鋯粉開始與空氣中的氧氣進行低溫氧化；在97.46～169.95 ℃間因少量水分蒸發(fā)而發(fā)生不明顯的失重吸熱；在169.95～591.45 ℃間因ABC粉體受熱分解而發(fā)生失重吸熱，分解產(chǎn)物對鋯粉氧化產(chǎn)生了抑制作用，降低了鋯粉與氧氣的接觸幾率，并在199.72 ℃時失重速率達到最大，對應(yīng)在194.85 ℃時吸熱速率達到最大；在591.45～800.00 ℃間再次發(fā)生增重，此階段是因ABC阻燃粉體在此溫度區(qū)間已經(jīng)分解完成，未被氧化的鋯粉會繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)而呈現(xiàn)出再次增重的過程。隨著溫度的升高，TG曲線上升的速度加快，在651.60 ℃時鋯粉的氧化反應(yīng)速率達到最大；當(dāng)溫度升高至800.00 ℃以后，TG曲線趨于水平，鋯粉質(zhì)量不再增加，表示化學(xué)反應(yīng)過程結(jié)束。對比鋯粉、ABC粉和兩者混合體系的熱重-差熱譜圖可以發(fā)現(xiàn)，混合體系中的鋯粉從591.45 ℃時才開始發(fā)生明顯的增重，說明在169.95～591.45 ℃間，混合體系中鋯粉的氧化反應(yīng)和ABC粉的熱分解反應(yīng)同時進行，且ABC粉的分解產(chǎn)物對鋯粉的氧化有抑制作用。結(jié)合圖7(a)可知，ABC粉在147.96～476.91 ℃間的第一次熱分解對鋯粉的增重放熱氧化反應(yīng)起到明顯的抑制作用，而在476.91～743.05 ℃間的第二次熱分解對鋯粉氧化的抑制作用不明顯。

圖8 混合體系的熱重-差熱譜圖

鋯粉添加MPP粉混合體系在29.61～100.14 ℃間開始與空氣中的氧氣進行低溫氧化；在100.14～207.35 ℃間因少量水分蒸發(fā)而發(fā)生不明顯的失重吸熱；在207.35～581.43 ℃間因MPP粉體受熱分解而發(fā)生失重吸熱，分解產(chǎn)物對鋯粉氧化產(chǎn)生了抑制作用，在264.28、378.89 ℃時出現(xiàn)了明顯的失重速率峰，對應(yīng)在259.32、381.38 ℃時有兩個吸熱峰；在581.43～800 ℃間未被氧化的鋯粉會繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)而增重，在591.71 ℃時鋯粉的氧化反應(yīng)速率達到最大。結(jié)合圖7(b)可知，在207.35～581.43 ℃間，混合體系中鋯粉的氧化反應(yīng)和MPP粉的熱分解反應(yīng)同時進行，MPP粉在177.23～344.22 ℃、344.22～420.70 ℃間的兩次熱分解對鋯粉的增重放熱氧化反應(yīng)起到明顯的抑制作用，而在420.70～759.62 ℃間的第三次熱分解對鋯粉氧化的抑制作用不明顯。

鋯粉添加MCA粉混合體系在26.79～103.41 ℃間開始與空氣中的氧氣進行低溫氧化； 在103.41～294.18 ℃間因少量水分蒸發(fā)而發(fā)生不明顯的失重吸熱；在294.18～401.30 ℃間因MCA粉體受熱分解發(fā)生失重吸熱，分解產(chǎn)物對鋯粉氧化產(chǎn)生了抑制作用，在388.85 ℃時失重速率達到最大，對應(yīng)在393.83 ℃時吸熱速率達到最大；在401.30～774.27 ℃間未被氧化的鋯粉會繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)而增重，在606.38 ℃時鋯粉的氧化反應(yīng)速率達到最大。結(jié)合圖7(c)可知，在294.18～401.30 ℃間，混合體系中鋯粉的氧化反應(yīng)和MCA粉的熱分解反應(yīng)同時進行，MCA粉在274.47～445.89 ℃間的熱分解對鋯粉的增重放熱氧化反應(yīng)起到明顯的抑制作用。

3.4 阻燃粉體添加對鋯粉燃燒的影響分析

對比分析ABC、MPP、MCA阻燃粉體對鋯粉云燃燒的抑制效果，結(jié)果如圖9和表5所示。

圖9 混合體系的TG曲線對比Fig.9 Comparison of TG curves of the mixture systems

Table 5 Data of the rapid oxidation stage of zirconium powder under different working conditions

從3.1節(jié)可知，鋯粉氧化反應(yīng)劇烈階段為257.08～772.08 ℃，在602.08 ℃時氧化反應(yīng)最為劇烈。從3.2節(jié)可知，ABC、MPP、MCA分別在147.96～743.05、177.23～759.62、274.47～445.89 ℃內(nèi)持續(xù)氧化分解，并且分別在614.90、388.96、419.15 ℃時氧化反應(yīng)最為劇烈。從3.3節(jié)可知，鋯粉發(fā)生快速氧化反應(yīng)的起始溫度為257.08 ℃，在鋯粉分別添加ABC、MPP、MCA粉的3種混合體系中，鋯粉發(fā)生快速氧化反應(yīng)的起始溫度分別提升到591.45、581.43和401.30 ℃。從圖9和表5可以看出，阻燃粉體的分解溫度越高，熱穩(wěn)定性越好，越不易分解。因此，阻燃粉體的分解溫度越低，對抑制鋯粉的氧化越有利。

機理分析：首先，從分解的起始溫度看，阻燃材料分解溫度越低，越能從鋯粉氧化的起始階段開始抑制鋯粉氧化；從分解最猛烈狀態(tài)的溫度看，在鋯粉氧化的最猛烈階段，ABC干粉持續(xù)分解并且同時達到氧化分解最劇烈階段，因此能更大強度地抑制鋯粉氧化。然后，從分解產(chǎn)物看，ABC粉熱解終態(tài)產(chǎn)物中有氨氣、水蒸氣、五氧化二磷[34]，MPP粉熱解終態(tài)產(chǎn)物中有氨氣、水蒸氣[35- 36]，MCA粉熱解終態(tài)產(chǎn)物中有氨氣、氰化氫[37- 39]，這些氣體聚集在鋯粉顆粒的表面形成保護層，在一定程度上起到隔絕空氣的作用，阻止氧氣與鋯顆粒表面接觸，同時降低可燃物以及氧氣的濃度，抑制了鋯粉顆粒氧化。最后，從復(fù)合粉體分解的熱力學(xué)看，阻燃粉體分解產(chǎn)生的水分蒸發(fā)以及阻燃粉體自身熱分解能吸收大量的熱量，使得鋯粉顆粒表面溫度降低，抑制其氧化，表現(xiàn)為鋯粉發(fā)生快速氧化反應(yīng)對應(yīng)的起始溫度升高，開始升溫至鋯與氧氣發(fā)生快速氧化反應(yīng)所用時間延長。

綜上可知，阻燃效果較好的阻燃粉體，更能延長鋯粉發(fā)生快速氧化反應(yīng)的時間，提升鋯粉發(fā)生快速氧化的起始溫度，提高最快增重速率對應(yīng)的溫度，減小鋯粉增重率，故針對鋯粉阻燃效果從強到弱的阻燃材料依次是ABC粉、MPP粉、MCA粉，由此也分析說明了ABC粉對鋯粉云爆炸的抑制效果占有極大優(yōu)勢的本質(zhì)原因。

4 結(jié)論

本文綜合分析了ABC、MPP、MCA阻燃粉體抑制鋯粉云爆炸的效果和機理，得到了如下結(jié)論：

(1) ABC、MPP、MCA阻燃粉體對鋯粉云爆炸威力都有抑制作用，且隨著混合體系中阻燃粉體添加量的增加，抑制鋯粉云爆炸的效果越好。

(2)鋯粉與空氣反應(yīng)是一個增重放熱過程，ABC、MPP、MCA阻燃粉體在空氣中被加熱都是失重吸熱的過程，鋯粉添加阻燃粉體混合體系在空氣中被加熱都是增重-失重-再增重、放熱-吸熱-再放熱的過程。

(3)ABC、MPP、MCA的分解溫度分別為147.96、177.23和274.47 ℃。當(dāng)鋯粉與阻燃粉體質(zhì)量比為2∶1時，鋯粉添加ABC、MPP、MCA粉后，鋯粉快速氧化反應(yīng)的起始溫度從257.08 ℃分別提升到591.45、581.43和401.30 ℃。阻燃粉體的分解溫度越低，對抑制鋯粉的氧化越有利。

(4)ABC粉對鋯粉云爆炸的抑制效果占有極大的優(yōu)勢，200 g/m3的ABC粉可完全抑制住鋯粉云在最猛烈狀態(tài)時的爆炸。ABC粉對鋯粉云爆炸的抑制效果較佳，主要是因為這種粉體更加延長了鋯粉發(fā)生快速氧化反應(yīng)的時間，提升了鋯粉發(fā)生快速氧化的起始溫度，最大化抑制了鋯粉燃燒過程。