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粉末涂料爆炸特性研究
2021年11月30日    阅读量:1898    新闻来源:行业资讯在线  |  投稿

摘要:为探究粉尘浓度对不同粉末最大爆炸压力、最小着火能量、爆炸下限等爆炸参数的影响,在1.2LHartmann管实验装置中开展了3类粉末涂料爆炸特性实验研究,同时结合扫描电镜和粒径分析了不同粉末涂料爆炸的危险性。


结果表明:黑水纹样品粉尘爆炸危险性最强,最大爆炸压力达0.742MPa,爆炸下限为25gm/m³ 最小着火能量在18〜28范围内;


黑砂纹样品粉尘爆炸危险性相对较低,爆炸下限为75g/m³, 其中样品1最大爆炸压力为0.604MPa, 最小着火能量于35〜45mJ范围内,样2最大爆炸压力为0.643MPa, 最小着火能量于91~101a范围内。


3类粉末涂料爆炸最危险浓度比较接近,黑水纹样品、黑砂纹样品粉尘爆炸的最危险浓度为800g/m³,闪银样品为600g/m³涂料在线coatingol.com


前言:粉末涂料是在静电喷涂工艺中通过静电喷枪的电晕放电及经喷枪喷射后吸附到待喷涂工件表面,再经加温烘烤、涂层流平、固化而形成均匀膜层的材料[1-3]。


因该工艺具有自动化程度高、涂层耐酸碱性优等特点,近年来应用日益增多。但粉尘在相对封闭的受限空间(喷粉室)中呈悬浮状态,伴随着电晕放电环节则存在一定的粉尘爆炸隐患。


粉尘爆炸事故一旦发生,不可避免会带来严重的财产损失及人员伤亡[4]。


国内外相关学者对多种粉尘的爆炸特征参数及其影响因素开展了卓有成效的研究工作,如最小着火能量、爆炸下限、最大爆炸压力、爆炸指数(心)等M1。


在爆炸下限浓度方面,胡维西等为探究点火能量对粉尘爆炸下限浓度的影响,利用20L标准测试装置开展了不同粉尘在不同点火能量时的爆炸下限,从而分析其变化规律。


结果表明:随着点火能量的增加,粉尘爆炸下限浓度总体呈下降趋势,易燃粉尘受点火能量影响较小。


在最大爆炸压力、Kst等方面,主要围绕粉尘浓度、点火延迟时间与粉尘粒径等因素开展研究。


研究表明粉尘爆炸存在最危险爆炸浓度喷粉压力与点火延迟时间相互影响,喷粉压力越大,点火延迟时间越短,喷粉压力减小,点火延迟时间相应增大。爆炸压力随着粒径的增大而减小,粒径越小,爆炸性越强。


同时,也有专家学者针对某一种爆炸性粉尘的爆炸特征参数进行分析,如橡胶粉尘、超细聚乙烯微粒粉尘、6氨基青霉烷酸(6-APA)粉尘、红木粉等粉体[13〜17]。


开展某种粉尘爆炸特征参数研究有助于针对性预防爆炸事故,较金属、粮食粉尘等常见可爆粉尘相比,静电喷涂粉末受到的关注较少,据少量研究及生产现象表明,静电喷涂粉末具有爆炸性。


因此,开展静电喷涂粉末爆炸特性及其影响因素的研究,可为生产实践中预防喷涂粉末爆炸事故提供理论支撑。

 

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

7015型黑砂纹、6012型黑水纹、9023型闪银:扬州德高涂装设备有限公司。

激光粒度仪:Mastersizer2000型,英国Malvern公司;扫描电镜:TM3000型,日本日立公司;爆炸实验装置:自制。


1.2 样品制备


实验选用3类产品成品经150目(106μm)、240目(61μm)以及400目(38μm)的筛网过筛分级而得到不同粒径的粉末涂料样品;


其中黑砂纹选用了粒径为38~61μm、61~106μm的2种样品,分别命名为黑砂纹样品1、样品2;


黑水纹选用粒径<38μm的样品;闪银选用了粒径为38~61μm的样品。对筛分后的粉末涂料进行热干燥处理,确保实验时其水分含量低于5%(质量分数)。


1.3 爆炸实验装置与测试流程


实验系统如图1所示,爆炸装置反应室为1.2L自制Hartmann管,一个主体结构由不锈钢制成的圆柱形容器。


顶部是通过螺纹连接的圆形盖,盖上装有压力传感器与压力表,用于测量实验过程中的压力变化过程。装置下部对称位置装有一对用于点火的电极,点火能量由放电箱提供。


装置底部安装有一分散杯,容器中间连有一蘑菇状分散器,下方通过导气管与外部电磁阀以及一个小型储气室相连,储气室上装有压力表,由气瓶供气,电磁阀受控制系统控制。

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实验步骤:在确定试验系统完好后,根据预定的粉尘浓度,将相应质量的粉体均匀置于分散杯;


装配点火电极,连接压力传感器并测试其稳定性;将预先留置的压缩空气从储气罐放入储气室,将放电箱电压充至指定值并连接点火电极;启动采集控制箱,按预设时间逐个启动数据采集软件、电磁阀与高压点火装置。


待实验完成后,保存数据采集软件所采集到的压力数据,并重复步骤进行下一组实验。


实验初始条件:点火电压300V,喷气压力0.7MPa, 点火延迟时间85mS,粉尘浓度为200g/m³、400g/m³、600g/m³、800g/m³、1000g/m³。为确保实验的稳定性,对每组工况下的粉尘爆炸实验均重复3次。


2 结果与讨论


2.1 粉末涂料样品基本特征


利用激光粒度仪与扫描电镜对3类粉末涂料样品进行粒径分析及微观形态分析,所用黑砂纹样品1、黑砂纹样品2、黑水纹、闪银样品中位粒径分别为42μm、97μm、30μm、40μm;


其粒径分布及粒子形态如图2所示,其中的扫描电镜照片分别为放大300倍和2000倍下的微观结构。

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从图2(a)可以看出,黑砂纹样品1粉尘颗粒为不规则团聚块,分布较均勻,颗粒间间隙适中,大颗粒表面附有小颗粒。


从图2(b)可见黑砂纹样品2颗粒形状有较大差异,部分为块状物,部分为条状物,颗粒分布较分散,颗粒间存在较大间隙;


在放大2000倍后清晰可见颗粒表面存在凹凸不平结构,使其表面与空气接触面积增大,爆炸性能更强。


从图2(c)可以看出黑水纹样品粉尘颗粒在放大300倍后呈不规则的块状,颗粒大小不均匀,小颗粒占多数;在放大2000倍后其颗粒的表面呈不规则状,大颗粒间隙中存在小颗粒。


从图2(d)可以看到闪银样品粉尘多为不规则颗粒,且其颗粒表面较黑砂纹样品颗粒更为光滑,所黏连的小颗粒物质较少;


放大2000倍的闪银样品颗粒表面覆盖有一层细小颗粒物,使其在爆炸初始阶段更易被点燃。


2.2 粉末涂料爆炸特征参数分析


2.2.1 最大爆炸压力与最大压力上升速率

爆炸压力峰值(Pmax)是指某一具体浓度时,测得的爆炸压力随时间变化出现的最大波峰值。


压力上升速率峰值[(dP/df)max]是指某一具体浓度时,所测爆炸压力随时间变化的最大斜率。


最大爆炸压力是指在多种反应浓度下,通过一系列试验确定爆炸压力峰值的最大值;最大压力上升速率是指在多种反应浓度下,爆炸过程中测得的压力上升速率峰值的最大值。


最大爆炸压力与最大压力上升速率是判断爆炸猛烈程度的2个重要参数。图3为3类样品粉尘各自爆炸压力峰值与压力上升速率峰值随粉尘浓度的变化。

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由图3可知,同种粉末涂料的爆炸压力峰值及压力上升速率峰值随粉尘浓度的增大均呈现先增后减的趋势, 粉末涂料浓度变化对(Pmax), 影响较显著。

黑砂纹样品1粉尘浓度为800g/m³时,爆炸压力峰值即为最大爆炸压力,为0.604MPa, 是200g/m³浓度时爆炸压力峰值的1.864倍;

同理,其最大压力上升速率为800g/m³浓度下的压力上升速率峰值,为14.527MPa/s。

而黑砂纹样品2粉尘浓度为800g/m³时,爆炸压力峰值为0.643MPa, 比同浓度下黑砂纹样品1爆炸更为猛烈。

黑水纹样品的最大爆炸压力也是粉尘浓度为800g/m³时的,为0.742MPa, 是200g/m³浓度时爆炸压力峰值的2.49倍,而其最大压力上升速率为600g/m³时的(dP/dt)max,为117.074MPa/s,为粉尘浓度200g/m³时压力上升速率峰值的16.25倍。

闪银样品粉尘浓度在800g/m³时, 压力上升速率峰值为10.625MPa/s, 为粉尘浓度200g/m³时压力上升速率峰值的2.35倍。

综合电镜图和粒径分析可知,黑砂纹样品1粉尘较样品2粉尘粒径较小,使其配比中掺杂的石英砂颗粒更好地和粉尘混合,从而抑制了粉尘与空气的接触,阻碍其分解出可燃气体。

而样品2粉尘因颗粒形状有较大差异且颗粒表面凹凸不平,能够更多地与空气接触而产生更强的爆炸性能。

图片

2.2.2 爆炸最危险粉尘浓度下的不同粉末涂料爆炸参数

在分析单种粉末涂料样品粉尘爆炸参数变化的基础上,得出黑砂纹和黑水纹样品粉尘浓度均在800g/m³时,闪银样品粉尘浓度在600g/m³时,爆炸压力达到最大值。


分析爆炸最危险粉尘浓度下不同粉末涂料各自的爆炸压力(P)和压力上升速率(dP/dt)随时间的关系,结果见图4和表1。

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由图4及表1可知,各种粉末涂料样品粉尘在爆炸最危险浓度下爆炸压力和压力上升速率均随时间变化呈现先增后减的趋势,但到达爆炸压力峰值的时刻不同。


其中黑水纹样品粉尘的最大爆炸压力较高,为0.742MPa, 是黑砂纹和闪银样品粉尘的1.28倍;


在点火60.72ms后达到比黑砂纹样品1、样品2分别提前约35ms、40ms, 在点火33.28ms后达到(dP/dt)max,比黑砂纹样品1、样品2分别提前约15ms、30ms。


不同粉末涂料因填料和部分颜料是无机物,树脂、固化剂、助剂及部分颜料是有机物,配方中有机物含量多少及种类对Pmax与(dP/dt)max影响较大,一般来说有机挥发分越高越容易爆炸[18]。


黑水纹样品粉尘的最大爆炸压力值高达0.742MPa, 结合粒径分析与粒子微观形态图像可知,其粒径较小且颗粒间隙间及表面存在许多细小颗粒;


这极大促进了爆炸初期的粒子加热放出气体这个阶段,因而更容易被点燃,更快达到爆炸压力峰值。


而黑砂纹样品粉尘因其颗粒粒径较大,在同浓度下,到达其Pmax与(dP/dt)max较其他样品粉尘时间较长,且随颗粒粒径增大而延长。


2.3 爆炸下限


爆炸下限是指悬浮在给定容积内可以被引燃并且能维持火焰传播的最低粉尘浓度,是衡量粉尘爆炸敏感度的一个重要参数。


当粉尘爆炸后压力P大于空点火时点火源爆炸压力Pxax与0.05MPa之和,即当 p≥(Pig+0.05 MPa)时,认定装置内可燃粉尘发生了爆炸。


在同种粉尘浓度条件下,连续3次均未产生爆炸的粉尘最大浓度为该粉尘的爆炸下限。3类粉末涂料样品的爆炸下限结果见表2。

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由表2可知,粉末涂料爆炸下限较低,3类粉末涂料样品爆炸下限均低于100g/m³其中黑砂纹样品粉尘爆炸下限为75g/m³,黑水纹粉末涂料爆炸下限最低,为25g/m³,闪银粉末涂料爆炸下限为50g/m³,。


主要是因为黑水纹样品粉尘的粒径相对于其他粉尘较低,在形成粉尘云时能够更好地和空气中氧气接触,并在点火源作用下更快地经历粉尘爆炸历程。


2.4 最小着火能量


最小着火能量是指能够点燃粉尘并维持燃烧的最小火花能量,是衡量粉尘爆炸敏感度的重要参数。


实验均在爆炸最危险浓度下进行,在一足以点燃粉尘的能量下进行点火实验,参照GB/T16428—1996《粉尘云最小着火能量测定方法》,按10mJ的步长逐级降低电火花能量,直到这一能量下20次试验均出现着火,从而确定该能量为粉尘的最小着火能量值。


判断是否着火的依据为压力传感器测得的压力>0.04MPa(此压力值为放电箱不充电时点火可产生的压力值)。实验研究了3类粉末涂料最小着火能量,结果见表3。

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由表3可以看出,3种粉末涂料样品最小着火能量均<100mJ,可知点燃涂料粉尘所需最小火花能量较小。


3 结语


(1) 粉末涂料存在较强的爆炸危险性。对比分析3类粉末涂料爆炸特征参数,黑水纹样品粉尘爆炸危险性最强,其最大爆炸压力可达0.742MPa, 爆炸下限低至25g/m³, 而其他2类粉尘的爆炸下限为75g/m³。


粉末涂料爆炸最危险浓度比较接近,3类粉末涂料样品中黑水纹、黑砂纹样品粉尘爆炸的最危险浓度为800g/m³, 闪银样品为600g/m³。


所以在实际喷涂操作中,尤其要注意控制有限空间内的黑水纹样品的浓度,以防止爆炸事故的发生。


(2) 3类粉末涂料样品的最小着火能量均<100mJ,其中黑水纹样品粉尘的最小着火能量低至18〜28mJ, 闪银的最小着火能量为27~45mJ。因此在进行有限空间内粉末喷涂时,要控制喷涂的温度,以及防止静电、摩擦等火花的产生。


(3)  在下一步的研究中,可根据粉末涂料的不同配比和粒径分别进行热重分析,对其爆炸特性作出进一步解释并分级,以期对实际工艺中的粉末喷涂过程设置相应的爆炸防护措施。


标签:工业涂料技术中心粉末涂料
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