纳米PMMA粉尘爆炸抑制机理研究

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由于纳米粉尘粒子特殊的表面性能和分子间作用力,使其具有高爆炸危险性,而抑爆是减小爆炸事故最有效的措施。目前对纳米粉尘爆炸抑制机理的研究十分缺乏,尤其对抑爆过程中纳米粉尘爆炸火焰的微观形态和火焰演化机理认识不足。因此,本文利用开敞空间粉尘爆炸抑制实验系统,研究具有物理和化学协同抑爆效应的ABC(主要成分为NH4H2PO4)和KHCO3两种抑制剂及KHCO3粒径对纳米粉尘爆炸火焰传播行为的影响,并结合热特性分析和化学反应动力学分析,揭示纳米粉尘爆炸抑制机理,以便进一步开展纳米粉尘爆炸防护工作。本文主要工作内容及结论如下:(1)研究两种抑制剂对微/纳米聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粉尘爆炸火焰传播行为(火焰传播过程、火焰微观结构、火焰传播速度、火焰温度)影响的差异性。随PMMA粉尘云中抑制剂比例的增加,火焰传播行为减弱,预热区气化热解速率和燃烧反应区化学反应速率均降低。确定微/纳米PMMA在不同浓度下的临界抑制比例;对30μm PMMA,ABC抑制效果优于KHCO3;对100 nm PMMA,KHCO3抑制效果优于ABC。(2)探究不同粒径KHCO3对纳米PMMA粉尘爆炸火焰传播过程、火焰速度和火焰温度的影响。100 nm PMMA粉尘云火焰中,加入10%59μm KHCO3火焰最高温度与加入100%83μm KHCO3的几乎相当,随着抑制剂粒径的增大,颗粒比表面积减小,气化热解速率降低,抑制效果逐渐减弱。(3)利用热重分析(TGA)和差示扫描量热分析(DSC)从热解初始温度值和吸热量两方面揭示物理吸热机理。30μm PMMA、100 nm PMMA、56μm ABC颗粒和59μm KHCO3颗粒开始热解的温度分别为240℃>238℃>158℃>120℃;PMMA与10%抑制剂颗粒混合后,对30μm PMMA,ABC颗粒吸热量为35 J/g,KHCO3颗粒吸热量为20 J/g;对100 nm PMMA,ABC颗粒吸热量为14 J/g,KHCO3颗粒吸热量为28 J/g。59μm、83μm和204μm的KHCO3与纳米PMMA混合后,三种粒径的KHCO3吸热量分别为28 J/g>26 J/g>21 J/g。(4)建立化学反应动力学模型,得出链反应过程中关键自由基H和OH自由基最大摩尔分数、平衡状态时的摩尔分数和最大生成速率随抑制剂的加入而减少。对ABC,OH+HOPO=H2O+PO2和H+PO2+m=HOPO+m形成了HOPO?PO2抑制循环;对KHCO3,KOH+H=K+H2O和K+OH+m=KOH+m形成了K?KOH抑制循环。两种抑制循环促进H和OH自由基结合,生成更加稳定的H2O。最终,结合物理吸热抑制和化学抑制建立纳米PMMA粉尘爆炸抑制机理模型。
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