聚碳硅烷粉塵火災爆炸特性參數測試及安全性分析

李燕勇 高舒珊 王 凱 徐旭東 陳 俍

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 為確保聚碳硅烷粉塵作業安全，避免發生火災爆炸事故，本文按照相應國家測試標準，采用標準測試儀器，對聚碳硅烷粉塵的最小點火能、最低著火溫度、爆炸下限濃度3 個火災爆炸特性參數進行了測試。結果表明：聚碳硅烷粉塵最小點火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低著火溫度MIT=320 ℃，爆炸下限濃度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。結合常見涉爆粉塵火災爆炸特性參數范圍比對分析，結果表明：聚碳硅烷粉塵最低著火溫度和最小點火能均較低、爆炸下限濃度也小，說明該粉塵極易被引爆，安全風險較高。

0 引言

聚碳硅烷（PCS）是以硅碳鍵為主鏈的有機硅聚合物［1］，用于制備特種纖維（如SiC 纖維）和復相陶瓷的有機先驅體［2-4］，是應用于航天、航空等尖端技術中的高性能新型材料之一［5］。

PCS以固態塊狀常見，較難燃燒。由于其脆性很大，強度極低，易粉碎制備成超細粉末，應用在某些產品的試驗、生產過程中［6］。處于粉末狀態的PCS，比表面積成倍增加，其火災爆炸危險性顯著增大，給試驗、生產過程帶來一定的火災爆炸安全風險［7］。我國目前PCS還處于實驗室的小規模生產階段［8］，對于PCS 粉塵的火災爆炸特性還未有相關研究。為確保PCS 粉塵作業安全，避免發生火災爆炸事故，造成人員傷亡和財產損失，本文按照相應國家測試標準，采用標準測試儀器，對PCS 粉塵的最小點火能、最低著火溫度、爆炸下限濃度3個火災爆炸特性參數進行測試［9-12］，并進行安全性分析，擬為PCS 粉塵作業場所安全防護設施的設計、相關制造設備選型及安全管理措施的采取提供依據［13］。

1 實驗

1.1 樣品處理

測試樣品為PCS 粉塵，測試前取原始粉塵樣品過75 μm 標準篩進行篩選，采用真空干燥箱在50 ℃條件下干燥24 h。

1.2 測試分析

1.2.1 最小點火能

采用國際通用的標準哈特曼管完成測試，執行GB/T16428—1996 粉塵云最小著火能量測定方法。測試利用高壓脈沖放電延遲60 ms點火，通過調節高壓脈沖放電能量來調節點火能量，調節精度為0.5 mJ。

在本實驗測試前已完成PCS 粉塵最大爆炸壓力測試實驗，得到該粉塵的爆炸敏感濃度為240 g/m3。通常爆炸敏感濃度附近的粉塵云點火能量最低，因此選定230、240和250 g/m3三個濃度的PCS粉塵開展實驗。測試時環境濕度為55.5%～58.5%，溫度為26～28 ℃。

測試得出在噴塵壓力為0.2 MPa條件下，三個濃度的PCS 粉塵最小著火能測試結果見表1。由表中數據得出，濃度為250 g/m3時，PCS 粉塵在最小點火能2 mJ 的條件下發生過燃爆，在1.5 mJ 的條件下未發生燃爆，因此可確定聚碳硅烷粉塵最小點火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ。

表1 最小點火能量測試結果1）Tab.1 Test results of the minimum ignition energy

1.2.2 最低著火溫度

采用國際通用的標準粉塵云最低著火溫度測試裝置完成測試，執行GB/T16429—1996 粉塵云最低著火溫度測定方法。首先在溫度500 ℃，測試得出PCS粉塵燃爆最為猛烈的敏感質量、敏感噴塵壓力為m= 0.5g、p=50 kPa 和m=1.0 g、p=50 kPa，然后在這兩種敏感條件下，以500 ℃為起點，通過改變溫度來確定最低著火溫度。測試時環境濕度為35%～37%，溫度為18.5～19 ℃。PCS 粉塵在兩種敏感條件下最低著火溫度測試結果見表2。

表2 最低著火溫度測試結果Tab.2 Test results of the minimum ignition temperature

由表中數據得出，當m=0.5 g 時，著火的最低實驗溫度為350 ℃，根據測定標準中的修正方法，得出此條件下粉塵最低著火溫度為330 ℃；當m=1.0 g時，著火的最低實驗溫度為340 ℃，根據測定標準中的修正方法，得出此條件下粉塵最低著火溫度為320 ℃。因此，最終確定PCS 粉塵的最低著火溫度MIT=320 ℃。

1.2.3 爆炸下限濃度

采用國際通用的20 L 球形粉塵爆炸測試實驗系統完成，執行GB/T16425—1996 粉塵云爆炸下限濃度測定方法。在點火能量10 kJ，噴塵壓力為2 MPa的條件下，初次以10 g/m3的濃度進行實驗，通過改變PCS 粉塵濃度，觀察是否發生爆炸，確定其爆炸下限濃度。測試時環境濕度為36.5%～38.5%，溫度為18～19.5 ℃。

PCS 粉塵爆炸下限濃度測試結果見表3。由表中數據得出，PCS 粉塵濃度≥13 g/m3的情況均發生了爆炸，濃度≤12 g/m3的情況均未發生爆炸，因此，可確定PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。

表3 爆炸下限濃度測試結果1）Tab.3 Test result of minimum explosion concentration

2 結果分析

2.1 最小點火能分析

PCS 粉塵最小點火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，對照《工貿行業重點可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見的45 種可燃易爆粉塵相關信息，其中最小點火能最小的粉塵為果糖粉和奈粉，最小點火能Emin＜1 mJ，其次為鎂粉，最小點火能Emin＜2 mJ，其他42 種粉塵的最小點火能均≥3 mJ，褐煤/無煙煤（80∶20）粉塵最小點火能最大，Emin≥4000 mJ。PCS 粉塵最小點火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，據此可得出，PCS 粉塵最小點火能處于較低的水平。

2.2 最低著火溫度分析

PCS 粉塵最低著火溫度MIT=320 ℃，對照《工貿行業重點可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見的45 種可燃易爆粉塵相關信息，其中最低著火溫度最低的粉塵為硫磺粉，最低著火溫度為280 ℃，其次為大米粉，最低著火溫度為360 ℃，其他43 種粉塵的最低著火溫度均≥375 ℃。PCS粉塵最低著火溫度為320 ℃，位于硫磺粉及大米粉最低著火溫度之間，據此可得出，PCS粉塵最低著火溫度是較低的。

2.3 爆炸下限濃度分析

PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，對照《工貿行業重點可燃性粉塵目錄（2015）版》中常見的45 種可燃易爆粉塵相關信息，其中爆炸下限濃度最小的粉塵為奈粉，爆炸下限濃度為15 g/m3，其次為鎂粉，爆炸下限濃度為25 g/m3。PCS 粉塵爆炸下限濃度為12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，比奈粉的爆炸下限濃度還小，據此可得出，PCS 粉塵爆炸下限濃度是很小的。

3 結論

（1）PCS 粉塵最小點火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低著火溫度MIT=320 ℃，爆炸下限濃度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，結合常見涉爆粉塵火災爆炸特性參數范圍比對分析，該粉塵最低著火溫度和最小點火能均較低、爆炸下限濃度也很小，說明該粉塵形成的粉塵云極易被引爆，安全風險較高。

（2）在進行粉塵云最低著火溫度測試過程中，高溫爐內的燃爆火焰回傳至噴塵彎管中，這種回火的現象在常見可燃粉塵實驗測試中均未出現過，說明該粉塵云燃爆速度很大，因此針對該粉塵的爆炸阻隔技術措施是有必要考慮的，建議可做進一步研究。

（3）在進行粉塵云最小點火能測試過程中，該粉塵在一端開口的石英管內燃爆后可聽見爆炸聲響，推測是該粉塵云燃爆后迅速產生超壓，高速氣流伴隨火焰從石英管頂端噴出發出的聲音。說明該粉塵云在受限空間爆炸后壓力上升速度很快，因此針對該粉塵的爆炸泄壓措施也是有必要考慮的，建議可做進一步研究。