聚碳硅烷粉尘爆炸特性研究

当 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
第48卷第7期2019年7月
Vol.4&No.7July, 2019
聚碳硅烷粉尘爆炸特性研究
李燕勇打高舒珊2,谭静怡I 徐旭东J 王凯1
(1.航天材料及工艺研究所，北京100076 ;
2.兵器工业卫生研究所，陕西西安710065)
摘 要：聚碳硅烷是应用于航天、航空等尖端技术中的高性能新型材料之一，对于聚碳硅烷粉尘的火灾爆
炸特性还未有相关研究报告。

按照相应国家测试标准，采用20 L 球形粉尘爆炸测试实验系统，测定得出聚碳硅 烷粉尘最大爆炸压力为0.872 MPa,最大爆炸压力上升速率为120 MPa/s,最大爆炸指数为32.57 MPa-m/s=与
《工贸行业重点可燃性粉尘目录＞(2015版)中明确有最大爆炸压力、最大爆炸指数的44种粉尘相比，聚碳硅 烷粉尘最大爆炸压力不算大，但最大爆炸指数较大，说明聚碳硅烷粉尘爆炸时爆炸压力不算太大，但爆炸时却
非常猛烈。

关键词：聚碳硅烷粉尘；最大爆炸压力；最大爆炸压力上升速率；最大爆炸指数；安全性分析 中图分类号：X932
文献标识码：A 文章编号：1671-0460 (2019) 07-1510-04
Study on Explosive Characteristics of Polycarbosilane Dust
LI Yan-yong , GAO Shu-shan , TAN Jing-yi 2, XVXv-dong , WANG Kai'
(1. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076, China ；
2. Weapons Industry Health Research Institute, Shaanxi Xi'an 710065, China)
Abstract: Polycarbosilane is one of the new high performance materials used in advanced technologies such as
aerospace and aeronautics. The fire and explosive characteristics of polycarbosilane dust have not been reported. In this paper, according to the corresponding national test standards, a 20 L spherical dust explosion test experimental system was used to determine explosive characteristics of polycarbosilane dust. The results showed that the maximum explosion pressure of polycarbosilane dust was 0.872 MPa, the maximum explosion pressure rise rate was 120 MPa/s, and the maximum explosion index was 32.57 MPa m/s. Compared with the 44 kinds of dust in the catalogue of key combustible dust in industry and trade (2015 edition), the maximum explosion pressure of polycarbosilane dust is not large, but the maximum explosion index is large, indicating that the explosion pressure of polycarbosilane dust is not too big, but the explosion is very violent.
Key words: Polycarbosilane dust; Maximum explosion pressure; Maximum explosion pressure rise rate; Maximum explosion index; Safety analysis
聚碳硅烷(PCS)为硅碳键为主链的有机硅聚合 物叫 是用于制备特种纤维(如Sic 纤维)和复相陶瓷
的有机先驱体'7,是应用于航天、航空等尖端技术 中的高性能新型材料之一％
聚碳硅烷以固态块状常见，较难燃烧。

由于其
脆性很大，强度极低，易粉碎制备成超细粉末,应用在 某些产品的试验、生产过程中冋。

处于粉末状态的
聚碳硅烷，比表面积成倍增加，其火灾爆炸危险性
显著增大，给试验、生产过程带来一定的火灾爆炸 安全风险役我国目前聚碳硅烷还处于实验室的小
规模生产阶段冋，对于聚碳硅烷粉尘的火灾爆炸特
性还未有相关研究，为避免聚碳硅烷粉尘燃爆事故 的发生和提高对其爆炸特性的认识，本文按照相应
国家测试标准，采用标准测试仪器，对聚碳硅烷粉
尘的爆炸压力、压力上升速率、爆炸指数3个参数 进行了测试吟巴得出了聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力、
最大爆炸压力上升速率、最大爆炸指数，并通过与
常见燃爆粉尘爆炸特性参数进行对比，进行了相应
安全性分析。

本文研究结果可为聚碳硅烷粉尘作业
场所安全防护设施的设计、相关制造设备选型及安
全管理措施的采取提供依据冋。

1试验过程
1.1测试标准及方法
本文按照《粉尘云最大爆炸压力与最大爆炸指 数测定方法》(GBAT 16426-1996 )对聚碳硅烷粉尘
的爆炸压力、爆炸压力上升速率、爆炸指数进行测 定,并确定最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、
最大爆炸指数。

将不同质量的测试样品在20 L 球形粉尘爆炸
测试实验系统中通过压缩空气分散成不同浓度粉尘
云，在10 kJ 的化学点火具点火引爆条件下测试得
收稿日期：2019-04-17
作者简介：李燕勇(1970-),男，高级工程卯，硕士，研究方向：从事企业安全管理工作。

第48卷第7期
李燕勇，等：聚碳硅烷粉尘爆炸特性研究
1511
岀不同浓度粉尘爆炸压力曲线图，根据粉尘爆炸压
力曲线图得出相应浓度粉尘的爆炸压力峰值、爆炸
压力上升速率峰值及爆炸指数。

对比分析不同浓度
粉尘爆炸压力峰值、爆炸压力上升速率峰值及爆炸 指数，得到粉尘最大爆炸压力、最大爆炸压力上升
速率及最大爆炸指数。

1.2测试装置及流程
试验采用国际标准的20 L 球形粉尘爆炸测试
实验系统完成，该系统由20 L 球型爆炸罐、储尘罐 点火系统、预抽真空、压缩空气系统、测试和数据
采集系统组成。

测试过程中爆炸罐内抽真空到绝对压力0.04 MPa,储尘罐加压到2.1 MPa 的绝对压力时进行空
喷，使空喷后爆炸罐的压力为一个标准大气压；设 定点或延迟时间为60 ms,按4 ： 3 ： 3的比例配置
10 kJ 的烟火点火具进行引爆；通过测试和数据采集 系统得出粉尘爆炸压力曲线图；确定合适的粉尘浓
度区间和级差，测试不同浓度粉尘的爆炸压力变化。

1.3测试环境及样品处理
测试样品为聚碳硅烷粉尘，测试前取原始粉尘
样品过200目(75(101)标准筛进行筛选巴 采用 真空干燥箱在50乜条件下干燥24 h 。

测试时环境
湿度为56.5 ~60%RH,环境温度为25 -27七。

2试验结果
2.1测试数据
根据《粉尘云最大爆炸压力与最大爆炸指数测
定方法》(GB" 16426-1996 ),确定该测试合适的聚
碳硅烷粉尘浓度区间为60 ~ 360 g/m',冋当粉尘浓度
为60 ~ 180 g/m 3时，粉尘浓度区间为40 g/m 3,当粉
尘浓度为180 ~ 280 g/n?时，粉尘浓度区间为20 g/m',
当粉尘浓度为280 ~ 360 g/m'时，粉尘浓度区间为 40 g/m'。

O
------60g/m 5
e d w 's -鞭蛙婆
400800 1 200 1 600 2 000
时间/ms 0对上述浓度聚碳硅烷粉尘进行测试，共进行了 35组，经重复验证选取11组有效数据，不同浓度
聚碳硅烷粉尘爆炸压力曲线图具体见图lo
不同浓度聚碳硅烷粉尘爆炸测试数据具体见
表1。

表1不同浓度聚碳硅烷粉尘爆炸测试数据表
Table 1 Table of explosion test data of polycarbosilane dust
with different concentrations
序号
粉尘浓度
/ ( gTn"3)
爆炸压力 峰值/MPa
爆炸压力上 升速率峰值/
(MPa s 1)
爆炸指数/
(MPa -nrs 1 )
160
0.5014512.21
2
1000.651
63
17.10
31400.7027921.444
1800.762
7620.63
52000.82187
23.6162200.8529224.977
2400.8729024.43
82600.847
109
29.5892800.79612032.5710
3200.787108
29.31
11360
0.755
9024.43
2.2最大爆炸压力
根据表1,可得出聚碳硅烷粉尘浓度在60〜360 g/n?条件下，随着粉尘浓度增大，爆炸压力峰值呈
现先增后减的趋势。

聚碳硅烷粉尘浓度在240 g/m 3
以下时，爆炸压力峰值随着粉尘浓度的增大而增大,
浓度在240 g/m 3以上时，爆炸压力峰值随着粉尘浓
度的增大而减小。

聚碳硅烷粉尘爆炸压力峰值随粉
尘浓度变化的趋势见下图2O
当聚碳硅烷粉尘浓度为240 g/m'时，爆炸压力 峰值最大为0.872 MPa,因此可确定聚碳硅烷粉尘最
大爆炸压力为0.872 MPa o
1.0
0.90.80.7
0.60.5
0.40.3
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0图1不同浓度聚碳硅烷粉尘爆炸压力曲线
Fig.l Graph of explosion pressure of polycarbosilane dust
with different concentrations
粉尘浓度/ ( g • m'3)
图2聚碳硅烷粉尘爆炸压力峰值随粉尘浓度变化的趋势
Fig.2 The trend of explosion pressure peak of polycarbosilane dust with dust concentration
change
1512当代化工2019年7月2.3最大爆炸压力上升速率
根据表1,可得出聚碳硅烷粉尘浓度在60~360
g/m‘条件下，随着粉尘浓度增大，爆炸压力上升速
率峰值大致呈现先增后减的趋势。

浓度在280g/m'以下时，爆炸压力上升速率峰值大致随着粉尘浓度的增大而增大(当浓度在180g/m'和240g/m‘时，相应爆炸压力上升速率峰值出现轻微趋势偏离)，浓度在280g/m‘以上时，爆炸压力上升速率峰值随着粉尘浓度的增大而减小。

聚碳硅烷粉尘爆炸压力上升速率峰值随粉尘浓度变化的趋势见图3。

当聚碳硅烷粉尘浓度为280g/m‘时，爆炸压力上升速率峰值最大为120MPa/s,因此可确定聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力上升速率为120MPa/s o
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
50100150200250300350400
粉尘浓度/(g•m5)
图3聚碳硅烷粉尘爆炸压力上升速率
峰值随粉尘浓度变化的趋势
Fig.3The trend of explosion pressure rise rate of
polycarbosilane dust with dust concentration change
2.4最大爆炸指数
根据表1,可得出聚碳硅烷粉尘浓度在60~360 g/m‘条件下，随着粉尘浓度增大，爆炸指数大致呈现先增后减的趋势。

浓度在280g/m'以下时，爆炸指数大致随着粉尘浓度的增大而增大(当浓度在180g/m3和240g/m'时.相应爆炸指数出现轻微趋势偏离)，浓度在280g/m'以上时，爆炸指数随着粉尘浓度的增大而减小。

聚碳硅烷粉尘爆炸指数随粉尘浓度变化的趋势见图4O
当聚碳硅烷粉尘浓度为280g/m"时，爆炸指数最大为32.57MPa-m/s,因此可确定聚碳硅烷粉尘最大爆炸指数为32.57MPa-m/so
3安全性分析
最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸指数是衡量燃爆物质爆炸威力及后果的标准参数。

最大爆炸压力是指在受限空间燃爆产生的超压最大值；最大爆炸压力上升速率是指在受限空间燃爆产生超压随时间上升的速率的最大值；最大爆炸
•
E
•
d
2
)
、
必
卑
鼓
聂
指数是衡量爆炸猛烈程度的一个常数。

40
「35
30
25
20
15
10
5
粉尘浓度/(g-m3)
图4聚碳硅烷粉尘爆炸指数随粉尘浓度变化的趋势Fig.4The trend of explosion index of polycarbosilane dust
with dust concentration change
本文测试得出聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力为0.872MPa,最大爆炸压力上升速率为120MPa/s,最大爆炸指数为32.57MPa-m/s o为进一步对聚碳硅烷粉尘测试结果有更形象的认知，现将聚碳硅烷粉尘测试结果与《工贸行业重点可燃性粉尘目录》(2015版)中常见粉尘相应爆炸特性参数进行对比和分析。

由于该目录中未列出粉尘最大爆炸压力上升速率，因此本文仅对最大爆炸压力、最大爆炸指数进行对比。

在《工贸行业重点可燃性粉尘目录X2015版)中具有明确最大爆炸压力、最大爆炸指数的粉尘有44种。

最大爆炸压力最大的粉尘为铝粉.最大爆炸压力为1.24MPa,最大爆炸压力最小的粉尘为烟叶粉尘，最大爆炸压力为0.48MPa o大于聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力(0.872MPa)的粉尘共计27种，与聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力(0.872MPa)相近的粉尘为调色剂(0.88MPa)、土豆淀粉(0.86MPa)、血粉(0.86MPa)、褐煤/无烟煤(80:20)粉尘(0.86 MPa)0
最大爆炸指数最大的粉尘为铝粉，最大爆炸指数为62MPa-m/s,最大爆炸指数最小的粉尘为烟叶粉尘，最大爆炸指数为1.2MPa m/So大于聚碳硅烷粉尘最大爆炸指数(32.57MPa m/s)的粉尘共计3种，与聚碳硅烷粉尘最大爆炸指数(32.57MPa-m/s)相近的粉尘为弱防腐剂(31MPam/s)。

由此可得出，与其他常见燃爆粉尘相比，聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力不算大，但最大爆炸指数较大，说明聚碳硅烷粉尘爆炸时爆炸压力不算太大，但爆炸时却非常猛烈。

聚碳硅烷粉尘与常见粉尘最大爆炸压力、最大爆炸指数对比情况具体见表2
、
第48卷第7期
表3。

李燕勇，等：聚碳硅烷粉尘爆炸特性研究
表2 Table2
betv 聚碳硅烷粉尘与常见粉尘最大爆炸压力对比Comparison of maximum explosion pressures
/een polycarbosilane dust and common dust 序号粉尘名称最大爆炸压力/MPa 1铝粉 1.24
2调色剂0.88
3聚碳硅烷粉尘0.872
4土豆淀粉0.86
5血粉0.86
6褐煤/无烟煤(80:20)
粉尘0.86
7烟叶粉尘0.48
表3聚碳硅烷粉尘与常见粉尘最大爆炸指数对比Table3Comparison of maximum explosion indexes between polycarbosilane dust and common dust
序号粉尘名称最大爆炸指数/(MPa m s1)
1铝粉62
2聚碳硅烷粉尘32.57
3弱防腐剂31
4烟叶粉尘 1.2
4结论
(1)采用国际标准的20L球形粉尘爆炸测试实验系统，对聚碳硅烷粉尘爆炸压力、爆炸压力上升速率、爆炸指数进行测定，得出聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力为0.872MPa,最大爆炸压力上升速率为120MPa/s,最大爆炸指数为32.57MPa m/s o
(2)与《工贸行业重点可燃性粉尘目录》(2015版)中明确有最大爆炸压力、最大爆炸指数的44种粉尘相比，聚碳硅烷粉尘最大爆炸压力不算大，但最大爆炸指数较大，其中大于聚碳硅烷粉尘最大
1513爆炸压力(0.872MPa)的粉尘共计27种，大于聚
碳硅烷粉尘最大爆炸指数(32.57MPa-m/s)的粉尘仅3种。

(3礪过与常见燃爆粉尘最大爆炸压力和最大爆炸指数对比，说明聚碳硅烷粉尘爆炸时爆炸压力不算太大，但爆炸时却非常猛烈。

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