李燕勇 高舒珊 王 凯 徐旭东 陈 俍
（航天材料及工艺研究所，北京 100076）
文 摘 为确保聚碳硅烷粉尘作业安全，避免发生火灾爆炸事故，本文按照相应国家测试标准，采用标准测试仪器，对聚碳硅烷粉尘的最小点火能、最低着火温度、爆炸下限浓度3 个火灾爆炸特性参数进行了测试。结果表明：聚碳硅烷粉尘最小点火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低着火温度MIT=320 ℃，爆炸下限浓度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。结合常见涉爆粉尘火灾爆炸特性参数范围比对分析，结果表明：聚碳硅烷粉尘最低着火温度和最小点火能均较低、爆炸下限浓度也小，说明该粉尘极易被引爆，安全风险较高。
0 引言
聚碳硅烷（PCS）是以硅碳键为主链的有机硅聚合物［1］，用于制备特种纤维（如SiC 纤维）和复相陶瓷的有机先驱体［2-4］，是应用于航天、航空等尖端技术中的高性能新型材料之一［5］。
PCS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［6］。处于粉末状态的PCS，比表面积成倍增加，其火灾爆炸危险性显着增大，给试验、生产过程带来一定的火灾爆炸安全风险［7］。我国目前PCS还处于实验室的小规模生产阶段［8］，对于PCS 粉尘的火灾爆炸特性还未有相关研究。为确保PCS 粉尘作业安全，避免发生火灾爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失，本文按照相应国家测试标准，采用标准测试仪器，对PCS 粉尘的最小点火能、最低着火温度、爆炸下限浓度3个火灾爆炸特性参数进行测试［9-12］，并进行安全性分析，拟为PCS 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［13］。
1 实验
1.1 样品处理
测试样品为PCS 粉尘，测试前取原始粉尘样品过75 µm 标准筛进行筛选，采用真空干燥箱在50 ℃条件下干燥24 h。
1.2 测试分析
1.2.1 最小点火能
采用国际通用的标准哈特曼管完成测试，执行GB/T16428—1996 粉尘云最小着火能量测定方法。测试利用高压脉冲放电延迟60 ms点火，通过调节高压脉冲放电能量来调节点火能量，调节精度为0.5 mJ。
在本实验测试前已完成PCS 粉尘最大爆炸压力测试实验，得到该粉尘的爆炸敏感浓度为240 g/m3。通常爆炸敏感浓度附近的粉尘云点火能量最低，因此选定230、240和250 g/m3三个浓度的PCS粉尘开展实验。测试时环境湿度为55.5%～58.5%，温度为26～28 ℃。
测试得出在喷尘压力为0.2 MPa条件下，三个浓度的PCS 粉尘最小着火能测试结果见表1。由表中数据得出，浓度为250 g/m3时，PCS 粉尘在最小点火能2 mJ 的条件下发生过燃爆，在1.5 mJ 的条件下未发生燃爆，因此可确定聚碳硅烷粉尘最小点火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ。
表1 最小点火能量测试结果1）Tab.1 Test results of the minimum ignition energy
1.2.2 最低着火温度
采用国际通用的标准粉尘云最低着火温度测试装置完成测试，执行GB/T16429—1996 粉尘云最低着火温度测定方法。首先在温度500 ℃，测试得出PCS粉尘燃爆最为猛烈的敏感质量、敏感喷尘压力为m= 0.5g、p=50 kPa 和m=1.0 g、p=50 kPa，然后在这两种敏感条件下，以500 ℃为起点，通过改变温度来确定最低着火温度。测试时环境湿度为35%～37%，温度为18.5～19 ℃。PCS 粉尘在两种敏感条件下最低着火温度测试结果见表2。
表2 最低着火温度测试结果Tab.2 Test results of the minimum ignition temperature
由表中数据得出，当m=0.5 g 时，着火的最低实验温度为350 ℃，根据测定标准中的修正方法，得出此条件下粉尘最低着火温度为330 ℃；当m=1.0 g时，着火的最低实验温度为340 ℃，根据测定标准中的修正方法，得出此条件下粉尘最低着火温度为320 ℃。因此，最终确定PCS 粉尘的最低着火温度MIT=320 ℃。
1.2.3 爆炸下限浓度
采用国际通用的20 L 球形粉尘爆炸测试实验系统完成，执行GB/T16425—1996 粉尘云爆炸下限浓度测定方法。在点火能量10 kJ，喷尘压力为2 MPa的条件下，初次以10 g/m3的浓度进行实验，通过改变PCS 粉尘浓度，观察是否发生爆炸，确定其爆炸下限浓度。测试时环境湿度为36.5%～38.5%，温度为18～19.5 ℃。
PCS 粉尘爆炸下限浓度测试结果见表3。由表中数据得出，PCS 粉尘浓度≥13 g/m3的情况均发生了爆炸，浓度≤12 g/m3的情况均未发生爆炸，因此，可确定PCS 粉尘爆炸下限浓度为12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3。
表3 爆炸下限浓度测试结果1）Tab.3 Test result of minimum explosion concentration
2 结果分析
2.1 最小点火能分析
PCS 粉尘最小点火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，对照《工贸行业重点可燃性粉尘目录（2015）版》中常见的45 种可燃易爆粉尘相关信息，其中最小点火能最小的粉尘为果糖粉和奈粉，最小点火能Emin＜1 mJ，其次为镁粉，最小点火能Emin＜2 mJ，其他42 种粉尘的最小点火能均≥3 mJ，褐煤/无烟煤（80∶20）粉尘最小点火能最大，Emin≥4000 mJ。PCS 粉尘最小点火能量1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，据此可得出，PCS 粉尘最小点火能处于较低的水平。
2.2 最低着火温度分析
PCS 粉尘最低着火温度MIT=320 ℃，对照《工贸行业重点可燃性粉尘目录（2015）版》中常见的45 种可燃易爆粉尘相关信息，其中最低着火温度最低的粉尘为硫磺粉，最低着火温度为280 ℃，其次为大米粉，最低着火温度为360 ℃，其他43 种粉尘的最低着火温度均≥375 ℃。PCS粉尘最低着火温度为320 ℃，位于硫磺粉及大米粉最低着火温度之间，据此可得出，PCS粉尘最低着火温度是较低的。
2.3 爆炸下限浓度分析
PCS 粉尘爆炸下限浓度为12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，对照《工贸行业重点可燃性粉尘目录（2015）版》中常见的45 种可燃易爆粉尘相关信息，其中爆炸下限浓度最小的粉尘为奈粉，爆炸下限浓度为15 g/m3，其次为镁粉，爆炸下限浓度为25 g/m3。PCS 粉尘爆炸下限浓度为12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，比奈粉的爆炸下限浓度还小，据此可得出，PCS 粉尘爆炸下限浓度是很小的。
3 结论
（1）PCS 粉尘最小点火能1.5 mJ＜Emin＜2 mJ，最低着火温度MIT=320 ℃，爆炸下限浓度12 g/m3＜Cmin＜13 g/m3，结合常见涉爆粉尘火灾爆炸特性参数范围比对分析，该粉尘最低着火温度和最小点火能均较低、爆炸下限浓度也很小，说明该粉尘形成的粉尘云极易被引爆，安全风险较高。
（2）在进行粉尘云最低着火温度测试过程中，高温炉内的燃爆火焰回传至喷尘弯管中，这种回火的现象在常见可燃粉尘实验测试中均未出现过，说明该粉尘云燃爆速度很大，因此针对该粉尘的爆炸阻隔技术措施是有必要考虑的，建议可做进一步研究。
（3）在进行粉尘云最小点火能测试过程中，该粉尘在一端开口的石英管内燃爆后可听见爆炸声响，推测是该粉尘云燃爆后迅速产生超压，高速气流伴随火焰从石英管顶端喷出发出的声音。说明该粉尘云在受限空间爆炸后压力上升速度很快，因此针对该粉尘的爆炸泄压措施也是有必要考虑的，建议可做进一步研究。
