¿Es inflamable el polvo de grafito?

Introducción

El grafito es un material a base de carbono en capas, muy utilizado en diversos campos por sus excelentes propiedades. La inflamabilidad de su polvo ha sido objeto de muchos debates. Aunque tradicionalmente se considera no inflamable, investigaciones y casos han demostrado que puede incendiarse en determinadas condiciones.

Características estructurales del polvo de grafito y fundamento de las reacciones de combustión

La estructura cristalina del grafito

La estructura cristalina del grafito está compuesta por una estructura en capas de unidades hexagonales, y el átomos de carbono dentro de cada capa forman enlaces covalentes mediante hibridación sp². Sus longitudes de enlace son de 0,142 nm y las energías de enlace son de 413 kJ/mol, por lo que puede formar planos de anillos de seis miembros estables. Las capas están conectadas por fuerzas de van der Waals, con una separación entre capas de 0,335 nm. Y la fuerza de acción es relativamente débil, aproximadamente 20 kJ/mol, lo que dota al grafito de unas propiedades físicas y químicas únicas. La gran estabilidad dentro de las capas le confiere una resistencia al calor extremadamente alta. Las débiles fuerzas entre capas lo hacen fácilmente separable en finas láminas o polvos.

La estabilidad química del grafito

Desde la perspectiva de la termodinámica química, la reacción entre el grafito y el oxígeno produce dióxido de carbono. (La ecuación química para esta reacción es C + O2= CO2.) Esto tiene un cambio de energía libre de Gibbs de -394,36 kJ/mol en condiciones estándar, lo que indica espontaneidad termodinámica. Sin embargo, para que se produzca realmente esta reacción es necesario superar la barrera de energía cinética. Con la disposición atómica ordenada en la superficie del grafito, la probabilidad efectiva de colisión con las moléculas de oxígeno es baja. A temperatura ambiente, la tasa de oxidación anual < 0,01%, por lo que la tasa de oxidación puede ser despreciable. Por tanto, tiene inercia cinética, por lo que se considera no inflamable en entornos convencionales.

Condiciones básicas de las reacciones de combustión e influencia de las características del polvo

 Condiciones básicas de las reacciones de combustión

La combustión sólo se producirá cuando se cumplan simultáneamente tres condiciones: material combustible, comburente (normalmente oxígeno) y una temperatura que alcance el punto de ignición.

Ta influencia de las características del polvo

Superficie específica

La superficie específica de los polvos de grafito de diferentes tamaños de partícula varía, lo que aumenta significativamente a medida que disminuye el tamaño de partícula. La superficie específica del polvo de grafito de 100μm es de aproximadamente 0,5 m²/g. La superficie específica del polvo de 1μm puede alcanzar los 50 m²/g, y la de polvo nanométrico supera incluso los 100 m²/g. La gran superficie específica aumenta el área de contacto con el oxígeno, reduciendo la energía de activación de la reacción. Facilitando así que se produzca la combustión.

Estado de dispersión

Cuando el polvo forma una suspensión en el aire, puede mezclarse completamente con el oxígeno. Cuando la concentración de polvo de grafito es de 15-45 g/m³, se encuentra dentro del rango de "límite de explosión". En ese momento, el calor generado por la combustión local desencadenará una reacción en cadena a través de la radiación térmica, provocando así una explosión.

Punto de ignición

El punto de ignición del grafito en bloque es de aproximadamente 800°C. Pero cuando está en forma de polvo, a medida que aumenta la superficie específica, el punto de ignición del material disminuye significativamente. Se ha demostrado que el punto de ignición del polvo de grafito de 50μm es de 750°C. Mientras que el polvo de 20μm desciende a 680°C, y el de 5μm puede llegar a 600°C.

Análisis de los factores que afectan a la combustión del polvo de grafito

El papel fundamental del tamaño de las partículas

El tamaño de las partículas es el factor clave que determina la inflamabilidad del polvo de grafito, que puede analizarse en tres niveles:

Nivel de micras (1 - 100μm)

Este es el grado de la industria convencional grafito en polvo. Cuando se dispersa, si la concentración supera los 15 g/m³, puede explotar al encontrar una fuente de ignición con una energía ≥ 0,2 mJ. Pero es difícil mantener una combustión continua.

Nivel submicrónico (0,1 - 1μm)

La superficie específica de este nivel de polvo aumenta significativamente, y la velocidad de reacción de oxidación se acelera. Por ejemplo, el polvo de grafito de 0,5 μm puede mantener la combustión a 700℃ en un entorno rico en oxígeno. Su velocidad de combustión alcanza 0,8g/(cm²-s) y libera aproximadamente 32MJ/kg de calor.

Nivel nanométrico (< 100 nm)

El polvo de grafito nanométrico presenta características especiales de combustión debido a su energía superficial extremadamente alta. En aire seco, las moléculas de oxígeno adsorbidas en la superficie acumulan calor por oxidación lenta. Y cuando la temperatura sube a 60℃, puede desencadenar la autoignición. Además, la concentración límite de explosión del polvo nanométrico es menor, aproximadamente de 5 a 30 g/m³, lo que aumenta el riesgo de seguridad.

Efecto sinérgico de la concentración de oxígeno y la temperatura ambiental

La influencia de la concentración de oxígeno

En un entorno de aire, cuya concentración de oxígeno es de 21%, la combustión del polvo de grafito requiere una temperatura más elevada. Pero en un entorno rico en oxígeno, cuya concentración de oxígeno es superior a 30%, la energía de activación de la reacción disminuye. Y el punto de ignición puede descender entre 100 y 200°C, con lo que la velocidad de combustión es tres veces mayor que en el entorno de aire.

Influencia de la temperatura ambiente

Si la temperatura ambiental aumenta, el proceso de oxidación se acelera. Por ejemplo, cuando la temperatura ambiente aumenta de 25℃ a 300℃, la tasa de oxidación del polvo de grafito se multiplica por 10. Esta correlación positiva aumenta significativamente el riesgo de combustión del polvo de grafito en entornos de alta temperatura.

Umbral de energía de la fuente de ignición

Las distintas fuentes de ignición tienen energías diferentes, lo que afectará a la posibilidad de que arda el polvo de grafito.

Chispas estáticas

Su energía oscila entre 0,2 y 1 mJ, lo que puede encender polvo de grafito de tamaño micrométrico dentro del límite de explosión.

Ceniza de cigarrillo

Su temperatura superficial es de 300-400℃, por lo que no tiene energía suficiente y es incapaz de encender el polvo de grafito convencional.

Chispas de soldadura

Su temperatura > 1000℃, energía > 10 mJ, por lo que puede inflamar directamente polvo de grafito por debajo de 50μm y desencadenar una reacción en cadena.

Además, la duración de la fuente de ignición también es crucial: el encendido por impulsos cortos requiere mayor energía para iniciar la combustión. Y las fuentes de calor continuas tienen más probabilidades de hacer que el polvo de grafito alcance su punto de ignición.

Gestión de la seguridad del polvo de grafito en la práctica industrial

Prevención y control de riesgos en el entorno de producción

Control de la concentración

Es necesario instalar un sistema central de eliminación de polvo y dispositivos locales de ventilación para mantener la concentración de polvo de grafito en el taller por debajo de 10 g/m³.

Eliminación de la fuente de ignición

Para ello es preciso prohibir terminantemente las llamas abiertas en la zona de producción y conectar el equipo a tierra para eliminar la electricidad estática. Al mismo tiempo, debe seleccionar motores y lámparas a prueba de explosiones, y limpiar el polvo circundante antes de las operaciones de soldadura.

Supervisión y alerta rápida

Es necesario instalar un sensor de concentración de polvo y un dispositivo de alarma de temperatura. Para que puedan disparar automáticamente una alarma al tiempo que se activan los sistemas de ventilación y extinción de incendios.

Especificaciones de almacenamiento y transporte

Es necesario almacenar el polvo de grafito en un almacén bien ventilado y seco para evitar que se inflame espontáneamente. Al envasarlo, hay que utilizar un recipiente sellado para evitar que el polvo se suspenda. Además, manténgalo a una distancia mínima de 3 metros de oxidantes y fuentes de calor. Durante el transporte, debe evitar las vibraciones extremas y equipar un extintor de polvo seco para evitar que el polvo vuele y provoque una explosión secundaria.

Conclusión

En conclusión, la combustión del polvo de grafito requiere determinadas condiciones, que exigen una energía de activación suficiente y un aporte adecuado de oxígeno. Así pues, no es inflamable en circunstancias normales, pero puede serlo o incluso autoinflamarse en condiciones extremas o específicas.