黒鉛粉は可燃性か？

はじめに

黒鉛は炭素を主成分とする層状物質であり、その優れた特性から様々な分野で広く利用されている。その粉末の可燃性が話題になっている。従来は不燃性とされてきたが、特定の条件下では発火する可能性があることが研究や事例で明らかになっている。

黒鉛粉末の構造特性と燃焼反応の基礎

グラファイトの結晶構造

グラファイトの結晶構造は、六方晶単位の層状構造で構成されている。 炭素原子 はsp²混成によって共有結合を形成する。その結合長は0.142 nm、結合エネルギーは413 kJ/molであるため、安定した6員環平面を形成することができる。層はファンデルワールス力によって結合しており、層間距離は0.335nmである。そしてその作用力は約20kJ/molと比較的弱く、これがグラファイトにユニークな物理的・化学的特性を与えている。層内の安定性が高いため、耐熱性が極めて高い。層間力が弱いため、薄いシートや粉末に容易に分離できる。

グラファイトの化学的安定性

化学熱力学の観点からは、黒鉛と酸素の反応は二酸化炭素を生成する。(この反応の化学式は、C＋O2＝CO2である）これは、標準条件下でのギブスの自由エネルギー変化が-394.36kJ/molであり、熱力学的な自発性を示している。しかし、この反応が実際に起こるには、運動エネルギー障壁を克服する必要がある。グラファイト表面の原子規則配列では、酸素分子との実効衝突確率は低い。室温では、年間酸化速度＜0.01%であり、酸化速度は無視できる。そのため、運動不活性であり、従来の環境では不燃性であると考えられている。

燃焼反応の基本条件と粉体特性の影響

 燃焼反応の基本条件

燃焼は、可燃物、酸化剤（通常は酸素）、着火点に達する温度の3つの条件が同時に満たされたときにのみ起こる。

T粉体特性の影響

比表面積

粒径の異なる黒鉛粉末の比表面積は異なり、粒径が小さくなるにつれて著しく増加する。100μmの黒鉛粉末の比表面積は約0.5m²/gである。1μm粉末の比表面積は50m²/gに達し、100μm粉末の比表面積は0.5m²/gである。 ナノメートルサイズの粉末 は100m²/gを超える。比表面積が大きいため、酸素との接触面積が増え、反応の活性化エネルギーが減少する。そのため、燃焼が起こりやすくなる。

分散状態

粉末が空気中で懸濁液を形成すると、酸素と完全に混合することができる。黒鉛粉末の濃度が15～45g/m³になると、「爆発限界」の範囲に入る。この時点で、局所的な燃焼によって発生した熱が放熱による連鎖反応を引き起こし、爆発を引き起こす。

点火点

ブロック状黒鉛の発火点は約800℃である。しかし、粉末状では比表面積が大きくなるにつれて発火点が著しく低下する。50μmの黒鉛粉末の発火点は750℃である。20μmの粉末は680℃まで下がり、5μmの粉末は600℃まで下がる。

黒鉛粉末の燃焼に影響する因子の分析

粒子径の重要な役割

粒径は黒鉛粉末の燃焼性を決定する重要な要因であり、3つのレベルで論じることができる：

ミクロンレベル（1～100μm）

これは従来の工業用グレードである。 黒鉛粉.分散した場合、濃度が15g/m³以上になると、エネルギー≥0.2mJの着火源に遭遇して爆発する可能性がある。しかし、継続的な燃焼を維持することは難しい。

サブミクロンレベル（0.1～1μm）

このレベルの粉末の比表面積は著しく増大し、酸化反応速度が加速される。例えば、0.5μmの黒鉛粉末は、酸素が豊富な環境で700℃でも燃焼を維持することができます。その燃焼速度は0.8g/(cm²・s)に達し、約32MJ/kgの熱を放出する。

ナノメートルレベル（< 100 nm）

ナノメーター・グラファイト粉末は、その極めて高い表面エネルギーにより特殊な燃焼特性を示す。乾燥した空気中では、表面に吸着した酸素分子がゆっくりと酸化して熱を蓄積する。そして、温度が60℃まで上昇すると、自己発火を誘発する。さらに、ナノメートルパウダーの爆発限界濃度は約5～30g/m³と低く、安全上のリスクが高まる。

酸素濃度と環境温度の相乗効果

酸素濃度の影響

酸素濃度が21%の空気環境では、黒鉛粉末の燃焼はより高い温度を必要とする。しかし、酸素濃度が30%以上の酸素リッチな環境では、反応の活性化エネルギーが低下する。その結果、着火点は100～200℃低下し、燃焼速度は空気環境の3倍になる。

環境温度の影響

環境温度が上昇すると酸化が加速される。例えば、環境温度が25℃から300℃に上昇すると、黒鉛粉末の酸化速度は10倍になる。この正の相関関係は、高温環境における黒鉛粉末の燃焼リスクを著しく高める。

点火源のエネルギー閾値

異なる着火源は異なるエネルギーを持ち、それが黒鉛粉の燃焼の可能性に影響する。

静電気の火花

そのエネルギーは0.2～1mJで、ミクロンサイズの黒鉛粉を爆発限界内で点火できる。

タバコの灰

表面温度は300～400℃なのでエネルギーが不足し、従来の黒鉛粉には着火できない。

溶接の火花

その温度は1000℃以上、エネルギーは10mJ以上で、50μm以下の黒鉛粉末に直接点火し、連鎖反応を引き起こすことができる。

さらに、点火源の持続時間も重要である。短いパルス点火では、燃焼を開始するのに高いエネルギーを必要とする。また、連続的な熱源は、グラファイト粉末が発火点に達する可能性が高い。

産業現場における黒鉛粉の安全管理

生産環境におけるリスクの予防と管理

濃度コントロール

作業場内の黒鉛粉の濃度を10g/m³以下に保つために、中央除塵システムと局所換気装置を設置する必要がある。

点火源の除去

このため、製造エリアでは裸火を厳禁し、静電気を除去するために装置を接地する必要がある。モーターやランプは防爆仕様のものを選び、溶接作業前には周囲の粉塵を除去する必要があります。

モニタリングと早期警報

粉塵濃度センサーと温度警報装置を設置する必要がある。そうすれば、換気システムと消火システムを作動させながら、自動的にアラームを作動させることができる。

保管および輸送に関する仕様

黒鉛粉は、自然発火を防ぐため、換気がよく乾燥した倉庫に保管する必要がある。包装の際には、粉が浮遊しないように密閉容器を使用する必要がある。また、酸化剤や熱源から少なくとも3メートル離してください。輸送の際は、粉塵の飛散や二次爆発を防ぐため、激しい振動を避け、乾燥粉末消火器を装備する必要があります。

結論

結論として、黒鉛粉末の燃焼には一定の条件が必要であり、それには十分な活性化エネルギーと適切な酸素供給が必要である。そのため、通常の環境下では不燃性であるが、極端な条件や特殊な条件下では可燃性、あるいは自己発火性を示すこともある。