Is grafietpoeder brandbaar?

Inleiding

Grafiet is een gelaagd koolstofhoudend materiaal dat vanwege zijn uitstekende eigenschappen op verschillende gebieden wordt gebruikt. Er is veel discussie geweest over de brandbaarheid van het poeder. Hoewel het van oudsher als onbrandbaar wordt beschouwd, hebben onderzoeken en gevallen aangetoond dat het onder bepaalde omstandigheden vlam kan vatten.

Structurele kenmerken van grafietpoeder en de basis van verbrandingsreacties

De kristalstructuur van grafiet

De kristalstructuur van grafiet bestaat uit een gelaagde structuur van hexagonale eenheden en de koolstofatomen binnen elke laag vormen covalente bindingen door sp² hybridisatie. De bindingslengtes zijn 0,142 nm en de bindingsenergieën zijn 413 kJ/mol, zodat het stabiele zeshoekige ringvlakken kan vormen. De lagen zijn verbonden door van der Waals krachten, met een laagafstand van 0,335 nm. En de werkingskracht is relatief zwak, ongeveer 20 kJ/mol, waardoor grafiet unieke fysische en chemische eigenschappen heeft. De hoge stabiliteit binnen de lagen geeft het een extreem hoge hittebestendigheid. Door de zwakke krachten tussen de lagen is het gemakkelijk te scheiden in dunne platen of poeders.

De chemische stabiliteit van grafiet

Vanuit het perspectief van chemische thermodynamica produceert de reactie tussen grafiet en zuurstof koolstofdioxide. (De chemische vergelijking voor deze reactie is C + O2= CO2.) Dit heeft een Gibbs vrije energieverandering van -394,36 kJ/mol onder standaardomstandigheden, wat duidt op thermodynamische spontaniteit. Maar om deze reactie daadwerkelijk te laten plaatsvinden, moet de kinetische energiebarrière worden overwonnen. Met de atomair geordende opstelling op het oppervlak van grafiet is de effectieve botsingskans met zuurstofmoleculen laag. Bij kamertemperatuur is de jaarlijkse oxidatiesnelheid < 0,01%, dus de oxidatiesnelheid kan verwaarloosbaar zijn. Het heeft dus een kinetische inertie, die in conventionele omgevingen als onbrandbaar wordt beschouwd.

Basisvoorwaarden van verbrandingsreacties en de invloed van poederkenmerken

 Basisvoorwaarden van verbrandingsreacties

Verbranding treedt alleen op wanneer tegelijkertijd aan drie voorwaarden wordt voldaan: brandbaar materiaal, oxidant (meestal zuurstof) en een temperatuur die het ontstekingspunt bereikt.

Te invloed van poederkenmerken

Specifieke oppervlakte

De specifieke oppervlakte van grafietpoeders van verschillende deeltjesgrootte varieert, en neemt aanzienlijk toe naarmate de deeltjesgrootte afneemt. Het specifieke oppervlak van grafietpoeder van 100 μm is ongeveer 0,5 m²/g. Het specifieke oppervlak van 1 μm poeder kan oplopen tot 50 m²/g, en dat van poeder van nanometerformaat zelfs meer dan 100 m²/g. Het grote specifieke oppervlak vergroot het contactoppervlak met zuurstof, waardoor de activeringsenergie van de reactie afneemt. Zo verloopt de verbranding gemakkelijker.

Verspreidingstoestand

Wanneer het poeder een suspensie vormt in de lucht, kan het zich volledig mengen met zuurstof. Wanneer de concentratie grafietpoeder 15-45 g/m³ is, bevindt het zich binnen de "explosiegrens". Op dat moment zal de warmte die vrijkomt door de plaatselijke verbranding een kettingreactie op gang brengen door warmtestraling, waardoor een explosie ontstaat.

Ontstekingspunt

Het ontstekingspunt van blokgrafiet ligt bij ongeveer 800°C. Maar in poedervorm neemt het ontstekingspunt van het materiaal aanzienlijk af naarmate het specifieke oppervlak toeneemt. Er is aangetoond dat het ontstekingspunt van grafietpoeder van 50 μm 750°C is. Terwijl het poeder van 20 μm daalt tot 680°C en het poeder van 5 μm zelfs 600°C kan bereiken.

Analyse van factoren die de verbranding van grafietpoeder beïnvloeden

De kritieke rol van de deeltjesgrootte

De deeltjesgrootte is de belangrijkste factor die de ontvlambaarheid van grafietpoeder bepaalt:

Microniveau (1 - 100 μm)

Dit is de kwaliteit van conventionele industriële grafietpoeder. Als de gedispergeerde stof een concentratie van meer dan 15 g/m³ heeft, kan deze exploderen bij contact met een ontstekingsbron met een energie ≥ 0,2 mJ. Maar het is moeilijk om een continue verbranding te behouden.

Sub-micron niveau (0,1 - 1 μm)

Het specifieke oppervlak van dit poederniveau neemt aanzienlijk toe en de oxidatiereactiesnelheid versnelt. Grafietpoeder van 0,5 μm bijvoorbeeld kan bij 700℃ in een zuurstofrijke omgeving blijven branden. De verbrandingssnelheid is 0,8 g/(cm²-s) en er komt ongeveer 32 MJ/kg warmte vrij.

Nanometerniveau (< 100 nm)

Nanometer grafietpoeder heeft speciale verbrandingseigenschappen door zijn extreem hoge oppervlakte-energie. In droge lucht accumuleren de aan het oppervlak geadsorbeerde zuurstofmoleculen warmte door langzame oxidatie. En als de temperatuur stijgt tot 60 ℃, kan het zelfontbranding veroorzaken. Bovendien is de explosiegrensconcentratie van nanometerpoeder lager, namelijk ongeveer 5 - 30g/m³, waardoor het veiligheidsrisico toeneemt.

Synergetisch effect van zuurstofconcentratie en omgevingstemperatuur

De invloed van zuurstofconcentratie

In een luchtomgeving met een zuurstofconcentratie van 21% vereist de verbranding van grafietpoeder een hogere temperatuur. Maar in een zuurstofrijke omgeving, met een zuurstofconcentratie van meer dan 30%, daalt de activeringsenergie van de reactie. En het ontstekingspunt kan met 100-200°C dalen, waardoor de verbrandingssnelheid drie keer zo hoog is als in de luchtomgeving.

De invloed van de omgevingstemperatuur

Als de omgevingstemperatuur stijgt, zal het oxidatieproces versnellen. Als de omgevingstemperatuur bijvoorbeeld stijgt van 25℃ naar 300℃, neemt de oxidatiesnelheid van grafietpoeder 10 keer toe. Deze positieve correlatie verhoogt het verbrandingsrisico van grafietpoeder in omgevingen met hoge temperaturen aanzienlijk.

Energiedrempel van de ontstekingsbron

De verschillende ontstekingsbronnen hebben verschillende energieën, die de mogelijkheid van verbranding van het grafietpoeder beïnvloeden.

Statische vonken

De energie varieert van 0,2 tot 1 mJ, waardoor grafietpoeder van micrometerformaat binnen de explosiegrens kan ontbranden.

Sigarettenas

De oppervlaktetemperatuur is 300-400℃, dus het heeft onvoldoende energie en is niet in staat om conventioneel grafietpoeder te ontsteken.

Lasvonken

De temperatuur > 1000℃, energie > 10 mJ, dus het kan grafietpoeder onder 50μm direct ontsteken en een kettingreactie veroorzaken.

Daarnaast is ook de duur van de ontstekingsbron van cruciaal belang: een korte pulsontsteking vereist een hogere energie om de verbranding op gang te brengen. En bij continue warmtebronnen is de kans groter dat het grafietpoeder het ontstekingspunt bereikt.

Veiligheidsbeheer van grafietpoeder in de industriële praktijk

Risicopreventie en -beheersing in de productieomgeving

Concentratiecontrole

Je moet een centraal stofverwijderingssysteem en lokale ventilatievoorzieningen installeren om de concentratie grafietpoeder in de werkplaats onder 10 g/m³ te houden.

Ontstekingsbron eliminatie

Dit vereist dat open vuur strikt verboden is in de productieruimte en dat de apparatuur geaard is om statische elektriciteit te elimineren. U moet explosieveilige motoren en lampen kiezen en het stof in de omgeving opruimen voordat u gaat lassen.

Bewaking en vroegtijdige waarschuwing

Je moet een stofconcentratiesensor en een temperatuuralarm installeren. Zodat ze automatisch een alarm kunnen laten afgaan en de ventilatie- en brandbestrijdingssystemen kunnen activeren.

Specificaties voor opslag en transport

Je moet het grafietpoeder opslaan in een goed geventileerd en droog magazijn om te voorkomen dat het spontaan ontbrandt. Bij het verpakken moet je een afgesloten verpakking gebruiken om te voorkomen dat het poeder gaat schuiven. Houd het bovendien minstens 3 meter verwijderd van oxidatiemiddelen en warmtebronnen. Tijdens het transport moet je extreme trillingen vermijden en een brandblusser voor droog poeder uitrusten om te voorkomen dat stof rondvliegt en een secundaire explosie veroorzaakt.

Conclusie

Concluderend kan worden gesteld dat voor de verbranding van grafietpoeder bepaalde voorwaarden nodig zijn, zoals voldoende activeringsenergie en een geschikte toevoer van zuurstof. Het is dus niet brandbaar onder normale omstandigheden, maar kan ontvlambaar of zelfs zelfontbrandend zijn onder extreme of specifieke omstandigheden.