CN112920815A - 一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阻燃抑爆剂领域，具体公开了一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，该抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂由多种粉体材料组成，其配方成分如下：氰尿酸三聚氰胺粉30％～45％，磷酸二氢铵30％～45％，石墨5％～30％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。本发明所述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂各组分之间通过特殊比例配比,采用物理阻燃抑爆和化学阻燃抑爆相结合的方式，从而具有很好的协同阻燃抑爆作用，本发明所述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂尤其适用于降低锆粉燃烧爆炸的危险性。

Description

一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂及其制备方法

技术领域

本发明属于阻燃抑爆剂领域，尤其涉及尤其涉及一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂及其制备方法。

背景技术

锆具有优秀的工艺特性和抗腐蚀性能，锆合金具有耐高温水蒸气腐蚀、导热率高、热中子吸收截面小等适合作为核燃料棒包壳的性质。由于锆材的各种优点，其被广泛应用于兵器制造、航空航天、以及核电等领域中，其中核电对锆的需求十分巨大。

在核电乏燃料后处理过程中，由于需要对乏燃料的锆合金外壳进行切割，剪切操作中产生的锆碎屑可能燃烧，因为剪切中会产生细毛边，在这个过程中不可避免的产生锆粉，锆粉作为可燃性粉尘，在当密闭空间的空气中达到一定浓度时，即会被点火源引爆。粉尘爆炸的反应速度很快，并释放大量热，形成局部的高温高压，破坏力极强，在国外也出现过堆积的锆材突然燃烧爆炸的事故，乏燃料后处理的过程涉及到具有强放射性的多种核素，若产生锆粉燃烧爆炸，释放出的烟雾和微粒可能含有大量放射性核素。在锆粉燃烧的高温下，某些放射性核素会大量挥发，对环境产生严重的污染。

为有效防控锆粉燃烧爆炸事故，开发出一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂非常必要。

发明内容

针对现有技术的空缺，为提供具有抑爆性能好、用量少、效率高、制备简单的抑爆剂，本发明提出了一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂及其制备方法，具体技术方案如下。

一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂包括质量份百分比的原料:氰尿酸三聚氰胺粉30％～45％，磷酸二氢铵30％～45％，石墨5％～ 30％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

优选的是，其成分质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉35％～39％，磷酸二氢铵30％～ 38％，石墨13％～25％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

还优选的是，氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉的粉体粒径均小于50μm。

一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂制备方法，制备上述的抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，步骤包括:

步骤一。将氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉分别进行粉碎，分别取上述原料组份用粉碎机粉磨成粉体，并用300目的筛子进行过筛，收集筛下的粉体；

步骤二。按照比例称取筛下氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨加入搅拌机中进行搅拌45～60分钟混合均匀，得到混合粉体。

步骤三。按照比例称取筛下硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉加入搅拌机中与步骤二中混合粉体进行搅拌45～60分钟混合均匀；

步骤四。将混合均匀后的物料放入真空恒温干燥箱中进行干燥，真空恒温干燥箱温度设定为50℃，压力设定为-0.09MPa，恒温干燥处理24h，得到上述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂。

本发明提供的一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂具有阻燃效率高、抑爆效果好的特点。尤其适用于抑制锆粉尘的燃烧与爆炸。组成所抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂的各种材料分别从不同的阻燃抑爆机理发挥作用，各种材料协同作用，在多种综合作用下最终达到阻燃抑爆的目的。

NH₄H₂PO₄对锆粉尘云的惰化既有物理抑制作用也有化学抑制作用，物理抑制作用体现在其分解温度较低，当温度达到130℃时便开始发生分解。NH₄H₂PO₄分解反应较为复杂，反应级数较多，分解过程会吸收大量的热，同时有H₂O脱出，吸收体系内热量气化，使锆粉反应体系的温度降低，挤占反应体系氧化剂的空间，影响锆粉与氧化剂的充分接触。

NH₄H₂PO₄对锆粉尘云的化学抑制作用体现在其分解反应的中间过程能产生高活性基团P·和N·，对锆粉燃烧过程产生的自由基有吸收作用，降低反应速率，实现锆粉尘云惰化。

NH₄H₂PO₄受热分解的主要过程如下：

NH₄H₂PO₄在400℃时分解完全，生成NH₄PO₃和H₂O或NH₃和H₃PO₄；

H₃PO₄在300℃的条件下完全分解成H₄P₂O₇和H₂O，NH₄PO₃分解生成HPO₃；

NH₄PO₃→NH₃+HPO₃

H₄P₂O₇发生脱水反应形成HPO₃，HPO₃分子之间发生聚合反应；

H₄P₂O₇→2HPO₃+H₂O，nHPO₃→(HPO₃)_n

最后(HPO₃)_n分解产生P₂O₅和H₂O。

2(HPO₃)_n→nP₂O₅+nH₂O

同时，由于锆粉燃烧时反应体系内温度极高，生成的氨气在1000℃下也可能会分解产生氢气和氮气，氢气在高温条件下还原性极高，能还原一部分的P₂O₅生成更多的水。

氰尿酸三聚氰胺，又名MCA，为白色结晶粉末，无毒性，呈弱酸性，化学性质稳定。热稳定性良好，在300℃条件下长时间加热，热损失也很低。此外氰尿酸三聚氰胺的摩擦系数低，且具有于石墨相似的层状结构，在高温、高压、高速或高温低速、低温或温度骤变的条件下，均具有稳定的润滑特性。

氰尿酸三聚氰胺的阻燃机理基本是物理阻燃。氰尿酸三聚氰胺分解产生的水蒸气、氮气二氧化碳等不燃性气体来进行阻燃，锆粉尘云爆炸时，氰尿酸三聚氰胺也同时受热，氰尿酸三聚氰胺粉颗粒吸收热量并分解为N₂，CO₂，H₂O等，分解成的惰性气体在锆粉颗粒的表面形成一层气相保护层，在一定程度上使得锆粉颗粒与氧气隔离，阻止锆粉颗粒与氧气反应，导致反应不能充分进行；当抑爆剂粉体超过一定浓度时，抑爆剂颗粒总吸收的热量将大于部分锆粉尘颗粒氧化燃烧放出的热量，使反应体系温度达不到锆粉尘颗粒燃烧温度，导致锆粉尘颗粒燃烧无法继续进行，抑制了锆粉尘爆炸。

石墨为灰黑色、不透明固体，化学性质稳定，摩擦系数较小，润滑性能好，对阻燃抑爆剂有润滑作用。石墨具有隔绝空气的效应，阻止锆粉与空气中的氧气接触，石墨在空气中的燃点可以达到为850～1000℃，石墨由于其特殊结构而具有非常优秀的导热性，其可以将热量由燃着的锆粉中导走，使热量也会被迅速的发散出去，使石墨达不到燃烧点，降低锆粉的温度直至熄灭，即使部分石墨在锆粉燃烧的高温下反应生成CO₂，锆粉与CO₂的反应速度远低于与O₂的反应速度，因此仍有抑制燃烧爆炸的效果。

二氧化硅，其作为添加剂，无毒、无味、无腐蚀性、不燃烧，无氧化性，高温不分解，且其良好的疏水性能使阻燃抑爆剂不易受潮，防止此阻燃抑爆剂在储存过程中，由于吸收了空气中的水分而导致阻燃抑爆剂失效或功能降低，大大地提高了阻燃抑爆剂的使用效率，并能改善阻燃抑爆剂的流动性。

硬脂酸镁为白色轻松无砂性的细粉，有滑腻感，无毒无害，在食品、药品、化妆品中多有添加；在阻燃抑爆剂中起疏松润滑作用，可使阻燃抑爆剂流动性好，改善阻燃抑爆剂的抗结块性；

云母粉是一种非金属矿物，含有多种成分，其具有良好的弹性、韧性、绝缘性、耐高温、耐酸碱、耐腐蚀、附着力强等特性，是一种优良的添加剂。云母粉作为无机添加剂加入阻燃抑爆剂中，具有抗振实、抗结块的作用，可以改善阻燃抑爆剂的流动性指标。

本发明的有益效果:

本发明的抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，采用氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨作为阻燃抑爆剂主要组分，硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉作为辅料。阻燃抑爆机理采用化学阻燃抑爆与物理阻燃抑爆相结合的方法，切断金属锆燃爆的反应链，具有良好的防止着火，抑制粉尘爆炸的效果。

具体实施方式

本发明提供了一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，下面通过例实施对本发明作进一步阐述，但不仅限于本实施例。

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂成分的质量百分比为:氰尿酸三聚氰胺粉30％～ 45％，磷酸二氢铵30％～45％，石墨5％～30％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

另外还可以选择不同的原料配比，例如成分质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉35％～ 39％，磷酸二氢铵30％～38％，石墨13％～25％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂中氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉的粉体粒径均小于50μm，从而达到更好的阻燃抑爆效果。

一种制备上述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂的方法，其包括以下步骤:

步骤一。将氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉分别进行粉碎，分别取上述原料组份用粉碎机粉磨成粉体，并用300目的筛子进行过筛，收集筛下的粉体；

步骤二。按照比例称取筛下氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨加入搅拌机中进行搅拌45～60分钟混合均匀，得到混合粉体。

步骤三。按照比例称取筛下硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉加入搅拌机中与步骤二中混合粉体进行搅拌45～60分钟混合均匀；

步骤四。将混合均匀后的物料放入真空恒温干燥箱中进行干燥，真空恒温干燥箱温度设定为50℃，压力设定为-0.09MPa，恒温干燥处理24h，得到上述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂。

为了更进一步的描述本发明提供的一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂的效果，通过实验对其进行说明，利用上述抑制煤尘爆炸的粉体阻燃抑爆剂进行抑爆实验，为此选择了3种组分配比的阻燃抑爆剂进行实验。

实验1：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉37％，磷酸二氢铵35％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘层最低着火温度测定装置测定抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘层厚度为5mm，锆粉和阻燃抑爆剂按比例混合后进行测试，400℃时维持30min不着火则表明该比例阻燃剂可以抑制锆粉燃烧，实验结果如表1。

实验2：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉32％，磷酸二氢铵40％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘层最低着火温度测定装置测定抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘层厚度为5mm，锆粉和阻燃抑爆剂按比例混合后进行测试，400℃时维持30min不着火则表明该比例阻燃剂可以抑制锆粉燃烧，实验结果如表1。

实验3：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉40％，磷酸二氢铵32％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘层最低着火温度测定装置测定抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘层厚度为5mm，锆粉和阻燃抑爆剂按比例混合后进行测试，400℃时维持30min不着火则表明该比例阻燃剂可以抑制锆粉燃烧，实验结果如表1。

对比实验1：

采用粉尘层最低着火温度测定装置锆粉尘层最低着火温度，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘层厚度为5mm，测得锆粉样品的粉尘层最低着火温度为220℃。

表1为实验1至实验3进行阻燃实验结果。

表1

从上表1可以看出，三种不同配比的抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂最低用量都在 34％左右，不加阻燃抑爆剂的情况下锆粉220℃即发生着火，而加入34％左右的阻燃抑爆剂即可抑制锆粉燃烧。

实验4：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉37％，磷酸二氢铵35％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘云最小点火能测定装置测定抑制锆粉爆炸的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘浓度保持300g/m³，喷粉压力维持在0.07MPa，与阻燃抑爆剂按一定比例混合后进行测试，1000mj的点火能量下不发生爆炸则说明抑爆剂的可以抑制锆粉爆炸，实验结果如表2。

实验5：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉32％，磷酸二氢铵40％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘云最小点火能测定装置测定抑制锆粉爆炸的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘浓度保持300g/m³，喷粉压力维持在0.07MPa，与阻燃抑爆剂按一定比例混合后进行测试，1000mj的点火能量下不发生爆炸则说明抑爆剂的可以抑制锆粉爆炸，实验结果如表2。

实验6：

抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂配方的质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉40％，磷酸二氢铵32％，石墨21％，硬脂酸镁2％，二氧化硅3％，云母粉2％。

采用粉尘云最小点火能测定装置测定抑制锆粉爆炸的粉体阻燃抑爆剂最低用量，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘浓度保持300g/m³，喷粉压力维持在0.07MPa，与阻燃抑爆剂按一定比例混合后进行测试，1000mj的点火能量下不发生爆炸则说明抑爆剂的可以抑制锆粉爆炸，实验结果如表2。

对比实验2：

采用粉尘云最小点火能测定装置测定锆粉尘云最小点火能，锆粉样品粒径为5-20μm，粉尘浓度保持300g/m³，喷粉压力维持在0.07MPa，测得锆粉样品最小点火能为30mj。

表2为实验4至实验6进行抑爆实验结果。

表2

2可以看出，三种不同配比的抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂最低用量都在30％左右，不加阻燃抑爆剂的情况下锆粉在30mj的点火能激发下即发生爆炸，而加入30％左右的阻燃抑爆剂即可抑制锆粉爆炸。

综上所述，上述技术方案的抑制锆粉燃烧的粉体阻燃抑爆剂对于锆粉材料具有良好的防止着火，抑制粉尘爆炸的效果。

Claims (4)

1.一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，其特征在于，其组分质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉30％～45％，磷酸二氢铵30％～45％，石墨5％～30％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

2.根据权利要求1所述的一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，特征在于，其成分质量百分比为：氰尿酸三聚氰胺粉35％～39％，磷酸二氢铵30％～38％，石墨13％～25％，硬脂酸镁1％～3％，二氧化硅1％～4％，云母粉1％～3％。

3.根据权利要求1所述的一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，特征在于，其组分的氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉的粉体粒径均小于50μm。

4.一种抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂的制备方法，其特征在于，制备权利要求1～3任一项所述的抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂，步骤包括：

步骤一。将氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨、硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉分别进行粉碎，分别取上述原料组份用粉碎机粉磨成粉体，并用300目的筛子进行过筛，收集筛下的粉体；

步骤二。按照比例称取筛下氰尿酸三聚氰胺粉、磷酸二氢铵、石墨加入搅拌机中进行搅拌45～60分钟混合均匀，得到混合粉体。

步骤三。按照比例称取筛下硬脂酸镁、二氧化硅、云母粉加入搅拌机中与步骤二中混合粉体进行搅拌45～60分钟混合均匀；

步骤四。将混合均匀后的物料放入真空恒温干燥箱中进行干燥，真空恒温干燥箱温度设定为50℃，压力设定为-0.09MPa，恒温干燥处理24h，得到上述抑制锆粉燃烧爆炸的粉体阻燃抑爆剂。