粉末惰化条件下微纳米钛粉反应动力学研究

摘要

钛粉意外着火、爆炸严重制约钛行业的发展。根据本质安全理论中的缓和原则，在爆炸危险性较大的钛粉中加入无爆炸危险性的二氧化钛，可降低物质自身的危险性，减弱粉尘爆炸的风险。为此，本文采用热分析技术开展了微纳米二氧化钛惰化条件下微米及纳米钛粉颗粒的反应动力学特性研究，旨在揭示钛粉发生着火爆炸反应机制的基础上，探索粉末惰化介质对微米及纳米钛粉的惰化机理，以为微纳米钛粉的本质安全防爆提供新的解决途径。 本文首先利用激光粒度分析仪并结合扫描电镜对微纳米钛粉及微纳米二氧化钛的形态特征、粒度分布进行了研究。研究结果表明:与单子微米钛粉颗粒不同，纳米钛粉呈颗粒堆积状，且颗粒团块的尺寸远小于微米钛粉。其次，采用德国耐驰STA449C同步热分析仪，在5、10、15、20K/min四种升温速率下分别研究了空气气氛和氮气气氛下微米和纳米钛粉的反应特性;为研究粉末惰化介质对微米、纳米钛粉的惰化机制，以微纳米二氧化钛为惰化介质在空气条件下对微纳米钛粉在不同惰化程度下的热分析曲线进行了研究。最后，为确定微纳米钛粉空气、气相惰化、粉末惰化条件下的反应机理，本文采用KAS法计算了不同升温速率下微纳米钛粉纯样品的表观活化能和指前因子;利用Coats-Redfern积分法获得了微纳米钛粉在反应过程中的最概然机理函数，求出了表观活化能和指前因子。 通过一系列的研究和分析，得出了如下结论:各反应条件下微、纳米钛粉的热重曲线均可分为吸气脱附和吸气增重两个阶段;纳米钛粉纯样品及其混合物的吸气增重阶段又可分为快速增重和缓慢增重两个阶段;纳米钛粉着火性能和燃烧稳定性优于微米钛粉;空气气氛下微、纳米钛粉着火性能和燃烧稳定性优于氮气气氛和粉末惰化条件下;微米二氧化钛惰化条件下微、纳米钛粉的着火性能和燃烧稳定性优于纳米二氧化钛惰化条件下，即纳米二氧化钛惰化效果优于微米二氧化钛;KAS法不适用于空气气氛下微、纳米钛粉及氮气气氛下纳米钛粉的热反应，仅适用于氮气气氛下微米钛粉的热反应，计算所得平均活化能值为202.2kJ/mol;各反应机理函数均为Jander;空气气氛下微米钛粉的表观活化能和指前因子随着升温速率的增大而增大，且远大于空气气氛下纳米钛粉的表观活化能和指前因子，空气气氛下纳米钛粉快速增重阶段的表观活化能和指前因子大于缓慢增重阶段;氮气气氛下微米钛粉的表观活化能和指前因子随着升温速率的增大而增大，且略大于空气气氛下微米钛粉的表观活化能和指前因子，远大于氮气气氛下纳米钛粉的表观活化能和指前因子，氮气气氛下纳米钛粉快速增重阶段的表观活化能和指前因子大于缓慢增重阶段;微、纳米二氧化钛粉末惰化条件下微米钛粉的表观活化能和指前因子均大于纳米钛粉，纳米二氧化钛粉末惰化条件下微米、纳米钛粉的表观活化能和指前因子均大于微米二氧化钛粉末惰化条件下，随着微、纳米二氧化钛质量比重的增大，表观活化能和指前因子随之增大，达到70％时表观活化能和指前因子最大，微、纳米二氧化钛含量继续增加时表观活化能和指前因子反而减小。

目录

声明

摘要

1．1．1钛粉用途

1．1．2钛粉的火灾爆炸危险性

1．1．3安全隐患问题

1．2研究意义

1．2．1粉尘爆炸防治技术

1．2．2惰化技术

1．2．3可燃粉体化学反应动力学研究的重要性

1．3研究现状

1．3．1铁粉研究现状

1．3．2铝粉研究现状

1．3．3镁粉研究现状

1．3．4钛粉研究现状

1．4研究目标、方法及内容

1．4．1研究目标

1．4．2研究方法及内容

第2章热分析动力学概论

2．1热分析动力学理论

2．1．1热分析的定义

2．1．2热分析动力学基本方程

2．1．3热分析动力学参数的计算

2．2热分析动力学方法

2．2．1定温法和单个扫描速率的不定温法

2．2．2动力学补偿效应

2．2．3多重扫描速率的不定温法

2．3热分析技术

2．3．1热重分析(TG)

2．3．2差热分析(DTA)

2．3．3差示扫描量热(DSC)

第3章实验研究

3．1实验样品

3．2实验仪器

3．3实验条件

3．4实验步骤

3．5热分析实验结果

3．5．1空气气氛下微纳米钛粉及其混合物热分析

3．5．2氮气气氛下微米与纳米钛粉热分析

3．5．3二氧化钛惰化条件下微米与纳米钛粉热分析

3．6本章小结

第4章化学反应动力学参数计算

4．1空气气氛下微纳米钛粉的反应动力学特性

4．1．1空气气氛下微米钛粉的反应动力学特性

4．1．2空气气氛下纳米钛粉的反应动力学特性

4．1．3空气气氛下微纳米钛粉混合物的反应动力学特性

4．2氮气气氛下微纳米钛粉的反应动力学特性

4．2．1氮气气氛下微米钛粉的反应动力学特性

4．2．2氮气气氛下纳米钛粉的反应动力学特性

4．3二氧化钛粉末惰化条件下微纳米钛粉的反应动力学特性

4．3．1二氧化钛粉末惰化条件下微米钛粉的反应动力学特性

4．3．2二氧化钛粉末惰化条件下纳米钛粉的反应动力学特性

4．4本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢