新型Hβ@meso-SiO?@BMC抑制剂的合成及其基于实验和热力学的抑制聚乙烯粉尘爆燃的机制

《Powder Technology》：Synthesis of novel Hβ@meso-SiO 2@BMC suppressant with core-shell structure and its mechanism of inhibiting polyethylene dust deflagration based on experiments and thermodynamics

粉尘爆炸抑制新策略：基于Hβ@meso-SiO?@BMC复合分子筛的协同阻燃机制研究。通过溶胶-凝胶包覆法制备具有微孔核心-介孔壳层结构的分子筛载体，并原位负载基本碳酸镁（BMC），系统考察了不同BMC载量对聚乙烯粉尘爆炸抑制效果的影响。当BMC与载体质量比为1:2时，60wt%添加量即可实现火焰完全抑制。机理研究表明，复合结构通过多级孔道协同作用：微孔（<2nm）提供高比表面积吸附自由基，介孔（2-50nm）促进BMC均匀分散及气体扩散，整体结构增强热传导与阻燃效能。热解动力学分析显示添加后聚乙烯热解表观活化能从155到235kJ/mol显著升高，DAEM模型证实BMC热分解产生的CO?和H?O稀释氧气浓度，同时MgO层捕获自由基，形成气-固复合阻燃机制。该成果为高分子材料粉尘爆炸防控提供了高效、低成本的解决方案。

　　本研究的核心目标是开发一种新型的复合型粉尘爆炸抑制剂，以有效防止和控制聚乙烯粉尘爆炸的风险。随着聚乙烯在工业领域的广泛应用，其粉尘爆炸的潜在危害日益凸显。特别是在石油化学工业设施中，聚乙烯粉尘因其易燃性和广泛存在，成为一种重要的可燃性隐患。过去几年，国内外发生了多起因聚乙烯粉尘引发的爆炸事故，造成了严重的经济损失，甚至导致人员伤亡。因此，如何高效、可靠地抑制粉尘爆炸，成为了当前粉尘安全研究中的关键问题之一。

传统的粉尘爆炸防护措施主要包括控制点火源、通风除尘、惰化环境以及设置泄压装置等。然而，这些方法在实际应用中存在一定的局限性。例如，严格的点火源控制难以完全杜绝爆炸的触发，而通风除尘系统在某些情况下可能无法及时清除粉尘，导致爆炸风险依然存在。惰化环境虽然能有效降低氧气浓度，但需要额外的气体供应，增加了运营成本和空间占用。相比之下，粉尘爆炸抑制剂可以在爆炸发生后迅速响应，直接在设备内部扑灭火焰，从而限制爆炸压力在安全阈值以下，无需依赖外部泄压空间。这种特性使得抑制剂成为一种更适用于封闭空间的高效解决方案。

当前，研究人员对多种抑制剂的性能和作用机制进行了深入探索。惰性气体、细水雾以及固体粉末抑制剂（如磷酸盐、碳酸盐等）已被广泛研究。其中，碳酸盐类抑制剂因其在加热过程中能够释放惰性气体，表现出较好的抑制效果。然而，单一成分的抑制剂往往需要较高的添加量才能显著降低爆炸强度，这不仅增加了成本，还可能导致设备堵塞或影响正常的生产流程，从而限制了其在大规模工业中的应用。

为了解决上述问题，近年来研究者开始关注功能型复合抑制剂的开发，以利用协同效应提高抑制效率并减少添加量。例如，Zhang 等人通过将氢氧化铝与硼酸锌复合，研制出了一种新型抑制剂，其在铝粉尘爆炸中的最小惰化浓度（MIC）从单独使用时的约 1000 g/m3 降低到了 600 g/m3，显示出明显的协同效应。Yan 等人则通过将 KH?PO? 与 SiO? 混合，制备出一种复合抑制剂，能够在 60% 的添加量下有效阻止铝粉尘火焰传播，而在 90% 的添加量下实现完全抑制。此外，将活性成分均匀负载在多孔载体上的方法也成为了研究热点。Zhang 等人利用废弃分子筛制备出一种微孔-介孔结构的载体，并将其与草酸铵复合，从而获得了用于煤粉尘爆炸的新型抑制剂 SGA。实验表明，当 SGA 添加量为 70% 时，煤粉尘爆炸火焰几乎完全失去传播能力。类似地，一种以氮基阻燃剂为活性成分、负载在介孔 SiO? 上的复合抑制剂，在铝粉尘爆炸抑制中表现出优于碳酸钙等单一惰性粉末的性能。

综上所述，粉尘爆炸抑制技术已经从传统的惰性介质发展到了新型的功能复合材料。其中，微孔-介孔结构的分子筛因其高比表面积、优异的热稳定性和负载能力，被认为在粉尘爆炸抑制中具有较大的应用潜力。然而，关于这类材料的性能评估和作用机制的研究仍显不足。因此，本研究提出了一种基于碱式碳酸镁（BMC）的新型复合抑制剂——Hβ@meso-SiO?@BMC，旨在通过其多级孔结构和协同作用机制，实现对聚乙烯粉尘爆炸的高效抑制。

碱式碳酸镁是一种环保型材料，其在热分解过程中能够释放水蒸气和二氧化碳，并形成稳定的氧化镁（MgO）层。这种特性使其在抑制聚合物燃烧过程中表现出良好的气体相稀释和凝聚相阻隔效果，从而有效阻断燃烧链式反应。与传统阻燃剂相比，碱式碳酸镁不会产生持久性有机污染物或腐蚀性气体，能够显著降低烟雾毒性及对环境的影响，同时具备良好的热稳定性，不会对基材的机械性能和使用寿命造成损害。作为一种天然矿物衍生材料，碱式碳酸镁成本低廉且资源丰富，符合绿色可持续发展的要求，展现出在粉尘爆炸抑制领域应用的广阔前景。

为了充分发挥微孔-介孔分子筛的负载能力和碱式碳酸镁的阻燃性能，本研究设计并制备了一种新型的复合抑制剂：以碱式碳酸镁为活性成分、以微孔-介孔结构的分子筛为载体的复合材料。首先，通过表面活性剂导向的溶胶-凝胶包覆法，构建了具有微孔核心和介孔壳层结构的 Hβ@meso-SiO? 复合分子筛。随后，将碱式碳酸镁通过原位合成法均匀负载在分子筛的表面和孔道中，从而形成了具有多级孔结构的 Hβ@meso-SiO?@BMC 复合抑制剂。这种结构不仅能够实现活性成分的高度分散，还能在不同尺度上发挥协同作用，提高抑制效果。

本研究以聚乙烯粉尘爆炸为案例，系统评估了该复合抑制剂对爆炸参数的影响。通过实时火焰观察、产物表征和分布式活化能模型（DAEM）分析，揭示了该抑制剂的双重抑制机制。首先，该复合抑制剂的多级孔结构为燃烧自由基的吸附提供了丰富的活性位点，从而阻断了燃烧链式反应的传播。其次，碱式碳酸镁在热分解过程中释放的二氧化碳和水蒸气能够稀释燃烧区域的氧气浓度，而分解产物氧化镁则参与自由基的捕获，进一步抑制燃烧反应。此外，复合分子筛的高比表面积增强了对爆炸热量的吸收和分散能力，有助于降低燃烧反应的热效应。

热力学分析进一步验证了该抑制剂的作用效果。研究发现，添加该复合抑制剂后，聚乙烯的热解活化能显著增加（从 155 kJ/mol 提高到 235 kJ/mol），表明其有效抑制了聚乙烯的热分解和燃烧过程。这一结果表明，该复合抑制剂不仅能够通过物理机制阻断燃烧反应的传播，还能通过化学机制改变燃烧反应的动力学行为，从而实现更深层次的抑制效果。

为了更全面地评估该复合抑制剂的性能，本研究还对其结构和特性进行了系统的表征分析。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，Hβ@meso-SiO? 复合分子筛呈现出主要为球形的形态，并具有明显的表面粗糙度，这表明其具有较大的比表面积和丰富的孔道结构。这种结构不仅为后续的活性成分负载提供了良好的条件，还增强了材料的吸附能力和反应效率。此外，该复合分子筛的热稳定性也得到了验证，其在高温条件下能够保持结构的完整性，为后续的热分解反应提供了稳定的物理环境。

在实际应用中，该复合抑制剂的性能表现尤为突出。实验结果表明，当其添加量达到 60% 时，聚乙烯粉尘的火焰传播几乎被完全抑制。这一结果在很大程度上归功于其多级孔结构和协同作用机制。微孔结构的 Hβ 核心不仅提供了高温下的稳定性能，还能够通过其强酸性位点捕获燃烧自由基。而介孔结构的 SiO? 壳层则为碱式碳酸镁的均匀负载提供了通道，并在爆炸过程中促进了气体的快速扩散和热传导。这种多尺度的孔结构设计使得复合抑制剂能够在不同阶段和不同位置发挥其作用，从而实现对爆炸过程的全面控制。

除了物理和化学机制外，该复合抑制剂还表现出良好的热传导性能。由于其多级孔结构能够形成高效的热传导网络，因此能够在爆炸发生后迅速将热量分散，降低局部温度，从而延缓或阻止燃烧反应的进一步发展。这种热传导性能的增强，使得复合抑制剂在实际应用中具有更高的响应速度和更强的抑制能力。

此外，该复合抑制剂的制备方法也具有一定的创新性。通过溶胶-凝胶包覆法和原位合成法相结合，研究人员成功实现了碱式碳酸镁在分子筛表面和孔道中的均匀负载。这种方法不仅能够提高活性成分的分散度，还能增强其与载体之间的结合力，从而提高整体的抑制效果。同时，该方法也具有良好的可扩展性，为大规模工业应用提供了技术支持。

本研究的创新点在于将碱式碳酸镁与具有多级孔结构的分子筛结合，形成了一种新型的复合抑制剂。这种材料不仅能够通过物理吸附和化学反应机制抑制火焰传播，还能通过热传导和热量吸收等手段降低爆炸的热效应。其高比表面积和丰富的孔道结构为活性成分的负载提供了理想条件，同时其热稳定性和化学稳定性也确保了在高温环境下的有效性能。

在实际应用中，该复合抑制剂具有显著的优势。首先，其能够实现高效的火焰抑制，减少爆炸对设备和人员的威胁。其次，其添加量相对较低，能够在不影响正常生产流程的情况下有效控制爆炸风险。此外，该抑制剂的制备成本较低，且原材料来源广泛，符合绿色可持续发展的要求。这些特点使得该复合抑制剂在工业粉尘爆炸防护中具有广阔的应用前景。

为了进一步验证该复合抑制剂的性能，本研究还通过分布式活化能模型（DAEM）对其作用机制进行了深入分析。DAEM 是一种能够充分利用实验数据、提供更高精度的热分解动力学分析方法。与传统的等转化法和模型拟合法相比，DAEM 不需要预先假设反应机制，能够更准确地描述多阶段、重叠的反应过程。通过 DAEM 分析，研究人员发现该复合抑制剂在热分解过程中能够显著提高聚乙烯的活化能，从而有效抑制其热分解和燃烧反应。这一结果不仅证实了该抑制剂的高效性，也为今后的粉尘爆炸抑制研究提供了新的思路和方法。

在实际操作中，该复合抑制剂的使用方法也较为简便。由于其具有良好的分散性和稳定性，可以在生产过程中直接添加到聚乙烯粉尘中，或者作为涂层应用于相关设备。这种灵活性使得该抑制剂能够适应不同场景下的粉尘爆炸防护需求。此外，其高效的抑制效果也意味着在实际应用中可以减少添加量，从而降低运营成本和设备负担。

总的来说，本研究开发的 Hβ@meso-SiO?@BMC 复合抑制剂为聚乙烯粉尘爆炸的防护提供了新的解决方案。其多级孔结构和协同作用机制使其在物理和化学层面都表现出优异的抑制性能，而其环保性和经济性则进一步增强了其在工业中的应用价值。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种新型抑制剂有望在更广泛的工业领域中得到推广和应用，为粉尘爆炸的安全防控提供更加可靠的保障。

在实验设计和数据分析方面，本研究采用了多种先进的表征技术和分析方法，以确保结果的准确性和可靠性。通过使用标准化的 Hartmann 管装置，研究人员能够系统地评估聚乙烯粉尘爆炸的火焰传播行为。该装置由高 600 mm 的垂直石英玻璃管、高压粉尘分散系统、点火电极、能量储存单元和高速摄像机组成，能够精确记录爆炸过程中的火焰传播情况和相关参数。实验严格按照已有的研究方法进行，确保了实验条件的可控性和结果的可比性。

在表征方面，研究人员采用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、比表面面积分析（BET）、X 射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多种技术，以全面评估 Hβ@meso-SiO? 复合分子筛的结构和性能。SEM 和 TEM 图像显示，该复合分子筛具有球形结构和表面粗糙度，表明其具有较大的比表面积和丰富的孔道结构。BET 分析进一步证实了其高比表面积和良好的孔道分布，这为后续的活性成分负载提供了理想条件。XRD 和 FTIR 结果则表明，该复合分子筛的结构和化学组成稳定，能够有效维持其热稳定性和阻燃性能。

此外，研究还通过热重分析（TGA）和分布式活化能模型（DAEM）对聚乙烯粉尘的热分解行为进行了深入研究。TGA 数据表明，该复合抑制剂能够显著改变聚乙烯的热分解曲线，提高其热解活化能，从而抑制燃烧反应的发生。DAEM 分析则揭示了该抑制剂在不同阶段对热分解反应的影响，进一步支持了其在燃烧抑制中的作用机制。

在实验过程中，研究人员还对抑制剂的添加量和性能之间的关系进行了系统研究。通过调整 BMC 与 Hβ@meso-SiO? 的质量比，研究人员发现当 BMC 与 Hβ@meso-SiO? 的质量比为 1:2 时，抑制剂的性能达到最佳。这一结果表明，通过合理设计活性成分与载体的比例，可以进一步优化抑制剂的性能，提高其在实际应用中的效果。

从实验结果来看，该复合抑制剂在实际应用中表现出良好的性能。在 60% 的添加量下，其能够几乎完全阻止聚乙烯粉尘的火焰传播，这一效果在现有的抑制剂中较为罕见。这不仅意味着该抑制剂具有较高的抑制效率，也表明其在实际应用中具有较高的可行性。此外，该抑制剂的制备方法也较为简便，能够适应大规模工业生产的需要。

为了确保研究的科学性和严谨性，本研究还对实验数据进行了详细的分析和验证。通过比较不同添加量下的实验结果，研究人员能够准确评估该复合抑制剂的性能，并找出其最佳使用条件。同时，实验结果还表明，该抑制剂在不同环境条件下均能保持良好的抑制效果，这进一步增强了其在实际应用中的适应性和可靠性。

在研究过程中，研究人员还考虑了该复合抑制剂的环境友好性和经济性。由于碱式碳酸镁是一种天然矿物衍生材料，其制备过程对环境的影响较小，且成本较低，这使得该抑制剂在工业应用中具有较高的可行性。此外，该抑制剂在使用过程中不会产生有害的副产物，也不会对设备造成腐蚀或堵塞，这进一步提高了其在实际应用中的安全性和稳定性。

综上所述，本研究开发的 Hβ@meso-SiO?@BMC 复合抑制剂在聚乙烯粉尘爆炸的防护中表现出优异的性能。其多级孔结构和协同作用机制使其在物理和化学层面都具备良好的抑制效果，而其环保性和经济性则进一步增强了其在工业中的应用价值。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种新型抑制剂有望在更广泛的工业领域中得到推广和应用，为粉尘爆炸的安全防控提供更加可靠的保障。