國內工業用奈米粉塵爆炸特性研究IOSH96-S323

奈米金屬粉末無論是研究發展或是工業界應用，目前皆是廣泛討論研究之材料，其中，奈米鋁粉、奈米鈦粉以及奈米鐵粉等可燃、爆性粉末，均有高額產量及大量應用領域，與此同時，在粉末粒徑進入奈米尺度的情況下，粉塵比表面積大幅提昇，增加此三種粉塵可被點燃的機會，因此，潛在的粉塵爆炸危害風險將廣幅增加，另外，微米尺度粉塵爆炸的現象、測試方法以及量化參數是否具有相同的實驗尺度基點，也需要深入探討，故本次計畫針對上述三種奈米金屬粉末，進行三種不同粒徑的爆炸特性參數實驗，如最大爆炸壓力、最低爆炸濃度以及爆炸特性參數Kst值之量測與計算，期能量化其粉塵爆炸特性，並據此提出適當的安全防護建議。實驗結果發現，20公升爆炸鋼球標準測試方法可以獲得奈米鋁粉35 nm的實驗數據，但是無法進行奈米鈦粉以及奈米鐵粉的粉塵爆炸實驗，此兩種奈米金屬粉末進入鋼球後，於粉塵產生噴嘴沉積並產生高熱高溫，無法均勻分散至鋼球內進行粉塵爆炸實驗，經過奈米金屬粉末點燃實驗測試，說明標準測試方法會因為奈米金屬粉末於入料過程團聚，形成凝結現象呈現擬固體熱傳方式，無法產生局部熱點引燃，因此本計畫改良入料程序，選擇適當的擾流條件，成功完成奈米金屬粉塵爆炸實驗。改良式實驗結果顯示三種奈米金屬粉塵的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上昇速率以及最低爆炸濃度，分別為奈米鋁粉10.5±0.8、912.5±410.5 bar及20 g/m3（粒徑35 nm）；奈米鈦粉6.65±0.25 bar、435.5±58.5 bar及60 g/m3（所有測試粒徑）；奈米鐵粉3.9±0.4 bar、282±51.0 bar及125 g/m3（粒徑35 nm），另實驗結果發現粉塵粒徑與最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上昇速率以及最低爆炸濃度間，並無絶對線性關係，實驗結果另顯示Al-35 nm達到Kst危害等級3（嚴重爆炸），其餘不同粒徑金屬粉塵皆為危害等級1（弱或中度爆炸），顯示奈米鋁粉的爆炸危害程度影響最鉅。本計畫研究成果提供奈米鋁粉（35 nm、75 nm及100 nm）、奈米鈦粉（35 nm、75 nm及100 nm）及奈米鐵粉（15 nm、35 nm及65 nm）的粉塵最大爆炸壓力、最大爆炸上昇速率、爆炸特性參數Kst值以及最低爆炸濃度，予奈米金屬粉應用業界、本會檢查處、各檢查所及安衛處參考使用，預防奈米金屬粉塵爆炸危害。