奈米金屬粉塵防爆研究―氮氣惰性化(POD)

奈米金屬鋁粉、鈦粉以及鐵粉為現今工業界為最常用之奈米金屬粉塵，然而目前大家對其塵爆特性並不清楚。基此；本研究即探討鋁、鐵、鈦奈米金屬粉塵爆炸與惰性氣體關係，而奈米金屬粉體以市面上最常用之粉體為研究對象，其中奈米金屬鋁粉和奈米金屬鈦粉之粒徑分別為100nm、75nm與35nm，奈米鐵粉粒徑則為65nm、35nm 和15nm，而本研究所用之惰性氣體將選用氮氣為主要探索之載具。
在本案所探究之三種奈米金屬粉體在國內、外相關規範並無發現有相關資訊之探討，僅NFPA69為較相關，係以氮氣進行探討至微米粒徑等級。而在本研究中發現三種奈米金屬粉體之最低點火能量(MIE)都小於1mJ，皆屬於爆炸敏感度高的物質。此外；奈米金屬鐵粉與鈦粉會引發自燃爆炸反應(未用化學點火器引爆)，若將前述條件用化學點火器引爆，其爆壓值並未有明顯的變化。若奈米鐵粉與鈦粉依正常塵爆量測方式(ASTM1226)，則此二種粉體會與空氣迅速氧化燒結於入料口使得實驗無法進行。即使粉體入料斗完全以氮氣充填，燒結現象仍會出現於20升鋼球體內，尤其在浮塵產生器分散口附近最為嚴重。基此；本研究找出篩選奈米金屬粉體之自燃敏感性之流程，並發展出依自燃敏感性進行爆炸特性與惰化特性量測之方法，若依敏感度之高到低特性分別為直接入料爆炸特性量測法、入料斗氮封爆炸特性量測法以及標準之塵爆特性量測法。並整合前述各項方法制訂出奈米金屬防爆氮氣惰性化操作手冊。
接著更透過前述方法完成對鋁、鐵與鈦奈米金屬粉體爆炸下限量測與惰性化之影響，實驗結果為奈米鋁粉100nm、75nm、35nm的爆炸下限(LEL)約為41-42g/m3，(依粒徑分別為41、41、42 g/m3)，爆炸最低需氧濃度(MOC)依粒徑分別為13.5、13、12.25 vol%。奈米鐵粉65nm、35nm、15nm的爆炸下限(LEL)依粒徑分別為131、96及106 g/m3，其MOC依粒徑分別為11.5、12.5、12 vol%。奈米鈦粉100nm、35nm(75nm因供應商變更使用非抗靜電包材質，導致在實驗取樣時該批物料自燃起火導致全數毀損，故無法進行此粒徑粉體測試)的爆炸下限，兩者之爆炸下限(LEL)分別為30、40g/m3，其MOC依粒徑分別為14與13 vol%。

本計畫研究成果中之奈米金屬防爆氮氣惰性化操作手冊，可為學術與研究機構進行奈米粉體爆炸與惰化特性之量測標準外，本案所檢測所得之奈米鋁粉、奈米鈦粉、奈米鐵粉之爆炸下限以及其惰性化之影響，亦可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，以有效預防與控制奈米金屬粉塵爆炸危害。