储存温度和湿度对镁粉微光散射（MIE）的影响：实验与改进的预测模型

本研究系统探究了储存温度、湿度和粉尘浓度对镁粉最小点火能量（MIE）的影响，通过1.2L Hartmann管实验及热重分析（TGA）发现，温度和湿度为主要因素，呈现显著协同效应，粉尘浓度在80℃以上产生次要影响。结合多层核壳结构理论模型，量化了MgO和Mg(OH)?膜层的抑制效应，揭示了湿度依赖的U型MIE变化规律，模型预测精度达R2=0.97，为镁粉工业安全储存提供理论依据。

　　

张小亮|陈彦昭|熊敏|张军|顾慧婷

上海工业大学城市建筑与安全工程学院，上海201418，中国

摘要

镁的高化学反应性在其工业储存过程中构成了重大危险，这种风险与环境温度和湿度密切相关。本研究通过一系列在1.2升Hartmann管装置中进行的实验，系统地研究了储存温度、湿度和粉尘云浓度对镁粉最小点火能量（MIE）的影响。结果表明，温度和湿度是影响MIE的主要因素，并表现出显著的协同效应。粉尘云浓度是一个次要因素，其影响在80℃时发生转变。在40–60℃范围内，MIE随着湿度的增加呈现U形趋势，这揭示了表面氧化反应和水合反应之间的动态竞争。结合热重分析（TGA）和理论建模，开发了一种基于多层核壳结构的改进MIE预测模型。该模型定量阐明了MgO和Mg(OH)₂薄膜的差异性屏障效应：MgO层的屏障效应随厚度增加而呈亚线性增长，而Mg(OH)₂层的屏障效应则呈超线性增长。此外，该模型通过协同系数和指数量化了层间竞争效应，为MIE对湿度的U形依赖性提供了理论解释。所提出的模型能够高精度地预测实验数据（R² = 0.97），从而加深了对镁粉表面钝化机制的理论理解，并为工业应用中的危险评估和安全储存提供了可靠的工具。

引言

镁是一种重要的轻质金属材料，由于其低密度、高比强度和优异的机械性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造和电子领域[1]。然而，其高化学反应性在加工、储存和运输过程中带来了重大的安全风险。涉及镁的粉尘爆炸频繁发生，导致严重的财产损失、设备损坏和人员伤亡[2]。为了有效缓解此类事故，准确评估其易燃性参数至关重要[3]。在这些参数中，MIE是量化粉尘云点火敏感性的关键指标，其准确预测对于提高工业安全标准至关重要。

研究表明，镁粉的MIE受到其物理化学性质的强烈影响。现有研究主要集中在颗粒大小和形态等固有粉末特性的影响上。Choi等人[4]证实了镁粉的颗粒大小与其MIE之间存在显著的负相关关系。Zhu、Qiu及其同事的研究表明，与球形颗粒相比，不规则形状的镁粉颗粒具有更大的比表面积、更高的表面活性、更好的分散性和在气流中的悬浮稳定性。这些特性使得在点火区域形成更高浓度的粉尘云，从而降低了MIE[5]。然而，镁粉的MIE不仅受这些固有性质的影响，还与其表面状态密切相关。在储存过程中，镁的高反应性会导致动态的表面老化，这一过程涉及复杂的表面化学反应和微观结构演变，受到温度和湿度等环境因素的强烈影响。Campbell等人[7]报告称，在微量CO₂气氛中，镁粉表面会形成MgO/MgCO₃层，且MgCO₃在预氧化的镁表面上生长得更快。Kuroda等人[8]通过实验验证了MgO可以与水蒸气发生水合反应生成Mg(OH)₂，从而改变表面的化学惰性。基于等温氧化实验，Fournier等人[9]指出，镁粉的保护性氧化膜遵循对数增长规律，其增厚显著抑制了反应活性。Saleh等人[10]发现，镁金属表面形成的多孔Mg(OH)₂结构允许金属与水直接反应，加速了氧化动力学过程并生成更厚的表面膜。通过TGA，本研究将镁表面保护性氧化膜的形成过程分为三个动力学阶段：初始水合增重阶段（由Mg(OH)₂形成引起的重量增加）、中间脱水减重阶段（由Mg(OH)₂脱氢引起的重量减少）和保护性氧化层形成阶段（生成致密的MgO层）。此外，Nie等人[11]建立的镁在氧气和水蒸气中的氧化有限反应模型，以及Lee等人[12]对镁颗粒在不同湿度条件下老化行为的研究，都表明温度和湿度条件显著改变了镁粉的表面形态和化学组成，从而调节了其反应活性。

表面状态的变化已被确定为影响粉末点火特性的关键因素之一。Hao等人[13]通过原子层沉积（ALD）在Zr粉末表面制备了Al₂O₃涂层，发现这种涂层不仅通过物理屏障显著延长了点火延迟时间，还降低了材料的静电放电敏感性。Li等人的研究[14]表明，硬脂酸涂层可以通过钝化表面和吸收能量有效抑制铝粉爆炸。Wang等人[15]报告称，纳米铝涂层可以通过在加热过程中优先氧化和释放热量来缩短硼粉的点火延迟时间，从而破坏表面氧化层。这些研究为理解表面状态改变对点火行为的影响提供了宝贵的见解。

尽管初始形态和其他固有因素对镁粉爆炸危险性的影响已被广泛认识，并且已经对特定环境下的氧化机制进行了深入研究，但对于储存温度和湿度如何通过调节粉末表面状态来影响MIE的系统理解仍然不足。因此，本研究模拟了实际的工业储存条件，系统地研究了温度和湿度驱动的表面状态演变对镁粉MIE的影响。这项工作旨在为高反应性金属粉尘的安全储存和爆炸防护设计提供理论基础。

实验部分

样品参数

实验使用了由国药集团提供的2N级镁粉（纯度>99.0%）。为了系统研究表面状态演变对MIE的影响，按照既定程序对原始镁粉进行了预处理[16]。使用激光粒度分析仪对预处理后的镁粉的粒度分布进行了表征，得到中位粒径（D₅₀）为53.32微米（图1）。X射线衍射（XRD）分析表明，这种预处理方法保留了...

储存温度和湿度对MIE的影响

三因素全因子方差分析（ANOVA）显示，储存湿度（η² = 0.284）和温度（η² = 0.283）是控制MIE变化的主要因素，且存在高度显著的交互效应（η² = 0.181）。基于这一发现，采用了控制变量方法系统分析了温度和湿度对MIE的影响。此外，通过TGA（见第3.3.2节）定量表征了表面化学成分的变化，这作为主要...

结论

通过结合1.2升Hartmann管测试、TGA和理论建模，本研究阐明了镁粉表面状态演变（受储存温度和湿度控制）对其MIE的调节效应和潜在机制。主要结论如下：

• (1)
  储存温度和湿度是控制镁粉MIE的主要因素，表现出明显的协同效应。粉尘浓度是一个次要因素，

作者贡献声明

张小亮：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源获取、调查、资金筹措、正式分析。陈彦昭：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、调查、正式分析、数据管理。熊敏：验证、调查、数据管理。张军：撰写 – 审稿与编辑、资金筹措。顾慧婷：撰写 – 审稿与编辑、可视化。

未引用的参考文献

[6], [17], [18], [19], [20], [29]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中华人民共和国国家自然科学基金（资助编号：22308018）的支持。