木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究_张睿冲.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（）；广西自然科学基金项目（）通讯作者：刘炜（），男，湖南邵阳人，广西大学副教授，博士；：。引文格式：张睿冲，刘炜，谢承煜木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究广西大学学报（自然科学版），（）：木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究张睿冲，刘炜，谢承煜（广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 ；湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 ）摘要：为了研究不同结构性质的木薯淀粉粉尘层最小引燃温度及影响因素，利用粉尘层引燃温度装置对木薯原淀粉及其种变性淀粉（氧化木薯淀粉、醚化木薯淀粉、糊精、预糊化木薯淀粉、乙酰化木薯淀粉）最小引燃温度进行实验研究，同时也利用热重分析仪、元素分析仪对木薯淀粉进行辅助分析研究。研究表明：木薯淀粉粉尘层的最小引燃温度与木薯淀粉的含氧量、粉尘粒径没有直接的、规律性的关系；木薯淀粉粉尘层最小着火温度由其物质结构所形成的物理、化学特征决定。关键词：木薯淀粉；变性木薯淀粉；含氧量；热重分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（），：，：；第期张睿冲，等：木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究引言木薯淀粉分为原淀粉和变性淀粉两类，从生木薯直接加工出来就是木薯原淀粉；采用物理、化学以及生物化学的方法，使淀粉的结构、物理性质和化学性质改变，从而出现特定性能和用途的产品称为变性淀粉。木薯原淀粉及变性淀粉在许多领域中应用十分广泛，主要应用在食品、食品添加、凝胶、造纸、饲料、纺织等方面，木薯淀粉是除了玉米淀粉外生产、使用量第二大淀粉类。可燃淀粉粉尘无论处在粉尘云或粉尘层状态，在点火源的作用下都有可能发生严重的事故，生产过程中发生火灾爆炸的风险较大。如 年秦皇岛的骊骅淀粉企业就发生过玉米淀粉爆炸重大事故。文献 对粉尘层最小引燃温度进行的相应的研究，以粉尘粒径分布、温度、厚度、等影响因素为主，研究对象多元化，包括了钛、木质粉、硫化矿尘、硫磺粉尘、面粉、聚酰胺粉尘、兽药粉、聚苯乙烯微球粉体及相关的惰化、惰化剂及效果状况。目前，针对木薯原淀粉及变性淀粉爆炸特性的对比研究鲜见报道，所以研究木薯淀粉的最小引燃温度，对在木薯淀粉及其变性淀粉生产经营的各环节预防粉尘火灾爆炸具有重要意义。实验 装置、方法及着火判断图粉尘层最低着火温度实验装置图 装置粉尘层引燃温度测试装置为吉林市宏源科学仪器有限公司生产着火实验装置，如图所示。选取厚度为、的金属环进行实验。记录试验现象为着火的最小设定温度为粉尘层最小引燃温度。测试方法及着火判断启动实验装置。进入设定界面，设定加热板的表面温度，设定恒温时间为 。启动实验装置，当热板温度达到所设定温度时，恒温 。恒温结束后，迅速将木薯淀粉均匀倒入并充满金属钢圈，自然地刮平粉尘层，然后清理多余的粉尘，进入诱导状态。木薯淀粉着火的判定。观察到明显的火焰和发光等燃烧现象；当粉尘层温度高于热表面温度，然后又降温到比热表面温度稍低稳定值时，如果粉尘层温度高于热表面温度，判定为着火。如果未着火，则以 为步长升高温度，直到着火为止。如果着火，则以 为步长降低热板温度，直到未着火为止。重复步骤找到木薯淀粉粉尘层最低引燃温度。原料与环境条件实验样品包括木薯原淀粉及种木薯变性淀粉（氧化木薯淀粉、乙酰化木薯淀粉、预糊化木薯淀粉、醚化木薯淀粉、糊精），其中预糊化木薯淀粉的形状是片状，其余的木薯淀粉原粉、氧化木薯淀粉、乙酰化木薯淀粉、醚化木薯淀粉、糊精的形状是颗粒形状。样品由广西某生化公司提供，实物图片及电镜样如图所示，不同木薯淀粉的粒径分布分别如图 所示。广西大学学报（自然科学版）第 卷图木薯原淀粉的实物照片及扫描电镜图像 图预糊化木薯淀粉及扫描电镜图像 图氧化木薯淀粉及扫描电镜图像 图乙酰化木薯淀粉及扫描电镜图像 第期张睿冲，等：木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究图醚化类木薯淀粉及扫描电镜图像 图糊精及扫描电镜图像 图木薯原淀粉的粒径分布图 图氧化木薯淀粉的粒径分布图 图 醚化类木薯淀粉粒径分布 图 乙酰化木薯淀粉粒径分布 广西大学学报（自然科学版）第 卷图 预糊化木薯淀粉粒径分布 图 糊精木薯淀粉粒径分布 在实验室相对湿度为 、温度为 的情况下进行试验，木薯淀粉在实验前进烘箱 干燥。结果与分析 粉尘层不同厚度下的最小着火温度测定结果经过实验，得出种木薯淀粉的粉尘层最小点着温度见表。表种木薯淀粉的粉尘层最小点着温度 粉尘名称粉尘厚度最小着火温度木薯原淀粉 乙酰化木薯淀粉 糊精 不着火不着火不着火不着火氧化木薯淀粉 预糊化木薯淀粉 醚化类木薯淀粉 第期张睿冲，等：木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究实验中：当加热板的温度大于 时糊精马上糊化，糊化的糊精在加热板的加热下碳化成蓬松的碳化层，在温度低于 加热时没出现燃烧现象；氧化淀粉、乙酰化淀粉在相应的温度加热时，出现燃烧的现象并且下燃成灰烬（图）；木薯原淀粉、醚化木薯淀粉、预糊化木薯淀粉的粉尘层在受热过程中形成碳化层（与加热板接触面），木薯淀粉层接触高温加热板时会碳化，产生多孔、泡状、蓬松碳化层，碳化层起到隔热的作用，阻止加热板继续给粉尘层传递热，容易上翘（图），上翘后散热更快（图），加热板的诱导加热结束后和加热板接触的地方全部阴燃烧成碳，其他地方一部分是碳化层，一部分是部分碳化的木薯粉尘（图）。图 氧化木薯淀粉燃烧成灰烬图 图 乙酰化淀粉着火燃烧图 图 木薯原淀粉受热上翘图 图 木薯淀粉原粉碳化层 由上述分析可知，粉尘层的厚度对粉尘层最小着火温度的影响在于：不同的粉尘层厚度导致粉尘层的致密度不同，合适的致密度有利于燃烧的传递及燃烧过程氧气的获得；同时合适的致密度有利于热量的积聚以维持燃烧进行。粒径对木薯淀粉层最小着火温度的影响粒径分布不同的种木薯淀粉（醚化木薯淀粉、木薯原淀粉、乙酰化木薯淀粉）的粉尘层最小着火温度都是 ，但燃烧的结果不相同，乙酰化木薯淀粉燃烧成灰烬，醚化木薯淀粉、木薯原淀粉燃烧后粉尘层上翘，不完全燃烧而形成块状炭。与加热板的接触面直接接触的粉尘的粒径包括了所有粒径范围，说明粉尘厚度合适、温度相同并且加热时间长度足够的情况下，各类木薯淀粉尘层的最小着火温度和粒径大小没有直接关系。广西大学学报（自然科学版）第 卷 氧含量对木薯淀粉粉尘层最小着火温度的影响通过元素分析仪对木薯原淀粉进行、及 元素含量的分析，同时对木薯变性淀粉的氧化粉、预糊化粉、糊精、乙酰化、醚化类进行氧含量的分析结果见表。表种木薯淀粉的元素分析 样品氧化粉、预糊化粉、糊精、乙酰化、醚化类质量分数 木薯原淀粉 氧化木薯淀粉 木薯淀粉糊精 预糊化木薯粉 乙酰化木薯粉 醚化木薯类 由表可知，样品木薯淀粉最小引燃温度（）的排序：预糊化木薯粉为 ，醚化木薯粉、木薯原淀粉、乙酰化木薯粉为 ，氧化木薯粉为 。通过样品木薯淀粉的因素分析与测得的木薯淀粉的最小引燃温度（）作比照，说明木薯淀粉的最小引燃温度（）与实验的样品木薯淀粉成分中氧元素的没有直接、规律性的关系。木薯淀粉受热分析 纯氮环境中热重分析使用日本岛津热重分析仪在纯氮环境中对木薯原淀粉、木薯变性淀粉的糊精、乙酰化、预糊化粉、醚化类进行热重分析，结果如图 所示。图 木薯原淀粉的 曲线图 图 糊精的 曲线图 图 乙酰化木薯淀粉的 曲线图 图 预糊化木薯淀粉的 曲线图 第期张睿冲，等：木薯淀粉粉尘层最小引燃温度实验研究图 醚化类木薯淀粉的 曲线图 图 氧化木薯淀粉的 曲线图 由图 可知，木薯淀粉的受热分解一般分为个区域：第个区域是图线缓慢下降到较长平稳的一段，是由木薯淀粉中水分蒸发导致；第区域是图线急骤下降，是由淀粉中的化学结合水的蒸发及热分解造成；第个区域是图线缓慢下降到停止，是由木薯淀粉碳化后的碳颗粒上浮或碳被氧化成二氧化碳导致的。在第个区域，木薯淀粉质量出现断崖式下降，温度量围为：木薯原粉是 ；木薯淀粉糊精是 、乙酰化木薯粉是 、预糊化木薯粉是 、醚化类粉是 、氧化粉 ，与木薯淀粉中的结合水的蒸发及木薯淀粉的热分解有关，说明木薯原淀粉、糊精、乙酰化木薯淀粉、预糊化木薯淀粉、醚化木薯淀粉、氧化木薯淀粉的热分解温度分别约为 、。空气环境中热分解临界温度测定临界温度的实验测试方法：（）启动粉尘层实验装置。（）进入设定界面，设定加热板的表面温度，设定恒温时间为 。（）加热板温度分别设定为 、。（）当加热板温度达到所设定温度时，恒温 。（）进入恒定诱导温度时，分别取、，放到加热台的上并且加满、刮平木薯淀粉，然后清理多余的粉尘，加热 ，观察木薯淀粉的反应。（）退出加热状态，重新设定下一个恒温加热温度。（）重复步骤（）（），直到测试完个温度。（）记录每个温度下，每种淀粉受温反应现象。临界温度的实验测试的结果见表。表空气环境中种木薯淀粉热分解的温度 淀粉名称温度测试结果木薯原淀粉 粉尘底部黑化（碳化）氧化木薯淀粉 粉尘底部黑化（碳化）醚化类木薯淀粉 粉尘底部黑化（碳化）乙酰化木薯淀粉 粉尘底部黑化（碳化）预糊化木薯淀粉 粉尘底部黑化（碳化）木薯淀粉糊精 黄化、黑化（碳化）由表可知，木薯原淀粉、糊精、乙酰化木薯淀粉、预糊化木薯淀粉、醚化木薯淀粉、氧化木薯淀粉在空气环境中热分解温度分别约为 、。总体而言，在空气环境中的热分解温广西大学学报（自然科学版）第 卷度较之在纯氮中热分解温度要低。主要原因是在空气环境中氧含量充沛，使反应迅速、剧烈，从而使热解的温度降低。在粉尘厚度适合、加热时间足够长的条件下木薯淀粉粉尘层的最小着火温度必须大于热分解温度。从实验的木薯淀粉来看，一般要高于热分解 左右才可能使粉尘层着火。结论样品木薯淀粉最小引燃温度依次为：预糊化木薯粉为 ；醚化木薯粉、木薯原淀粉、乙酰化木薯粉为 ；氧化木薯粉为 。在温度低于 时，糊精无法燃烧；木薯原淀粉、醚化木薯淀粉、预糊化木薯淀粉较难燃烧，同时这种木薯淀粉与加热板接触时产生阻燃的碳化层，一般不完全燃烧；乙酰化木薯淀粉、氧化木薯淀粉最小着火温度虽然不同，但着火后很容易燃烧，木薯淀粉宜分类管理。木薯淀粉粉尘层最小着火温度的主要由其物质结构所形成的物理、化学特征决定；与木薯淀粉的含氧量、粉尘粒径没有直接的、规律性的关系；在粉尘厚度适合、加热时间足够长的条件下，木薯淀粉粉尘层的最小着火温度必须大于热分解温度才可能着火。参考文献：林立铭，徐缓，吴秋妃，等食用木薯粉贮藏品质分析与评价食品科技 ，（）：高雪琴，袁玉超，刘胜利，等不同类型木薯变性淀粉对猪肉饼品质影响的对比研究现代牧业，（）：范泽，王安琪，孙金辉，等不同木薯变性淀粉对鲤鱼生长及糖代谢的影响水产科学，（）：伍梦婷，郭娟娟，徐云强，等木薯改性淀粉对鹅血凝胶特性的影响食品工业科技，（）：韩琼洁用于淀粉基塑料的木薯淀粉交联变性研究上海：东华大学，武宗文，尹振华，周培文，等三种变性淀粉浆料性能对比研究棉纺织技术，（）：崔忠文，周曦禾，周捍东，等杨木粉尘云与粉尘层最低着火温度研究木材工业，（）：董海佩，程贵海，李晓泉，等 钛粉尘的最小引燃温度 中国粉体技术，（）：孙翔硫化矿尘最低着火温度实验研究赣州：江西理工大学，代濠源，樊建春，刘迪，等粒径对硫磺燃烧爆炸特性影响的试验研究中国安全生产科学技术，（）：葛安卡，张礼敬，邢树鹏，等机械摩擦和过热表面对粉尘层着火温度的影响中国粉体技术，（）：袁帅，王庆慧，卫圆梦，等 堆积状态下面粉层最低着火温度实验研究 消防科学与技术，（）：马汉翔，毛浩清，张军，等 梧桐树粉尘爆炸特性研究 爆破器材，（）：，：胡海燕，胡立双惰性粉尘对铝镁混合粉尘云最低点燃温度的影响工业安全与环保，（）：，：，：（责任编辑梁碧芬）