氨纶防黄剂HN-150粉尘热特性研究

氨纶防黄剂HN-150粉尘热特性研究

陈帅

西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054

摘要：防黄剂HN-150是当前全球使用最为广泛的一种氨纶专用的黄变防止剂，其作为一种可燃性粉尘在加工过程中往往以粉尘云的状态存在。鉴于防黄剂HN-150在生产加工等工艺中存在的未知爆炸危险性，特针对防黄剂热解特性进行了相关研究，结果表明：防黄剂HN-150在不同升温速率下的热解过程都产生了四个失重阶段，且热解反应的失重趋势随着温度的升高逐渐连续化，溢出的气体产物主要有CH4、CO、CH2O、N2O、CO2、NO2、C2H7N和H2O。

关键字：防黄剂粉尘；热解；研究；TG-DSC-MS-FTIR

0引言

本文选用过200目筛网后的防黄剂HN-150粉尘作为实验样品，实验所用到的装置有：热裂解气-质联用（PY-GC-MS）、TG-DSC-MS-FTIR四联用[1]。

1 实验步骤

实验先称取6mg防黄剂试样在300℃下通过热裂解气-质联用（PY-GC-MS）装置得到防黄剂HN-150可能的裂解产物，再称取相同质量的200目的防黄剂粉尘放入氧化铝坩埚中，利用TG-DSC热分析技术对防黄剂粉尘在40~500℃范围内的热解过程进行分析，观察其在4种不同升温速率下的热重和热流变化规律[2]。当热分析设置升温速率为10k/min时同时联用FTIR和MS，对筛选自热裂解气-质联用得到的结果中最有可能的产物经过FTIR-MS扫描进行验证，进一步确定防黄剂HN-150热解过程中产生的气体产物。

2实验结果及分析

2.1 热解过程中的热分析

先选取升温速率为5k/min下的TG-DSC-DTG结果进行阐述，为了更好地将不同工况下的防黄剂粉尘热解过程进行对比分析，将所有曲线的温度范围都统一为40~500℃，防黄剂粉尘在40到500℃这一温度范围内质量损失达83.42%，经历了四个失重阶段。图中Tb为DTG外推热解起始温度、Te为DTG曲线外推热解终止温度、Tf为热解失重速率最大峰值对应的温度，T1~T7分别为每一失重阶段前后对应的温度值。第一个失重阶段发生在温度为158.69℃到201.69℃之间，质量变化为3.208%；第二阶段在215℃到238.31℃之间，质量变化2.098%；第三阶段从247.32℃开始到308.11℃结束，质量共变化25.962%；第四阶段从308.11℃到436.93℃之间质量变化了48.841%，且当温度为343.869℃时达到最大失重速率。
在升温速率为5k/min时，防黄剂粉尘在氮气气氛下随着温度的升高，失重率增大，最终剩余的质量占总加入量的16.58%。

图 1四种升温速率下的TG-DSC曲线汇总图

由图1可知，升温速率为5、15和20k/min的DSC曲线都出现了三个吸热峰，其中升温速率为15和20k/min的DSC曲线在40~100℃之间存在一放热峰，根据放热反应的种类可判断出现放热峰的原因是该阶段出现了气体吸附现象，表现为工作气氛中的氮气吸附在防黄剂粉尘表面。

2.2 热解产物分析

对热解产物的成分采用了两种技术进行检测，一为热裂解气-质谱联用、二为FTIR-MS联用。由于红外和质谱在扫描产物时，需要先明确会产生哪些物质，进而针对这些物质才能进行扫描。第一种技术用于提前预测可能的产物，选取存在可能性较大的产物再用第二种技术进行检测。

热裂解气-质谱联用技术会将所有可能的产物全部列出，根据所得谱图与标准谱库对比按所有产物的相似度指数SI值和保留时间的大小对可能产物进行排序，并给出相应谱图、分子式及结构式，如图2所示：

图2 热裂解结果图

图2的结果为热裂解的一种气体产物CO2的谱图及其结构式，通过与NTST21.LIB谱库中的谱图对比，确定该产物为CO2。根据其他谱图对应选出了最有可能的6种产物是二氧化碳、氨基甲酸铵（NH₂COONH₄）、一氧化二氮、乙醛、二甲胺、偏二甲肼、四氯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯。

热裂解所探测到的产物中不仅存在气体还存在液体，凡是与标准谱图相近的物质都会展示出来。根据防黄剂自身的元素成分和可能气体产物，去除掉后四种物质，最后与常见物质裂解后的产物进行综合分析，确定红外和质谱需扫描的有CH4、CO、CO2、NO、N2O、NH2COONH、C2H4O、C2H7N等物质。

3实验结论

对防黄剂HN-150在四种不同升温速率下的热解特性及反应过程进行了研究，主要表现在对防黄剂粉尘的失重阶段、TG-DTG-FTIR-MS各自曲线的特征值变化及产物成分进行分析，研究结果表明：四种升温速率下的防黄剂粉尘热解都存在4个明显的失重阶段，后两阶段的失重率相比于前两阶段较大，且随着坩埚温度的升高，失重阶段发生前后相差的温度值越小，表明热解反应随着温度的升高失重阶段逐渐连续。随着升温速率的升高，曲线的失重速率峰值越大，曲线外推起始温度越小，最大失重率Vmax的绝对值越大，对应升温速率下的热解越完全。升温速率为15k/min和20k/min的DSC曲线在一开始出现放热峰的原因是随着升温速率增大，热解反应初始阶段出现了气体吸附现象。防黄剂粉尘在升温速率为10k/min下的热解过程中析出了CH

4、CO、CH2O、N2O、CO2、NO2、C2H7N和H2O等气体产物。

4结语

防黄剂HN-150领域还存在着更多与安全生产相关的研究内容，还需国内外更多学者进一步去探索和发现，本文的实验研究已有了初步的探索，对该类粉尘后期的其他实验研究也有帮助和借鉴作用。

参考文献：

[1]孙昌荣,潘铁英,刘鹏,张德祥.TGA和Py-GC/MS研究黑山煤的热裂解行为[J].实验室研究与探索,2017,36(09):5-9.

[2]卫畅. FOX-7粉尘爆炸特性及其热分解试验研究[D].中北大学,2018.