Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Agglomerates von nanoskaligen Aluminiumpartikeln
Quelle: BAM
Die Heftigkeit einer Explosion von Stäuben wird durch den sogenannten maximalen Explosionsdruck und die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit bestimmt. Diese von den Eigenschaften der Probe abhängenden Kenngrößen werden durch genau beschriebene Prüfapparaturen und -bedingungen ermittelt, welche exakt in internationalen Standards definiert sind. Diese wurden jedoch für Stäube erarbeitet, die aus einzelnen Partikeln mit Durchmessern im Mikrometerbereich (Mikrostäube) bestehen. Sind die etablierten Standards auch geeignet, um Stäube zu untersuchen, deren primäre Partikel wesentlich kleinere Durchmesser im Nanometerbereich (so genannte Nanostäube) aufweisen?
Im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Universität Lothringen in Nancy und dem INERIS (Institut National de L'Environnement Industriel et des Risques) bei Paris wurden Untersuchungen an verschiedenen Nanostäuben durchgeführt (Aluminium, Carbon Black, Nanozellulose) und der Einfluss der Probenvorbereitung und -handhabung auf das Explosionsverhalten der Stäube erforscht. Auf diese Weise sollten mögliche Schwachstellen und Grenzen bestehender Standarduntersuchungen identifiziert werden.
Hauptaugenmerk wurde bei dem Vergleich verschiedener Verfahren auf die Aufwirbelung der Partikel gelegt (Turbulenz und Homogenität der Staubwolke). Bei Konzentrationen, die für das Entstehen und den Ablauf einer Staubexplosion notwendig sind, kann das Aneinanderheften der einzelnen nanoskaligen Partikel nicht verhindert werden. Dadurch entstehen sogenannte Agglomerate, wie auf dem Bild (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von nanoskaligem Aluminium) zu erkennen ist. Es wurde deutlich, dass durch das Eindüsen und Aufwirbeln die Größe der Agglomerate zwar wieder reduziert werden kann. Die Explosionsheftigkeit nahm im Vergleich zu Mikrostäuben dennoch nicht wesentlich zu.
Weiterhin ist bereits bei Mikrostäuben eine Beeinflussung der experimentellen Ergebnisse durch die für die Standardversuche vorgeschriebenen sehr starken Zündquellen (chemische/pyrotechnische Zünder) bekannt. Bei Nanostäuben kann sich dieses Verhalten aufgrund deren sehr hohen Zündwilligkeit noch verstärken. Es wurden darüber hinaus auch ungewollte vorzeitige Entzündungen von sehr zündempfindlichen Nanostäuben vor dem Auslösen der Zündquelle beobachtet. Dies führt dazu, dass Messungen nicht auswertbar sind und die Prüfapparaturen beschädigt werden können.
Evaluating the explosion severity of nanopowders: International standards versus reality
A. Santandrea, A. Vignes, Arne Krietsch, D. Brunello, L. Perrin, A. Laurent, O. Dufaud
erschienen in Process Safety and Environmental Protection, Band 138, Seiten 279 - 291, 2020
BAM, Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube