黒田英司' ,永石俊幸+ '

研 究 論 文

ul矧il打l病両i行血 皿

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マグネシウムおよびチタニウムと過塩素酸カリウム混合系の 静電気放電による発火感度

黒田英司' ,永石俊幸+ '

三種のマグネシウムと過塩素酸カリウム混合系およびチタニウムと過塩素散カリウム混合系 について静唾気放電による発火感度拭故を行った｡これ らの静電気放電による発火感度は,上 部電極の針先と銑料表面の位置関係によって

発火エネルギーは大きく変化 した

発 火エネルギーは針先と拭料間に空気同酸がある静旬気粉塵点火感度拭験条件のときは低 く.針 先が拭料中に埋まっている静奄気感度拭験条件のときは,その埋まる深さの増加にともなっ て,マグネシウムおよびチタニウム両混合系とも

発火エネルギーは高 <なるが,その変化 状況は両混合系で異なった｡なお.静簡気感度拭故で拭料状態が一定でないときは

発火 エネルギーは大きくば らつき,同一拭政条件におけるその最大値 と最小値の比が

倍以上にな る場合もあった｡これ らの混合系の静喝気放亀による発火感度は.静奄気感度拭験条件の場合 ち,静電気粉塵点火感虎杖浜条件の場合も.同一混合系では最小5 0%発火エネルギーを示す見 掛けの時定数は両者で一致 し.また.静喝気感度拭敦の方が最小5 0%発火エネルギーは高くな

り.そのときの簡捷問陵長は長 くなった｡

1.まえがき

我々は静確気放唖による発火感度のうち.拭料内政 亀に対する発火感度を静噂気感度

,試料外政亀( 上部 電極が試料表面の上部にあ り,奄横間に空気間隙があ る場合の放奄)に対する発火感度を静電気粉塵点火感 度 2･3) と称 している｡起爆薬や偉薬の静電気感度につ いては,今までに詳細な数多 くの研究がな されてき た 4‑7I ｡また,金属粉単体に関しては.粉塵爆発の分 野で,粉塵要の着火感度拭

0 ) が行われてきた｡し かしながら,金属粉と敢化剤の混合系か らなる火工晶 執成物については.粉塵爆発の分野では全 く鉄験され たことがなく.また.火二品組成物を扱 う分野では.

静電気感度も静唖気粉塵点火感度も,ある固定された 一つの拭験条件で得 られた感度データが報告されてい るにすぎない

静奄気放亀による発火感度には多くの田子が彰曹す

1996

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'九州産美大季工学部

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るが.金属粉 一酸化剤の混合系に関 しては.それ らの 田子とそれ らの感度への彩管に関してはまだ明らかに されていない｡既報1 〜3 ) において.い(つかの金属粉 一酸化剤混合系について.静態気感度および静電気粉 塵点火感度への電極間隙長,直列抵抗および静電容食 の影管を換肘 した｡なお.静喝気感度拭敦のときに 紘.拭政条件を一定にして も.大き <ぱ らつ <感度 データが得 られたい｡

ここで臥 マグネシウムおよびチタニウムと過塩素 酸カリウム混合系について.さらに詳 しく静電気放電 による発火感度に影響する田子に関して実験を行い, 静唖気感度特性を明らかにし,また.静電気粉塵点火 感度との関係および押領気感度データが大きくば らつ いた原田について検肘する｡

2.

異 境

2.1

静電気感度5t 験装置

固定電極装置を使用 し.上林電極は市販のスチール レコー ド針,下部電掛 ま直径

mのステンレス樺の 頂面平坦面である｡ この下部簡捷に内径

m.外径

20

mn.高さ

mのポリテ トラフルオロエチレン( 以 下pT

と略記する)円筒体をかぶせ.その頂面がステ ンレス電極頂面より

m高 くなるように固走 し.

できた くぼみ内に拭料 を故放 した｡拭料の高さが

m以上の場合には.拭料量を少な <し.その設故と

KayakuGakkaishi.Vol.59.Noこ3.1998 ‑J37‑

拭験後の拭料または残液の処理が簡単にできるよう に,下部噸極に内径

m.厚さ

,長さ約

のポ リ塩化 ビニールチューブの一部をかぶせ,その チューブ内に拭料を入れた｡チューブは拭故ごとに交 換する｡確気回路は既報

と同じである｡

2.2

5( 料

マグネシウム

は三種について拭験 した

は既報 1 ･ 2 ) と同じもので, C

社製,平均粒 子径

は

適合晶で.平均粒子 径

は

適合晶で,

通過

,平均粒子径

である

は箔が丸まった形状.

払板状不定 形で微粒子を含み

は球状粒子であるが.

粒子径が揃っていなくて,放粒子も含んでいる｡チタ ニウム

i ) は大阪チタニウム( 樵) 輿.

1

0で

通過

のもので.不定形である｡

酸化剤の過塩素酸か )ウム

は片山化学工業 ( 樵) から購入した洗薬特級品で.乳鉢粉砕して

通過のものを用いた｡混合比は.

O. 混合系とも.既報l I の民放により最も鋭感であ ることが示された

の韮丑混合比とした｡

2.3

試料の設置と統計処理方法

拭料は平坦にならしたときに設定予定の拭料の厚さ になると想定される丑を

E円筒体の中心部の(ぼ み部またはポリ塩化ビニールチューブ内に注ぎ.下部 電極を

回たたいてな らすことによって没放 し た｡そのときにたた<強さ臥 注意深<できるだけ一 定になるようにした｡武料の厚さは亀極関取長に関係 な<,特に断らない限り,上林電極の針先が拭料中に

mの深さに埋め込まれるようなJ gさ,すなわち, 拭料の厚引 ま股定電極同線長より

だけ厚 くなる ようにした｡静旬気粉塵点火感度拭験のときは.試料 の厚さは旬極閉酸長の約半分かまたは

mの小さい 方 とした｡

統計処理方法として

発火エネルギー( 以下

と略田する) データをできるだけ少ない拭験故で求め るために.

i

法L 3 ) を使用した｡缶臓 回故は

シ リーズ

回である｡エネルギーは

V2 で計拝 し, 試験エネルギー水準は

で表わしたコンデ ンサに貯蔵 されたエネルギーの常用対数値で故定 した｡

3.

央験括果

3.1電鍵間隙長および直列抵抗とE

s . の開催

Mg(MIOO2)‑KQ

O. 混合系について臥 既

) にお いてコンデンサ容

において電唾間隙長およ び直列抵抗 と E s o の関係を求めた｡拭験した容量と最 小の

s oを示 した直列抵抗の札 見掛けの時定数は約

Sであった｡また.いままでに容量が異なっても

too

(r∈)^aja

U心

0.0 0.5

1.0 1.5

GaplenBth(

也 )

onshipbetween50%i印idoneneTW andgap lenghforMg(M1002)/KC10lCOmPOSitioTl

100

(r qLIOAaJaLJO

!1

!

u 叫

% l O S

timeconstant(JJS) 1090 Fig.2Relatio血 ipbetween50%ipi

tionenerwandaP‑ Parentdnecotdantfor

Mg(MIOO2)/KCIO4COm‑

posido n

同じ見掛けの時定数に剖 l て.最小 E s .を示

すという 規則性が旺められている そこで.

それぞれ約

および

の容 丑にお

いて.ほぼ同じ見掛 ナの時定数となる直列抵抗 のもとで

.電極間鹸長と

o の関係を求めた｡結果を

^{1に示す｡ついで.そ}

の拭故で最小

5 . を示した噂 唾間敵長のもとでそれぞれ直

列抵抗と

s ｡ の関係を求 めた｡その括黒を見掛けの時定数

と

s ｡ の関係として

他のマグネシウム

に示す｡

およ

1000100(ru)^gLOuOuO!12U叫L

曽 S

0.0 0.5

1.0 1.ち

Gaptensthbh) 2.0 2.5 Fig･3Rehtion

shipbetween50%ipitionenerwandgap lengthfor3kindsofMdKCIO4COmpOSitio TtS

1010000

( r u )

誓

econstant(JJS) 1000 Fig.4Relationshipbetween50%ignitionenerg

yandap‑ parcTlttimecon五tantfor3kiTldsorMg/

KC104

compositions

にい<

つかの直列抵抗と

5 0 の関係を求め.最小E s o を 示

した直列抵抗を用いて.電撞間隙長と

^{印の関係を}

求め

た｡結果を

に示す｡ついで,その集魚で得 られた

最小 E s oを示した電極間隙長のもとで.直列抵 抗 と

S ｡ の関係を求めた｡その結果を見掛

けの時定数 と

. の関係として

に示した｡比較

のために前 記 した

1

^と

^{Ol 混合系}

の相当するデータ もこれらの図に紀入した｡

1

混合系については,既報l ) において見掛け の時定数は約

Sであることが示され

た｡そこで

のコンデンサ容

丑で.それぞれ見掛けの 時定数が

L L Sになる直列抵抗のもとで,旬横間 鹸長

10

(ru

)!!一1F

'

% O

Gaplenlt

h( m)

2.5Fi

g.5Rdalionshipbetween50%ignitionenergyan

100(ru)]aJaUauO!1

!U叫 J 誓 S

‑2 0

2 4

SaTTpleth舌ckness(

也 ) 6 8

ehtionshipbetween50%ipitiomehergyand saJtIPletJtich essforMB(M

1

IOlaJId

¶/

KOO4C

OmPOSidonsⅧ(ru)益Leuouo!1!U

叫l 曽 S ‑

‑

.0‑0.50.0 0.51.01.5

Saaplethickness血)Fig.8R ehtionshipbetween50%ignitionenerwandsAmPlethichessforMs(M15) / KQO.andMs(M45)/KC104CO

mPOSitjons

故で最小

so を示した直列抵抗

Q . 電極間藤長

mと他にその条件から少し取れた同じ直列鑑抗. 屯 唾間取長

皿で.また

Mg(M45)

. それぞ れ見糾すの時定数が

Sと

Sとなる直列抵抗, 最小

0 ^と

混合 系については .

nFと

血Fの両方について

を示した簡捷間取長で

. い(つかの拭料のJg さについて拭点した

Ti混合系については .

nFに おいて最小

与｡

を示した直列抵抗

, 屯蛭間敵長

mと他に少し異なった条件の同じ電極間鹸長. 直 列抵抗

15k

【 ‖こついて拭

放 した｡ これ らの集散で得 ら

れた結果 を

と

に示す｡

()^!)!r

u a

L'l

曽

0.5 1.0

1.5

GaplenSth

( mめ

5 Rg･9Rehdonshipbetween50%i

pitionenerwa

皿‑｡｡Ⅶ(ruZ一m.[a

tIa

J叫︼ % o

▲Scrtei1

oSeri62

I Series3

000

1

O

■

ム000

0

0

A

: A 酢

80

3

r )

0. 5

3

Fig.11ReladoTuhipbetween50%ignitionenergyaJldgap

lcTlgthfor

s e d

報日 4)に述べたように,Mg‑KCIO4,Ti‑KQO4混合系 な どが,非常に大きくば らついた｡一つの例をFis.ll に示す｡Mg(M

I

2

3

Es.データを示 している.

シリーズ1と2の静電気感度拭験では.耽料層の厚 さは設定 した確唾間取長の約3倍かまたは3m の小 さい方 とし.それ らの斌魚で払 拭料を載せた下部奄 極 をたたいて.拭料を平坦にな らす という動作を必ず しも十分には行ってはいない

L 4 )

盛

シリーズ

1

2

,E

E

3

E

Fi

8

7

8

シリーズ1と2では拭料の厚 さがほとんどの場合今回 の

2

E

この ことは拭料の厚 さ以上に,拭料の状癖がE50に大

きく影響することを示 している｡すなわち.今Lgのよ うに下部電極 をたたいて拭料 を平rJ =な らす ことに よっ七 試料内部の空隙がなくな り,また.拭料のか さ密度が増 して内包する垂気丑が減 り,そのために放 領による内部空間内での,また大気中への拭料の吹き 飛ばされ易さも減る｡

シリーズ1や2では拭料ができるだけふわふわの状 銀に投粧されるように注意 して.うまく妊科が‑一様に 故世されたように見えたときには,下部奄横 をたたか ない場合があった｡ このときには内包 される垂気宜が 多くな り.放電によって局部的に拭料が吹き飛ばされ 易くなる場合があ り,また.金属粉単体 も金属粉一酸 化剤混合系でも空気中の敢葉との接触が多ければ発火 しやす くな り,これ らによってシリーズ1や2では.

E

別の種類のマグネシウム粉について,比較のために 簡単な拭験を行った｡平均粒子径はMg(M15)に近 く 約14〟mであるが.これは球状粒子で,粒子径が比較 的にそろって いて微粒子 を含んで いない｡上部電極 の針先か ら1m の拭料の厚さの ときも,空気間酸が あった場合も.3Jのエネルギーで発火 を生 じなかっ た｡金属粉およびその酸化剤 との混合系の発火には.

着火のし易さと飛散 し易さの面か ら,微粒子 または蒋 膜の存在が重要な役割 を持 っているといえる｡

4.2静電気感度特性の検討

静奄気放電による発火感度拭故では.最も鋭感な感 度データが得 られる拭験条件で拭敦 を行 うことが原則 である｡ しかしなが ら,最 も鋭感な試料状嘘を再現性 良く作るということが非常に囲姓であったために.今 回の静電気感度拭政で払 拭料の状態ができるだけ一 様で.一定となるような方法をとり,ば らつきのない Es.データが得 られるような条件で鼓放 し.静亀気感 度特性を検討した｡そのような条件のもとで得 られた 別 ､E50データとそのときの簡捷間隙長.見掛けの時 定数をTablelにまとめた｡

いくつかのコンデ ンサ容丑で拭験 したMg(M1002) とKCIO4混合系では.それぞれ容丑が小さくなるほど 庇小

E

FiB･5と6のTi混合系で札 容丑による最小Es.とその ときの電極間鯨長の変化が前述の規則性か ら少 し逸脱 している｡ これは今回の静電気感度就農の拭科の厚さ がlTtm であり

,F T l

KayakLJGakkaisM.Vol.59.No.3.1998 ‑ )4J‑

TablE11

El

CompositiotI Capa(nF)CitAnc

e

(mm) (ml) Mg(M1002)‑KClO一 30

7 210 1.2 138.0

〟 20 10 200 1.4 7

4.5

〟 10 20 200

1.5 59.9

〟 4 50

200 1.7 56.6

〟 2 100 200

1.7 53.8 Mg(M45)‑KQ

O. 30 10 300 1.4 359.7

〟 4 75 300 1.8 169.8

Mg(MIS)‑KClOl 30 13 390

1.5

9 4

〟 4 loo 400 2.0 562.3

Ti‑KCIO‑ 10 12 120

1.2 15.5

〟 4 30

120 1.8 10.2

〟 1 120

120 1.8 ll.2

ことと関係して,

… のばらつきなどの集散墳墓 の彰菅が大きくて生じ

たと考えられる｡

三堀の

sと

04 の混合系の静

電気感度では,同 じコンデンサ容丑で虎小E

o の低いもの

ほど.そのと きの見掛けの時定掛 ま小さくなり.かつ奄棲間取長

は 短くなるという規則性が路められる｡すなわち

n F で臥

OO2)

混合系が最も鋭感で.最小 E

o は

mJ.電極阿蘇長は

7mm.

見掛けの時走事 削ま約

混合系は

それぞれ

mJ ,約

(M15)

混合系は.

mJ .約

mとなっている.ただ.

5)

と

混合系の

nFにおける句境

阿蘇長とEs o の関係を 羽べたときの直列抵抗が大きすぎた机 最

与 ○を

示 す条件から少しはずれた租合でも.放砥用始現象な

ど 感度に特別に彰曹する田子がない場合には.そのとき の関係が錐持され1 ･ 1 4 ) .規則性が踏められるとしてよ

いであろう｡ 金属粉 と酸化剤の混合系の静旬気感度

民政では.拭 料の状盛が一定であれば.

7

と

に示すように.

拭料の厚さによって

s o が変

化することがわかった｡

ただ.その変化状蟻が

混

合系と

混合系では異 なっている｡ ここに拭料のJ

Pさとは.駒托したよう に.上部唖極の針先から拭料

表面までの長さであり, 拭料厚さ0とは針先が拭料表面に捷 しているとき

であ り.プラスの放伐は耽料の中に針先が進入していると きで.進入の深さをいう.マイナスのときは針先と拭

料表面問に垂気同船があるときで.針先と拭料衷面岡 の間取 桶を示す｡

Mg

混合系では三種の

とも.拭料のJ gさが

のと きは.空気間取があるとき( マイナスの厚

さ) よりも高 い E S .となっている｡それに対 して

Ti 混合系では拭 料の厚さが 0のときと空気間酷がある

ときでほとん どE5 0 は変わらない｡さらに

m 近

く針先が鼓料中に 侵入しているときまで.その低い

_{s o が練}

持されてい る｡試料の厚さがそれ以上に厚 くなるにつれ

て.

および

混合系ともだんだんと

は高<なってい 普.ある厚さ以上では一定価に漸近する傾向が姥

めら れる｡ これらの榊 削ま.静旬気感度拭魚で庇

も低い E s .

示す条件 とそれか ら少 し逸脱 した条件で

行ったが.

Fl

に示すように.

混合系では

差異がないが

混合系で

は差異が路められた.このような違い,およ び拭科

厚さ0近くでの

s . の法科によるの違いには.

金属の比重

.粒子形状.粒度分布.批料の鞍密度など が関係していると考

えられる.

今回の静亀気感度地 では.特別に針先が拭

mだけ投入した拭科J gさで触 した 料中に

が.このとき は試料のJ gさによって E s o が大きく変

化 したり.Ti 混 合系のように.空気間取がある場

合の

s o が推持され ている梅酢 こあることがわかっ

た.静喝気感度拭鼓の ときの拭料のJ gさはもっと厚く

する必要があり.どの 程度

の厚さにするかについてはもっと辞紳な検肘が必 要である

｡なお.伸亀気粉塵点火感度旺験では,拭料 の厚さは

旬唾間取長の半分としたが

これは妥当で あったことを示している｡

3

種の

掛けの時定数およびそのときの簡捷間隙長岡に規則的 関係があったが.静奄気粉塵点火感虎杖故結果では.

Ms(M45)

とKC1

. 混合系が この両方の関係か ら逸脱 している｡この逸脱は再乗故の結果再現性のある現象 であることが示された｡拭料の飛散状態の違いと関係

して生 じたものと考えられる｡

最後に.見掛けの時定掛 ま放唖撞く 熱源.すなわち 一種のホ ットスポ ッ ト)の持続時間

) .電機間船長は 放簡捷の温良 圧力および容積 と関係伯してお り.今 後静確気放竜による発火感度データによって火工品組 成物の発火機構を検討する予定である｡

5.

ま と め

(l)Mg

およびTi とKC1

混合系の静電気放電による 発火感度は,拭料の状嘘が一定であれば.上部簡 捷の針先と試料表面の位匿関係によって大きく変 化する｡なお,試料の状態が一定でない場合に は,E 5 . の最大と最小の比が1

倍以上にもなるよう なば らつきを生じる場合がある｡

(2)Mg

混合系では.針先が拭料の表面に摸 していると きは,簡極間に空気があるときよりもか

s o を示 す｡Ti 混合系では.針先が拭料表面に凍 している ときのみならず

m拭科中に埋まっているとき まで,電極間酸に空気がある場合の

s . が維持され る｡それ以上に試料のJ gさが増せば,それにとも なって

o は高 くなる｡

(3)Mg‑KC104

とTi

O

混合系の静電気感度は.静 噸気粉塵点火感度の場合 と同じようにい(つかの コンデンサ容丑で拭験 したときに,容丑が小さい ほど最小

5 . は低 <なり.そのときの電極間隙長は 長 くなるが.見掛けの時定款は一定である｡

(4)Mg

三種とKQ 0

の各混合系は,静亀気感度民放で は同じコンデンサ容丑での賦験において,最小

が低いものほど,見掛けの時定数は短 くな り,そ のときの電極間隙長は短 くなる｡静電気粉塵点火 感度拭政ではその関係か ら逸脱する場合があっ

た｡また.静簡気感度の方が,それぞれの拭験条 件において痕小

5 . は高く.そのときの旬康間隙長 は長くなったが.最小 E 5 ｡ を示す見掛けの時定数は 両者で一致 した｡

文 献

l )黒田英司.永石俊幸.火薬学会*,5

鹿田英司,永石俊幸.火薬学会鯨.5

黒田英司.永石俊幸.火薬学会結.5

,

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5)R.M.H.Wya

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KayakuGakkaish

J

) 4 3‑