1.3 粉体及其特殊性能（3）——低熔点和高化学活性

1.3.1 颗粒做细，变得易燃、易于溶解

用火柴点火烧一个铁钉，铁钉不会起燃，但是如果将家庭洗碗常用的钢丝球靠近灶火，便会像烟火那样发出啪啪声响，并冒出火焰。在汽车轮毂制造等金属打磨车间，落在地面的废弃物中含有铁、铝、镁等金属的超微粒子，若使其在纯氧中流动，瞬间即可发生燃烧和爆炸。由粉体引发的爆燃事故屡有发生。但是，日常做饭的蒸锅和炒锅却安然无恙。其中的原因是，与块体材料相比，钢丝球和金属超微粒子的表面积要大得多。

切分物体会产生新的表面。进一步细微切分会产生越来越多的表面。因此，如果切分为超微粒子（小于1μm的粒子），与块体时相比，表面积会有数量级的增加。化学反应一般在物体的表面进行，随着表面积增大，反应速度急速增加，进而使得铁等金属也会在空气中燃烧。

对于物质在水等溶剂中溶解的情况，藉由微粉化，使其与溶质的接触面积增加，也可以促使其在溶剂中的溶解速度大大增加。这对于难以溶解的药品来说是有益的。

在涉及粉体的学术、技术领域，作为表示表面积的参数，常使用称为比表面积的数值。比表面积定义为每单位体积（例如1m3），或每单位质量（例如1kg）物质所具有的表面积。

比表面积随着粒子的大小按反比例增加。例如，对于相对密度为1的球形粒子，直径1mm的粒子的比表面积为6m2/ kg，而1μm的粒子的比表面积则为6000m2/ kg，1g粉体具有6m2的表面积。

1.3.2 礼花弹的构造及粉体材料在其中的应用

礼花弹外壳为纸质，内部装填有燃烧剂、助燃剂、发光剂与发色剂。燃放高空烟火时，发射药把礼花弹推射到空中，同时点燃礼花弹的导火索。

礼花弹飞到空中后，由黑火药制成的燃烧剂被导火索点燃，在剧烈燃烧之下生成大量气体（二氧化碳、二氧化氮等），造成体积急剧膨胀，炸裂礼花弹的外壳，把发光剂与发色剂抛射出去并将其引燃。

礼花弹材料若按功能进行分类，可分为氧化剂、可燃剂、效果剂以及结合（黏结）剂等。

① 氧化剂。为使烟花高效率燃烧，氧化剂必不可缺。现在主流使用硝酸钾、硝酸钡、过氯酸钾等。尽管作为火箭推进燃料的过氯酸铵也有使用，但使用不多。

② 可燃剂。可燃物质。自古多用木炭和硫黄，也使用铝等金属粉。

③效果剂。藉由氧化剂引起可燃剂燃烧，通过燃烧反应产生的热量可发生光、声、烟等的物质。由于发生色的效果很明显，也称其为“色火剂”。发红色的为碳酸锶；发黄色的为溴酸钠、碳酸钙；发蓝色的为氧化铜；发银色的为铝；发金色的为钛合金等。

④ 结合（黏结）剂。将分散的粉体固化。多采用有机聚合物，有的也兼作可燃剂。

礼花弹中的装填物均为粉末状，表面积巨大，相邻的氧化剂和可燃物颗粒之间可充分接触。礼花弹被引燃后，装填物受到压缩，颗粒间接触更加紧密，化学反应得以剧烈发生。

1.3.3 小麦筒仓发生粉尘爆炸的瞬间

2014年8月2日，苏州昆山中荣金属制品有限公司抛光二车向发生特重大铝粉尘爆炸事故，造成75人死亡，185人受伤。

2015年6月27日晚8点40分左右，台湾地区新北市八仙水上乐园举行的“彩虹聚会”（Color Play Asia)上发生粉尘爆炸事故，造成500余人受伤，15人死亡。

1977年12月22日，美国路易斯安那州，耸立在密西西比河沿岸的一个谷物储存筒仓发生粉尘爆炸，从提升塔中腾起的火球高达30m，爆炸产生的冲击波传至16km以外。73座筒仓中有48座遭受严重破坏。这起事故造成36人死亡，9人受伤。两天之后，已经扑灭的大火又重新燃烧起来。据分析，是传送装置在抢险过程中因摩擦生热，再度引起现场谷物粉尘着火爆炸。可见即使是平日里司空见惯的面粉，也可能导致巨大的破坏，必须小心防范。

所谓爆炸，是在闭空间中，由于可燃物与空气的混合并激烈的燃烧，所造成急剧升温及产生高压的现象。小麦是可燃物，但在大的麦粒状态不会发生激烈的燃烧。但是，磨成粉之后由于表面积增大，燃烧速度会迅速增加进而引起爆炸。

粉尘爆炸发生的条件概述如下。随着可燃物微细化（大致200μm以下），表面积增大。它在空气中分散而浮游，变为粉尘。一旦分散的浮游粒子的浓度达到某一浓度范围（存在上限和下限），再遇到着火源，则爆炸瞬时发生。前述谷物储存筒仓发生的爆炸，就是因为在谷物的输送、仓储作业中，被磨碎的谷物片状微粒子在筒仓中浮游所致。这种情况一旦超过着火能量，则会发生爆炸。最小着火能量与粉尘粒子的大小基本上成正比。

作为粉尘爆炸的对策，在爆炸的三个条件，即氧、可燃物浓度、着火能量中，至少有一个被抑制即可以防止爆炸。

1.3.4 电子复印装置（复印机）的工作原理

当一张需要复印的图像被放置在复印机的原稿台上时，在机内灯光照射下形成反射光，通过由反射镜和透镜组成的光学系统，聚焦成像。像正好投射在感光鼓上。感光鼓是一个圆鼓形结构的筒，表面覆有硒光导体薄膜（也有使用有机或陶瓷光导材料的感光鼓，统称为“硒鼓”）。光导体对光很敏感，没有光线时具有高电阻率，一遇光照，电阻率就急剧下降。开始复印之前，在电晕装置的作用下，光导体表面带有均匀的静电荷。当由图像的反射光形成的光像落在光导体表面上时，由于反射光有强有弱（因为原稿的图像有深有浅），使光导体的电阻率相应发生变化。光导体表面的静电电荷也随光线强弱程度而消失或部分消失，在光导体膜层上形成一个相应的静电图像，也称静电潜像。这时，与静电潜像上的电荷极性相反的显影墨粉被电场力吸引到光导体表面上去。潜像上吸附的墨粉量，随潜像上电荷的多少而增减。于是，在硒鼓的表面显现出有深浅层次的墨粉图像。当带有与潜像极性相同但电量更大的电荷的复印纸与墨粉图像接触时，在电场力的作用下，吸附有墨粉的硒鼓如同盖图章一样，将墨粉转移到复印纸上，在复印纸上形成相应的墨粉图像。再在定影器中经加压加热，墨粉中所含树脂融化，墨粉就被牢固地粘在纸上，图像和文字就在纸上复印出来了。

这里使用的墨粉，虽然主要成分是炭，但是和我们日常生活中见到的炭粉相比，复印用的墨粉颗粒更加细小，化学稳定性更高，因此具有极高的成像质量。而且，墨粉中的微小炭粒被包裹在树脂中形成直径5～20μm的颗粒。树脂在定影器中受热融化后再度凝固，起到黏结的作用。

使墨粉带电的过程也很有讲究。以配合p型感光鼓使用的墨粉为例，其电荷通过与载体的摩擦得到。载体直径为30～100μm，由铁氧体构成，并在表面覆有树脂涂层，防止墨粉在其上结块，以进行持续的摩擦起电。在机械作用下，载体和墨粉相互摩擦，从而使载体带有正电，墨粉带有负电。

1.3.5 臭氧层孔洞的扩大与微粒子相关？

南极上空的臭氧层孔洞在当地初春9月份前后达到每年的最大，而2003年达到历史上的最大级（稍低于最高值）。这是因为，形成孔洞的南极上空平流层的温度比历年都低。

虽然被称为臭氧层孔洞，但所谓“孔洞”，实际上是指平流层上臭氧浓度低的那一部分。本来，臭氧是有害物质，但由于它起到遮挡紫外线的作用，因此，臭氧层对于地球生物的生存不可或缺。

破坏该臭氧层的主要原因之一是氟化碳气体类（CFCs），但其孤掌难鸣，其中也少不了气溶胶粒子的重要帮凶作用。

氟化碳气体一旦到达平流层，受紫外线的作用会发生分解，产生破坏臭氧的物质——氯氧化物（ClOx）。后者藉由催化剂反应循环，一步一步持续地对臭氧产生破坏作用。但是，到达平流层的微量的氮氧化物与其发生反应，会形成准稳定的贮留成分（ClONO2），不久便可使催化剂反应循环终结，从而使臭氧破坏停止进行。

但是，这种贮留成分一旦附着在冰等微粒子的表面，由于非均匀反应，又会变成臭氧破坏物质。而且，氮氧化物一旦变为HNO3，会被吸入冰粒子（固相）中，致使催化剂活性循环再次活跃进行。

冬天的南极上空，受称为极涡的强烈西北风的包围，由于其内部气温会降低到极低（-78℃），从而生成以三水合硝酸（HNO3•3H2O）及冰粒子为主成分的极域成层圈云，随着上述不均匀反应的进行，臭氧破坏物质持续生成。故可以认为，臭氧破坏物质在春天阳光的沐浴下，急剧对臭氧层发生破坏作用。

顺便指出，在皮纳图博火山（菲）爆发后的1992至1993年间，在北半球记录到臭氧层破坏，一般认为，这是由于火山喷发造成平流层的硫酸气溶胶粒子大幅度增加所致。