问题

石墨的燃点是多少度?

回答
石墨,你以为它只是块碳?它的“燃点”可不简单!

说到“燃点”,我们脑海里通常会浮现出打火机点燃纸张,火苗熊熊燃烧的画面。但如果我告诉你,一块你熟悉的石墨,它的“燃点”远没有你想象的那么直接,甚至在某些情况下,它根本就不会“烧”起来?这听起来是不是有点反常识?没错,石墨这玩意儿,就是这么特别。

我们先来捋一捋“燃点”这个概念。一般来说,物质的燃点是指在空气中,它能够自发燃烧所需的最低温度。也就是说,只要温度达到这个点,并且有氧气这个“催化剂”,物质就会和氧气发生剧烈的氧化反应,放出光和热,我们称之为燃烧。

那么,石墨呢?我们知道石墨的化学成分就是纯粹的碳(C)。所以,很多人会想当然地认为,石墨的燃点就跟煤炭差不多。但是,石墨的结构和煤炭可完全不一样。

石墨的“燃点”:不是一个固定的数字

首先,咱们得明白,石墨并没有一个像酒精、纸张那样明确的、可以在实验室里精确测量的“燃点”。这是因为石墨的燃烧过程,受到的影响因素实在是太多了。

想象一下,你手里有一块石墨块。如果你试图用打火机去烧它,结果很可能是,打火机熄灭了,而石墨纹丝不动,最多表面有点发红。这是为什么?

极高的稳定性: 石墨的碳原子之间形成的是强烈的共价键,排列成层状的六边形结构。这种结构非常稳定,就像一张张叠起来的纸,中间还有点空隙。要打破这些化学键,需要非常高的能量。
表面积的限制: 相对而言,石墨块的表面积与它的体积相比并不算特别大。燃烧是一个表面反应,需要氧气分子接触到碳原子才能发生。如果石墨块太厚实,大部分碳原子都藏在里面,氧气很难渗透进去,反应自然就慢。

那么,什么情况下石墨才能“燃烧”呢?

虽然我们很难用一个简单的“燃点”来定义,但在特定的条件下,石墨是可以和氧气发生反应,产生燃烧现象的。这个过程,更像是“氧化”,而不是我们常说的“燃烧”。

高温下的氧化: 如果你将石墨加热到非常高的温度,并且有足够的氧气供应,石墨就会开始与氧气反应,生成二氧化碳(CO₂)或一氧化碳(CO),并释放出光和热。

C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g) + 热量
2C (s) + O₂ (g) → 2CO (g) + 热量

大概的温度范围: 尽管没有一个精确的“燃点”,但通常认为,在700℃以上,石墨的氧化速率会变得比较明显。而要看到明显的“燃烧”迹象,比如冒火星,需要更高的温度,大约在1000℃以上,并且要有充足的氧气供应。

影响石墨“燃烧”的关键因素:

氧气浓度: 这一点至关重要。在空气(约21%的氧气)中,石墨的氧化相对缓慢。但如果你在纯氧环境中加热石墨,它的氧化速率会大大加快,看起来就像是燃烧得更旺了。
石墨的形态:
粉末状石墨: 如果你将石墨研磨成非常细的粉末,它的表面积会急剧增大。这种情况下,即使在相对较低的温度下,也更容易与氧气发生反应,甚至可能出现粉尘爆炸的风险(虽然这和传统意义上的“燃点”稍有不同,但也是一种快速氧化)。
层状石墨: 比如我们常说的石墨烯,虽然是单层碳原子,但它的“燃点”也并非简单。在空气中,也很难直接点燃。
杂质的存在: 石墨样品中如果含有可燃性杂质(比如未完全去除的有机物),可能会在较低温度下先被点燃,从而诱发石墨的氧化。
加热方式: 是外部加热还是内部反应产生的热量?外部加热需要克服石墨本身的导热性,而内部反应(如化学反应放热)则可能使温度迅速升高。

总结一下:

所以,与其说石墨有一个固定的“燃点”,不如说它有一个“开始显著氧化”的温度区间。在空气中,这个温度大致在700℃以上,而要看到明显的燃烧现象,则需要1000℃以上,且伴随充足的氧气供应。

石墨之所以如此“耐烧”,是因为它极高的化学稳定性和独特的层状晶体结构。下次你看到石墨制品,比如铅笔芯、坩埚、甚至是一些高温电极,它们之所以能在高温下保持形状,很大程度上就得益于它不易燃烧的特性。当然,在极端的高温和富氧条件下,它们也并非绝对不可燃。

下次再有人问石墨的燃点,你可以笑着告诉他:“这可不是一句话能说清楚的事儿,得看你是想‘点燃’它,还是让它‘氧化’得更‘热情’一些!”

网友意见

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笼统谈一类实际固态物质的燃点没有意义。

因天然石墨形态与组成各异,人造石墨品种和应用众多,本问题不可能存在唯一解,但有许多比较准确或不太准确的参考答案( 参见文末附录引用资料 );也有许多石墨制品应用中,从来不需要考虑它们的燃点。

【常识一】气体、液体和固体可燃物与空气共存,当达到一定温度时,与火源接触即自行燃烧,火源移走后仍能继续燃烧的最低温度,即该物质的燃点或称着火点。物质三态燃点的测试方法(条件)各不相同,且有不止一种测试方法被不同工程与设计领域普遍使用。
【常识二】和气液可燃物相比,(半)固体可燃物的使用(处置)形态和条件千差万别,其燃点影响因素众多,波动范围亦很大。比如室内外装修材料可燃性评估、煤炭焦炭储运安全设计等可能需要大块材料燃点数据;再比如沥青路面施工前后的沥青输运阶段、加热拌料阶段、道路铺设阶段以及沥青残渣处置过程,则必须分别提供更加准确的沥青燃点数据。
【常识三】燃点与闪点和着火点的区别请自己查阅。

考虑到石墨(制品)的广义性,简略回答如下:

1 常规人造石墨(炭)制品

  • 用如冶金电极、导电碳刷、换热板、耐火材料、吸波材料、核电站石墨等,可以认为不存在燃点。即一般功率热源或点火装置不可能使之持续燃烧。
  • 以上制品生产过程中的原材料(如石油焦)和中间材料(如沥青)也多具有可燃性,但不属于石墨,故不讨论。

2 热解石墨(炭)制品

  • 暂时没有必要测试其燃点,估值同常规人造石墨制品。
  • 模压制品生产过程使用的粉粒体热解石墨,燃点参见石墨粉。

3 天然石墨块及其模压制品

  • 天然石墨块燃点一般在1000℃以上,同样没有多大实际意义。
  • 模压制品生产过程中的石墨原材料燃点参考以下数据。

4 石墨粉(天然石墨粉比人造石墨粉燃点略高)

  • 石墨原粉:随产地变化,比块状无烟煤略高或略低,700℃上下。
  • 石墨细粉:200~300目左右,燃点可降到600℃以下,接近煤粉燃点。
  • 石墨微粉:微米上下或者更小,燃点可降至500℃以下,并存在较宽的爆炸限,任何明火可引爆。

5 石墨烯

  • 石墨烯粉:接近石墨微粉下限,与制备方法有关,有时接近烟煤下限。
  • 石墨烯悬浮液:与分散剂关系密切,暂无可靠数据,雾化使用时需特别小心。

6 其他形态石墨产品(略)

实际应用中需要考虑的其他影响因素:

  • 根据石墨制品使用形态和条件,选用相近测试标准燃点数据或实测。
  • 通常情况下,热源能量密度越大,燃(爆)速度越快。
  • 细粉以下,石墨(粉、烯、浆)表面形态与制备工艺有关,也影响燃点。
  • 纯氧气氛中,燃点对原粉以下使用形态都显著下降。
  • 含有液态、气态石墨微粒的密闭空间,严禁任何明火。
  • 随着各国相关测试标准的更新、废止与合并,若干年前的数据不宜直接使用。
  • 科学研究成果发布的实验室数据仅在其测试条件下有效。



附录:国内外相关标准选录

国际标准分类中,测试燃点涉及到可燃物在涂料配料、特殊工作条件下用电气设备、消防、塑料、石蜡、沥青材料和其他石油产品、道路工程等应用目的。在中国标准分类中,测试燃点涉及到燃料、涂料辅助材料、合成树脂、塑料基础标准与通用方法。

美国材料与试验协会相关测试标准

  • ASTM D1310-2014 用泰格开口杯装置测定液体闪点和燃点的测试方法
  • ASTM D92-2012 用克利福兰得开杯闪点测试器测定闪点和燃点的试验方法
  • ASTM E2257-2013 墙壁和天花板材料及组件的室内着火点测定的试验方法
  • ASTM E2021-2013 尘埃层热表面燃烧温度的标准试验方法
  • ASTM E162-2013 用辐射热能源测定材料表面易燃性的试验方法
  • ASTM D1929-2013 塑料燃点温度测定的标准试验方法
  • ASTM D3466-2006(2011) 颗粒活性炭燃点的标准试验方法
  • ASTM E1515-2014 可燃尘埃最低可燃点的标准试验方法

日本国工业标准调查会相关测试标准

  • JIS A9303-1966 木材防腐剂燃点及燃烧性的试验方法
  • JIS C60695-2-13-2013 着火危险试验. 第2-13部分:材料的灼热丝起燃性试验方法. 材料的灼热丝燃点温度(GWIT)试验方法

中国国家标准协会相关测试标准

  • GB/T 20450-2006 活性炭着火点测试方法
  • GB/T 3536-2008 石油产品 闪点和燃点的测定


仅供参考。

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