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Im Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) werden seit vielen Jahren industrielle Stäube auf ihre Explosionsgefahren untersucht. Die Analyse erfolgt auf der Grundlage von standardisierten Verfahren. Die ermittelten Daten werden anonymisiert in der GESTIS- Staub-Ex-Datenbank veröffentlicht und stehen Anwendern und Projektplanern zur Verfügung. In der Datenbank sind zurzeit 210 Strahlstäube mit insgesamt 527 Datensätzen gespeichert. Wenngleich die Übernahme einzelner Datensätze für die eigene betriebliche Risikobeurteilung nur unter Einschränkung möglich ist, können aus der Auswertung von Datenkollektiven wertvolle Informationen für Hersteller und Betreiber gewonnen werden. Die Auswertung hilft, das Risiko bei der Freisetzung von Strahlstäuben näher zu bestimmen und notwendige Schutzmaßnahmen entsprechend auszuwählen. Sie ersetzt nicht die betriebliche Ermittlung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre und die Zündquellenanalyse vor Ort.
Während die Gefahr von Explosionen dort besteht, wo Stäube aufgewirbelt vorliegen, bergen abgelagerte Stäube das Risiko von Bränden. Die Beurteilung daraus entstehender Gefahren und das Auslegen von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen erfolgt über sicherheitstechnische Kenngrößen (STK). Diese lagen bislang in Datenbanken nur in Einzelwerten vor und wurden nun zu Gruppen zusammengefasst. Das Besondere daran: Erstmals werden nun bewertete Bandbreiten angegeben, in denen sich die STK der Stäube bewegen.
Die steigende Produktion und Nachfrage von Materialien mit Primärpartikelgrößen im Nanometerbereich (insbesondere wegen der veränderten Eigenschaften) erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Sogenannte Nanostäube können aus brennbaren Ausgangsmaterialien bestehen. Beispiele für brennbare Nanostäube, die in großen Mengen hergestellt werden, sind Metallstäube, Ruße (Carbon Black) oder andere Kohlenstoffverbindungen, welche u. a. für die Herstellung von Gummi, Kunststoffen, Beschichtungsstoffen oder Farben verwendet werden. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da z.B. maximaler Explosionsdruck, zeitlicher Druckanstieg und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubes zunimmt. Alle Erkenntnisse zum Ablauf von Staubexplosionen, aus der Auswertung von Schadensereignissen sowie aus der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen und hierbei gefundene Abhängigkeiten basieren auf Schadensereignissen bzw. Untersuchungen von Stäuben mit Korngrößen im Bereich von Mikrometern. Inwieweit sich die Erkenntnisse auf feinere Partikel bis hin zum Nanometerbereich übertragen lassen, wurde im Rahmen der durchgeführten Arbeiten näher untersucht. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Ergebnisse kurz dargestellt und basieren auf den Arbeiten im Zuge der Dissertationsschrift zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben.
Dieser Beitrag beschreibt einen modifizierten Versuchsaufbau für die Prüfapparatur 20-L Kugel, der es ermöglicht, die zu untersuchenden Staubproben bis kurz vor deren Entzünden unter Ausschluss von Sauerstoff zu handhaben. Dieser modifizierte Aufbau wurde entwickelt, um die Bestimmung Sicherheitstechnischer Kenngrößen von möglichst unpassivierten Nanostäuben zu gewährleisten. Das Ziel dieser Modifikationen ist es, festzustellen, ob es bei der Standardapparatur und -prüfverfahren zu einer Unterschätzung der Explosionsheftigkeit und Zündempfindlichkeit durch Passivierung von Nanonstäuben vor der eigentlichen Untersuchung kommen könnte.
Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Methoden (das sogenannte Inertisierungsverfahren und das modifizierte Verfahren mit Verteilerschale) verwendet. Beide Methoden sind in diesem Artikel beschrieben. Er umfasst experimentelle Ergebnisse von Mikrostäuben, welche zur Validierung verwendet worden und darüber hinaus erste Ergebnisse mit Eisen und Aluminium Nanostäuben, die bis kurz vor dem Entzünden unter inerten Bedingungen gehandhabt worden. Das getestete Nano Eisen reagiert pyrophor, sobald es mit Luft in Kontakt kam, während bei dem untersuchten Nano Aluminium solches Verhalten nicht generell beobachtet werden konnte. Die Versuche mit Nano Aluminium und dem Inertisierungsverfahren zeigten einen höheren Druckanstieg im Vergleich zum Standard-Prüfverfahren. Dies könnte auf einen unterschiedlichen Grad der Passivierung hindeuten. Um diese Beobachtung näher zu untersuchen, sind weitere Versuche mit einer größeren Anzahl an Stäuben notwendig.
In vielen Bereichen der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden eine Vielzahl brennbarer Stäube gezielt oder ungewollt produziert, verarbeitet, transportiert oder anderweitig verwendet. Je nach Material- und Staubeigenschaften weisen diese eine teilweise sehr hohe Reaktivität auf. Es gilt weiterhin als allgemein bekannt, dass die Partikelgröße einen entscheidenden Einfluss auf das Brand- und Explosionsverhalten von Stäuben ausübt. Mit Abnahme der Partikelgröße nehmen die gefährlichen Auswirkungen im Falle einer Explosion und die Zündempfindlichkeit der Stäube zu. Aufgrund der veränderten Eigenschaften im Nanometerbereich hat die Produktion solcher Stäube mit sehr geringen Primärpartikelgrößen in den letzten Jahren zugenommen. Diese Entwicklung wird sich in den folgenden Jahren fortsetzen. Über das Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube war bis vor wenigen Jahren jedoch kaum bis wenig bekannt.
In vielen Bereichen der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden eine Vielzahl brennbarer Stäube gezielt oder ungewollt produziert, verarbeitet, transportiert oder anderweitig verwendet. Je nach Material- und Staubeigenschaften weisen diese eine teilweise sehr hohe Reaktivität auf. Es gilt weiterhin als allgemein bekannt, dass die Partikelgröße einen entscheidenden Einfluss auf das Brand- und Explosionsverhalten von Stäuben ausübt. Mit Abnahme der Partikelgröße nehmen die gefährlichen Auswirkungen im Falle einer Explosion und die Zündempfindlichkeit der Stäube zu. Aufgrund der veränderten Eigenschaften im Nanometerbereich hat die Produktion solcher Stäube mit sehr geringen Primärpartikelgrößen in den letzten Jahren zugenommen. Diese Entwicklung wird sich in den folgenden Jahren fortsetzen. Über das Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube war bis vor wenigen Jahren jedoch kaum bis wenig bekannt.
Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da z.B. maximaler Explosionsdruck (pmax), maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dtmax) und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubes zunehmen. Eine Übersicht des Verlaufes der Explosionsauswirkungen metallischer Stäube vom Mikrometerbereich bis in den Nanometerbereich konnte bislang nur vereinzelt durch wenige Ergebnisse gegeben werden.
Dieser Beitrag präsentiert einen detaillierten Überblick über das Explosionsverhalten von Metallstäuben vom Mikrometer- bis in den Nanometerbereich. Hierfür wurden verschiedene Metallstäube untersucht und deren Explosionsauswirkungen in Abhängigkeit der mittleren Primärteilchengröße entweder durch BET-Messungen, Partikelgrößenverteilung oder REM-Mikroskopie bestimmt. Um den Verlauf des Explosionsverhaltens für diese Metalle darzustellen, wurde einerseits eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt. Darüber hinaus wurden die im Rahmen deutscher und französischer Forschungsprogramme durchgeführten experimentellen Untersuchungen genutzt, um insbesondere die Datenlage für nanoskalig hergestellte Stäube zu verbessern. Auch bei Metallstäuben im Allgemeinen führt eine Verringerung der Teilchengröße zu einem kritischeren Verhalten der Stäube. Es scheint jedoch, dass diese Aussage nur bis zu einem kritischen Durchmesser gilt, unterhalb dessen die Auswirkungen einer Explosion (pmax, dp/dtmax) für alle betrachteten Stäube wieder abnehmen. Diese kritische Größe kann durch theoretische Überlegungen zur Art der thermischen Übertragung in der Flamme erklärt werden. Der Einfluss der Schlüsselparameter wird in diesem Beitrag ebenfalls diskutiert, um die Mechanismen besser zu verstehen und das Verständnis letztendlich auch auf andere pulverförmige Materialien auszudehnen.