為什么淀粉粉塵易爆炸？電性測量知多少

來源：牛津儀器科技（上海）有限公司 2025年11月08日 11:38

在食品生產、娛樂效及制藥領域，淀粉以其獨特的性質被廣泛應用。然而，當淀粉變為細膩的粉末，它卻隱藏著一種潛在的威脅。在某些特定環境下，淀粉粉塵可能會突然釋放巨大的能量，引發爆炸，造成人員傷亡和財產損失。因此，了解和預防這類爆炸事故，對于工業安全至關重要。

理想與現實：

防止爆炸需要更深入地了解絕緣且離散的淀粉顆粒是如何在各種環境條件下變得帶電的。為了解開這一現象的神秘面紗，科研人員踏上了一段深入探究粉塵電荷的科學征程。英國與哥倫比亞的科研團隊利用原子力顯微鏡納米電學模塊（AFM nanoelectrical imaging）和電容傳感（macroscale capacitance sensing）進行表征，從不同尺度對淀粉靜電危害進行了深入的分析（圖1）。

AFM納米電學測試如同一根敏感的觸角，能夠捕捉到淀粉顆粒表面微小的電荷變化。這種微觀尺度上的觀察為我們提供了關于粉塵顆粒電荷分布的直接證據。而宏觀電容傳感技術則能夠在更大的尺度上感知環境因素，如溫度、濕度和電頻率對淀粉相對介電常數的影響。這些環境因素在淀粉粉塵爆炸中起著至關重要的作用。

圖1 ：顯示了宏觀電容傳感測試和利用AFM對單個淀粉顆粒進行EFM和KPFM測試，通過不同尺度的表征可以同時監控淀粉表面形貌，電荷分布，介電等特征。

結果與分析：

實驗過程中，研究團隊精確控制實驗條件的穩定與準確。在電頻率(10-100 kHz)和相對濕度(26-41% RH)范圍內，對散裝淀粉樣品進行了交錯電極電容測量。借助牛津儀器裝配有PolyHeater高溫樣品加熱器的MFP-3D BIO 原子力顯微鏡，對在加熱和冷卻循環(25-80°C)中單個淀粉顆粒的形態變化和局部電性能進行了精細的觀測（圖2）。

研究成果揭示了表面效應在粉塵云點火及其動力學行為中的關鍵作用。這為理解和預防淀粉粉塵爆炸提供了新的科學依據。這些發現不僅豐富了我們對淀粉性質的認識，也在保障人類生活安全方面作出了重要貢獻。

圖2 ：一個升降溫周期內，淀粉粒中直鏈和支鏈淀粉的相互作用狀態。從形貌，dC/dZ和表面電勢變化來看，溫度升高至80度后，再冷卻至室溫，淀粉粒內部會產生不可逆的變化，帶來表面電特性的重組。

總的來說，淀粉粉塵爆炸并非不可防范的自然災害，而是可以通過科學方法加以研究和控制的技術問題。淀粉粉塵爆炸的過程是一個動態而又復雜的科學問題。通過科研人員的努力，不僅推動了相關領域的科學研究，更為工業安全提供了寶貴的參考。

儀器使用與細節：

在配備了?PolyHeater 高溫樣品加熱器的牛津儀器 MFP-3D BIO?AFM 上，對單個淀粉顆粒的形貌和局部電性能進行了表征。PolyHeater 可在空氣或受控氣體環境中，為實驗提供從環境溫度到 300°C 的精確溫度控制。在本項目中，一個加熱/冷卻循環周期，會以 25°C、50°C、80°C、50°C 和 25°C 的溫控對樣品進行成像。在每個溫度點中，使用靜電力技術（?electrostatic force microscopy (EFM)?）確定了電容梯度 dC/dZ，并在用開爾文探針力技術（Kelvin probe force microscopy (KPFM)?）對針尖-樣品表面電位進行了成像。

牛津儀器MFP-3D系列AFM設備，以優惠的價格提供了超預期的性能，實現了同級低的噪音水平。對于需要結合AFM和光學顯微鏡的生物科學實驗或其他應用，MFP-3D BIO?提供了一個的集成平臺。

相關應用領域：制藥領域（pharmaceutical），食品領域（?food）

引用:?J. Seidel, O. Castañeda-Uribe, S. Arevalo et al. Relative permittivity estimation of wheat starch: A critical property for understanding electrostatic hazards. J. Hazard. Mater. 368, 228 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.01.047

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