基于翅片式摩擦桶的車用聚合物粒子荷電及靜電分離探索

田馳鋒，張洪申

（昆明理工大學機電工程學院，昆明 650500）

0 前言

據國際汽車制造商協會統計數據顯示，2020年全球汽車銷售量為7 797.12萬輛，其中我國汽車銷售量為2 531.1萬輛[1-2]，全球汽車保有量逐年增加。汽車壽命終結后，隨之產生大量廢棄車用聚合物，對其進行回收利用不僅可以很大程度上減少環境污染，又能最大程度地節約并有效利用石油等不可再生資源[3-7]。聚合物純度決定了其回收再利用價值。因此，要實現車用聚合物同等性能等高附加價值再利用，首先應對其進行分選研究。靜電分選技術以其效率高、成本低、清潔無污染等特點，近年來得到了快速發展[8]。荷電是否充分是聚合物能否能夠靜電分離的決定性因素[9]。聚合物荷電有電暈放電、摩擦荷電等方式[10-11]。摩擦桶式荷電器由于具有結構簡單、荷電效率高、操作方便等優點得到廣泛使用[12]。Burgo等通過研究物質摩擦過程中電荷轉移產生的微電信號和摩擦力變化規律之間的關系發現，摩擦過程中轉移的電荷來自于摩擦過程中產生的強烈靜電作用，電荷轉移量的峰值變化和摩擦力的峰值變化完全耦合[13-14]。同時，荷電粒子極性不同，進入高壓電場后運動軌跡就不同，從而可以實現分離[15]。因此，對車用聚合物粒子在荷電裝置中荷電序列及其影響因素進行研究具有重要的意義。本研究從理論層面上分析Q與n和t的關系，并開展常見車用聚合物粒子（PP、PU、PA、PE、PVC、ABS）在摩擦桶式荷電器中的荷電規律研究，得出其摩擦荷電序列，并進一步初步探索了其靜電分選最優荷電參數，為車用聚合物粒子靜電分選及高附加值回收利用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP、PU、PA、PE、PVC、ABS，N30S、TPU2700、11G6-201B、DMDA-8008、BX3500、PA-757KJ01，蘇州朋依訪塑化有限公司。

1.2 主要設備及儀器

溫度濕度計，溫度范圍30～50℃、精度1℃，濕度范圍20～100%rh、精度2%rh，得力集團有限公司；

數字電子稱，I-2000，上海羋坤實業有限公司；

法拉第筒（圖1），Model 284/22B，外筒20 cm（直徑）×24 cm（高度），內筒15 cm（直徑）×18 cm（高度），美國Monroe Electronics公司；

圖1 法拉第筒和納庫儀Fig.1 Faraday cage and Electrometer

納庫儀（圖1），284 Nano Coulomb Meter，量程為0～20 nC時精度為0.01 nC，量程為0～200 nC時精度為0.1 nC，美國Monroe Electronics公司。

1.3 摩擦桶式靜電分離裝置與實驗方法

摩擦桶式靜電分離裝置由荷電器和高壓電場2部分組成，如圖2（a）所示。聚合物粒子從圖中摩擦桶式荷電器左側放入，由電動機和減速機通過皮帶帶動摩擦桶轉動；聚合物粒子在摩擦桶式荷電器中，通過粒子-粒子、粒子-桶壁之間碰撞完成荷電。摩擦桶式荷電器結構如圖2（b）所示，其材料為PMMA。當聚合物粒子摩擦荷電完成后通過導料裝置進入自由落體式高壓靜電場，在電場力、重力、空氣阻力等作用下實現分離。

圖2 摩擦桶式靜電分離裝置圖Fig.2 Images of friction barrel-type electrostatic separation device

實驗中，調節n和t測定不同水平下聚合物粒子的Q。首先，逆時針轉動摩擦桶式荷電器使粒子荷電（荷電轉向取決于桶內翅片結構），達到設定t后反轉排出粒子；隨后通過測定其質量和Q得到聚合物粒子的荷質比（表征聚合物粒子的Q），為靜電分選提供數據支撐。實驗中，用法拉第筒測量聚合物粒子的Q，然后從納庫儀中讀取Q值。

2 理論分析與實驗

2.1 理論分析

Burgo等的研究表明，在摩擦荷電過程中電荷轉移量的峰值變化和摩擦力的峰值變化完全耦合[13]。因此電荷轉移量對時間積分得到的Q（單位為C）和摩擦力對位移積分得到的摩擦力做的功（W，J）之間成線性關系（式1）：

其中，K為比例系數；W可以表示為式（2）形式：

其中，N是摩擦桶式荷電器旋轉過的圈數；W（1單位為J）是聚合物粒子在摩擦桶內旋轉一圈時摩擦力做的功；N可以表示為式（3）形式：

其中，t的單位為s；將式（2）和式（3）代入式（1）得式（4）：

由式（4）可知，Q與n、t成正比；當Q為飽和Q時，n越大則t越小；n越大時向心力越大，粒子受到摩擦桶的法向支持力越大，則W1越大；因此使聚合物粒子達到飽和Q所需的n和t負相關；此外，由于聚合物粒子在摩擦桶荷電器中完成荷電后不能一次性從摩擦桶中排出進入高壓靜電場，需要一段時間才可以全部通過靜電場，因此考慮Q的衰減是有必要的；聚合物粒子摩擦荷電后的衰減規律見式（5）和（6）[16]：

式中Q1——聚合物粒子剩余的Q，C

Q0——聚合物粒子摩擦后的Q，C

τ——放電時間常數，s

ε——介電常數，F/m

ρ——電阻率，Ω·m

εr——相對介電常數，F/m

ε0——真空介電常數，為8.854187817×10-12F/m

將式（6）代入式（5）得式（7）：

τ的物理意義可以理解為經過τ秒后聚合物粒子的Q衰減為初始Q的1/e；從式（5）中可以看出，聚合物粒子摩擦荷電后Q衰減的快慢取決于τ的大小，而且τ可以由ε和ρ來表示；ε和ρ是物質的固有屬性，不隨外界條件的變化而變化，因此每種聚合物粒子Q的衰減速率各不相同，τ越大說明該種塑料摩擦帶電后Q衰減速率越慢，越有利于粒子實現靜電分離。

2.2 實驗部分

2.2.1 預實驗

由于環境條件和實驗條件的差異，研究所用聚合物粒子的摩擦荷電序列并不一定與其它研究人員測定的相一致。因此，本研究通過聚合物粒子在摩擦桶式荷電器中的預實驗測定其摩擦荷電序列，并且得出Q隨t變化的一般規律。實驗中，分別對PP、PU、PA、PE、PVC、ABS 6種聚合物粒子進行等n不同t的摩擦荷電實驗。每次實驗稱取10 g聚合物粒子，在30 r/min下進行摩擦荷電1、2、3、4、5 min的5組實驗，每組實驗重復3次，分別得到每個t點荷質比的平均值，并擬合得到荷質比隨t變化趨勢，如圖3所示。由于實驗的t跨度比較長，因此無法保證在同一環境條件下進行，實驗時的環境條件在圖中均有標識。

圖3 荷質比-t曲線Fig.3 Charge-mass ratio against time

由圖3可以看出，PP和PA在摩擦桶式荷電器中摩擦荷電后帶正電荷，ABS、PE、PVC、PU在摩擦桶式荷電器中摩擦荷電后帶負電荷，并且所有聚合物粒子荷質比均隨t的延長呈先增大后減小趨勢。其原因在于摩擦荷電現象是由于不同物質表面的有效表面功函數不同，使物質雙方之間存在費米能級差而發生電子轉移，費米能級差逐漸變為零后物質雙方的Q就不會增加；另外聚合物粒子的表面積有限，在一定時間之后Q就會達到飽和，荷質比也趨于穩定；當Q飽和后，由于荷電粒子發生電荷中和與泄露，電荷會逐漸衰減。因此，需盡可能使聚合物粒子在飽和Q時進入高壓電場，以獲得更好的分選率。從圖中還可以看出，PE在3 min前荷質比隨t的延長而增加，在3 min時荷質比趨于穩定隨后逐漸衰減；PP、PU、PA、PVC、ABS在1 min前荷質比隨t的延長而增加，在1 min時荷質比趨于穩定隨后逐漸衰減，與理論分析結果相符。PP、PU、PA、PVC、ABS 5種聚合物粒子都是在1 min達到飽和Q，充分證實摩擦桶荷電效率高的優點。

摩擦荷電序列的確定是后續聚合物粒子Q及其靜電分選的基礎。研究中，通過比較每種聚合物粒子的飽和Q大小來確定其摩擦荷電序列，飽和Q越大表明在摩擦桶荷電序列的位置越靠近正極，各粒子的飽和荷質比如圖4所示。通過比較6種粒子的飽和荷質比大小，可得到其摩擦荷電序列為（-）PE→ABS→PVC→PU→PMMA→PP→PA（+）。此外，由于材料成分的差異，加之荷電裝置及環境不同，聚合物粒子摩擦荷電序列不盡相同。張繼游等[17]經過實驗得到的摩擦荷電序列為（+）PA→PMMA→PC+ABS→ABS→銅→PP→PE（-），其中PP摩擦荷電序列靠近負極，與本實驗相反。說明除去實驗條件和環境條件因素的影響外，實驗中存在一些不足：（1）由于實驗的時間跨度相對較大，人為無法控制環境條件的變化，這會對飽和Q的值造成一定影響；（2）不能保證每種粒子的粒徑完全相同，粒徑大小的不同對飽和Q的值也會造成影響。此摩擦荷電序列可為以后的摩擦荷電實驗提供大致參考，但對于飽和Q接近的聚合物粒子，摩擦荷電序列可能會發生顛倒。

圖4 各聚合物粒子的飽和荷質比Fig.4 Charge-mass ratio of the polymer particles

2.2.2 單種聚合物粒子不同n實驗

預實驗測定了6種聚合物粒子的摩擦荷電序列，并得到了每種粒子在摩擦桶荷電器30 r/min的n下達到飽和Q的t。考慮摩擦荷電序列等因素，從6種聚合物粒子中選取ABS和PA進行等t不同n實驗，觀察n和Q之間的規律。由于聚合物粒子ABS和PA都在1 min達到飽和Q，因此每次實驗稱取10 g聚合物粒子進行在30、25、20、15、10、5 r/min的n下，t為1 min的6組實驗，每組實驗重復3次，分別得到每個n下荷質比的平均值。實驗選擇在不同的濕度環境下分別進行，以此來探索環境濕度對摩擦荷電實驗的影響程度，實驗結果如圖5所示（實驗環境條件在圖中均有標識）。

圖5 ABS和PA在不同n下的荷質比Fig.5 Charge-mass ratio of ABS and PA at different rotational speeds

由圖5可知，ABS和PA的荷質比隨n的增加而先增大后減小，說明預實驗測得的在30 r/min的n下摩擦荷電1 min還沒有達到最終的飽和Q；在20 r/min的n下荷質比最大，說明ABS和PA在20 r/min的n下，摩擦荷電1 min時Q接近或已達到飽和。通過實驗得出，ABS和PA最優分選參數是n為20 r/min，t為1 min；同時，也可以反映出在聚合物粒子在達到荷電飽和之前，在相同t下，Q隨n的增加而增加。另外，從圖5中明顯看出環境濕度為68%rh時的荷質比比環境濕度為48%rh時小一半左右。因此，可以得到環境濕度對摩擦荷電實驗的聚合物粒子Q有顯著影響；在其他條件相同情況下，濕度越高則Q越小。另外，荷質比隨n的變化規律沒有太大變化，ABS和PA的荷質比都隨n的增大而先增大后減小。通過對比分析可知，濕度環境條件只會影響Q的大小，并不會影響摩擦荷電規律；在高濕度環境下，由于Q較小，故可以選擇增大高壓靜電場電壓來得到更好的分選結果。

2.2.3 ABS、PA靜電分選實驗

通過以上實驗得出，對于ABS和PA的靜電分選實驗的最優參數是n為20 r/min時t為1 min。實驗中，分選所用高壓靜電場采取自由落體式靜電場，實物如圖6所示。根據課題組前期的研究，在環境濕度為60%rh左右時，靜電場的最優參數為電場電壓50 kV，電極板間距12.5 cm，電極板傾斜角為85°。分別稱取10 g ABS和PA放入摩擦桶式荷電器，在20 r/min的n下摩擦荷電1 min后導出荷電器，進入高壓靜電場，分選結果如圖7所示。

圖6 靜電場Fig.6 Electrostatic field

圖7 分選結果Fig.7 Experimental result

考慮到個別聚合物粒子可能存在荷電不充分現象從而影響分選率，在收料箱中放置了間隔2 cm的隔板，隔板之間用于收集荷電不充分的聚合物粒子。分離后聚合物粒子純度計算公式見式（8）和式（9），回收率計算公式見式（10）～（12）：

式中P1、P2——PA（負極）、ABS（正極）純度，%

S1、S2、S總——PA、ABS及總體的回收率，%

M1(+)、M1(-)——收料箱中對應靜電場正負極一側PA的質量，g

M2(+)、M2(-)——收料箱中對應靜電場正負極一側ABS的質量，g

M中——中間產物的質量，g

M1(初始)、M2(初始)——實驗所用PA和ABS的質量，g

實驗結果如下表1所示。可以看出，ABS和PA純度分別達到了94.18%和99.86%；在20 r/min的n下荷電1 min的分選結果較好，尤其是PA純度達到接近100%，但PA的回收率相對較低；ABS純度不太高，但回收率較高。其原因可以總結為以下3點：（1）PA的Q的衰減速率比ABS快。由式（5）可知，Q衰減速率與ε和ρ有關，一般實驗得到測量結果為荷質比，對式（7）等號兩邊同除質量（M，g）得

表1 實驗結果Tab.1 Experimental data

其中，F=Q/M、F0=Q0/M，F和F0分別表示某時刻荷質比和初始荷質比，單位為nC/g。經查詢得到，ABS和PA的εr和ρ一般為3、3.6 F/m和1016、1015Ω·cm[18]。將上述數據及ABS和PA飽和荷質比代入式（13）得到荷質比隨t的衰減曲線（圖8）。從圖中可以看出，PA的Q的衰減速率遠大于ABS，因此在從摩擦桶式荷電器中后進入高壓靜電場的部分PA粒子Q已經衰減，再加上PA粒子的質量相對較輕，在空氣阻力等的影響下落到了中間產物的位置或偏離到正極一側。從圖7中可以看出，中間產物中PA居多且正極產物中也有部分PA，這會導致PA回收率降低，也導致正極的ABS純度降低。同時，由于ABS的Q衰減較慢，易受電場力作用，向正極一側偏轉，故中間產物和負極產物中ABS較少，使得ABS回收率高且PA純度高。（2）由于目前摩擦桶式荷電器本身的局限性，使得ABS和PA粒子不能完全從摩擦桶內排出進入高壓電場，致使回收率不高，仍需對摩擦桶式荷電器進行進一步研究。（3）所用實驗裝置中，聚合物粒子在收料箱存在回彈問題，如從一側彈跳至另一側，一定程度上影響分離后聚合物粒子的純度，也導致回收率降低。

圖8 荷質比衰減曲線Fig.8 Charge-mass ratio attenuation curves

3 結論

（1）各車用聚合物粒子的摩擦荷電序列為（-）PE→ABS→PVC→PU→PMMA→PP→PA（+）；

（2）聚合物粒子達到飽和Q前，n越大需要的t越短，n越小需要的t越長；環境濕度對摩擦荷電實驗影響較為顯著，濕度越大時Q越小，但環境濕度只影響摩擦Q，不影響粒子摩擦荷電規律；此外，PA粒子相對于ABS粒子放電時間常數小、荷電衰減速率較快，而ABS荷電衰減速率較慢；

（3）ABS和PA的最優分選參數為n=20 r/min、t=1 min；此時兩者純度分別達到94.18%和99.86%，回收率分別為88.4%和75.3%，總回收率為90.15%。