球型聚丙烯顆粒振動帶電特性影響實驗研究

蘭 琦， 李亮亮， 梁 財， 孟 鶴， 陶 彬， 劉全楨

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東 青島 266100；2.化學品安全控制國家重點實驗室， 山東 青島 266100；3.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096)

聚烯烴等化工物料在輸送、摻混和包裝過程中，會發生顆粒-顆粒、顆粒-管壁、顆粒-振動篩間摩擦碰撞，從而導致顆粒帶電[1-3]。帶電物料及粉塵易在管道、料倉中造成粉塵燃爆事故，同時在包裝時會造成包裝人員受到靜電電擊甚至誘發二次災害等[4-7]。因此，研究絕緣化工物料帶電機制及帶電影響因素，對于指導優化生產工藝、降低物料帶電量、預防聚烯烴等化工物料靜電放電引起的災害事故，具有非常重要的理論意義，并提供數據支撐。

化工物料顆粒帶電主要受顆粒物性及環境因素影響[8-12]。在基于顆粒摩擦帶電研究中，一般認為電子轉移是顆粒摩擦帶電的主要機制，并主要通過單顆粒滑動摩擦帶電實驗評估顆粒帶電的影響因素。Hu等[13]研究了單顆粒滑動摩擦過程中顆粒初始電荷、滑動距離和法向載荷量等因素對顆粒帶電特性的影響。Chowdhury等[14]得出了顆粒的帶電速率取決于其初始電荷，且顆粒帶電速率和飽和電荷量隨顆粒表面積的增大呈線性增加等結論。Zhao和Yao等[15-18]發現顆粒粗糙度，顆粒的滑動面積、速率和滑動時間對促進電荷產生有較大影響。在化工顆粒物料振動篩處理過程中，顆粒-金屬壁碰撞摩擦并發生電荷遷移，對于振動篩處理顆粒過程中電荷轉移特性及影響因素研究較少，缺乏明確的顆粒靜電控制方法。筆者在振動篩上進行了振動強度、環境濕度及顆粒-顆粒碰撞等影響顆粒荷電特性的實驗研究，探究單顆粒、多顆粒聚烯烴粒料靜電帶電特性及影響因素，為聚烯烴等物料生產過程中的產品靜電危害防護技術開發提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 實驗顆粒及其預處理

選用粒徑分別為2、3、4、5、6和8 mm的6種球形聚丙烯(PP)顆粒(購于東莞鉑威五金制品有限公司)，使用真空烘箱110 ℃下對顆粒進行烘焙干燥180 min，并在烘箱中自然冷卻至室溫。實驗前，對每個實驗顆粒進行尺寸標定，獲得PP顆粒的直徑[19]；利用天平(CPA26P-0C，德國Sartorius產品)稱量顆粒質量(精確到0.001 mg)。實驗前將顆粒置于離子風機(AP-DC2453，上海安平靜電科技有限公司產品)下消電2 min左右，保證PP顆粒的初始電荷為零。

1.2 實驗方法

圖1是顆粒振蕩摩擦帶電測試實驗裝置的原理圖。在恒溫恒濕實驗室內，將PP單顆粒置于振蕩篩分儀中(Retsch AS 200，德國萊馳公司產品；分析篩直徑200 mm、孔徑1 mm、篩網及篩壁均為304不銹鋼材質)，根據實驗需要設置篩分儀的振蕩時間、振幅參數以及環境溫度、濕度等變量，以分析各項因素對顆粒帶電量的影響。實驗過程中，將振蕩固定時間的樣品顆粒倒入法拉第杯(JCI 150，英國Chilworth公司產品)中，利用連接法拉第杯的靜電計(吉利時6514，美國泰克公司產品)及計算機直接讀出并記錄顆粒帶電量。顆粒帶電測試環境溫度和濕度通過恒溫恒濕實驗室測試環境調節。

圖1 顆粒振蕩摩擦帶電實驗測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the particle oscillation friction charging experiment test

將不同粒徑PP顆粒鋪滿靜電衰減測試儀(JCI 155 V6，英國Chilworth公司產品)所配套的JCI 173樣品杯中，設置電暈放電電壓參數為-9 kV，測試不同粒徑PP顆粒帶電量隨時間的衰減數據。

2 結果與討論

2.1 PP顆粒靜電衰減特性

表1是不同球形粒徑PP單顆粒質量及靜電衰減特性參數。由表1可知，在100 s的衰減時間范圍內，顆粒的粒徑越大，顆粒帶電量衰減越快，但剩余電荷量均不低于峰值的95%，表明PP樣品顆粒帶電后靜電消散較慢，易產生靜電積聚。由于測試單顆粒振動摩擦帶電時，單次測量顆粒帶電量的時間不超過20 s，因此顆粒樣品從篩分儀轉移至法拉第筒的過程中，顆粒帶電量變化可以忽略不計。

表1 典型實驗PP粒徑、質量及靜電衰減特性參數Table 1 Particle size, mass and electrostatic decay characteristic parameters of typical experiment PP particles

2.2 篩分儀振蕩幅度對單顆粒帶電量影響

圖2是固定PP顆粒振動時長為3 min，不同振幅下不同粒徑PP單顆粒的帶電量。根據電荷轉移理論，顆粒帶電是由顆粒-篩網壁接觸和分離過程中電荷的轉移引起的，顆粒在單次碰撞分離瞬間，電荷轉移量Δq(nC)計算公式見式(1)[20-21]：

Δq=kcCΔV

(1)

C=ε0S/z0

(2)

ΔV=VC-Ve

(3)

式中：kc是帶電效率常數,無量綱;C和ΔV分別為顆粒-篩壁接觸面S間的電容(nF)和總電勢差(V);ε0是氣體的絕對介電常數,F/m;S是顆粒-篩壁接觸面積,m2;z0是顆粒與接觸體之間臨界間隙,m;VC是由于顆粒與金屬材料間不同的功函數造成的電位差,V;Ve是顆粒碰撞前表面電荷誘導電勢差,V。

對于固定的PP單顆粒和不銹鋼篩網，根據式(1)～式(3)可以看出，在單次碰撞期間，轉移的電荷量和顆粒與金屬篩表面最大接觸面積成正比。隨著篩分儀振幅參數的增大，顆粒-篩網壁之間碰撞劇烈程度增加，顆粒-篩網接觸頻率增高，同時顆粒-篩網壁之間相互碰撞作用力增大，可能會導致顆粒-篩網壁接觸有效面積變大，這些因素均促進了顆粒-篩網壁之間電荷轉移。因此，相同的振蕩時間內，同一粒徑顆粒振動摩擦帶電量隨振幅增加而增大[22]。由圖2可以發現，在相同振幅、振蕩時間及環境因素條件下，靜電電荷量隨顆粒平均尺寸增大而增加。這主要源于顆粒粒徑增大，顆粒表面積隨之增大，顆粒與篩網碰撞作用面積也增大，促進了顆粒-金屬篩網之間的電荷轉移，從而導致顆粒帶電量隨粒徑增大而增大。

q—Charge; A—Amplitude圖2 不同粒徑PP顆粒在不同振幅下的電荷量Fig.2 The charge of different particle sizes at different amplitudes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%; Oscillation time 3 min

圖3為不同篩分儀振幅下，不同顆粒帶電荷/質比的變化曲線。結合表1中PP單顆粒質量數據可以看出，隨著顆粒粒徑增大，顆粒的質量增加，單位質量顆粒的帶電量(即荷/質比)隨著粒徑增大而降低。

Γ—Charge/mass ratio; A—Amplitude圖3 不同粒徑PP顆粒在不同振幅下的荷/質比Fig.3 The charge/mass ratio of PP particles of different particle sizes at different oscillation amplitudes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%； Oscillation time 3 min

2.3 環境濕度對顆粒帶電量影響

圖4是粒徑分別為3 mm和6 mm的2種PP顆粒在不同相對濕度條件下的振蕩摩擦帶電量(振幅為0.5 mm)。由圖4可見，環境濕度對顆粒振蕩摩擦帶電量有顯著影響，同一振動時間下，電荷量隨濕度減小而增加。這是因為顆粒帶電能力與相對濕度有著密切的關系[23-24]，環境空氣濕度增加，PP顆粒的帶電能力下降，在測試環境相對濕度達到60%±2%時，顆粒振動摩擦帶電量極低。這可能源于有吸濕性的顆粒產生靜電的能力隨著濕度上升而變弱，且吸濕性越強的顆粒產生靜電量越小[25]。另外，水是一種良導體，隨著相對測試環境濕度的增加，顆粒表面吸附的水分子越多，其表面電阻率將越低，靜電荷就更容易由高電位轉移到低電位而無法聚集[26]。

圖4 不同濕度下粒徑為3 mm和6 mm的PP顆粒的電荷量Fig.4 The charge of PP particles with particle diameters of 3 mm and 6 mm at different humidity levels(a) 3 mm; (b) 6 mm Oscillation amplitude 0.5 mm； Temperature 25.4 ℃

2.4 振動時間對顆粒飽和電荷量影響

顆粒-篩網多次碰撞分離過程中，靜電荷逐漸積聚在顆粒表面上，并最終達到平衡狀態[27]。圖5是不同粒徑PP單顆粒帶電量隨振動總時間的變化曲線(篩分儀振動幅度為0.5 mm)。可以看出顆粒表面產生的靜電電荷量隨著振蕩時間的增加而增加，并最終趨于飽和。球形PP顆粒粒徑越大，達到顆粒飽和帶電時間越長，粒徑2～3 mm的PP顆粒振蕩6～8 min后帶電量達到飽和，粒徑4～6 mm的PP顆粒則大概需要10～12 min才能達到飽和。

圖5 不同粒徑PP顆粒帶電電荷量隨振動總時間的變化Fig.5 Charged amount of PP particles with differentdiameters vs vibration time Temperature (21±1) ℃; Relative humidity 18.5%±1%; Oscillation amplitude 0.5 mm

顆粒振蕩過程帶電量趨于指數增加直至達到飽和電荷量。以粒徑為4 mm的PP顆粒為例，利用指數函數形式對顆粒帶電量隨振蕩總時間變化曲線進行擬合，擬合公式為[28-29]：

(4)

式中：q為單顆粒當前帶電量, nC；qsat為顆粒飽和帶電量，nC；t為振蕩時間，s；τ為時間常數。圖6 為飽和帶電量與振蕩時間關系指數擬合曲線。由圖6可以得出，qsat對應的值為-0.50361，τ對應的值為3.47067。

圖6 粒徑4 mm的PP單顆粒飽和帶電量與 振蕩時間關系指數擬合曲線Fig.6 Exponential curve fitting for the relationship between the saturation charge of 4 mm diameter PP particles and the oscillation time Temperature (21±1) ℃; Relative humidity 18.5%±1%; Oscillation amplitude 0.5 mm

圖7為不同粒徑PP顆粒在振蕩幅度為0.5 mm條件下的飽和帶電量與荷/質比。由圖7可見，隨著顆粒粒徑的增大，PP顆粒的飽和帶電量隨之增加，這主要源于顆粒粒徑增大，顆粒的表面積隨之增大，顆粒與篩網壁碰撞過程中，顆粒表面攜帶更多的電荷量。但隨著顆粒粒徑增加，顆粒總質量也會增加，而顆粒摩擦起電現象只發生在顆粒表面，顆粒質量的增速遠大于相對表面積增速，所以PP顆粒粒徑越大，荷/質比越小。

Γ—Charge/mass ratio圖7 不同粒徑PP顆粒的飽和電荷量與荷/質比Fig.7 Saturation charge and charge/mass ratio of PP particles of different particle sizes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%; Oscillation amplitude 0.5 mm； Oscillation time 3 min

2.5 多顆粒同時振蕩對顆粒帶電量影響

球形PP顆粒在振動篩內因振動導致顆粒-顆粒、顆粒與篩網間碰撞帶電[30]。圖8為不同數目的PP顆粒同時振蕩過程中(顆粒粒徑4 mm、篩分儀振幅為0.5 mm、振蕩時間為10 min)顆粒帶電荷量和荷質比數據。可以看出，隨測試顆粒個數的增加，單顆PP顆粒帶電量迅速降低。PP樣品顆粒數達到100顆時，粒徑為4 mm的單顆PP顆粒樣品帶電約-0.48 nC；而樣品顆粒數為200顆時，單顆PP顆粒樣品帶電約-0.26 nC。這是由于隨著測試顆粒樣品總質量(樣品顆粒數目)增加，顆粒-顆粒碰撞幾率增加，抑制了顆粒與振動篩金屬壁面的碰撞，導致單位質量顆粒的帶電量下降。但顆粒的帶電量不會隨顆粒數目增加而無限下降，如顆粒樣品數量增加至200顆時基本不再變化，與樣品數量為500顆時單個隨機樣本顆粒的荷電量基本一致，相應的荷/質比變化規律與荷電量規律保持一致。

3 結 論

(1)PP單顆粒振蕩碰撞帶電，隨篩分儀振幅增大，顆粒與篩網壁之間碰撞劇烈程度增加，促進顆粒-篩網壁間的電荷轉移，導致單顆粒帶電量增大；且環境濕度越小，PP單顆粒飽和帶電量越高。

(2)PP單顆粒振蕩過程中，隨振動總時間的增加，其帶電量呈指數型增長直至達到飽和電荷量；隨著顆粒粒徑增大，顆粒帶電達到飽和電荷量所需振動時間越長；粒徑越大，顆粒帶電飽和量增大，但因顆粒質量增加導致荷/質比降低。

(3)相同粒徑的PP振蕩實驗中，隨著顆粒數目的增加，顆粒-顆粒間碰撞頻率增大，顆粒的荷/質比隨振蕩顆粒總數目的增加而降低并趨于穩定。因此，通過控制顆粒振動時間、振動幅度及顆粒處理總量，可用于調節顆粒的帶電量。