基于翅片式摩擦桶的车用聚合物粒子荷电及静电分离探索

2022-06-09田驰锋张洪申

中国塑料 2022年5期

田驰锋，张洪申

（昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500）

0 前言

据国际汽车制造商协会统计数据显示，2020年全球汽车销售量为7 797.12万辆，其中我国汽车销售量为2 531.1万辆[1-2]，全球汽车保有量逐年增加。汽车寿命终结后，随之产生大量废弃车用聚合物，对其进行回收利用不仅可以很大程度上减少环境污染，又能最大程度地节约并有效利用石油等不可再生资源[3-7]。聚合物纯度决定了其回收再利用价值。因此，要实现车用聚合物同等性能等高附加价值再利用，首先应对其进行分选研究。静电分选技术以其效率高、成本低、清洁无污染等特点，近年来得到了快速发展[8]。荷电是否充分是聚合物能否能够静电分离的决定性因素[9]。聚合物荷电有电晕放电、摩擦荷电等方式[10-11]。摩擦桶式荷电器由于具有结构简单、荷电效率高、操作方便等优点得到广泛使用[12]。Burgo等通过研究物质摩擦过程中电荷转移产生的微电信号和摩擦力变化规律之间的关系发现，摩擦过程中转移的电荷来自于摩擦过程中产生的强烈静电作用，电荷转移量的峰值变化和摩擦力的峰值变化完全耦合[13-14]。同时，荷电粒子极性不同，进入高压电场后运动轨迹就不同，从而可以实现分离[15]。因此，对车用聚合物粒子在荷电装置中荷电序列及其影响因素进行研究具有重要的意义。本研究从理论层面上分析Q与n和t的关系，并开展常见车用聚合物粒子（PP、PU、PA、PE、PVC、ABS）在摩擦桶式荷电器中的荷电规律研究，得出其摩擦荷电序列，并进一步初步探索了其静电分选最优荷电参数，为车用聚合物粒子静电分选及高附加值回收利用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

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

1.2 主要设备及仪器

温度湿度计，温度范围30～50℃、精度1℃，湿度范围20～100%rh、精度2%rh，得力集团有限公司；

数字电子称，I-2000，上海芈坤实业有限公司；

法拉第筒（图1），Model 284/22B，外筒20 cm（直径）×24 cm（高度），内筒15 cm（直径）×18 cm（高度），美国Monroe Electronics公司；

图1 法拉第筒和纳库仪Fig.1 Faraday cage and Electrometer

纳库仪（图1），284 Nano Coulomb Meter，量程为0～20 nC时精度为0.01 nC，量程为0～200 nC时精度为0.1 nC，美国Monroe Electronics公司。

1.3 摩擦桶式静电分离装置与实验方法

摩擦桶式静电分离装置由荷电器和高压电场2部分组成，如图2（a）所示。聚合物粒子从图中摩擦桶式荷电器左侧放入，由电动机和减速机通过皮带带动摩擦桶转动；聚合物粒子在摩擦桶式荷电器中，通过粒子-粒子、粒子-桶壁之间碰撞完成荷电。摩擦桶式荷电器结构如图2（b）所示，其材料为PMMA。当聚合物粒子摩擦荷电完成后通过导料装置进入自由落体式高压静电场，在电场力、重力、空气阻力等作用下实现分离。

图2 摩擦桶式静电分离装置图Fig.2 Images of friction barrel-type electrostatic separation device

实验中，调节n和t测定不同水平下聚合物粒子的Q。首先，逆时针转动摩擦桶式荷电器使粒子荷电（荷电转向取决于桶内翅片结构），达到设定t后反转排出粒子；随后通过测定其质量和Q得到聚合物粒子的荷质比（表征聚合物粒子的Q），为静电分选提供数据支撑。实验中，用法拉第筒测量聚合物粒子的Q，然后从纳库仪中读取Q值。

2 理论分析与实验

2.1 理论分析

Burgo等的研究表明，在摩擦荷电过程中电荷转移量的峰值变化和摩擦力的峰值变化完全耦合[13]。因此电荷转移量对时间积分得到的Q（单位为C）和摩擦力对位移积分得到的摩擦力做的功（W，J）之间成线性关系（式1）：

其中，K为比例系数；W可以表示为式（2）形式：

其中，N是摩擦桶式荷电器旋转过的圈数；W（1单位为J）是聚合物粒子在摩擦桶内旋转一圈时摩擦力做的功；N可以表示为式（3）形式：

其中，t的单位为s；将式（2）和式（3）代入式（1）得式（4）：

由式（4）可知，Q与n、t成正比；当Q为饱和Q时，n越大则t越小；n越大时向心力越大，粒子受到摩擦桶的法向支持力越大，则W1越大；因此使聚合物粒子达到饱和Q所需的n和t负相关；此外，由于聚合物粒子在摩擦桶荷电器中完成荷电后不能一次性从摩擦桶中排出进入高压静电场，需要一段时间才可以全部通过静电场，因此考虑Q的衰减是有必要的；聚合物粒子摩擦荷电后的衰减规律见式（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——放电时间常数，s

ε——介电常数，F/m

ρ——电阻率，Ω·m

εr——相对介电常数，F/m

ε0——真空介电常数，为8.854187817×10-12F/m

将式（6）代入式（5）得式（7）：

τ的物理意义可以理解为经过τ秒后聚合物粒子的Q衰减为初始Q的1/e；从式（5）中可以看出，聚合物粒子摩擦荷电后Q衰减的快慢取决于τ的大小，而且τ可以由ε和ρ来表示；ε和ρ是物质的固有属性，不随外界条件的变化而变化，因此每种聚合物粒子Q的衰减速率各不相同，τ越大说明该种塑料摩擦带电后Q衰减速率越慢，越有利于粒子实现静电分离。

2.2 实验部分

2.2.1 预实验

由于环境条件和实验条件的差异，研究所用聚合物粒子的摩擦荷电序列并不一定与其它研究人员测定的相一致。因此，本研究通过聚合物粒子在摩擦桶式荷电器中的预实验测定其摩擦荷电序列，并且得出Q随t变化的一般规律。实验中，分别对PP、PU、PA、PE、PVC、ABS 6种聚合物粒子进行等n不同t的摩擦荷电实验。每次实验称取10 g聚合物粒子，在30 r/min下进行摩擦荷电1、2、3、4、5 min的5组实验，每组实验重复3次，分别得到每个t点荷质比的平均值，并拟合得到荷质比随t变化趋势，如图3所示。由于实验的t跨度比较长，因此无法保证在同一环境条件下进行，实验时的环境条件在图中均有标识。

图3 荷质比-t曲线Fig.3 Charge-mass ratio against time

由图3可以看出，PP和PA在摩擦桶式荷电器中摩擦荷电后带正电荷，ABS、PE、PVC、PU在摩擦桶式荷电器中摩擦荷电后带负电荷，并且所有聚合物粒子荷质比均随t的延长呈先增大后减小趋势。其原因在于摩擦荷电现象是由于不同物质表面的有效表面功函数不同，使物质双方之间存在费米能级差而发生电子转移，费米能级差逐渐变为零后物质双方的Q就不会增加；另外聚合物粒子的表面积有限，在一定时间之后Q就会达到饱和，荷质比也趋于稳定；当Q饱和后，由于荷电粒子发生电荷中和与泄露，电荷会逐渐衰减。因此，需尽可能使聚合物粒子在饱和Q时进入高压电场，以获得更好的分选率。从图中还可以看出，PE在3 min前荷质比随t的延长而增加，在3 min时荷质比趋于稳定随后逐渐衰减；PP、PU、PA、PVC、ABS在1 min前荷质比随t的延长而增加，在1 min时荷质比趋于稳定随后逐渐衰减，与理论分析结果相符。PP、PU、PA、PVC、ABS 5种聚合物粒子都是在1 min达到饱和Q，充分证实摩擦桶荷电效率高的优点。

摩擦荷电序列的确定是后续聚合物粒子Q及其静电分选的基础。研究中，通过比较每种聚合物粒子的饱和Q大小来确定其摩擦荷电序列，饱和Q越大表明在摩擦桶荷电序列的位置越靠近正极，各粒子的饱和荷质比如图4所示。通过比较6种粒子的饱和荷质比大小，可得到其摩擦荷电序列为（-）PE→ABS→PVC→PU→PMMA→PP→PA（+）。此外，由于材料成分的差异，加之荷电装置及环境不同，聚合物粒子摩擦荷电序列不尽相同。张继游等[17]经过实验得到的摩擦荷电序列为（+）PA→PMMA→PC+ABS→ABS→铜→PP→PE（-），其中PP摩擦荷电序列靠近负极，与本实验相反。说明除去实验条件和环境条件因素的影响外，实验中存在一些不足：（1）由于实验的时间跨度相对较大，人为无法控制环境条件的变化，这会对饱和Q的值造成一定影响；（2）不能保证每种粒子的粒径完全相同，粒径大小的不同对饱和Q的值也会造成影响。此摩擦荷电序列可为以后的摩擦荷电实验提供大致参考，但对于饱和Q接近的聚合物粒子，摩擦荷电序列可能会发生颠倒。

图4 各聚合物粒子的饱和荷质比Fig.4 Charge-mass ratio of the polymer particles

2.2.2 单种聚合物粒子不同n实验

预实验测定了6种聚合物粒子的摩擦荷电序列，并得到了每种粒子在摩擦桶荷电器30 r/min的n下达到饱和Q的t。考虑摩擦荷电序列等因素，从6种聚合物粒子中选取ABS和PA进行等t不同n实验，观察n和Q之间的规律。由于聚合物粒子ABS和PA都在1 min达到饱和Q，因此每次实验称取10 g聚合物粒子进行在30、25、20、15、10、5 r/min的n下，t为1 min的6组实验，每组实验重复3次，分别得到每个n下荷质比的平均值。实验选择在不同的湿度环境下分别进行，以此来探索环境湿度对摩擦荷电实验的影响程度，实验结果如图5所示（实验环境条件在图中均有标识）。

图5 ABS和PA在不同n下的荷质比Fig.5 Charge-mass ratio of ABS and PA at different rotational speeds

由图5可知，ABS和PA的荷质比随n的增加而先增大后减小，说明预实验测得的在30 r/min的n下摩擦荷电1 min还没有达到最终的饱和Q；在20 r/min的n下荷质比最大，说明ABS和PA在20 r/min的n下，摩擦荷电1 min时Q接近或已达到饱和。通过实验得出，ABS和PA最优分选参数是n为20 r/min，t为1 min；同时，也可以反映出在聚合物粒子在达到荷电饱和之前，在相同t下，Q随n的增加而增加。另外，从图5中明显看出环境湿度为68%rh时的荷质比比环境湿度为48%rh时小一半左右。因此，可以得到环境湿度对摩擦荷电实验的聚合物粒子Q有显著影响；在其他条件相同情况下，湿度越高则Q越小。另外，荷质比随n的变化规律没有太大变化，ABS和PA的荷质比都随n的增大而先增大后减小。通过对比分析可知，湿度环境条件只会影响Q的大小，并不会影响摩擦荷电规律；在高湿度环境下，由于Q较小，故可以选择增大高压静电场电压来得到更好的分选结果。

2.2.3 ABS、PA静电分选实验

通过以上实验得出，对于ABS和PA的静电分选实验的最优参数是n为20 r/min时t为1 min。实验中，分选所用高压静电场采取自由落体式静电场，实物如图6所示。根据课题组前期的研究，在环境湿度为60%rh左右时，静电场的最优参数为电场电压50 kV，电极板间距12.5 cm，电极板倾斜角为85°。分别称取10 g ABS和PA放入摩擦桶式荷电器，在20 r/min的n下摩擦荷电1 min后导出荷电器，进入高压静电场，分选结果如图7所示。

图6 静电场Fig.6 Electrostatic field

图7 分选结果Fig.7 Experimental result

考虑到个别聚合物粒子可能存在荷电不充分现象从而影响分选率，在收料箱中放置了间隔2 cm的隔板，隔板之间用于收集荷电不充分的聚合物粒子。分离后聚合物粒子纯度计算公式见式（8）和式（9），回收率计算公式见式（10）～（12）：

式中P1、P2——PA（负极）、ABS（正极）纯度，%

S1、S2、S总——PA、ABS及总体的回收率，%

M1(+)、M1(-)——收料箱中对应静电场正负极一侧PA的质量，g

M2(+)、M2(-)——收料箱中对应静电场正负极一侧ABS的质量，g

M中——中间产物的质量，g

M1(初始)、M2(初始)——实验所用PA和ABS的质量，g

实验结果如下表1所示。可以看出，ABS和PA纯度分别达到了94.18%和99.86%；在20 r/min的n下荷电1 min的分选结果较好，尤其是PA纯度达到接近100%，但PA的回收率相对较低；ABS纯度不太高，但回收率较高。其原因可以总结为以下3点：（1）PA的Q的衰减速率比ABS快。由式（5）可知，Q衰减速率与ε和ρ有关，一般实验得到测量结果为荷质比，对式（7）等号两边同除质量（M，g）得

表1 实验结果Tab.1 Experimental data

其中，F=Q/M、F0=Q0/M，F和F0分别表示某时刻荷质比和初始荷质比，单位为nC/g。经查询得到，ABS和PA的εr和ρ一般为3、3.6 F/m和1016、1015Ω·cm[18]。将上述数据及ABS和PA饱和荷质比代入式（13）得到荷质比随t的衰减曲线（图8）。从图中可以看出，PA的Q的衰减速率远大于ABS，因此在从摩擦桶式荷电器中后进入高压静电场的部分PA粒子Q已经衰减，再加上PA粒子的质量相对较轻，在空气阻力等的影响下落到了中间产物的位置或偏离到正极一侧。从图7中可以看出，中间产物中PA居多且正极产物中也有部分PA，这会导致PA回收率降低，也导致正极的ABS纯度降低。同时，由于ABS的Q衰减较慢，易受电场力作用，向正极一侧偏转，故中间产物和负极产物中ABS较少，使得ABS回收率高且PA纯度高。（2）由于目前摩擦桶式荷电器本身的局限性，使得ABS和PA粒子不能完全从摩擦桶内排出进入高压电场，致使回收率不高，仍需对摩擦桶式荷电器进行进一步研究。（3）所用实验装置中，聚合物粒子在收料箱存在回弹问题，如从一侧弹跳至另一侧，一定程度上影响分离后聚合物粒子的纯度，也导致回收率降低。