球型聚丙烯颗粒振动带电特性影响实验研究

兰 琦， 李亮亮， 梁 财， 孟 鹤， 陶 彬， 刘全桢

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东 青岛 266100；2.化学品安全控制国家重点实验室， 山东 青岛 266100；3.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096)

聚烯烃等化工物料在输送、掺混和包装过程中，会发生颗粒-颗粒、颗粒-管壁、颗粒-振动筛间摩擦碰撞，从而导致颗粒带电[1-3]。带电物料及粉尘易在管道、料仓中造成粉尘燃爆事故，同时在包装时会造成包装人员受到静电电击甚至诱发二次灾害等[4-7]。因此，研究绝缘化工物料带电机制及带电影响因素，对于指导优化生产工艺、降低物料带电量、预防聚烯烃等化工物料静电放电引起的灾害事故，具有非常重要的理论意义，并提供数据支撑。

化工物料颗粒带电主要受颗粒物性及环境因素影响[8-12]。在基于颗粒摩擦带电研究中，一般认为电子转移是颗粒摩擦带电的主要机制，并主要通过单颗粒滑动摩擦带电实验评估颗粒带电的影响因素。Hu等[13]研究了单颗粒滑动摩擦过程中颗粒初始电荷、滑动距离和法向载荷量等因素对颗粒带电特性的影响。Chowdhury等[14]得出了颗粒的带电速率取决于其初始电荷，且颗粒带电速率和饱和电荷量随颗粒表面积的增大呈线性增加等结论。Zhao和Yao等[15-18]发现颗粒粗糙度，颗粒的滑动面积、速率和滑动时间对促进电荷产生有较大影响。在化工颗粒物料振动筛处理过程中，颗粒-金属壁碰撞摩擦并发生电荷迁移，对于振动筛处理颗粒过程中电荷转移特性及影响因素研究较少，缺乏明确的颗粒静电控制方法。笔者在振动筛上进行了振动强度、环境湿度及颗粒-颗粒碰撞等影响颗粒荷电特性的实验研究，探究单颗粒、多颗粒聚烯烃粒料静电带电特性及影响因素，为聚烯烃等物料生产过程中的产品静电危害防护技术开发提供参考依据。

1 实验部分

1.1 实验颗粒及其预处理

选用粒径分别为2、3、4、5、6和8 mm的6种球形聚丙烯(PP)颗粒(购于东莞铂威五金制品有限公司)，使用真空烘箱110 ℃下对颗粒进行烘焙干燥180 min，并在烘箱中自然冷却至室温。实验前，对每个实验颗粒进行尺寸标定，获得PP颗粒的直径[19]；利用天平(CPA26P-0C，德国Sartorius产品)称量颗粒质量(精确到0.001 mg)。实验前将颗粒置于离子风机(AP-DC2453，上海安平静电科技有限公司产品)下消电2 min左右，保证PP颗粒的初始电荷为零。

1.2 实验方法

图1是颗粒振荡摩擦带电测试实验装置的原理图。在恒温恒湿实验室内，将PP单颗粒置于振荡筛分仪中(Retsch AS 200，德国莱驰公司产品；分析筛直径200 mm、孔径1 mm、筛网及筛壁均为304不锈钢材质)，根据实验需要设置筛分仪的振荡时间、振幅参数以及环境温度、湿度等变量，以分析各项因素对颗粒带电量的影响。实验过程中，将振荡固定时间的样品颗粒倒入法拉第杯(JCI 150，英国Chilworth公司产品)中，利用连接法拉第杯的静电计(吉利时6514，美国泰克公司产品)及计算机直接读出并记录颗粒带电量。颗粒带电测试环境温度和湿度通过恒温恒湿实验室测试环境调节。

图1 颗粒振荡摩擦带电实验测试示意图Fig.1 Schematic diagram of the particle oscillation friction charging experiment test

将不同粒径PP颗粒铺满静电衰减测试仪(JCI 155 V6，英国Chilworth公司产品)所配套的JCI 173样品杯中，设置电晕放电电压参数为-9 kV，测试不同粒径PP颗粒带电量随时间的衰减数据。

2 结果与讨论

2.1 PP颗粒静电衰减特性

表1是不同球形粒径PP单颗粒质量及静电衰减特性参数。由表1可知，在100 s的衰减时间范围内，颗粒的粒径越大，颗粒带电量衰减越快，但剩余电荷量均不低于峰值的95%，表明PP样品颗粒带电后静电消散较慢，易产生静电积聚。由于测试单颗粒振动摩擦带电时，单次测量颗粒带电量的时间不超过20 s，因此颗粒样品从筛分仪转移至法拉第筒的过程中，颗粒带电量变化可以忽略不计。

表1 典型实验PP粒径、质量及静电衰减特性参数Table 1 Particle size, mass and electrostatic decay characteristic parameters of typical experiment PP particles

2.2 筛分仪振荡幅度对单颗粒带电量影响

图2是固定PP颗粒振动时长为3 min，不同振幅下不同粒径PP单颗粒的带电量。根据电荷转移理论，颗粒带电是由颗粒-筛网壁接触和分离过程中电荷的转移引起的，颗粒在单次碰撞分离瞬间，电荷转移量Δq(nC)计算公式见式(1)[20-21]：

Δq=kcCΔV

(1)

C=ε0S/z0

(2)

ΔV=VC-Ve

(3)

式中：kc是带电效率常数,无量纲;C和ΔV分别为颗粒-筛壁接触面S间的电容(nF)和总电势差(V);ε0是气体的绝对介电常数,F/m;S是颗粒-筛壁接触面积,m2;z0是颗粒与接触体之间临界间隙,m;VC是由于颗粒与金属材料间不同的功函数造成的电位差,V;Ve是颗粒碰撞前表面电荷诱导电势差,V。

对于固定的PP单颗粒和不锈钢筛网，根据式(1)～式(3)可以看出，在单次碰撞期间，转移的电荷量和颗粒与金属筛表面最大接触面积成正比。随着筛分仪振幅参数的增大，颗粒-筛网壁之间碰撞剧烈程度增加，颗粒-筛网接触频率增高，同时颗粒-筛网壁之间相互碰撞作用力增大，可能会导致颗粒-筛网壁接触有效面积变大，这些因素均促进了颗粒-筛网壁之间电荷转移。因此，相同的振荡时间内，同一粒径颗粒振动摩擦带电量随振幅增加而增大[22]。由图2可以发现，在相同振幅、振荡时间及环境因素条件下，静电电荷量随颗粒平均尺寸增大而增加。这主要源于颗粒粒径增大，颗粒表面积随之增大，颗粒与筛网碰撞作用面积也增大，促进了颗粒-金属筛网之间的电荷转移，从而导致颗粒带电量随粒径增大而增大。

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

图3为不同筛分仪振幅下，不同颗粒带电荷/质比的变化曲线。结合表1中PP单颗粒质量数据可以看出，随着颗粒粒径增大，颗粒的质量增加，单位质量颗粒的带电量(即荷/质比)随着粒径增大而降低。

Γ—Charge/mass ratio; A—Amplitude图3 不同粒径PP颗粒在不同振幅下的荷/质比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 环境湿度对颗粒带电量影响

图4是粒径分别为3 mm和6 mm的2种PP颗粒在不同相对湿度条件下的振荡摩擦带电量(振幅为0.5 mm)。由图4可见，环境湿度对颗粒振荡摩擦带电量有显著影响，同一振动时间下，电荷量随湿度减小而增加。这是因为颗粒带电能力与相对湿度有着密切的关系[23-24]，环境空气湿度增加，PP颗粒的带电能力下降，在测试环境相对湿度达到60%±2%时，颗粒振动摩擦带电量极低。这可能源于有吸湿性的颗粒产生静电的能力随着湿度上升而变弱，且吸湿性越强的颗粒产生静电量越小[25]。另外，水是一种良导体，随着相对测试环境湿度的增加，颗粒表面吸附的水分子越多，其表面电阻率将越低，静电荷就更容易由高电位转移到低电位而无法聚集[26]。

图4 不同湿度下粒径为3 mm和6 mm的PP颗粒的电荷量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 振动时间对颗粒饱和电荷量影响

颗粒-筛网多次碰撞分离过程中，静电荷逐渐积聚在颗粒表面上，并最终达到平衡状态[27]。图5是不同粒径PP单颗粒带电量随振动总时间的变化曲线(筛分仪振动幅度为0.5 mm)。可以看出颗粒表面产生的静电电荷量随着振荡时间的增加而增加，并最终趋于饱和。球形PP颗粒粒径越大，达到颗粒饱和带电时间越长，粒径2～3 mm的PP颗粒振荡6～8 min后带电量达到饱和，粒径4～6 mm的PP颗粒则大概需要10～12 min才能达到饱和。

图5 不同粒径PP颗粒带电电荷量随振动总时间的变化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

颗粒振荡过程带电量趋于指数增加直至达到饱和电荷量。以粒径为4 mm的PP颗粒为例，利用指数函数形式对颗粒带电量随振荡总时间变化曲线进行拟合，拟合公式为[28-29]：

(4)

式中：q为单颗粒当前带电量, nC；qsat为颗粒饱和带电量，nC；t为振荡时间，s；τ为时间常数。图6 为饱和带电量与振荡时间关系指数拟合曲线。由图6可以得出，qsat对应的值为-0.50361，τ对应的值为3.47067。

图6 粒径4 mm的PP单颗粒饱和带电量与 振荡时间关系指数拟合曲线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

图7为不同粒径PP颗粒在振荡幅度为0.5 mm条件下的饱和带电量与荷/质比。由图7可见，随着颗粒粒径的增大，PP颗粒的饱和带电量随之增加，这主要源于颗粒粒径增大，颗粒的表面积随之增大，颗粒与筛网壁碰撞过程中，颗粒表面携带更多的电荷量。但随着颗粒粒径增加，颗粒总质量也会增加，而颗粒摩擦起电现象只发生在颗粒表面，颗粒质量的增速远大于相对表面积增速，所以PP颗粒粒径越大，荷/质比越小。

Γ—Charge/mass ratio图7 不同粒径PP颗粒的饱和电荷量与荷/质比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 多颗粒同时振荡对颗粒带电量影响

球形PP颗粒在振动筛内因振动导致颗粒-颗粒、颗粒与筛网间碰撞带电[30]。图8为不同数目的PP颗粒同时振荡过程中(颗粒粒径4 mm、筛分仪振幅为0.5 mm、振荡时间为10 min)颗粒带电荷量和荷质比数据。可以看出，随测试颗粒个数的增加，单颗PP颗粒带电量迅速降低。PP样品颗粒数达到100颗时，粒径为4 mm的单颗PP颗粒样品带电约-0.48 nC；而样品颗粒数为200颗时，单颗PP颗粒样品带电约-0.26 nC。这是由于随着测试颗粒样品总质量(样品颗粒数目)增加，颗粒-颗粒碰撞几率增加，抑制了颗粒与振动筛金属壁面的碰撞，导致单位质量颗粒的带电量下降。但颗粒的带电量不会随颗粒数目增加而无限下降，如颗粒样品数量增加至200颗时基本不再变化，与样品数量为500颗时单个随机样本颗粒的荷电量基本一致，相应的荷/质比变化规律与荷电量规律保持一致。

3 结 论

(1)PP单颗粒振荡碰撞带电，随筛分仪振幅增大，颗粒与筛网壁之间碰撞剧烈程度增加，促进颗粒-筛网壁间的电荷转移，导致单颗粒带电量增大；且环境湿度越小，PP单颗粒饱和带电量越高。

(2)PP单颗粒振荡过程中，随振动总时间的增加，其带电量呈指数型增长直至达到饱和电荷量；随着颗粒粒径增大，颗粒带电达到饱和电荷量所需振动时间越长；粒径越大，颗粒带电饱和量增大，但因颗粒质量增加导致荷/质比降低。

(3)相同粒径的PP振荡实验中，随着颗粒数目的增加，颗粒-颗粒间碰撞频率增大，颗粒的荷/质比随振荡颗粒总数目的增加而降低并趋于稳定。因此，通过控制颗粒振动时间、振动幅度及颗粒处理总量，可用于调节颗粒的带电量。