聚烯烃颗粒在气力输送中静电起电特性研究＊

宋戊春 喻海艳 林涛 江东旭 林龙沅 陈海焱

（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621000）

0 引言

静电的积聚在工业生产过程中是一种常见的危险，因为它会导致火花放电。聚烯烃类和聚酯类颗粒是化工常见的加工原料或中间产物，其具有加工成型性能佳、可塑性好等特点被广泛用于板材、片材、高性能收缩膜及异型材等的制造加工领域［1-2］。在工业生产各个流程中，物料的输送是一个必不可少的环节。气力输送是物料输送的主要方式之一。在该过程中，颗粒与管道的摩擦，以及颗粒间的摩擦会导致静电的积累，化工材料颗粒的大比表面积会导致高静电荷，这可能难以通过接地去消除［3-4］。因此针对聚烯烃和聚酯类颗粒在气力输送过程中摩擦静电荷产生的问题提出相应的防护措施，从而消除输送装备在生产过程中由于静电所引起燃烧爆炸事故具有实际的工程意义。但由于带电粉末颗粒静电产生机制及影响因素的多样性，使得对于气力输送中静电产生机制和定量测试变得十分有挑战性［5］。

前期的研究结果指出，许多输送设计和操作参数例如输送管材、空气速度、下料速度等都会影响静电荷的累积。TAGHAVIVAND M 等［6］研究了气力输送过程中在4.57 mm 不锈钢管道中的单个颗粒3.18 mm PTFE 的静电充电行为，结果显示低的气体速度会导致较高的电荷量。李俊菲等［7］指出随着流化风速的增大，生物质粉体间碰撞程度剧烈，粉体的荷质比增大。高鑫等［8］发现聚丙烯颗粒与管壁碰撞是影响颗粒带电的主要因素之一，导致颗粒带电量随颗粒质量流量降低和气体输送流量增加（风速增大）而增大。另外，国内外还有通过数值模拟对工业规模大尺寸气力输送颗粒静电带电规律进行较为系统的研究［9-11］。这些研究成果为指导工业气力输送中颗粒静电起电特性提供了一定的参考依据。

但目前研究粉体对象比较分散，缺乏系统性，尤其在对于一些高比电阻的聚烯烃粉体在输送过程中静电起电的影响因素的探讨仍然比较缺乏，因此，本文拟在自制的气力输送系统上以3 种典型聚烯烃颗粒PETG、PP 和ABS 为对象，开展不同质量流量与空气流速条件下典型聚烯烃颗粒的静电起电特性的变化规律研究，为化工业粉体的部分典型输送工程提供技术参考。

1 实验

1.1 实验原料

实验采用聚堆苯二甲酸乙二醇酯（PETG）、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）3 种物料作为实验原料，其平均粒径分布与堆积密度见表1。

表1 实验物料粒径分布

1.2 实验装置

聚烯烃颗粒静电实验研究装置主要由动力系统多翼式离心防爆风机、测量系统包括风速仪（瑞典Swema 公司）、电子秤（上海英衡电子秤有限公司）、法拉第筒搭配电荷测试仪（青岛睿新杰仪器有限公司和青岛山纺仪器有限公司）、脉冲喷射清洗性能实验台以及通风管道系统4 部分组成，整个实验采用高压离心式通风机配合三星异步电动机（佛山市南海九洲惠普风机有限公司）来提供负压。实验工艺流程如图1 所示。粉体输送管道为不锈钢，DN50，总长度6 m。法拉第筒的外筒直径150 mm、高100 mm，内筒直径100 mm、高80 mm，电荷测试仪测量范围0～2C、精度±0.001C。

图1 实验工艺流程

1.3 实验方法

为了了解PETG、PP 和ABS 这3 种聚烯烃颗粒静电荷的规律，测量了不同质量流量和空气流速下的电荷量。整体空气速度与风机的每分钟转数有关联，因此，输送风速由变频器控制。整个气力输送采用负压输送，使用风速仪来监测管道内部空气流速，并且同时物料通过自身重力进入管道，通过金属管道输送到除尘器内部。输送结束后，在下料处，法拉第筒同时记录随不同空气流速和质量流量下产生的电荷量。再通过测量取样的质量，通过计算得出荷质比。待电荷量测量最大值Q时，定容法拉第筒内物料质量m，则物料荷质比qm计算公式为：

2 实验结果与讨论

2.1 质量流量对聚烯烃粉体荷质比的影响

固定风机频率为30 Hz，测试空气流速为22 m/s，加料时分别对应PETG、ABS 和PP 质量流量皆分别设置为10、20、30、40、50 g/s。测量质量流量从10 g/s逐渐增大到50 g/s 情况下的3 种物料的电荷量。不同质量流量下PETG、PP 和ABS 物料的荷质比变化曲线如图2—图4 所示。

图2 不同质量流量下PETG 荷质比

如图2 所示，空气流速在22 m/s 条件下，当聚烯烃粉体添加质量从10 g/s 逐渐增大到50 g/s 时，随着PETG 的质量流量增大，其荷质比数值却逐渐减小至-2.8C/kg。从图3 可以看出，空气流速在22 m/s条件下，当添加质量从10 g/s 逐渐增大到50 g/s 时PP 的荷质比大小同样呈逐渐减小的规律，但是质量流量在20 ～50 g/s 时，曲线浮动变化减小，这可能是PP 颗粒所带电荷量在一定质量流量下会达到饱和。这种现象说明了在气力输送过程中，绝缘PETG和PP 颗粒与金属管壁碰撞、摩擦带负电，但随着PETG 和PP 质量流量增大，也就是单位时间内颗粒通过一定空间内数量增多，颗粒之间的碰撞增多，同时相对于全部颗粒，PETG 和PP 颗粒与管壁碰撞概率（次数）减小，这导致了整体PETG 和PP 颗粒所带的负电荷相对减少，荷质比数值会降低。但是PP 颗粒荷质比曲线趋势说明了颗粒所带的电荷不会随着质量流量增加一直减少，而是会逐渐接近一个饱和值。从图4 可以看出，ABS 颗粒在气力输送过程产生的是正电荷，随着质量流量的不断增加，且积累量逐渐增加。由双极荷电理论可知ABS 颗粒与管道碰撞产生的负电荷量小于部分颗粒之间碰撞产生的正电荷量，因此在输送过程中带正电，由前文可知，颗粒与壁面的碰撞会相对减少，这就造成了部分颗粒间碰撞所带的正电荷远大于颗粒与壁面所产生的负电荷，荷质比增加。

图3 不同质量流量下PP 荷质比

图4 不同质量流量下ABS 荷质比

2.2 输送空气流速对荷质比的影响

固定下料速度，改变风机频率，利用风速仪记录物料在管道输送过程中空气速度，获得从16 ～32 m/s不同输送空气速度下，3 种聚烯烃的荷质比变化曲线如图5—图7 所示。质量流量为30 g/s、调节风机频率为22 ～36 Hz时，对应管道空气流速为16 ～32 m/s。可以看出PETG 和PP 颗粒荷质比随着系统中空气流速增加而增大，这源于输送风流量的增大，管道中颗粒与管壁之间的摩擦、碰撞剧烈程度增加，使得物料所带电荷增多，荷质比增大，并观察到在气流速度达到22 m/s 和28 m/s 下，PETG 和PP 颗粒荷质比分别达到最大，随着输送气流速度进一步增大，荷质比随后下降，这说明带电颗粒荷质比极值出现，也就是说在某一空气流速下，部分颗粒所带负电荷减少，这种现象的出现，取决于在较高的空气速度下颗粒与管道碰撞时间和碰撞程度的减少。从图7 可以看出，ABS 颗粒在不锈钢管道内气力输送时，所带正电荷累积量增加，荷质比增大。其中原因可以解释为管道内部ABS颗粒间碰撞所产生正电荷本身是大于颗粒与壁面碰撞的负电荷的，但是空气流增加，也会导致颗粒与壁面摩擦时间、滑动距离减少，造成负电荷累积越来越少，整体颗粒所带正电荷变多。

图5 不同空气流速下PETG 荷质比

图6 不同空气流速下PP 荷质比

图7 不同空气流速下ABS 荷质比

2.3 聚烯烃粉体荷电特性对比分析

从图8—图9 可以看出，PETG 和PP 颗粒通过管道气力输送装置之后带负电荷，ABS 带正电，且PETG、ABS 积累的电荷量比PP 大。这是因为这3种聚烯烃物体与管道内壁互相摩擦或颗粒之间摩擦时会发生电荷的转移，根据转移电荷的大小，也就是摩擦电级数，而从常规物质按照由带正电到带负电的顺序来排序为ABS、PP 和PETG。从图8 和图9可以看出，ABS 明显带正电荷，而PP 和PETG 则带负电荷，PETG荷质比也大于PP，这与不同材料的颗粒在与金属管道摩擦过后得失电子能力强弱有关系。此外，目前普通摩擦形式的“接触—分离”起电应用最多的是用物质的功函数来预测其接触分离起电的大小和极性。同时功函数不是材料基本性质，更准确的说法应为材料表面的性质，而颗粒因其表面活性的变化而使表面作用更加敏感，温度和湿度等初始条件也会影响其表面活性，这也就影响了不同种类聚烯烃颗粒带电性。从图8 和图9 曲线的波动可以看出输送空气流速对于聚烯烃颗粒在气力输送过程中电荷的累积产生的影响更大，但是在空气流速达到一定程度，如在图中28 ～31 m/s斜率可以看出，PETG 与ABS 颗粒电荷增加放缓，可以说明颗粒所带电荷在输送空气不断增加下会出现饱和值，这种饱和值出现与颗粒自身的性质相关，也与整个气力输送系统规模有关。

图9 不同质量流量下3 种物料荷质比

3 结论

本文中主要研究风速和质量流量对3 种聚烯烃颗粒静电产生的影响，对于3 种颗粒带电差异从输送过程中得失电子能力做了讨论，结论如下：

（1）3 种聚烯烃颗粒随着输送粉体质量流量的增大，PETG 荷质比从-5.05C/kg 减小到-2.83C/kg，PP 荷质比从-1.03C/kg 减小到-0.33C/kg。与前2种粉体不同的是，由于双极荷电效应ABS 粉体在输送过程中带正电，所带正电荷逐渐从0.30C/kg 增加到1.37C/kg。

（2）3 种聚烯烃颗粒荷质比随着输送风量的增加呈现不同规律。当输送空气速度增大至22 m/s 时，PETG 颗粒荷质比达到极大值为-4.61C/kg，而后随着输送速度进一步增大30.32 m/s 时，其荷质比下降到-3.59C/kg；PP 颗粒荷质比在28 m/s 输送气流速度下，荷质比达到极大值为-1.46C/kg，而后随着输送速度进一步增大，荷质比随后下降到-1.05C/kg，这种极值点出现与颗粒在管道内摩擦时间减少相关。而ABS 所带正电荷逐渐增大从0.13C/kg 增加到1.65C/kg。

（3）从3 种聚烯烃颗粒在金属管道中输送特性来看，输送过程颗粒电荷的极性、极值点和饱和值出现的原因既和颗粒自身的性质（得失电子能力和表面活性）相关，也和整个气力输送系统的尺度有关。3种聚烯烃颗粒在不同输送条件下产生电荷的异同性可供化工生产中增加减少静电产生的措施提供参考。