顆粒速度和形體因素影響靜電發生機理

姚軍，黃勇吳潔潔趙彥琳，李寧

（1. 廈門大學 能源學院，福建 廈門，361005；2. 中國石油大學（北京） 機械與儲運工程學院，北京，102249）

顆粒速度和形體因素影響靜電發生機理

姚軍1，2，黃勇1，吳潔潔1，趙彥琳2，李寧1

（1. 廈門大學 能源學院，福建 廈門，361005；2. 中國石油大學（北京） 機械與儲運工程學院，北京，102249）

采用直接測量的方法獲得單個顆粒沿傾斜金屬板滑行后產生的靜電，實驗選用顆粒材料為PVC，顆粒平均粒度為2.0～5.0 mm，分別以三角形面和梯形面作為顆粒滑行的摩擦面。研究結果表明：隨著顆粒滑行速度減小，產生靜電量增大；顆粒的接觸面積增大，產生的靜電量增大；滑行次數達到一定時，顆粒產生的靜電量達到飽和。綜合分析，可獲得顆粒粒度、形狀因素、顆粒滑行速度和形體因素影響靜電產生的作用機理。

顆粒；靜電；速度；形體

在工業過程中，顆粒與壁面摩擦產生靜電，這種現象稱作“摩擦起電”或“接觸帶點”。靜電現象給安全生產帶來許多問題，如引起顆粒結團、堵塞、火星和爆炸等危害［1］；在氣固流態化過程中，靜電導致顆粒團聚、黏壁、形成死區和溝流，直接改變流化床內的流體行為［2］。固體顆粒廣泛應用于化學化工、能源、食品、制藥、采礦等行業。在化學工業，顆粒運輸、氣固流化床等過程中易產生靜電；在制藥工業，顆粒非常易于與壁面或其他顆粒發生碰撞或者摩擦，從而產生大量靜電；在其他工業過程中，顆粒與壁面、顆粒與顆粒的碰撞和摩擦也會產生靜電，并帶來一定程度的危害［3］。關于顆粒產生靜電的現象，已有大量研究。HOGUE等［4］采用顆粒在鋼板上滑行至法拉第杯中的方法，測得不同材質、滑行角度均會影響靜電產生，并利用 DEM模擬方法與實驗比對良好。MATSUSAKA等［5-6］研究了氣送管道內顆粒與壁面碰撞產生靜電的情況，發現顆粒質量流率和荷質比對靜電量起主要作用。同時，顆粒材料及尺寸均會對靜電的產生有影響。影響顆粒產生靜電的因素還有很多，如接觸面積、長寬比、滑行速度和粗糙度等內在因素［7-9］，還有環境濕度、溫度等外在因素［10-11］。工業生產中，傳輸工作的顆粒并不是統一形體，所以本研究提出顆粒滑行速度及形體因素影響靜電發生機理的研究不僅具有科研創新性還具有很大的工業實用價值。盡管有大量研究對顆粒產生靜電的機理進行探討，但針對顆粒滑行速度及其形體因素影響顆粒產生靜電的研究還尚未發現。然而，靜電的產生機理十分復雜，如顆粒滑行速度及其形體因素影響靜電發生的機理尚不清楚。本文作者將從單顆粒實驗基礎上獲得靜電產生基本原理，能夠更直接更具體地明確靜電產生的機理和影響因素，進而為評估復雜顆粒系統中靜電產生提供依據。

1 實驗

1.1 實驗方法

本工作對單顆顆粒產生的靜電進行了研究，每次實驗均為單顆顆粒的一次滑動。實驗采用的測量方法為將顆粒靜置于一傾斜放置的（54°）不銹鋼板上，自由滑行一段恒定的距離，最后落入放置在鋼板尾端的法拉第杯。法拉第杯連接靜電計，靜電計連接計算機。顆粒表面摩擦產生靜電，當顆粒從鋼板滑下落入法拉第杯中時，所帶靜電量將直接可以從靜電計測得，并在計算機軟件中記錄。

實驗選擇的顆粒為不規則顆粒，因此，在滑行時應選擇最穩定的面作為實驗面，即摩擦面，避免在下滑過程中產生翻滾現象［8］。實驗前，對每顆粒的質量（精度0.1 mg）和摩擦面的尺寸（精度0.1 mm）進行標定，并計算得到摩擦面的面積和各個角度。實驗前，顆粒需放電24 h，以保證初始電量均為0［8］。顆粒按順序放置在有網格的鋼板上，且每個網格有數字標號，來標記每顆顆粒。

本文作者進行2種實驗，即獨立性實驗和重復性實驗。獨立性實驗是指一次實驗每顆顆粒只滑行一次；重復性實驗是指一次實驗每顆顆粒滑行多次，直至靜電飽和。進行實驗時，首先用鑷子夾起顆粒（非實驗摩擦面），放在鋼板頂端，然后松開鑷子，顆粒在重力作用下沿著鋼板滑落入法拉第杯，通過靜電計測得的電荷每隔50 ms自動記錄保存在電腦上。若進行重復性試驗，則隨后從法拉第杯中取出顆粒重復滑行動作，直至電量飽和。

1.2 顆粒

聚氯乙烯PVC材料是化工、建筑、食品工業等領域中常見的工業原料，應用非常廣泛，主要用于制造管材、模具、日常生活用品等。因此，本研究選用的顆粒為PVC材質，以便更好地模擬工業過程中產生靜電的現象，有更大的應用價值。實際工業氣送裝置等設備中，顆粒與壁面、顆粒與顆粒之間發生碰撞、摩擦、擠壓等現象，致使顆粒破碎變為非規則顆粒。為了更貼近實際情況，本研究選用2種不規則顆粒：三角形顆粒和梯形顆粒。

圖1所示為顆粒實物圖與形狀示意圖。圖1（a）和（b）所示為三角形顆粒，圖中陰影面為摩擦面，形狀為三角形；圖1（c）和（d）所示為梯形顆粒，圖1（d）中陰影面即摩擦面為梯形。圖1（a）和（c）所示分別為三角形和梯形顆粒實物圖。所用三角形顆粒摩擦面邊長在2.5～5.0 mm之間，面積為3.7～7.0 mm2；梯形顆粒摩擦面邊長在2.0～4.8 mm之間，面積為4.0～8.0 mm2。

圖1 顆粒形狀Fig.1 Granular shape

1.3 定義

圖2所示為三角形顆粒前沖角。在三角形顆粒下滑時，接觸面上某個角α保持在最下端（圖2（a）），定義此角為三角形前沖角。圖2（b）所示為顆粒下滑時的正視圖，圖中陰影三角形為顆粒與鋼板接觸面，α為前沖角，滑行時保持在最前端，也是最下端。

圖2 三角形顆粒前沖角Fig.2 Triangle granule front-facing angle

圖3所示為摩擦面的正面圖。三角形顆粒長寬比RLW定義為：RLW=L/W，且L＞W。圖3（a）所示為三角形顆粒的摩擦面，L為最長邊a上的高，W為中位線寬度。梯形顆粒長寬比定義為：RLW=W/L，且W＞L。圖3（b）所示為梯形顆粒的摩擦面，W為梯形中位線寬度，L為梯形的高。

圖3 長寬比定義Fig.3 Definition of length-ratio

在本次實驗中影響顆粒摩擦帶電量的因素有很多，如質量、接觸面積、前沖角、長寬比和環境濕度等，為了定量研究某一變量對靜電產生的影響，定義

2 結果與討論

2.1 電子轉移

顆粒與壁面互相接觸或摩擦而產生靜電，這種現象稱作“接觸帶點”或“摩擦起電”。在摩擦起電時，2種不同的物質，經過接觸、摩擦、分開，這三道程序后，會從原本中性，變為帶電體；其中一種物質會帶有正電，另外一種物質會帶有同樣大小的負電。電荷的正負極性和電量，依照材質、表面粗糙、溫度、應變等等，各種性質或參數而變化。一般而言，絕緣體，不導電的物體，是起電（產生靜電）和保留電荷的優良材料，例如PVC。

PVC顆粒在鋼板表面滑行后帶負電，鋼板帶正電。高聚物分子晶體晶格在表面處突然終止，在表面的最外層的每個原子將有1個未配對的電子，即有1個未飽和的鍵，這個鍵稱為懸掛鍵。懸掛鍵不穩定，易接受第2個電子成為負電中心，因此，在實驗過程中PVC顆粒易得電子帶負電。實驗過程中（圖2（a）），第1步，將中性顆粒靜置于中性鋼板上；在下滑過程中，電子在顆粒摩擦面聚集，與鋼板形成雙層充電層［12-13］，即第2步；隨著滑行距離的增加，電子的集聚增加，即第3步。當顆粒滑離鋼板后，由于鋼板是導體且接地，瞬時恢復到中性，進行下一次實驗。

2.2 滑行速度

圖4所示為顆粒速度與靜電關系。顆粒在一段恒定的距離滑動，滑動速度對其靜電的產生有明顯影響。由圖4（a）可見：三角形顆粒產生靜電量隨滑速度的增加呈指數形式下降，梯形顆粒也呈現相同的趨勢。類似的發現可以在HOGUE等［4］的研究中找到，顆粒滑行相同的距離，所用時間長，即速度小的顆粒所產生的靜電量大。這可能與顆粒與鋼板接觸時間相關，接觸時間越長，越有利于電荷的集聚，則靜電量隨之增加。圖4（b）所示為A～F 6顆三角形顆粒在相同實驗條件下，所得靜電量與速度的關系。圖中為6顆顆粒在0.2 s時在鋼板上滑行時由高速攝像儀（日本OLYMPUS，i-speed LT）拍攝。A～F 6顆顆粒在同一時間內滑行距離依次增加，即滑行速度依次增加，對應于圖4（b）中靜電量隨之下降。

2.3 形體因素

圖4 顆粒速度與靜電關系Fig.4 Relationships between granule sliding velocity and electrostatics

圖5 顆粒形體因素對靜電產生的影響Fig.5 Effects of granule factors on electrostatics

圖5所示為顆粒形體因素影響靜電產生。顆粒的形體因素有很多，例如三角形前沖角角度、長寬比［7］、摩擦面積［11］等，這些形體因素均會對顆粒靜電的產生有明顯影響。由圖5（a）可見：隨著前沖角角度增加，靜電量逐漸減弱。前沖角角度小的顆粒，其荷質比（qm）越大，說明顆粒前沖角越尖，獲得靜電的能力越強。這可能與電荷的集聚能力有關，顆粒的前沖角越小越有利于電荷的集聚。圖5（b）和（c）所示為長寬比與靜電產生的趨勢。隨著長寬比的增加，靜電量增加，即越修長型的顆粒產生的靜電量越大［14］。圖5（d）所示為顆粒面積越大，產生的靜電量越［11-12］。

2.4 環境濕度

圖6所示為相對濕度影響靜電產生。環境濕度對顆粒靜電產生有顯著影響，本實驗采用相對濕度表征。如圖6所示，在相對濕度50%RH（±2%）下產生的靜電量明顯高于在相對濕度 80%RH（±2%）下產生的靜電量。這一結論與大量已完成研究［7，10］結論一致：濕度增加，顆粒帶電能力下降。NOMURA等［10］研究了顆粒吸濕性對靜電產生的影響，發現相對濕度在0～80%RH范圍內，無吸濕性顆粒的靜電產生幾乎無變化，有吸濕性顆粒產生靜電的能力隨著濕度上升而減弱，且吸濕性越強的顆粒產生的靜電量越小。這一現象的產生主要是因為顆粒帶電能力與相對濕度有著密切的關系。隨著相對濕度的增加，空氣中含的水分增多，顆粒表面吸附的水分子就增多。而水是一種良導體，顆粒表面吸附的水分子越多，其電阻率將越低，靜電荷就更易由高電位轉移到低電位而無法聚集［15］。

圖6 相對濕度影響靜電產生Fig.6 RH effect on electrostatics

2.5 飽和電量

進行重復性實驗發現，顆粒具備多次帶電的能力。將同一顆粒進行重復滑行動作，產生的靜電量將持續增加，最終達到最大值且保持穩定，則稱這一值為飽和電荷，這一現象為顆粒帶電飽和現象。對某一梯形顆粒進行重復性實驗，結果如圖7所示。從圖7可知：在實驗進行10次左右時達到飽和。對顆粒產生靜電進行指數擬合，擬合公式為

其中：q為顆粒所帶電荷量；qsat為飽和電量；A和R0為常數；t為滑行次數。擬合結果 qsat= 0.110 2，A= -0.116 7，可近似認為A≈-qsat。此結果與IRELAND［15］，ZHU等［16］和LIAO等［3］的實驗結論相似。LIAO等［3］利用直徑3 mm玻璃顆粒進行撞擊實驗，并對靜電量和時間進行擬合，擬合公式為

式（1）與（2）相似，因此，本實驗擬合良好。A可近似為-qsat，R0可近似為-1/τ。其中：時間常數τ為靜電積累的增長率。

圖7 梯形顆粒多次滑行趨勢Fig.7 Trapezium granule electrostatics generation from multiple-sliding

3 結論

1） 對于三角形顆粒，靜電產生量隨著前沖角角度的減小而增加。

2） 對于三角形顆粒和梯形顆粒，隨著長寬比或者摩擦面積的增加，靜電產生量增加。

3） 對于三角形顆粒或梯形顆粒，靜電產生量受到外界環境的影響，環境濕度越大，靜電產生量越小。

4） 當顆粒與鋼板摩擦次數增加時，顆粒表面的靜電產生量隨之增加。當滑行次數達到一定次數時（如10或11次），靜電產生量不再增加，即達到飽和。

5） 對于2種形狀的顆粒，顆粒與鋼板多次作用靜電產生量仍然遵循顆粒單次實驗相同規律，即：隨著長寬比或者摩擦面積的增加，靜電產生量增加。

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（編輯 陳愛華）

Investigation of granule sliding velocity and granule shape effect on electrostatics

YAO Jun1，2， HUANG Yong1， WU Jiejie1， ZHAO Yanlin2， LI Ning1

2. College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum-Beijing， Beijing 102249， China）

The electrostatics caused by granule sliding along a metal plate was measured directly. Granule material is PVC and the mean particle size is 2.0-5.0 mm. The working-face has two kinds of shapes， triangle and trapezium. The results show that electrostatics generated increases with the decrease of the granule sliding velocity as well as with granular sliding face area. The electrostatics generated reaches saturated state after sliding several times. In the end， the mechanism of the granule sliding velocity and granule shape effect on electrostatics due to friction is obtained in terms of granule size and shape.

particle； electrostatics； velocity； shape

TK121

A

1672-7207（2016）05-1799-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.046（1. College of Energy， Xiamen University， Xiamen 361005， China；

2015-05-02；

2015-09-28

國家自然科學基金資助項目（51376153，51406235）；中國石油大學（北京）科研基金資助項目（2462013YJRC030）（Projects（51376153， 51406235） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2462013YJRC030） supported by the Science Foundation of China University of Petroleum， Beijing）

趙彥琳，博士，副教授，從事多相流測量及應用研究；E-mail： ylzhao@cup.edu.cn