瓶級聚酯切片靜電起電特性試驗研究*

李亮亮，陸愛軍，蘭 琦，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.中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

0 引言

瓶級聚酯切片是飲料瓶及食品包裝盒的主要原材料，其在生產過程中需采用固相縮聚工藝(SSP)處理，將低黏度、未結晶切片粒子經過160～230 ℃熱處理后，獲得黏度在0.75～0.85 dL/g范圍內瓶級PET顆粒產品，并脫除產品中乙醛、水分、細粉及粘連切片等雜質[1-5]。但PET在工業化生產過程中，切片粒子因摩擦碰撞等產生的粉塵易形成粉皮，并影響PET后續加工質量。因此，降低PET中細粉含量是生產企業及下游用戶企業對高質量PET產品的迫切需求[6-10]。

PET產品在包裝前，一般將粒料產品通過振動篩去除粘連結塊或其它不合格料，同時通過氣體吹掃降低產品中的細小粉塵含量[6，10]。由于PET經高溫固相縮聚處理后，低含水率的PET在管道風送、振動篩篩選過程中PET顆粒與管壁、篩網等摩擦碰撞帶電[6，11]；帶電顆粒間靜電力超過氣流對細粉顆粒的曳力時會影響切片除塵效果[7，12]。目前，國內外對瓶級PET靜電帶電及其影響因素研究較少，靜電對切片產品質量危害認識不清，導致企業對PET生產工藝優化主要集中在固相縮聚反應動力學及反應溫度、氣體流量等控制參數方面[13-16]。抑制靜電對細小粉塵吸附作用，提高瓶級PET粉塵脫除效率以提升PET產品品質方面的研究匱乏。為探討提高切片品質方法，本文以瓶級PET粒料產品為研究對象，試驗模擬分析PET顆粒在振動篩篩分過程中顆粒帶電量及其影響因素，以期為PET生產企業加強切片靜電防控管理、優化生產工藝、提高產品質量提供指導依據。

1 靜電對切片除塵工藝影響分析

切片顆粒長距離管道輸送時切片摩擦破碎以及切片在沸騰床內強烈涌動，均會導致切片內含有粉塵。工業上采用壓縮空氣將切片中的小粒徑粉塵吹出，如圖1所示，實現切片大顆粒與小粉塵顆粒分離[10]；含塵氣流經過除塵器的過濾，完成對切片中細粉塵的脫除。但在實際生產過程中，PET產品流動、碰撞產生靜電，受靜電力影響，小顆粒粉塵因靜電作用會被吸附在PET大顆粒產品表面，導致傳統除塵系統難以將PET產品中粉塵質量分數降低到(15～20) mg/kg以下。因此，PET顆粒帶電對低粉塵含量的高品質PET生產有負面影響[3,7]。

圖1 顆粒表面粉塵吸附及脫除原理示意Fig.1 Schematic diagram for principle of dust adsorption and removal on particle surface

2 PET篩分帶電模擬試驗

2.1 試驗設備

圖2是瓶級PET樣品照片，其堆積密度約872～900 kg/m3。靜電衰減測試儀(JCI 155v6)測試PET樣品靜電衰減時間常數(初始充電電壓為-9 kV)；德國萊馳AS200型篩分儀模擬切片顆粒在分析篩中振蕩摩擦帶電過程，其中篩分儀分析篩直徑為200 mm、孔徑1 mm；JCI 150型法拉第杯和吉時利6514靜電計用于測試顆粒帶電量；賽多利斯CPA26P型電子天平用于測量單顆粒樣品質量。

圖2 切片顆粒樣品照片Fig.2 Photos of chip particle samples

2.2 PET單顆粒模擬帶電測試方法

為測試切片顆粒振動時間對切片顆粒帶電特性的影響，在切片樣品(如圖2)中隨機挑選多個顆粒并放置在待測環境濕度下6 h后稱重，質量分別為m1和m2。固定圖3所示篩分儀振幅為1.00 mm/“g”和單次振動時間為1 min等設置參數，將單個顆粒放入分析篩；開啟篩分儀，待樣品振動1 min后直接用絕緣鑷子將顆粒轉移到法拉第杯中，并通過靜電計直接讀出顆粒帶電量q11；然后利用絕緣鑷子迅速將法拉第杯中顆粒放在分析篩中，再次開啟篩分儀，樣品振動1 min后測試單顆粒振動帶電量q12；重復上述試驗步驟測量電荷量q1t(t表示測試次數或共計振動總時間)。根據上述測量步驟，分別測試第2個顆粒帶電量q2j(j表示測試次數)。利用恒溫恒濕實驗室調整測試環境濕度，選取顆粒重復上述試驗，測試不同濕度條件下顆粒帶電量。

圖3 顆粒振動帶電測試設備Fig.3 Test equipment of particle vibration charging

2.3 PET多顆粒模擬帶電測試方法

固定篩分儀振幅為1 mm/“g”和單次振動時間為3 min等設置參數，測試切片顆粒量和環境濕度條件對切片顆粒帶電特性的影響。測試方案包括：

方案一：1)固定環境溫濕度條件，選取固定質量的PET樣品放置6 h；2)稱取固定總質量M1的切片樣品，放入分析篩中；3)振動樣品1 min后，將部分顆粒倒入法拉第杯中，測量電荷量Q1后取出，標記并待稱重m1；4)忽略PET顆粒電荷在短時間內靜電荷衰減，重復步驟3)并連續測量3次，記錄電荷量分別為Q2～Q4；5)測量樣品質量m1～m4，計算顆粒帶電荷質比，并將測試完樣品重新放入分析篩；6)重復步驟3)～5)，連續測量9次，測試固定質量條件下PET樣品振動共計10 min內顆粒帶電量。

方案二：1)利用恒溫恒濕實驗室，調整不同環境濕度條件，稱取固定質量M1的切片樣品靜置6 h后放入分析篩中；2)在樣品振動3 min后，將部分顆粒倒入法拉第杯中，測量電荷量Q1后取出，標記并待稱重m1；3)忽略PET顆粒電荷在短時間內靜電荷衰減，重復步驟2)連續測量3次，記錄Q2～Q4；4)測量樣品質量m1～m4，并計算顆粒帶電荷質比平均值。

3 結果與分析

3.1 PET靜電衰減特性

材料摩擦帶電是靜電荷產生和耗散的動態過程，材料帶電后靜電荷耗散速率越慢，材料越容易積聚靜電荷。靜電衰減時間是表征靜電荷衰減速率的重要參數，在相對濕度為20%的條件下，測試PET顆粒靜電量衰減到50%時間(半衰期)超過80 ks，表明PET顆粒攜帶靜電荷難消散。

3.2 PET單顆粒振動靜電特性

單顆粒PET在分析篩內因顆粒-篩網間碰撞帶電。圖4是不同PET單顆粒帶電量與環境濕度、振動總時間變化關系，可以看出所有顆粒均帶負電荷。在分析篩內，絕緣PET單顆粒與金屬材質分析篩界面間多次發生接觸-分離過程，PET與金屬篩之間因電荷轉移將達到平衡，PET顆粒帶電量趨于飽和。在圖4中，顆粒1和顆粒2測試環境相對濕度約20.5%，相對干燥的環境中，PET振動時間超過2 min后，帶電量幾乎不隨振動時間增加而增大。在測試環境相對濕度為(43.5～45.2)%時，對顆粒3振動帶電量隨振動總時間的變化關系進行重復測量，如第1次測量后，利用離子風扇對顆粒3消電15 min，以確保顆粒3初始帶電量為零后方開始第2次測量。顆粒3帶電量測試結果表明同一顆粒在相同測試濕度條件下，顆粒帶電量幾乎相同。進一步提高環境相對濕度到70.2%～70.8%，單顆粒3帶電量隨環境濕度增大明顯降低。

圖4 瓶級PET單顆粒帶電隨振動總時長變化Fig.4 Charging of bottle-grade PET single particle varies with total vibration time

單位質量物料所攜帶電荷量稱為荷質比，圖5是不同PET顆粒帶電荷質比測試數據，可以看出單顆粒在分析篩內振蕩時，顆粒與金屬篩網之間的碰撞摩擦可導致單顆粒帶電荷質比大小超過16 nC·g-1。

圖5 瓶級PET單顆粒振動帶電荷質比Fig.5 Charge-to-mass ratio of bottle-grade PET single particle vibration charging

3.3 PET多顆粒振動靜電特性

多顆粒PET在分析篩內因振動導致顆粒-顆粒、顆粒-篩網間碰撞摩擦帶電。在分析篩內固定PET總質量，則篩網內PET總顆粒數固定。圖6是固定PET總質量下顆粒同時振動帶電荷質比隨振動總時間的變化關系。一般認為同組分顆粒間因顆粒粒徑差異，在顆粒-顆粒接觸期間(摩擦)發生應變不對稱性，驅動同組分不同顆粒在接觸-分離間發生電荷轉移，并導致同組分顆粒間摩擦帶電[17-18]。隨振動顆粒總質量增加，同時參與振動的總粒子數量增加，顆粒-顆粒間碰撞幾率增加，顆粒-篩網碰撞幾率降低。但根據圖6測試結果可以看出，在環境濕度相對穩定的情況下，顆粒荷質比大小隨振動顆粒總質量增加而減小，這可能源于顆粒在分析篩內振動摩擦帶電主要源于顆粒-金屬篩網間發生電荷轉移。隨著顆粒與分析篩金屬網碰撞幾率降低，導致顆粒帶電荷質比大小明顯減小。

圖6 固定總質量條件下PET顆粒荷質比隨振動總時長變化Fig.6 Changing of charge-to-mass ratio of PET particles with total vibration time under fixed total mass

圖7是不同空氣濕度條件下PET顆粒在篩網內振動3 min后的荷質比值。在環境相對濕度為(20.1～20.8)%、PET樣品總質量為2.0 g時其顆粒帶電荷質比約-15.88 nC·g-1；在環境相對濕度約70.5%、PET樣品總質量為2.0 g時顆粒帶電量約-5.54 nC·g-1。一般認為隨著空氣濕度的增加，顆粒表面因吸附空氣中水分子而形成電荷消散通路，提高顆粒靜電荷消散速率，導致顆粒飽和帶電量降低[19]。

圖7 不同空氣濕度條件下PET顆粒振動帶電荷質比Fig.7 Charge-to-mass ratios of PET particles vibration charging under different air humidity conditions

4 結論

1)瓶級PET切片靜電衰減時間(半衰期)超過80 ks，PET顆粒自身攜帶的靜電荷消散慢。

2)PET單顆粒在分析篩內因顆粒-篩網碰撞帶電，導致單顆粒帶電荷質比帶電超過-16 nC·g-1；隨振動顆粒數增加，顆粒-顆粒間碰撞幾率增加，但顆粒帶電荷質比大小迅速降低。

3)為控制PET顆粒在篩分過程中顆粒帶電量，在不影響篩分作業的情況下，可提高進入工業振動篩內顆粒數量或質量，降低顆粒-金屬篩網之間的碰撞摩擦帶電。

4)除增加單位時間內PET篩分處理量外，可采用離子風靜電消除器消除PET顆粒靜電帶電量，抑制PET顆粒靜電對粉塵的吸附作用，提高PET生產過程中的粉塵脫除效率。