瓶级聚酯切片静电起电特性试验研究*

李亮亮，陆爱军，兰 琦，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.中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏 仪征 211900)

0 引言

瓶级聚酯切片是饮料瓶及食品包装盒的主要原材料，其在生产过程中需采用固相缩聚工艺(SSP)处理，将低黏度、未结晶切片粒子经过160～230 ℃热处理后，获得黏度在0.75～0.85 dL/g范围内瓶级PET颗粒产品，并脱除产品中乙醛、水分、细粉及粘连切片等杂质[1-5]。但PET在工业化生产过程中，切片粒子因摩擦碰撞等产生的粉尘易形成粉皮，并影响PET后续加工质量。因此，降低PET中细粉含量是生产企业及下游用户企业对高质量PET产品的迫切需求[6-10]。

PET产品在包装前，一般将粒料产品通过振动筛去除粘连结块或其它不合格料，同时通过气体吹扫降低产品中的细小粉尘含量[6，10]。由于PET经高温固相缩聚处理后，低含水率的PET在管道风送、振动筛筛选过程中PET颗粒与管壁、筛网等摩擦碰撞带电[6，11]；带电颗粒间静电力超过气流对细粉颗粒的曳力时会影响切片除尘效果[7，12]。目前，国内外对瓶级PET静电带电及其影响因素研究较少，静电对切片产品质量危害认识不清，导致企业对PET生产工艺优化主要集中在固相缩聚反应动力学及反应温度、气体流量等控制参数方面[13-16]。抑制静电对细小粉尘吸附作用，提高瓶级PET粉尘脱除效率以提升PET产品品质方面的研究匮乏。为探讨提高切片品质方法，本文以瓶级PET粒料产品为研究对象，试验模拟分析PET颗粒在振动筛筛分过程中颗粒带电量及其影响因素，以期为PET生产企业加强切片静电防控管理、优化生产工艺、提高产品质量提供指导依据。

1 静电对切片除尘工艺影响分析

切片颗粒长距离管道输送时切片摩擦破碎以及切片在沸腾床内强烈涌动，均会导致切片内含有粉尘。工业上采用压缩空气将切片中的小粒径粉尘吹出，如图1所示，实现切片大颗粒与小粉尘颗粒分离[10]；含尘气流经过除尘器的过滤，完成对切片中细粉尘的脱除。但在实际生产过程中，PET产品流动、碰撞产生静电，受静电力影响，小颗粒粉尘因静电作用会被吸附在PET大颗粒产品表面，导致传统除尘系统难以将PET产品中粉尘质量分数降低到(15～20) mg/kg以下。因此，PET颗粒带电对低粉尘含量的高品质PET生产有负面影响[3,7]。

图1 颗粒表面粉尘吸附及脱除原理示意Fig.1 Schematic diagram for principle of dust adsorption and removal on particle surface

2 PET筛分带电模拟试验

2.1 试验设备

图2是瓶级PET样品照片，其堆积密度约872～900 kg/m3。静电衰减测试仪(JCI 155v6)测试PET样品静电衰减时间常数(初始充电电压为-9 kV)；德国莱驰AS200型筛分仪模拟切片颗粒在分析筛中振荡摩擦带电过程，其中筛分仪分析筛直径为200 mm、孔径1 mm；JCI 150型法拉第杯和吉时利6514静电计用于测试颗粒带电量；赛多利斯CPA26P型电子天平用于测量单颗粒样品质量。

图2 切片颗粒样品照片Fig.2 Photos of chip particle samples

2.2 PET单颗粒模拟带电测试方法

为测试切片颗粒振动时间对切片颗粒带电特性的影响，在切片样品(如图2)中随机挑选多个颗粒并放置在待测环境湿度下6 h后称重，质量分别为m1和m2。固定图3所示筛分仪振幅为1.00 mm/“g”和单次振动时间为1 min等设置参数，将单个颗粒放入分析筛；开启筛分仪，待样品振动1 min后直接用绝缘镊子将颗粒转移到法拉第杯中，并通过静电计直接读出颗粒带电量q11；然后利用绝缘镊子迅速将法拉第杯中颗粒放在分析筛中，再次开启筛分仪，样品振动1 min后测试单颗粒振动带电量q12；重复上述试验步骤测量电荷量q1t(t表示测试次数或共计振动总时间)。根据上述测量步骤，分别测试第2个颗粒带电量q2j(j表示测试次数)。利用恒温恒湿实验室调整测试环境湿度，选取颗粒重复上述试验，测试不同湿度条件下颗粒带电量。

图3 颗粒振动带电测试设备Fig.3 Test equipment of particle vibration charging

2.3 PET多颗粒模拟带电测试方法

固定筛分仪振幅为1 mm/“g”和单次振动时间为3 min等设置参数，测试切片颗粒量和环境湿度条件对切片颗粒带电特性的影响。测试方案包括：

方案一：1)固定环境温湿度条件，选取固定质量的PET样品放置6 h；2)称取固定总质量M1的切片样品，放入分析筛中；3)振动样品1 min后，将部分颗粒倒入法拉第杯中，测量电荷量Q1后取出，标记并待称重m1；4)忽略PET颗粒电荷在短时间内静电荷衰减，重复步骤3)并连续测量3次，记录电荷量分别为Q2～Q4；5)测量样品质量m1～m4，计算颗粒带电荷质比，并将测试完样品重新放入分析筛；6)重复步骤3)～5)，连续测量9次，测试固定质量条件下PET样品振动共计10 min内颗粒带电量。

方案二：1)利用恒温恒湿实验室，调整不同环境湿度条件，称取固定质量M1的切片样品静置6 h后放入分析筛中；2)在样品振动3 min后，将部分颗粒倒入法拉第杯中，测量电荷量Q1后取出，标记并待称重m1；3)忽略PET颗粒电荷在短时间内静电荷衰减，重复步骤2)连续测量3次，记录Q2～Q4；4)测量样品质量m1～m4，并计算颗粒带电荷质比平均值。

3 结果与分析

3.1 PET静电衰减特性

材料摩擦带电是静电荷产生和耗散的动态过程，材料带电后静电荷耗散速率越慢，材料越容易积聚静电荷。静电衰减时间是表征静电荷衰减速率的重要参数，在相对湿度为20%的条件下，测试PET颗粒静电量衰减到50%时间(半衰期)超过80 ks，表明PET颗粒携带静电荷难消散。

3.2 PET单颗粒振动静电特性

单颗粒PET在分析筛内因颗粒-筛网间碰撞带电。图4是不同PET单颗粒带电量与环境湿度、振动总时间变化关系，可以看出所有颗粒均带负电荷。在分析筛内，绝缘PET单颗粒与金属材质分析筛界面间多次发生接触-分离过程，PET与金属筛之间因电荷转移将达到平衡，PET颗粒带电量趋于饱和。在图4中，颗粒1和颗粒2测试环境相对湿度约20.5%，相对干燥的环境中，PET振动时间超过2 min后，带电量几乎不随振动时间增加而增大。在测试环境相对湿度为(43.5～45.2)%时，对颗粒3振动带电量随振动总时间的变化关系进行重复测量，如第1次测量后，利用离子风扇对颗粒3消电15 min，以确保颗粒3初始带电量为零后方开始第2次测量。颗粒3带电量测试结果表明同一颗粒在相同测试湿度条件下，颗粒带电量几乎相同。进一步提高环境相对湿度到70.2%～70.8%，单颗粒3带电量随环境湿度增大明显降低。

图4 瓶级PET单颗粒带电随振动总时长变化Fig.4 Charging of bottle-grade PET single particle varies with total vibration time

单位质量物料所携带电荷量称为荷质比，图5是不同PET颗粒带电荷质比测试数据，可以看出单颗粒在分析筛内振荡时，颗粒与金属筛网之间的碰撞摩擦可导致单颗粒带电荷质比大小超过16 nC·g-1。

图5 瓶级PET单颗粒振动带电荷质比Fig.5 Charge-to-mass ratio of bottle-grade PET single particle vibration charging

3.3 PET多颗粒振动静电特性

多颗粒PET在分析筛内因振动导致颗粒-颗粒、颗粒-筛网间碰撞摩擦带电。在分析筛内固定PET总质量，则筛网内PET总颗粒数固定。图6是固定PET总质量下颗粒同时振动带电荷质比随振动总时间的变化关系。一般认为同组分颗粒间因颗粒粒径差异，在颗粒-颗粒接触期间(摩擦)发生应变不对称性，驱动同组分不同颗粒在接触-分离间发生电荷转移，并导致同组分颗粒间摩擦带电[17-18]。随振动颗粒总质量增加，同时参与振动的总粒子数量增加，颗粒-颗粒间碰撞几率增加，颗粒-筛网碰撞几率降低。但根据图6测试结果可以看出，在环境湿度相对稳定的情况下，颗粒荷质比大小随振动颗粒总质量增加而减小，这可能源于颗粒在分析筛内振动摩擦带电主要源于颗粒-金属筛网间发生电荷转移。随着颗粒与分析筛金属网碰撞几率降低，导致颗粒带电荷质比大小明显减小。

图6 固定总质量条件下PET颗粒荷质比随振动总时长变化Fig.6 Changing of charge-to-mass ratio of PET particles with total vibration time under fixed total mass

图7是不同空气湿度条件下PET颗粒在筛网内振动3 min后的荷质比值。在环境相对湿度为(20.1～20.8)%、PET样品总质量为2.0 g时其颗粒带电荷质比约-15.88 nC·g-1；在环境相对湿度约70.5%、PET样品总质量为2.0 g时颗粒带电量约-5.54 nC·g-1。一般认为随着空气湿度的增加，颗粒表面因吸附空气中水分子而形成电荷消散通路，提高颗粒静电荷消散速率，导致颗粒饱和带电量降低[19]。

图7 不同空气湿度条件下PET颗粒振动带电荷质比Fig.7 Charge-to-mass ratios of PET particles vibration charging under different air humidity conditions

4 结论

1)瓶级PET切片静电衰减时间(半衰期)超过80 ks，PET颗粒自身携带的静电荷消散慢。

2)PET单颗粒在分析筛内因颗粒-筛网碰撞带电，导致单颗粒带电荷质比带电超过-16 nC·g-1；随振动颗粒数增加，颗粒-颗粒间碰撞几率增加，但颗粒带电荷质比大小迅速降低。

3)为控制PET颗粒在筛分过程中颗粒带电量，在不影响筛分作业的情况下，可提高进入工业振动筛内颗粒数量或质量，降低颗粒-金属筛网之间的碰撞摩擦带电。

4)除增加单位时间内PET筛分处理量外，可采用离子风静电消除器消除PET颗粒静电带电量，抑制PET颗粒静电对粉尘的吸附作用，提高PET生产过程中的粉尘脱除效率。