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(zé)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(chǎn)過程中需采用固相縮聚工藝(SSP)處理，將低黏度、未結(jié)晶切片粒子經(jīng)過160～230 ℃熱處理后，獲得黏度在0.75～0.85 dL/g范圍內(nèi)瓶級PET顆粒產(chǎn)品，并脫除產(chǎn)品中乙醛、水分、細(xì)粉及粘連切片等雜質(zhì)[1-5]。但PET在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，切片粒子因摩擦碰撞等產(chǎn)生的粉塵易形成粉皮，并影響PET后續(xù)加工質(zhì)量。因此，降低PET中細(xì)粉含量是生產(chǎn)企業(yè)及下游用戶企業(yè)對高質(zhì)量PET產(chǎn)品的迫切需求[6-10]。

PET產(chǎn)品在包裝前，一般將粒料產(chǎn)品通過振動篩去除粘連結(jié)塊或其它不合格料，同時通過氣體吹掃降低產(chǎn)品中的細(xì)小粉塵含量[6，10]。由于PET經(jīng)高溫固相縮聚處理后，低含水率的PET在管道風(fēng)送、振動篩篩選過程中PET顆粒與管壁、篩網(wǎng)等摩擦碰撞帶電[6，11]；帶電顆粒間靜電力超過氣流對細(xì)粉顆粒的曳力時會影響切片除塵效果[7，12]。目前，國內(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量危害認(rèn)識不清，導(dǎo)致企業(yè)對PET生產(chǎn)工藝優(yōu)化主要集中在固相縮聚反應(yīng)動力學(xué)及反應(yīng)溫度、氣體流量等控制參數(shù)方面[13-16]。抑制靜電對細(xì)小粉塵吸附作用，提高瓶級PET粉塵脫除效率以提升PET產(chǎn)品品質(zhì)方面的研究匱乏。為探討提高切片品質(zhì)方法，本文以瓶級PET粒料產(chǎn)品為研究對象，試驗?zāi)M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(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)切片靜電防控管理、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供指導(dǎo)依據(jù)。

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(nèi)強(qiáng)烈涌動，均會導(dǎo)致切片內(nèi)含有粉塵。工業(yè)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(xiàn)切片大顆粒與小粉塵顆粒分離[10]；含塵氣流經(jīng)過除塵器的過濾，完成對切片中細(xì)粉塵的脫除。但在實際生產(chǎn)過程中，PET產(chǎn)品流動、碰撞產(chǎn)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(chǎn)品表面，導(dǎo)致傳統(tǒng)除塵系統(tǒng)難以將PET產(chǎn)品中粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)PET生產(chǎn)有負(fù)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(shè)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(shù)(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(zhì)量。

圖2 切片顆粒樣品照片F(xiàn)ig.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(jī)挑選多個顆粒并放置在待測環(huán)境濕度下6 h后稱重，質(zhì)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(shè)置參數(shù)，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(zhuǎn)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(fù)上述試驗步驟測量電荷量q1t(t表示測試次數(shù)或共計振動總時間)。根據(jù)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(shù))。利用恒溫恒濕實驗室調(diào)整測試環(huán)境濕度，選取顆粒重復(fù)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(shè)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(shè)置參數(shù)，測試切片顆粒量和環(huán)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(huán)境溫濕度條件，選取固定質(zhì)量的PET樣品放置6 h；2)稱取固定總質(zhì)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(biāo)記并待稱重m1；4)忽略PET顆粒電荷在短時間內(nèi)靜電荷衰減，重復(fù)步驟3)并連續(xù)測量3次，記錄電荷量分別為Q2～Q4；5)測量樣品質(zhì)量m1～m4，計算顆粒帶電荷質(zhì)比，并將測試完樣品重新放入分析篩；6)重復(fù)步驟3)～5)，連續(xù)測量9次，測試固定質(zhì)量條件下PET樣品振動共計10 min內(nèi)顆粒帶電量。

方案二：1)利用恒溫恒濕實驗室，調(diào)整不同環(huán)境濕度條件，稱取固定質(zhì)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(biāo)記并待稱重m1；3)忽略PET顆粒電荷在短時間內(nèi)靜電荷衰減，重復(fù)步驟2)連續(xù)測量3次，記錄Q2～Q4；4)測量樣品質(zhì)量m1～m4，并計算顆粒帶電荷質(zhì)比平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 PET靜電衰減特性

材料摩擦帶電是靜電荷產(chǎn)生和耗散的動態(tài)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(shù)，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(nèi)因顆粒-篩網(wǎng)間碰撞帶電。圖4是不同PET單顆粒帶電量與環(huán)境濕度、振動總時間變化關(guān)系，可以看出所有顆粒均帶負(fù)電荷。在分析篩內(nèi)，絕緣PET單顆粒與金屬材質(zhì)分析篩界面間多次發(fā)生接觸-分離過程，PET與金屬篩之間因電荷轉(zhuǎn)移將達(dá)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(huán)境相對濕度約20.5%，相對干燥的環(huán)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(huán)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(guān)系進(jìn)行重復(fù)測量，如第1次測量后，利用離子風(fēng)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(jié)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(jìn)一步提高環(huán)境相對濕度到70.2%～70.8%，單顆粒3帶電量隨環(huán)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(zhì)量物料所攜帶電荷量稱為荷質(zhì)比，圖5是不同PET顆粒帶電荷質(zhì)比測試數(shù)據(jù)，可以看出單顆粒在分析篩內(nèi)振蕩時，顆粒與金屬篩網(wǎng)之間的碰撞摩擦可導(dǎo)致單顆粒帶電荷質(zhì)比大小超過16 nC·g-1。

圖5 瓶級PET單顆粒振動帶電荷質(zhì)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(nèi)因振動導(dǎo)致顆粒-顆粒、顆粒-篩網(wǎng)間碰撞摩擦帶電。在分析篩內(nèi)固定PET總質(zhì)量，則篩網(wǎng)內(nèi)PET總顆粒數(shù)固定。圖6是固定PET總質(zhì)量下顆粒同時振動帶電荷質(zhì)比隨振動總時間的變化關(guān)系。一般認(rèn)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(fā)生應(yīng)變不對稱性，驅(qū)動同組分不同顆粒在接觸-分離間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，并導(dǎo)致同組分顆粒間摩擦帶電[17-18]。隨振動顆?？傎|(zhì)量增加，同時參與振動的總粒子數(shù)量增加，顆粒-顆粒間碰撞幾率增加，顆粒-篩網(wǎng)碰撞幾率降低。但根據(jù)圖6測試結(jié)果可以看出，在環(huán)境濕度相對穩(wěn)定的情況下，顆粒荷質(zhì)比大小隨振動顆?？傎|(zhì)量增加而減小，這可能源于顆粒在分析篩內(nèi)振動摩擦帶電主要源于顆粒-金屬篩網(wǎng)間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。隨著顆粒與分析篩金屬網(wǎng)碰撞幾率降低，導(dǎo)致顆粒帶電荷質(zhì)比大小明顯減小。

圖6 固定總質(zhì)量條件下PET顆粒荷質(zhì)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(wǎng)內(nèi)振動3 min后的荷質(zhì)比值。在環(huán)境相對濕度為(20.1～20.8)%、PET樣品總質(zhì)量為2.0 g時其顆粒帶電荷質(zhì)比約-15.88 nC·g-1；在環(huán)境相對濕度約70.5%、PET樣品總質(zhì)量為2.0 g時顆粒帶電量約-5.54 nC·g-1。一般認(rèn)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(dǎo)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(zhì)比Fig.7 Charge-to-mass ratios of PET particles vibration charging under different air humidity conditions

4 結(jié)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(nèi)因顆粒-篩網(wǎng)碰撞帶電，導(dǎo)致單顆粒帶電荷質(zhì)比帶電超過-16 nC·g-1；隨振動顆粒數(shù)增加，顆粒-顆粒間碰撞幾率增加，但顆粒帶電荷質(zhì)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(yè)的情況下，可提高進(jìn)入工業(yè)振動篩內(nèi)顆粒數(shù)量或質(zhì)量，降低顆粒-金屬篩網(wǎng)之間的碰撞摩擦帶電。

4)除增加單位時間內(nèi)PET篩分處理量外，可采用離子風(fēng)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(chǎn)過程中的粉塵脫除效率。