DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.046

颗粒速度和形体因素影响静电发生机理

姚军^{1, 2}，黄勇¹，吴洁洁¹，赵彦琳²，李宁¹

 (1. 厦门大学 能源学院，福建 厦门，361005；

2. 中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京，102249)

摘要：采用直接测量的方法获得单个颗粒沿倾斜金属板滑行后产生的静电，实验选用颗粒材料为PVC，颗粒平均粒度为2.0~5.0 mm，分别以三角形面和梯形面作为颗粒滑行的摩擦面。研究结果表明：随着颗粒滑行速度减小，产生静电量增大；颗粒的接触面积增大，产生的静电量增大；滑行次数达到一定时，颗粒产生的静电量达到饱和。综合分析，可获得颗粒粒度、形状因素、颗粒滑行速度和形体因素影响静电产生的作用机理。

关键词：颗粒；静电；速度；形体

中图分类号：TK121          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1799-06

Investigation of granule sliding velocity and granule shape effect on electrostatics

YAO Jun^{1, 2}, HUANG Yong¹, WU Jiejie¹, ZHAO Yanlin², LI Ning¹

 (1. College of Energy, Xiamen University, Xiamen 361005, China;

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

Abstract: 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.

Key words: particle; electrostatics; velocity; shape

在工业过程中，颗粒与壁面摩擦产生静电，这种现象称作“摩擦起电”或“接触带点”。静电现象给安全生产带来许多问题，如引起颗粒结团、堵塞、火星和爆炸等危害^[1]；在气固流态化过程中，静电导致颗粒团聚、黏壁、形成死区和沟流，直接改变流化床内的流体行为^[2]。固体颗粒广泛应用于化学化工、能源、食品、制药、采矿等行业。在化学工业，颗粒运输、气固流化床等过程中易产生静电；在制药工业，颗粒非常易于与壁面或其他颗粒发生碰撞或者摩擦，从而产生大量静电；在其他工业过程中，颗粒与壁面、颗粒与颗粒的碰撞和摩擦也会产生静电，并带来一定程度的危害^[3]。关于颗粒产生静电的现象，已有大量研究。HOGUE等^[4]采用颗粒在钢板上滑行至法拉第杯中的方法，测得不同材质、滑行角度均会影响静电产生，并利用DEM模拟方法与实验比对良好。MATSUSAKA等^[5-6]研究了气送管道内颗粒与壁面碰撞产生静电的情况，发现颗粒质量流率和荷质比对静电量起主要作用。同时，颗粒材料及尺寸均会对静电的产生有影响。影响颗粒产生静电的因素还有很多，如接触面积、长宽比、滑行速度和粗糙度等内在因素^[7-9]，还有环境湿度、温度等外在因素^[10-11]。工业生产中，传输工作的颗粒并不是统一形体，所以本研究提出颗粒滑行速度及形体因素影响静电发生机理的研究不仅具有科研创新性还具有很大的工业实用价值。尽管有大量研究对颗粒产生静电的机理进行探讨，但针对颗粒滑行速度及其形体因素影响颗粒产生静电的研究还尚未发现。然而，静电的产生机理十分复杂，如颗粒滑行速度及其形体因素影响静电发生的机理尚不清楚。本文作者将从单颗粒实验基础上获得静电产生基本原理，能够更直接更具体地明确静电产生的机理和影响因素，进而为评估复杂颗粒系统中静电产生提供依据。

1  实验

1.1  实验方法

本工作对单颗颗粒产生的静电进行了研究，每次实验均为单颗颗粒的一次滑动。实验采用的测量方法为将颗粒静置于一倾斜放置的(54°)不锈钢板上，自由滑行一段恒定的距离，最后落入放置在钢板尾端的法拉第杯。法拉第杯连接静电计，静电计连接计算机。颗粒表面摩擦产生静电，当颗粒从钢板滑下落入法拉第杯中时，所带静电量将直接可以从静电计测得，并在计算机软件中记录。

实验选择的颗粒为不规则颗粒，因此，在滑行时应选择最稳定的面作为实验面，即摩擦面，避免在下滑过程中产生翻滚现象^[8]。实验前，对每颗粒的质量(精度0.1 mg)和摩擦面的尺寸(精度0.1 mm)进行标定，并计算得到摩擦面的面积和各个角度。实验前，颗粒需放电24 h，以保证初始电量均为0^[8]。颗粒按顺序放置在有网格的钢板上，且每个网格有数字标号，来标记每颗颗粒。

本文作者进行2种实验，即独立性实验和重复性实验。独立性实验是指一次实验每颗颗粒只滑行一次；重复性实验是指一次实验每颗颗粒滑行多次，直至静电饱和。进行实验时，首先用镊子夹起颗粒(非实验摩擦面)，放在钢板顶端，然后松开镊子，颗粒在重力作用下沿着钢板滑落入法拉第杯，通过静电计测得的电荷每隔50 ms自动记录保存在电脑上。若进行重复性试验，则随后从法拉第杯中取出颗粒重复滑行动作，直至电量饱和。

1.2  颗粒

聚氯乙烯PVC材料是化工、建筑、食品工业等领域中常见的工业原料，应用非常广泛，主要用于制造管材、模具、日常生活用品等。因此，本研究选用的颗粒为PVC材质，以便更好地模拟工业过程中产生静电的现象，有更大的应用价值。实际工业气送装置等设备中，颗粒与壁面、颗粒与颗粒之间发生碰撞、摩擦、挤压等现象，致使颗粒破碎变为非规则颗粒。为了更贴近实际情况，本研究选用2种不规则颗粒：三角形颗粒和梯形颗粒。

图1所示为颗粒实物图与形状示意图。图1(a)和(b)所示为三角形颗粒，图中阴影面为摩擦面，形状为三角形；图1(c)和(d)所示为梯形颗粒，图1(d)中阴影面即摩擦面为梯形。图1(a)和(c)所示分别为三角形和梯形颗粒实物图。所用三角形颗粒摩擦面边长在2.5~5.0 mm之间，面积为3.7~7.0 mm²；梯形颗粒摩擦面边长在2.0~4.8 mm之间，面积为4.0~8.0 mm²。

图1  颗粒形状

Fig. 1  Granular shape

1.3  定义

图2所示为三角形颗粒前冲角。在三角形颗粒下滑时，接触面上某个角α保持在最下端(图2(a))，定义此角为三角形前冲角。图2(b)所示为颗粒下滑时的正视图，图中阴影三角形为颗粒与钢板接触面，α为前冲角，滑行时保持在最前端，也是最下端。

图2  三角形颗粒前冲角

Fig. 2  Triangle granule front-facing angle

图3所示为摩擦面的正面图。三角形颗粒长宽比R_LW定义为：R_LW=L/W，且L＞W。图3(a)所示为三角形颗粒的摩擦面，L为最长边a上的高，W为中位线宽度。梯形颗粒长宽比定义为：R_LW =W/L，且W＞L。图3(b)所示为梯形颗粒的摩擦面，W为梯形中位线宽度，L为梯形的高。

图3  长宽比定义

Fig. 3  Definition of length-ratio

在本次实验中影响颗粒摩擦带电量的因素有很多，如质量、接触面积、前冲角、长宽比和环境湿度等，为了定量研究某一变量对静电产生的影响，定义

                 (1)

式中：q_m为荷质比；q为电量；m为质量。

               (2)

式中：为颗粒荷质比与长宽比之比。

               (3)

式中：为荷质比密度；S为面积。

             (4)

式中：为颗粒荷质比密度与长宽比之比。

2  结果与讨论

2.1  电子转移

颗粒与壁面互相接触或摩擦而产生静电，这种现象称作“接触带点”或“摩擦起电”。在摩擦起电时，2种不同的物质，经过接触、摩擦、分开，这三道程序后，会从原本中性，变为带电体；其中一种物质会带有正电，另外一种物质会带有同样大小的负电。电荷的正负极性和电量，依照材质、表面粗糙、温度、应变等等，各种性质或参数而变化。一般而言，绝缘体，不导电的物体，是起电(产生静电)和保留电荷的优良材料，例如PVC。

PVC颗粒在钢板表面滑行后带负电，钢板带正电。高聚物分子晶体晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有1个未配对的电子，即有1个未饱和的键，这个键称为悬挂键。悬挂键不稳定，易接受第2个电子成为负电中心，因此，在实验过程中PVC颗粒易得电子带负电。实验过程中(图2(a))，第1步，将中性颗粒静置于中性钢板上；在下滑过程中，电子在颗粒摩擦面聚集，与钢板形成双层充电   层^[12-13]，即第2步；随着滑行距离的增加，电子的集聚增加，即第3步。当颗粒滑离钢板后，由于钢板是导体且接地，瞬时恢复到中性，进行下一次实验。

2.2  滑行速度

图4所示为颗粒速度与静电关系。颗粒在一段恒定的距离滑动，滑动速度对其静电的产生有明显影响。由图4(a)可见：三角形颗粒产生静电量随滑速度的增加呈指数形式下降，梯形颗粒也呈现相同的趋势。类似的发现可以在HOGUE等^[4]的研究中找到，颗粒滑行相同的距离，所用时间长，即速度小的颗粒所产生的静电量大。这可能与颗粒与钢板接触时间相关，接触时间越长，越有利于电荷的集聚，则静电量随之增加。图4(b)所示为A~F 6颗三角形颗粒在相同实验条件下，所得静电量与速度的关系。图中为6颗颗粒在0.2 s时在钢板上滑行时由高速摄像仪(日本OLYMPUS，i-speed LT)拍摄。A~F 6颗颗粒在同一时间内滑行距离依次增加，即滑行速度依次增加，对应于图4(b)中静电量随之下降。

2.3  形体因素

图5所示为颗粒形体因素影响静电产生。颗粒的形体因素有很多，例如三角形前冲角角度、长宽比^[7]、摩擦面积^[11]等，这些形体因素均会对颗粒静电的产生

有明显影响。由图5(a)可见：随着前冲角角度增加，静电量逐渐减弱。前冲角角度小的颗粒，其荷质比(q_m)越大，说明颗粒前冲角越尖，获得静电的能力越强。这可能与电荷的集聚能力有关，颗粒的前冲角越小越有利于电荷的集聚。图5(b)和(c)所示为长宽比与静电产生的趋势。随着长宽比的增加，静电量增加，即越修长型的颗粒产生的静电量越大^[14]。图5(d)所示为颗粒面积越大，产生的静电量越^[11-12]。

图4  颗粒速度与静电关系

Fig. 4  Relationships between granule sliding velocity and electrostatics

图5  颗粒形体因素对静电产生的影响

Fig. 5  Effects of granule factors on electrostatics

2.4  环境湿度

图6所示为相对湿度影响静电产生。环境湿度对颗粒静电产生有显著影响，本实验采用相对湿度表征。如图6所示，在相对湿度50%RH(±2%)下产生的静电量明显高于在相对湿度80%RH(±2%)下产生的静电量。这一结论与大量已完成研究^{[7, 10]}结论一致：湿度增加，颗粒带电能力下降。NOMURA等^[10]研究了颗粒吸湿性对静电产生的影响，发现相对湿度在0~80%RH范围内，无吸湿性颗粒的静电产生几乎无变化，有吸湿性颗粒产生静电的能力随着湿度上升而减弱，且吸湿性越强的颗粒产生的静电量越小。这一现象的产生主要是因为颗粒带电能力与相对湿度有着密切的关系。随着相对湿度的增加，空气中含的水分增多，颗粒表面吸附的水分子就增多。而水是一种良导体，颗粒表面吸附的水分子越多，其电阻率将越低，静电荷就更易由高电位转移到低电位而无法聚集^[15]。

图6  相对湿度影响静电产生

Fig. 6  RH effect on electrostatics

2.5  饱和电量

进行重复性实验发现，颗粒具备多次带电的能力。将同一颗粒进行重复滑行动作，产生的静电量将持续增加，最终达到最大值且保持稳定，则称这一值为饱和电荷，这一现象为颗粒带电饱和现象。对某一梯形颗粒进行重复性实验，结果如图7所示。从图7可知：在实验进行10次左右时达到饱和。对颗粒产生静电进行指数拟合，拟合公式为

              (5)

其中：q为颗粒所带电荷量；q_sat为饱和电量；A和R₀为常数；t为滑行次数。拟合结果q_sat= 0.110 2，A= -0.116 7，可近似认为A≈-q_sat。此结果与IRELAND^[15]，ZHU等^[16]和LIAO等^[3]的实验结论相似。LIAO等^[3]利用直径3 mm玻璃颗粒进行撞击实验，并对静电量和时间进行拟合，拟合公式为

             (6)

式(1)与(2)相似，因此，本实验拟合良好。A可近似为-q_sat，R₀可近似为。其中：时间常数为静电积累的增长率。

图7  梯形颗粒多次滑行趋势

Fig. 7  Trapezium granule electrostatics generation from multiple-sliding

3  结论

1) 对于三角形颗粒，静电产生量随着前冲角角度的减小而增加。

2) 对于三角形颗粒和梯形颗粒，随着长宽比或者摩擦面积的增加，静电产生量增加。

3) 对于三角形颗粒或梯形颗粒，静电产生量受到外界环境的影响，环境湿度越大，静电产生量越小。

4) 当颗粒与钢板摩擦次数增加时，颗粒表面的静电产生量随之增加。当滑行次数达到一定次数时(如10或11次)，静电产生量不再增加，即达到饱和。

5) 对于2种形状的颗粒，颗粒与钢板多次作用静电产生量仍然遵循颗粒单次实验相同规律，即：随着长宽比或者摩擦面积的增加，静电产生量增加。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-05-02；修回日期：2015-09-28

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51376153，51406235)；中国石油大学(北京)科研基金资助项目(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)

通信作者：赵彦琳，博士，副教授，从事多相流测量及应用研究；E-mail: ylzhao@cup.edu.cn