基于翅片式摩擦桶的車用聚合物粒子荷電及靜電分離探索

田馳鋒，張洪申

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

0 前言

據(jù)國際汽車制造商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年全球汽車銷售量為7 797.12萬輛，其中我國汽車銷售量為2 531.1萬輛[1-2]，全球汽車保有量逐年增加。汽車壽命終結(jié)后，隨之產(chǎn)生大量廢棄車用聚合物，對(duì)其進(jìn)行回收利用不僅可以很大程度上減少環(huán)境污染，又能最大程度地節(jié)約并有效利用石油等不可再生資源[3-7]。聚合物純度決定了其回收再利用價(jià)值。因此，要實(shí)現(xiàn)車用聚合物同等性能等高附加價(jià)值再利用，首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分選研究。靜電分選技術(shù)以其效率高、成本低、清潔無污染等特點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展[8]。荷電是否充分是聚合物能否能夠靜電分離的決定性因素[9]。聚合物荷電有電暈放電、摩擦荷電等方式[10-11]。摩擦桶式荷電器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、荷電效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用[12]。Burgo等通過研究物質(zhì)摩擦過程中電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的微電信號(hào)和摩擦力變化規(guī)律之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，摩擦過程中轉(zhuǎn)移的電荷來自于摩擦過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈靜電作用，電荷轉(zhuǎn)移量的峰值變化和摩擦力的峰值變化完全耦合[13-14]。同時(shí)，荷電粒子極性不同，進(jìn)入高壓電場后運(yùn)動(dòng)軌跡就不同，從而可以實(shí)現(xiàn)分離[15]。因此，對(duì)車用聚合物粒子在荷電裝置中荷電序列及其影響因素進(jìn)行研究具有重要的意義。本研究從理論層面上分析Q與n和t的關(guān)系，并開展常見車用聚合物粒子（PP、PU、PA、PE、PVC、ABS）在摩擦桶式荷電器中的荷電規(guī)律研究，得出其摩擦荷電序列，并進(jìn)一步初步探索了其靜電分選最優(yōu)荷電參數(shù)，為車用聚合物粒子靜電分選及高附加值回收利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP、PU、PA、PE、PVC、ABS，N30S、TPU2700、11G6-201B、DMDA-8008、BX3500、PA-757KJ01，蘇州朋依訪塑化有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

溫度濕度計(jì)，溫度范圍30～50℃、精度1℃，濕度范圍20～100%rh、精度2%rh，得力集團(tuán)有限公司；

數(shù)字電子稱，I-2000，上海羋坤實(shí)業(yè)有限公司；

法拉第筒（圖1），Model 284/22B，外筒20 cm（直徑）×24 cm（高度），內(nèi)筒15 cm（直徑）×18 cm（高度），美國Monroe Electronics公司；

圖1 法拉第筒和納庫儀Fig.1 Faraday cage and Electrometer

納庫儀（圖1），284 Nano Coulomb Meter，量程為0～20 nC時(shí)精度為0.01 nC，量程為0～200 nC時(shí)精度為0.1 nC，美國Monroe Electronics公司。

1.3 摩擦桶式靜電分離裝置與實(shí)驗(yàn)方法

摩擦桶式靜電分離裝置由荷電器和高壓電場2部分組成，如圖2（a）所示。聚合物粒子從圖中摩擦桶式荷電器左側(cè)放入，由電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)通過皮帶帶動(dòng)摩擦桶轉(zhuǎn)動(dòng)；聚合物粒子在摩擦桶式荷電器中，通過粒子-粒子、粒子-桶壁之間碰撞完成荷電。摩擦桶式荷電器結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，其材料為PMMA。當(dāng)聚合物粒子摩擦荷電完成后通過導(dǎo)料裝置進(jìn)入自由落體式高壓靜電場，在電場力、重力、空氣阻力等作用下實(shí)現(xiàn)分離。

圖2 摩擦桶式靜電分離裝置圖Fig.2 Images of friction barrel-type electrostatic separation device

實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)n和t測定不同水平下聚合物粒子的Q。首先，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦桶式荷電器使粒子荷電（荷電轉(zhuǎn)向取決于桶內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)），達(dá)到設(shè)定t后反轉(zhuǎn)排出粒子；隨后通過測定其質(zhì)量和Q得到聚合物粒子的荷質(zhì)比（表征聚合物粒子的Q），為靜電分選提供數(shù)據(jù)支撐。實(shí)驗(yàn)中，用法拉第筒測量聚合物粒子的Q，然后從納庫儀中讀取Q值。

2 理論分析與實(shí)驗(yàn)

2.1 理論分析

Burgo等的研究表明，在摩擦荷電過程中電荷轉(zhuǎn)移量的峰值變化和摩擦力的峰值變化完全耦合[13]。因此電荷轉(zhuǎn)移量對(duì)時(shí)間積分得到的Q（單位為C）和摩擦力對(duì)位移積分得到的摩擦力做的功（W，J）之間成線性關(guān)系（式1）：

其中，K為比例系數(shù)；W可以表示為式（2）形式：

其中，N是摩擦桶式荷電器旋轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；W（1單位為J）是聚合物粒子在摩擦桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)摩擦力做的功；N可以表示為式（3）形式：

其中，t的單位為s；將式（2）和式（3）代入式（1）得式（4）：

由式（4）可知，Q與n、t成正比；當(dāng)Q為飽和Q時(shí)，n越大則t越??；n越大時(shí)向心力越大，粒子受到摩擦桶的法向支持力越大，則W1越大；因此使聚合物粒子達(dá)到飽和Q所需的n和t負(fù)相關(guān)；此外，由于聚合物粒子在摩擦桶荷電器中完成荷電后不能一次性從摩擦桶中排出進(jìn)入高壓靜電場，需要一段時(shí)間才可以全部通過靜電場，因此考慮Q的衰減是有必要的；聚合物粒子摩擦荷電后的衰減規(guī)律見式（5）和（6）[16]：

式中Q1——聚合物粒子剩余的Q，C

Q0——聚合物粒子摩擦后的Q，C

τ——放電時(shí)間常數(shù)，s

ε——介電常數(shù)，F(xiàn)/m

ρ——電阻率，Ω·m

εr——相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m

ε0——真空介電常數(shù)，為8.854187817×10-12F/m

將式（6）代入式（5）得式（7）：

τ的物理意義可以理解為經(jīng)過τ秒后聚合物粒子的Q衰減為初始Q的1/e；從式（5）中可以看出，聚合物粒子摩擦荷電后Q衰減的快慢取決于τ的大小，而且τ可以由ε和ρ來表示；ε和ρ是物質(zhì)的固有屬性，不隨外界條件的變化而變化，因此每種聚合物粒子Q的衰減速率各不相同，τ越大說明該種塑料摩擦帶電后Q衰減速率越慢，越有利于粒子實(shí)現(xiàn)靜電分離。

2.2 實(shí)驗(yàn)部分

2.2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

由于環(huán)境條件和實(shí)驗(yàn)條件的差異，研究所用聚合物粒子的摩擦荷電序列并不一定與其它研究人員測定的相一致。因此，本研究通過聚合物粒子在摩擦桶式荷電器中的預(yù)實(shí)驗(yàn)測定其摩擦荷電序列，并且得出Q隨t變化的一般規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)PP、PU、PA、PE、PVC、ABS 6種聚合物粒子進(jìn)行等n不同t的摩擦荷電實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)稱取10 g聚合物粒子，在30 r/min下進(jìn)行摩擦荷電1、2、3、4、5 min的5組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，分別得到每個(gè)t點(diǎn)荷質(zhì)比的平均值，并擬合得到荷質(zhì)比隨t變化趨勢(shì)，如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)的t跨度比較長，因此無法保證在同一環(huán)境條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件在圖中均有標(biāo)識(shí)。

圖3 荷質(zhì)比-t曲線Fig.3 Charge-mass ratio against time

由圖3可以看出，PP和PA在摩擦桶式荷電器中摩擦荷電后帶正電荷，ABS、PE、PVC、PU在摩擦桶式荷電器中摩擦荷電后帶負(fù)電荷，并且所有聚合物粒子荷質(zhì)比均隨t的延長呈先增大后減小趨勢(shì)。其原因在于摩擦荷電現(xiàn)象是由于不同物質(zhì)表面的有效表面功函數(shù)不同，使物質(zhì)雙方之間存在費(fèi)米能級(jí)差而發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，費(fèi)米能級(jí)差逐漸變?yōu)榱愫笪镔|(zhì)雙方的Q就不會(huì)增加；另外聚合物粒子的表面積有限，在一定時(shí)間之后Q就會(huì)達(dá)到飽和，荷質(zhì)比也趨于穩(wěn)定；當(dāng)Q飽和后，由于荷電粒子發(fā)生電荷中和與泄露，電荷會(huì)逐漸衰減。因此，需盡可能使聚合物粒子在飽和Q時(shí)進(jìn)入高壓電場，以獲得更好的分選率。從圖中還可以看出，PE在3 min前荷質(zhì)比隨t的延長而增加，在3 min時(shí)荷質(zhì)比趨于穩(wěn)定隨后逐漸衰減；PP、PU、PA、PVC、ABS在1 min前荷質(zhì)比隨t的延長而增加，在1 min時(shí)荷質(zhì)比趨于穩(wěn)定隨后逐漸衰減，與理論分析結(jié)果相符。PP、PU、PA、PVC、ABS 5種聚合物粒子都是在1 min達(dá)到飽和Q，充分證實(shí)摩擦桶荷電效率高的優(yōu)點(diǎn)。

摩擦荷電序列的確定是后續(xù)聚合物粒子Q及其靜電分選的基礎(chǔ)。研究中，通過比較每種聚合物粒子的飽和Q大小來確定其摩擦荷電序列，飽和Q越大表明在摩擦桶荷電序列的位置越靠近正極，各粒子的飽和荷質(zhì)比如圖4所示。通過比較6種粒子的飽和荷質(zhì)比大小，可得到其摩擦荷電序列為（-）PE→ABS→PVC→PU→PMMA→PP→PA（+）。此外，由于材料成分的差異，加之荷電裝置及環(huán)境不同，聚合物粒子摩擦荷電序列不盡相同。張繼游等[17]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的摩擦荷電序列為（+）PA→PMMA→PC+ABS→ABS→銅→PP→PE（-），其中PP摩擦荷電序列靠近負(fù)極，與本實(shí)驗(yàn)相反。說明除去實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境條件因素的影響外，實(shí)驗(yàn)中存在一些不足：（1）由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間跨度相對(duì)較大，人為無法控制環(huán)境條件的變化，這會(huì)對(duì)飽和Q的值造成一定影響；（2）不能保證每種粒子的粒徑完全相同，粒徑大小的不同對(duì)飽和Q的值也會(huì)造成影響。此摩擦荷電序列可為以后的摩擦荷電實(shí)驗(yàn)提供大致參考，但對(duì)于飽和Q接近的聚合物粒子，摩擦荷電序列可能會(huì)發(fā)生顛倒。

圖4 各聚合物粒子的飽和荷質(zhì)比Fig.4 Charge-mass ratio of the polymer particles

2.2.2 單種聚合物粒子不同n實(shí)驗(yàn)

預(yù)實(shí)驗(yàn)測定了6種聚合物粒子的摩擦荷電序列，并得到了每種粒子在摩擦桶荷電器30 r/min的n下達(dá)到飽和Q的t?？紤]摩擦荷電序列等因素，從6種聚合物粒子中選取ABS和PA進(jìn)行等t不同n實(shí)驗(yàn)，觀察n和Q之間的規(guī)律。由于聚合物粒子ABS和PA都在1 min達(dá)到飽和Q，因此每次實(shí)驗(yàn)稱取10 g聚合物粒子進(jìn)行在30、25、20、15、10、5 r/min的n下，t為1 min的6組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，分別得到每個(gè)n下荷質(zhì)比的平均值。實(shí)驗(yàn)選擇在不同的濕度環(huán)境下分別進(jìn)行，以此來探索環(huán)境濕度對(duì)摩擦荷電實(shí)驗(yàn)的影響程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示（實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件在圖中均有標(biāo)識(shí)）。

圖5 ABS和PA在不同n下的荷質(zhì)比Fig.5 Charge-mass ratio of ABS and PA at different rotational speeds

由圖5可知，ABS和PA的荷質(zhì)比隨n的增加而先增大后減小，說明預(yù)實(shí)驗(yàn)測得的在30 r/min的n下摩擦荷電1 min還沒有達(dá)到最終的飽和Q；在20 r/min的n下荷質(zhì)比最大，說明ABS和PA在20 r/min的n下，摩擦荷電1 min時(shí)Q接近或已達(dá)到飽和。通過實(shí)驗(yàn)得出，ABS和PA最優(yōu)分選參數(shù)是n為20 r/min，t為1 min；同時(shí)，也可以反映出在聚合物粒子在達(dá)到荷電飽和之前，在相同t下，Q隨n的增加而增加。另外，從圖5中明顯看出環(huán)境濕度為68%rh時(shí)的荷質(zhì)比比環(huán)境濕度為48%rh時(shí)小一半左右。因此，可以得到環(huán)境濕度對(duì)摩擦荷電實(shí)驗(yàn)的聚合物粒子Q有顯著影響；在其他條件相同情況下，濕度越高則Q越小。另外，荷質(zhì)比隨n的變化規(guī)律沒有太大變化，ABS和PA的荷質(zhì)比都隨n的增大而先增大后減小。通過對(duì)比分析可知，濕度環(huán)境條件只會(huì)影響Q的大小，并不會(huì)影響摩擦荷電規(guī)律；在高濕度環(huán)境下，由于Q較小，故可以選擇增大高壓靜電場電壓來得到更好的分選結(jié)果。

2.2.3 ABS、PA靜電分選實(shí)驗(yàn)

通過以上實(shí)驗(yàn)得出，對(duì)于ABS和PA的靜電分選實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)是n為20 r/min時(shí)t為1 min。實(shí)驗(yàn)中，分選所用高壓靜電場采取自由落體式靜電場，實(shí)物如圖6所示。根據(jù)課題組前期的研究，在環(huán)境濕度為60%rh左右時(shí)，靜電場的最優(yōu)參數(shù)為電場電壓50 kV，電極板間距12.5 cm，電極板傾斜角為85°。分別稱取10 g ABS和PA放入摩擦桶式荷電器，在20 r/min的n下摩擦荷電1 min后導(dǎo)出荷電器，進(jìn)入高壓靜電場，分選結(jié)果如圖7所示。

圖6 靜電場Fig.6 Electrostatic field

圖7 分選結(jié)果Fig.7 Experimental result

考慮到個(gè)別聚合物粒子可能存在荷電不充分現(xiàn)象從而影響分選率，在收料箱中放置了間隔2 cm的隔板，隔板之間用于收集荷電不充分的聚合物粒子。分離后聚合物粒子純度計(jì)算公式見式（8）和式（9），回收率計(jì)算公式見式（10）～（12）：

式中P1、P2——PA（負(fù)極）、ABS（正極）純度，%

S1、S2、S總——PA、ABS及總體的回收率，%

M1(+)、M1(-)——收料箱中對(duì)應(yīng)靜電場正負(fù)極一側(cè)PA的質(zhì)量，g

M2(+)、M2(-)——收料箱中對(duì)應(yīng)靜電場正負(fù)極一側(cè)ABS的質(zhì)量，g

M中——中間產(chǎn)物的質(zhì)量，g

M1(初始)、M2(初始)——實(shí)驗(yàn)所用PA和ABS的質(zhì)量，g

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。可以看出，ABS和PA純度分別達(dá)到了94.18%和99.86%；在20 r/min的n下荷電1 min的分選結(jié)果較好，尤其是PA純度達(dá)到接近100%，但PA的回收率相對(duì)較低；ABS純度不太高，但回收率較高。其原因可以總結(jié)為以下3點(diǎn)：（1）PA的Q的衰減速率比ABS快。由式（5）可知，Q衰減速率與ε和ρ有關(guān)，一般實(shí)驗(yàn)得到測量結(jié)果為荷質(zhì)比，對(duì)式（7）等號(hào)兩邊同除質(zhì)量（M，g）得

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental data

其中，F(xiàn)=Q/M、F0=Q0/M，F(xiàn)和F0分別表示某時(shí)刻荷質(zhì)比和初始荷質(zhì)比，單位為nC/g。經(jīng)查詢得到，ABS和PA的εr和ρ一般為3、3.6 F/m和1016、1015Ω·cm[18]。將上述數(shù)據(jù)及ABS和PA飽和荷質(zhì)比代入式（13）得到荷質(zhì)比隨t的衰減曲線（圖8）。從圖中可以看出，PA的Q的衰減速率遠(yuǎn)大于ABS，因此在從摩擦桶式荷電器中后進(jìn)入高壓靜電場的部分PA粒子Q已經(jīng)衰減，再加上PA粒子的質(zhì)量相對(duì)較輕，在空氣阻力等的影響下落到了中間產(chǎn)物的位置或偏離到正極一側(cè)。從圖7中可以看出，中間產(chǎn)物中PA居多且正極產(chǎn)物中也有部分PA，這會(huì)導(dǎo)致PA回收率降低，也導(dǎo)致正極的ABS純度降低。同時(shí)，由于ABS的Q衰減較慢，易受電場力作用，向正極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，故中間產(chǎn)物和負(fù)極產(chǎn)物中ABS較少，使得ABS回收率高且PA純度高。（2）由于目前摩擦桶式荷電器本身的局限性，使得ABS和PA粒子不能完全從摩擦桶內(nèi)排出進(jìn)入高壓電場，致使回收率不高，仍需對(duì)摩擦桶式荷電器進(jìn)行進(jìn)一步研究。（3）所用實(shí)驗(yàn)裝置中，聚合物粒子在收料箱存在回彈問題，如從一側(cè)彈跳至另一側(cè)，一定程度上影響分離后聚合物粒子的純度，也導(dǎo)致回收率降低。

圖8 荷質(zhì)比衰減曲線Fig.8 Charge-mass ratio attenuation curves

3 結(jié)論

（1）各車用聚合物粒子的摩擦荷電序列為（-）PE→ABS→PVC→PU→PMMA→PP→PA（+）；

（2）聚合物粒子達(dá)到飽和Q前，n越大需要的t越短，n越小需要的t越長；環(huán)境濕度對(duì)摩擦荷電實(shí)驗(yàn)影響較為顯著，濕度越大時(shí)Q越小，但環(huán)境濕度只影響摩擦Q，不影響粒子摩擦荷電規(guī)律；此外，PA粒子相對(duì)于ABS粒子放電時(shí)間常數(shù)小、荷電衰減速率較快，而ABS荷電衰減速率較慢；

（3）ABS和PA的最優(yōu)分選參數(shù)為n=20 r/min、t=1 min；此時(shí)兩者純度分別達(dá)到94.18%和99.86%，回收率分別為88.4%和75.3%，總回收率為90.15%。