瓶级聚对苯二甲酸乙二酯(聚酯切片，PET)颗粒产品，因易加工、透明度高等优点被广泛用于塑料瓶及食品包装材料等制造领域[1-2]。瓶级切片自身特性及杂质含量决定下游产品的加工质量，为此，根据GB/T 17931—2018《瓶用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂》要求，企业主要通过优化切片生产工艺参数、改善切片产品黏度和分子质量分布，对瓶级聚酯切片产品黏度、乙醛含量、色度、二甘醇含量、水分等有效控制以提高切片质量[3-6]。
瓶级切片生产中主要采用固相缩聚工艺(SSP)，将未结晶的切片加热到熔点和玻璃化温度之间发生缩聚反应，以提高切片分子量、 结晶度并去除副产物杂质等[5-7]。 切片颗粒的大小及形状是影响切片固相缩聚反应和切片产品后续加工质量的重要因素[7-9]。 切片在固相缩聚工艺处理前后及最终切片颗粒产品，均要求细小颗粒粉体(细粉)的含量尽量低，如高品质切片颗粒产品中，细粉含量低于5 mg/kg[8,10]。 由于切片生产过程中需通过管道长距离输送到固相缩聚装置及包装料仓，切片因振动、 摩擦产生细小颗粒粉尘且高度带电[10]。 当颗粒间静电力超过气流对细小粉尘颗粒的曳力时，表现出细粉吸附在带电大颗粒表面或带电料袋表面，影响切片产品质量[10-11]。 目前，对瓶级切片颗粒静电特性研究较少，故此，基于瓶级切片颗粒静电特性及生产企业现场静电检测情况，分析切片生产中粉尘来源、 颗粒静电危害，对强化企业对切片静电危害防控意识、 优化切片生产工艺具有重要指导意义。
1 瓶级切片生产工艺及静电危害
1.1 固相缩聚工艺流程
固相缩聚工艺是将未结晶的PET基础切片(PET1)颗粒先后经升温预结晶、结晶、加热缩聚反应和冷却处理，最终完成切片产品的包装[7,12-13]。图1为布勒工艺生产瓶级聚酯切片的工艺流程简图。基础切片经过风送管道输送到固相缩聚装置的高位料仓；高位料仓中的基础切片经旋转给料器连续定量的先后喂入预结晶器、结晶器、反应器等进行固相缩聚反应；固相缩聚处理过程中，切片先后被循环空气(氮气)流化、加热、结晶；最终结晶切片颗粒冷却后，经斜溜槽或管道进入包装机并完成产品的包装。在切片生产过程中，通过气流作用将固相缩聚装置内大颗粒切片与粉尘分离，去除切片中夹带的粉尘[7,14]。
1.2 切片中粉尘来源及危害
切片正常生产过程中产生粉尘的途径主要包括：1)长距离气力输送基础切片进入高位料仓，基础切片因颗粒与颗粒、颗粒与管道间碰撞、摩擦等产生大量粉尘，并随切片进入预结晶器等固相缩聚装置；2)预结晶器采用沸腾床形式，切片在大量往复循环空气作用下，形成强烈涌动，导致颗粒间互相摩擦产生一定量粉尘[12]；3)包装时，切片经斜流槽(或下料管道)、振动筛时产生粉尘。
图1 布勒固相缩聚工艺流程简图
Fig.1 Schematic diagram of Bühler SSP process
瓶级聚酯切片中粉尘危害主要体现在：1)小尺寸粉尘在预结晶器等固相缩聚工序中因缩聚容易、便于反应小分子扩散而导致产品黏度超大，熔点、结晶度上升，夹带在产品中使用户吹瓶时出现晶点，影响产品美誉度[8]；2)粉尘体积和表面积小，容易滞留在系统中形成粉皮，时间长后发黄，影响用户使用[9]。
1.3 切片颗粒静电带电危害
1)静电吸附细小粉尘。切片颗粒在固相缩聚反应过程摩擦带电，带电切片颗粒会因静电作用吸附粉尘。 图2为粉尘在静电作用下吸附在带电切片颗粒表面的示意图，切片颗粒对粉尘的静电吸附作用会导致固相缩聚装置和包装装置内除尘效果变差[9-10]；另外，带电切片进入料袋导致料袋表面带电，带电料袋吸附空气中灰尘。
图2 切片颗粒表面吸附细小颗粒粉尘示意简图
Fig.2 Schematic diagram of PET particle surface
adsorption of small dust particles
2)包装人员遭受静电电击。 带电切片在进入包装袋时，包装袋表面的电位可超过-100 kV。 根据GB 12158—2006《防止静电事故通用导则》，包装袋表面电压超过30 kV时存在操作人员遭受电击，甚至二次伤害危险。 为此，瓶级切片生产过程中应考虑采用一定的静电消除措施，控制颗粒静电量。
2 切片静电衰减特性测试
2.1 测试方法
静电衰减时间是衡量材料电荷消散快慢的重要参数。 选取某瓶级聚酯切片生产装置内，不同生产阶段的切片粒料照片如图3所示，其中编号PET1、 PET2、 PET3和PET4样品分别是基础切片、 预结晶器处理后切片、 结晶器处理后切片和最终切片产品。
采用JCI 155V6型静电衰减测试仪分别测试上述4种类型切片静电衰减曲线，其中测试电压(电晕放电)为-8 kV，测试环境温度为(22±2) ℃，相对湿度为(21±3)%。
2.2 结果分析
利用静电衰减测试仪分别测试PET1—PET4样品的静电衰减曲线截图如图4所示。
a 基础切片PET1b 预结晶器处理后切片PET2c 结晶器处理后切片PET3d 最终切片产品PET4图3 不同生产阶段切片颗粒光学显微图Fig.3 Optical micrographs of sliced particles in different production stages
图4 不同切片(PET1—PET4)静电衰减曲线截图
Fig.4 Screenshot of the electrostatic attenuation
curve of different PET particles (PET1—PET4)
由图可知，所有样品表面初始电位低于-1 500 V，静电衰减时间(半衰期)超过80 ks，表明PET材料的静电电荷衰减时间比较长。 瓶级PET静电带电是电荷产生与消散的动态平衡过程，产生的静电荷在干燥空气气氛中(本测试环境相对湿度约为21%)静电消散慢，静电衰减速率小。 因此，切片颗粒带电后，携带的静电荷难以消散，即切片极易长时间积聚静电荷。
3 切片颗粒滑动摩擦带电测试
3.1 测试方法
目前，采用颗粒沿倾斜金属滑板滑动是研究单颗粒静电带电特性的主要方法之一[15-16]。 图5是单颗粒滑动摩擦带电实验示意图，其中实验设备包括滑板3(不锈钢，300 mm×10 mm)、 法拉第杯5(日本ADVANTEST TR8031)、 静电计6(日本ADVANTEST R8252)和电子天平(德国Sartorius CPA26P-0CE)等。单颗粒滑动摩擦实验时，在如图3所示的4种PET颗粒(PET1—PET4)中各随机取样2粒(分别编号1#和2#)作为实验测试对象。用绝缘镊子夹取PET颗粒放在滑板上方(滑板倾斜角度为40°)，颗粒在重力作用下滑入法拉第杯中，利用静电计测试颗粒电荷量，同一颗粒重复滑动实验10次，记录电荷量Q的最大值，其中测试环境温度为(22±2)℃，相对湿度为(21±3)%；颗粒荷质比(单位质量携带的静电量)通过颗粒电荷量Q与颗粒质量m比值获得。
1—高速相机; 2—滑板支架; 3—滑板;
4—计算机; 5—法拉第杯; 6—静电计。
图5 单颗粒滑动摩擦带电测试示意图
Fig.5 A schematic of electrostatics measurement
for a single particle sliding along a plate
3.2 结果分析
颗粒摩擦起电是2个接触面间电子转移的结果。一般PET颗粒在倾斜金属板表面滑动时，颗粒接受电子带负电。颗粒摩擦带电时，静电量随摩擦起电次数增加而趋于饱和静电状态(绝缘体内部和表面可能因电荷分布不均匀产生电位差)，根据摩擦电荷生成模型颗粒携带静电量[16]为
(1)
(2)
式中: k为比例常数；φp为颗粒有效功函数；φM为金属功函数；ΔV为绝缘颗粒表面与其内部的电位差；Vc为颗粒对金属的接触电位差；τg为电荷生成时间常数；τr为电荷驰豫时间常数。
图6a为不同切片颗粒滑动摩擦静电带电量。由图可以看出，同种类型PET颗粒带电量略有区别。结合公式(1)和(2)，颗粒形状及颗粒质量可能对不同颗粒的τg、 τr有一定影响[16]。
图6b为根据颗粒质量计算不同PET颗粒的荷质比。由图可以看出，基础切片在预结晶处理后，切片带电量增加；随着切片固相缩聚处理，切片荷质比减小，但荷质比值可以超过-1 μC·kg-1。
a 电荷量
b 荷质比
图6 不同PET颗粒滑动摩擦静电电荷量及荷质比
Fig.6 Triboelectric charge and charge-to-mass
ratio of different PET particles
4 切片包装时料袋表面静电位测试
4.1 测试方法
图7为某瓶级聚酯切片吨袋包装作业现场照片。利用EFM-022静电场测试仪(0 kV～±200 kV)，测试切片下料包装过程中及料袋在堆垛1 h后料袋表面电位，测试环境温度为22.5～24.3 ℃，相对湿度为39.3%～45.7%。
4.2 结果分析
某瓶级PET切片在包装过程中及包装完成后堆垛1 h后料袋的最高表面静电电位如图8所示。在切片包装过程中，带电物料先后通过振动筛和下料管道落入料袋，同时物料与绝缘料袋摩擦，导致料袋表面电位可以超过-100 kV。尽管切片料袋堆垛现场相对湿度超过40%，但料袋的表面电位仍可达到-20 kV以上。
图7 某瓶级切片包装现场照片
Fig.7 Photograph of a bottle-level PET packaging site
图8 某瓶级聚酯切片包装过程料袋表面电位
Fig.8 Surface potential of the bag during the
packaging of the bottle-grade polyester chips
5 结论
研究不同生产阶段的瓶级聚酯切片的静电衰减时间、单颗粒滑动摩擦带电量等，发现瓶级切片在固相缩聚处理前后，切片材料的静电衰减时间长(半衰期可超过80 ks)，表明切片携带的静电荷难以消散，易产生静电积聚；单颗粒切片与金属板滑动摩擦可造成切片颗粒带电量超过1 μC·kg-1。
静电导致小颗粒粉尘因静电作用被牢牢吸附在大颗粒切片表面而难以清除，故应考虑消除固相缩聚反应过程中未结晶切片及包装成品切片静电，抑制静电对粉尘的吸附作用，提高切片生产过程除尘效率，降低切片中粉尘含量，以提高切片质量。
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