CAPITOLUL 1

SARCINA TRIBOELECTRICĂ ŞI SEPARAREA ELECTROSTATICĂ A

MATERIALELOR GRANULARE

1.1. Tipuri de materiale plastice utilizate în echipamentele electrice şi electronice.

Materialele plastice (polimerii) sunt materiale solide formate din lanţuri

macromoleculare [33],[103],[118]. Macromoleculele sau lanţurile polimerice reprezintă o

asociaţie de unităţi structurale identice numite monomeri, legate între ele prin legături

chimice. Monomerul este alcătuit, la rândul său din una sau mai multe molecule diferite care

dau şi denumirea polimerului. În interiorul unui lanţ polimeric, interacţiunile atomice sunt

puternice, fiind vorba de legături covalente. Două lanţuri macromoleculare diferite pot fi

cuplate între ele prin legături covalente sau prin forţe electrice mai slabe, de tip Van der

Waals (Fig. 1.4).

Din punct de vedere al comportării termomecanice, materialele plastice pot fi

împărţite în două mari grupe : materiale plastice termoplaste şi termorigide (Fig. 1.1.).

Termoplastele sunt acele materiale care pot fi supuse la temperaturi înalte în mod

repetat fără a suferi transformări chimice. Acest fapt se datorează legăturilor slabe, de tip

Van der Waals dintre lanţurile macromoleculare constituiente. Datorită reversibilităţii

procesului de întărire, deşeurile termoplaste pot fi valorificate prin retopire. Unele

Fig. 1.1. Structuri chimice ale polimerilor: termoplaste (a.); termorigide (b.).

a. termoplaste b. termorigide

Monomeri

Legătură covalentăîntre lanţuri

Lanţuri polimerice

Legături covalente între

monomeri

Legătură prin forţe Van der

Waals între lanţuri

performanţe mecanice şi electrice sunt diminuate, motiv pentru care deşeurile provenite din

aceste materiale sunt combinate pe timpul retopirii cu materiale de acelaşi tip, virgine.

Termorigidele (duromeri, duroplaste sau termoreactive) se înmoaie prin încălzire,

permiţând prelucrarea, însă după răcire se solidifică ireversibil. Cauza acestei transformări o

constituie desfacerea legăturilor duble rămase neafectate în procesul de obţinere a

polimerului şi formarea unor punţi de legătură între lanţuri, de tip covalent, care duc la

obţinerea unei structuri tridimensionale. La o nouă încălzire legăturile covalente dintre

lanţurile polimerice ale materialelor termorigide se distrug, motiv pentru care acestea nu pot

fi reciclate.

ABS - acrilonitril butadien stirenul reprezintă o clasă de materiale obţinută prin

combinarea a trei monomeri: acrilonitril, butadien şi stiren. Proporţiile celor trei monomeri

pot fi manipulate pentru optimizarea caracteristicilor polimerului rezultant. Materialul are

suprafaţa netedă, prezintă stabilitate termică bună şi este rezistent la impact, dar nu este

rezistent la acţiunea razelor ultraviolete. Prezenţa stirenului în compoziţia sa îl face

inflamabil. ABS-ul reprezintă principalul material din care se fabrică carcasele monitoarelor

şi a laptopurilor.

PC - policarbonatul se obţine prin legarea grupărilor de carbonat cu grupări de fenoli

polihidrici. Materialul este rezistent la impact şi la temperaturi mari, având imflamabilitate

mică. Are claritate mare în transparenţă şi poate înlocui cu succes sticla în unele aplicaţii

inginereşti. Se utilizează la confecţionarea CD-urilor şi DVD-urilor şi a capacelor şi

panourilor transparente de la imprimante şi copiatoare. Este atacat de radiaţiile ultraviolete.

ABS-PC - acrilonitril butadien stirenul/policarbonatul reprezintă un copolimer

compus din monomeri de ABS şi monomeri PC, îmbinând avantajele celor doi polimeri. Este

rezistent la temparaturi înalte şi are inflamabilitatea medie. Se foloseşte la construcţia

carcaselor ca înlocuitor al ABS, având caracteristici mai performante.

PA – poliamida, termoplast cu bune proprietăţi mecanice. Rezisteţa la abraziune este

bună, mai ales in ceea ce priveşte alunecarea in contact cu materiale cu suprafaţa mai aspră,

de remarcat este faptul că in timpul manufacturării pieselor finite, pot apărea mici modificări

dimensionale datorită absorbţiei de umezeală, care trebuie luate prin urmare in calcul. Poate

fi modelat sub formă de produs semi-finit prin turnarea in matriţe.

POM – poliacetat, material ce se caracterizează prin duritate ridicată, stabilitate

dimensională deosebit de bună, rezistenţă la şocuri şi temperaturi scăzute având o absorpţie

de apă foarte mică. Prezintă o rezistenţă foarte bună la chimicale. Tipul fără adaos nu prezintă

nici un fel de pericol pentru sănătate şi mediul inconjurător, iar varianta cu adaus de carbon

Material plastic Polimer Aditivi

Fig. 1.2.Ce este materialul plastic ?

are o rezistenţă mai bună la intemperii. Se utilizează in industria alimentară. Temperatura de

funcţionare : -40 +100o C. Domeniul de utilizare: roţi dinţate cu modul mic şi alte elemente

care lucrează in contact permanent cu apa, elemente de izolare electrică.

În forma pură, rezultată în urma reacţiilor de obţinere, materialele plastice nu pot fi

prelucrate sau nu îndeplinesc în totalitate cerinţele aplicaţiei în care urmează a fi utilizate.

Spre exemplu ABS-ul este uşor inflamabil şi nu poate fi folosit în zone cu temperaturi mari

cum ar fi carcasele de monitoare, etc. În acest scop tehnologiile de prelucrare a polimerilor

folosesc aditivi(materiale de adaus), care fac ca respectivii polimeri să corespundă scopului

urmărit. Materialele plastice pe care le întâlnim în majoritatea echipamentelor electrice şi

electronice sunt o combinaţie între polimeri şi aditivi (Fig. 1.2.).

Tipul aditivului

Ponderea masică [%]

Funcţia

Plastifiant până la 20% Facilitează modelarea prin micşorarea forţelor de atracţie dintre lanţurile polimerice.

Colorant până la 3% Conferă polimerului culorea dorită. Se comportă în general, în mod similar cu antioxidanţii.

Stabilizator până la 5% Asigura păstrarea proprietăţilor pe timpul exploatării (evită schimbarea culorii, îmbătrânirea etc.).

Antistatic până la 10% Substanţe care diminuează rezistenţa electrică superficială şi facilitează disiparea sarcinilor electrostatice.

Retardanţi de flacără

între3 şi16%

Opresc arderea cu flacără a materialelor când aceste sunt supuse la temperaturi mari.

Antioxidant până la 0,2 %

Combate tendinţele de degradare cauzate de acţiunea directă a oxigenului.

Tab. 1.1 Funcţiile aditivilor in materialele termoplaste utilizate in echipamente electrice şi

electronice.

Aditivii cei mai utilizaţi pentru termoplastele din care sunt fabricate echipamentele

electrice şi electronice sunt: plastifianţii, stabilizatorii, antioxidanţii, coloranţii, antistatici şi

retardanţii de flacără (Tab. 1.1.).

Caracterizarea completă a materialelor plastice presupune identificarea tipurilor şi

cantităţilor de aditivi conţinuţi de acel material cu ajutorul unor echipamente de laborator

specializate. Din acest motiv în experienţele prezentate în lucrarea de licentă, sunt

menţionate numai informaţiile legate de forma, dimensiunile şi provenienţa materialelor

plastice supuse triboelectrizării şi electroseparării .

1.1.3 Dificultăţi în separarea triboelectrostatică a materialelor plastice

Separarea triboelectrostatică a materialelor plastice granulare este o tehnologie in

plină evoluţie(Tab. 1.2.).

Nr. crt.

Situaţie Dificultate

1 Separarea a două componente aflate în proporţii mult diferite (1%, 99%)

Încărcarea granulelor din componenta majoritară cu sarcini de ambele semne

2 Separarea materialelor din amestecuri de 3 sau 4 componente de proporţii egale

Necesitatea mai multor trepte de separare

3 Separarea materialelor din amestecuri de 3 sau 4 componente de proporţii diferite

Necesitatea unui număr mai mare de separări decât în cazul 2

4 Separarea unor amestecuri de granule cu dimensiuni sau mase mult diferite

Granulele de masă mai mică lovesc unul dintre electrozi

5 Praful fin de material plastic rezultat din măcinarea amestecurilor

Triboelectrizarea este slabă, instabilă ca semn şi valoare

6 Electrizarea amestecurilor în dispozitive cu perţi din material plastic

Lipirea granulelor pe pereţii dispozitivului de tribolectrizare şi diminuarea sarcinii electrice

7Umiditatea relativă RH şi temperatura T ale mediului în care are loc triboelectrizarea

Sarcina electrică a granulelor la ieşirea din dispozitivul de triboelectrizare este dependentă de RH şi T

Tab. 1.2. De ce separarea triboelectrostatică a materialelor plastice este o problemă

actuală de cercetare ?

Echipe de cercetare aparţinând unor firme de profil sau universităţi din SUA, Japonia,

Canada şi Uniunea Europeană lucrează pentru cercetarea-dezvoltarea a noi echipamente şi

tehnologii de separare triboelectrostatică a materialelor plastice granulare provenite din

deşeuri electrice şi electronice.

Benzi de energie in polimeri

Descrierea cantitativă a electrizarii prin contact, bazată pe transferul de electroni,

presupune cunoasterea structurii polimerilor la nivel microscopic. Conform principiului de

excluziune a lui Paului, fiecare electron din corpul solid ocupă un nivel energetic distinct.

Aceste nivele se grupează in benzi permise şi interzise pentru electroni (Fig. 1.3.). Fiecare

banda permisă de energie este alcatuită dintr-un numar mare de stări cuantice (nivele

energetice) discrete ale electronilor .W.R. HARPER arată că N atomi independenţi, fiecare cu

n nivele de energie se despică prin interacţiune in corpul solid , in N x n nivele [56]. Spre

exemplu, un strat monoatomic la suprafaţa unei granule de polimer cu raza de 2 mm conţine

N=3 x 1014 atomi şi 3 x 1015 nivele energetice, daca se consideră o reţea cu celulă cubică de

0,2 nm şi numărul de nivele din atom n=10. Banda de valenţă BV corespunde celor mai mari

energii ale electronilor la temperatura de zero absolut. In polimeri (izolatori) există o bandă

interzisă BI de (5...10)eV deasupra benzii de valentă , urmată de banda de conducţie BC.

Fig.1.3. Benzi de energie in polimeri ;

BC - banda de conducţie; BV - banda de

valenţă. Materialele solide prezintă o

multitudine de benzi permise şi

interzise ,care alternează. Numai electronii

din ultimele două benzi permise BV şi BC au

energii suficient de inalte pentru a deveni

purtători de sarcină in triboelectrizare .

In modelarea fenomenului de triboelectrizare prin transfer de electroni intervine un

concept al mecanicii cuantice numit nivel Fermi, poziţionat in ultima bandă interzisă la

polimeri (Fig.1.3.). Nivelul Fermi se definesţe ca cel mai inalt nivel de energie ocupat de un

sistem de electroni la temperatura de zero absolut, adică atunci când toate nivelele energetice

până la nivelul Fermi sunt ocupate de electroni.

Teoria starilor superficiale in triboelectrizarea materialelor plastice

In pofida importanţei deosebite pentru procesele de separare triboelectrostatică a

materialelor plastice, electrizarea prin contact polimer-polimer este cel mai puţin inteles

fenomen electrostatic [85],[89],[90]

Triboelectrizarea a doi polimeri poate fi explicată prin teroria stărilor superficiale care

presupune ca există nivele (stări) energetice ale electronilor in banda interzisă a polimerilor,

iar aceste nivele sunt superficiale, adică se localizează pe suprafaţa materialelor.

Teoria substituie noţiunile: lucru de extracţie şi nivelul Fermi din modelul de transfer

electronic la contactul metal-metal, prin lucru de extracţie superficial şi nivel Fermi

superficial. Nivelele energetice in banda interzisă sunt datorate, pe de o parte discontinuităţii

reţelei la suprafaţă, iar pe de altă parte prezenţei atomilor de impurităţi in suprafaţa

polimerilor [91],[92].

BV

BC

BI WA

BV

BC

BI WB

PolimerA

A

PolimerB

B

Fig.1.4. Modelul stărilor superficiale

pentru explicarea triboelectrizării are la

bază transferul de sarcină intre suprafeţele

de contact şi existenţa unor nivele de

energie in banda interzisă a polimerilor.

Căsuţele negre figurate sub nivelul Fermi

sugerează nivelele energetice ocupate, iar

căsuţele albe reprezintă nivelele

neocupate de electroni. Mărimile ,

sunt nivelele Fermi superficiale, iar WA şi

WB reprezintă lucrurile de extracţie

superficiale in cei doi polimeri.

Dacă densitatea nivelelor superficiale N in două granule de polimeri A şi B este

suficient de inaltă se produce un transfer de electroni prin tunelare intre granulele aflate in

contact până când nivelele Fermi superficiale se egalează (Fig. 1.5.).

Fig. 1.5. Diagramele nivelelor de energie pentru explicarea triboelectrizării a două granule

din polimeri diferiţi, pe baza teoriei stărilor superficiale de inaltă densitate; a.- polimeri la

distanţa de iniţiere a tunelării purtătorilor de sarcină (electroni qe ). Polimerul A cu lucru de

extracţie superficial mai mic transferă electroni şi se incarcă pozitiv in raport cu polimerul B;

b.- finalul procesului de triboelectrizare caracterizat prin acumularea de sarcină Q la interfaţă

şi creşterea câmpului electric de contact EC in interstiţiul x, până la obţinerea echilibrului

termodinamic (egalizarea nivelelor Fermi , ); c.- sarcinile superficiale QA, QB

acumulate pe granulele sferice de polimeri şi expresiile densităţilor de sarcină ρA, ρB.

Ecuaţiile care definesc triboelectrizarea prarticulelor sferice dintre polimerii A şi B la

nivel macroscopic [13],[110],[111], in corelaţie cu (Fig. 1.5.), sunt urmatoarele :

Condiţia de conservare a sarcinii sistemului format din două particule de polimeri :

POLIMER A POLIMER B POLIMER A AAAAA

POLIMER B

Densităţile superficiale de sarcină pe cele două particule, in ipoteza simplificatoare a

unei densităţi uniforme:

Intesitatea câmpului electric la interfaţa de contact a particulelor A şi B calculată prin

superpoziţia efectelor EA şi EB :

Relaţiile ce definesc triboelectrizarea la nivel microscopic, conform diagramei

nivelelor de energie din (Fig. 1.5.) sunt :

Densităţile superficiale de sarcina ρA şi ρB :

unde : q - sarcina purtatorilor (electroni qe)[C]; NA,NB - densitatea stărilor in banda interzisă

pe unitatea de energie şi unitatea de suprafaţă in interfaţa de contact [J-1m-2]; ΔWA şi ΔWB –

variaţiile lucrurilor de extracţie superficiale in transferul de sarcină [J].

Condiţia de egalizare a nivelelor Fermi pentru cei doi polimeri , in care intervine

câmpul electric de contact EC in interfaţa cu interstiţiul x:

Lucrurile de extracţie superficiale după egalizarea nivelelor Fermi prin transferul de

sarcină:

Intensitatea câmpului electric de contact EC se determină din relatiile (1.10) şi (1.11)

Modelul de relaxare a sarcinii

In procesul de triboelectrizare a două granule de material plastic se pune intrebarea

dacă generarea sarcinii prin contact, la distanţe atomice intre suprafeţe x=(0.1...1)nm este

singurul fenomen care determină sarcina finală a granulelor .

Modelul sarcinii de relaxare ilustrat in (Fig.1.6.) prin cinci secvenţe consideră că

sarcina finală a granulelor este determinată atât de generarea sarcinii prin contact cât şi de

relaxarea sarcinii la desfacea contactului intre suprafeţele polimerilor .

Fig. 1.6. Secveţele procesului de triboelectrizare a două granule polimerice conform

modelului de relaxare a sarcinii propus de Matsusyama şi Yamamoto [94].

Când granulele paralelipipedice sunt aduse in contact (secvenţa 2), prin transfer de

electroni, se formează un strat dublu de sarcini intre cele 2 suprafeţe polimerice. Fenomenul

de generare a sarcinii se descrie prin modelul tradiţional propus de HARPER/1967, cunoscut

sub denumirea de Modelul condensatorului (Fig.1.7.). Statul dublu de sarcină de pe

suparafeţele in contact cu aria A, la distanţa de dimensiune atomică x constitue un

condensator plan. Tensiunea de contact UC reprezintă tensiunea electromotoare a circutului

RC care produce transferul de sarcină până la valoarea Q. Contactul trebuie să dureze cel

puţin echivalentul a cinci constante de timp τ=RC pentru a transfera o sarcină de peste 0,98Q.

Valoarea tensiunii de contact este egală cu diferenţa dintre lucrurile de extracţie superficiale

ale celor doi polimeri raportată la sarcina electronului qe care asigură incărcarea

condensatorului C. Constanta de timp a regimului tranzitoriu de generare a sarcinii Q poate fi

exprimată in funcţie de permitivitate aerului ε0 şi conductivitatea superficială medie σ [S/m] a

polimerilor

[s] (1.8)

GRANULE INAINTE DE CONTACT

CONTACT ŞI TRANSFER DE

SARCINĂ

INCEPUTUL SEPARǍRII

SUPRAFETELOR

RELAXAREA SARCINII

SARCINǍ FINALǍ A GRANULELOR

La inceputul separării suprafeţelor, sarcina granulelor are valoarea maximă Q

corespunzatoare echilibrului termodinamic, când nivelele Fermi ale polimerilor A şi B se

egalizează.

Fig. 1.7. Modelul condensatorului pentru descrierea procesului de generare a sarcinii

triboelectrice la ciocnirea unei granule de material plastic cu un perete dielectric.

Particularitatea modelului de relaxare a sarcinii consistă in introducerea in procesul de

triboelectrizare secvenţa 4, in care are loc relaxarea sarcinii de la valoarea Q la valoarea

finală Qf mai mică (Fig. 1.8.).

Diminuarea sarcinii [78],[94] se datorează fenomenului de tunelare inversă (fig 1.5,a.) când o

parte din electronii in exces de pe granula B revin pe suprafaţa granulei A electrizată pozitiv

şi fenomenului de descărcare electrică in aer (Fig. 1.8.).

Fenomene fizice in patul fluidizat

Fluidizarea reprezintă procesul prin care se conferă granulelor de materiale plastice,

dispersate in aer, proprietăţi similare lichidelor: particulele cu densitate mai mică plutesc, iar

cele cu densitate mai mare se scufundă, suprafaţa rămâne orizontală la inclinare, granulele

curg ca un lichid print-un orificiu lateral [74],[87],[122]. Particulele aflate in această stare

formează impreună cu aerul un ansamblu numit pat

fluidizat. Principala mărime care determină regimurile

patului fluidizat (Fig. 1.9.) este viteza superficială a

aerului de fluidizare – u. Patul fluidizat se manifestă

intre cele două valori limită ale acestui parametru: umf –

viteza minimă de fluidizare şi ut – viteza de transport,

reprezentând un regim intermediar intre coloana

compactă de granule şi transportul pneumatic al

granulelor.

Dacă un strat de granule sferice, cu aceleaşi

dimensiuni, aşezate pe un dispersor (distribuitor) este

strabătut de un curent de aer cu o viteza mai mică decat umf, materialul rămâne pe dispersor

[84] , iar regimul se numeste pat fix (Fig. 1.9,a. şi Fig. 1.10.).

Fig. 1.8. Efectul de neutralizare

(relaxare) parţială a sarcinilor

triboelectrice prin descărcarea

electrică in aer. Sub acţiunea

câmpului electric, moleculele

aerului se descompun in perechi de

ioni care anihilează parţial

sarcinile superficiale ale granulelor

de polimeri.

b. PAT

INCIPIENT

c. PAT

CU BULE

d. PAT

PISTONAT

e. PAT

DILUAT

a. PAT

FIX

Aer fluidizare

Pis

ton

Bu

le

Dis

per

sor

Cam

eră

trib

oele

ctri

zare

mfu umbu 0

Fig. 1.9. Regimurile patului fluidizat: umf - viteza minimă de fluidizare; umb - viteza minima

de apariţie a bulelor; ut – viteza de transport pneumatic [87].

Mărind viteza aerului până la o valoare egală cu umf, materialul suferă o afânare, iar aerul o

pierdere de presiune Δp, proporţională cu viteza aerului şi cu grosimea (inălţimea) stratului

de material h, determinată in special de frecările cu pereţii camerei de triboelectrizare şi cu

suprafaţa granulelor. Fluidizarea este omogenă, iar regimul se numeşte pat incipient (Fig.

1.9,b.). Dacă viteza aerului de fluidizare este mai mică decât viteza limitată de căderea a

granulelor, dar suficient de mare pentru a imprima acestora o energie cinetică oarecare,

granulele rămân in suspensie intr-o mişcare dezordonată asemănătoare lichidelor in fierbere.

Căderea de presiune dintre suprafeţele inferioară şi superioară ale patului fluidizat Δp se

menţine constantă (Fig. 1.10.) la creşterea vitezei aerului de fluidizare u intre valorile umf şi ut

.

Fig. 1.10. Caracteristica diferenţei de presiune Δp in funcţie de viteza aerului u in diferite faze ale fluidizării materialelor plastice granulare [74],[86],[122].

u

umf

ut

Pat fix

(fară levitaţie)

Pat fluidizat

(triboelectrizare eficientă)

Pat diluatΔ p

Δp

U

(transport pneumatic)

[m/s]

[Pa]

u umf ut

In cazul separării triboelectrostatice a materialelor plastice, granulele diferă ca formă şi dimensiune, iar procesul de triboelectrizare este mai complex. La viteze mai mari ale aerului de fluidizare se formează bule de aer care străbat patul fluidizat (pat cu bule) şi crează o imagine de lichid in fierbere (Fig. 1.9,c.)

Faza de pat pistonat (Fig. 1.9,d.) constă in formarea unor tampoane de aer (pistoane) in interioarul stratului fluidizat, rezultate din unirea bulelor de gaze şi se produce in cazul staturilor prea inalte sau al secţiunii prea mici ale camerei de triboelectrizare.

Atunci când viteza curentului de aer este mai mare decat viteza limită de caderea granulelor, acestea se vor deplasa in sensul curentului de aer (transport pneumatic). Granulele sunt puternic dispersate (pat diluat), ocupând cateva procente din volumul total al amestecului granule-aer aflat in camera de triboelectrizare (Fig . 1.9,e. şi Fig. 1.10.).

In procesul de fluidzare particulele au diferenţe de comportare specifice, ce pot afecta caracteristicile staratului fluidizat. Bazat pe rezultate experimentale, Geldart [122] a propus o clasificare a comportării particulelor la fluidizare (Fig. 1.11.) in 4 grupe A,B,C,D.

Parametrii utilizaţi sunt cruciali pentru proprietăţile de fluidizare: diametrul mediu al particulelor dp şi diferenţa densităţilor masice ale materialului granular şi aerului (γp – γa).

Granulele din grupa C sunt pulberi foarte fine, intre care se manifesta forţe de adeziune ce depaşesc forţa ascensională a curentului de aer, facând fluidizarea foarte dificială. Proprietaţile de fluidizare pot fi imbunatăţite prin mijloace mecanice (agitatoare, vibratoare) sau prin aditivi de fluidizare.

Grupa C

Triboelectrizare dificilă

Grupa A

Fază densă cu apariţia bulelor

Fluidizare cu explozii de bule mici la suprafaţă

Grupa B

Grupa D (materiale plastice)

Fluidizare turbulentă cu explozii de bule mari la

suprafaţă

100

10000

1000

Diametrul particulei dp [μm]

Den

sita

te p

last

ic γ

p –

Den

sita

tea

aer

γ a [

kg/m

3 ]

Fig. 1.11. Diagrama Geldart utilizată la regimul de fluidizare a granulelor de materiale plastice (grupa D) in funcţie de densitatea şi mărimea acestora [74],[122].

Granulele din grupa A au dimensiuni de ordinul 0,1 mm sau densităţi in vrac reduse.

Pe masură ce viteza aerului creşte peste punctul minim de fluidizare, stratul format din

asemenea particule se extinde uniform până se formează bulele la umb > umf . Dacă aerul se

intrerupe brusc, dezaerarea particulelor fluidizate face ca patul sa devină lent.

Granulele din grupa B au dimensiunii şi densităţi medii. Rprezentantul tipic al acestei

grupe este nisipul. Formarea bulelor incepe imediat deasupra punctului minim de fluidizare,

umb≈ umf . Când aerul de fluidizare se intrerupe, patul fluidizat dispare brusc.

Particulele din grupa D au diametrele mai mari de 0.5 mm sau densităţi mari. Bulele

incep să se formeze imediat peste punctul minim de fluidizare, se ridică lent, iar fluidizarea

este turbulentă cu spargerea bulelor mari la suprafaţă. La intrerupea bruscă a aerului de

fluidizare, patul se intrerupe de asemea brusc. In această grupă se incadrează granulele

milimetrice de materiale palastice, iar triboelectrizarea in pat fluidizat se caracterizează prin

explozii de bule mari la suprafată (pat in fierbere).

Instalaţii de separare electrostatică a materialelor granulare.

Studiul procesului de triboelectrizare este factorul cheie pentru aplicarea industrială

cu succes a separării electrostatice în domeniul reciclării materialelor plastice. Separatoarele

electrostatice destinate recuperarii materialelor plastice din amestecuri granulare utilizează

diferite dispozitive de triboelectrizare (Fig. 1.12.) ale căror principii de funcţionare sunt

determinate de modul in care particulele acumulează sarcină.

Dispozitivul de triboelectrizare cu pat fluidizat: are ca mecanism principal de

incărcare cu sarcină ciocnirile dintre particule. După introducerea materialului granular in

camera de triboelectrizare sub acţiunea, jetului de aer provenit de la o turbo-suflanta cu viteza

variabilă, datorită dispersorului de aer, particulele sunt aduse in stare de fluidizare ocupând

intreaga sectiune transversală a camerei de triboelectrizare. Sunt menţinute in această stare un

timp relativ scurt de ordinul minutelor, după care materialul granular incărcat cu sarcină este

colectat int-o cuşcă Faraday pentru determinarea cantităţii de sarcină acumulată.

Pentru a realiza separarea electrostatică a materialului incărcat, acesta va fi lasăt sa

cadă intre un sistem de electrozi alimentaţi in inaltă tensiune. Granulele incărcate pozitiv vor

fi atrase şi colectate la electrodul negativ, iar granulele incărcate negativ la electrodul pozitiv.

Acest tip de separare prezintă şi unele dezavantaje. Dacă materialul granular care urmează a

fi separat nu a acumulat suficientă sarcină in camera de triboelectrizare, forţa gravitaţională

4 0

P la stic o u tp u t

Ieşire aer

Grătar limitare ieşire

granule

Intrare plastic

Distribuitor aer

fluidizareIntrare aer fluidizare

Zonă cu perforaţii

pentru reducerea presiunii

Evacuare plastic electrizat

Acţionare treaptă

evacuare

H =

800

9010

0

CAMERǍ DE TRIBOELECTRIZ

ARE

MODUL DE INTRARE-

IEŞIRE

CAMERǍ DE AER

Fig. 1.12. Principiul de funcţionare al unui dispozitiv de triboelectrizare cu pat fluidizat

utilizat la separarea electrostatică a amestecurilor binare de materiale plastice.

poate fi mai mare decat forţa electrica astfel particulele nu vor mai fi colectate la cei doi

electrozi ci vor cădea in cuvele intermediade. S-au facut unele studii pentru determinarea

traiectoriilor particulelor astfel printr-un sistem de ajutaj granulelor incărcate deficitar să li se

imprime o traiectorie care să le favorizeze in procesul de separare, deşi sistemul funcţionează

nu prezintă fiabilitate in procesul de separare.

a. b.

Fig. 1.13,a. - Separator electrostatic cu cădere liberă ; b. - cele două faze ale separării

triboelectrostatice : triboelectrizarea particulelor şi devierea particulelor electrizate in câmp

electrostatic.

Influenta unidităţii şi temperaturii aerului de fluidizare asupra triboelectrizării unui

amestec binar de materiale plastice.

Metoda de studiu constă in triboelectrizarea amestecului 50%ABS şi 50%HIPS la trei

temperaturi şi patru umidităţi relative ale aerului de fluidizare urmată de devierea in câmp

SIT 75

Sursăinaltă

tensiune

Separatortriboelectrostat

ic

2850

SIT 50

Sursăinaltă

tensiune

+

+

++

+

+

+

Dispozitiv de triboelectrizare

MaterialA

Material B

Amestec A +B

50 kV 50 kV

electrostatic şi analiza distribuţiei masice a celor două tipuri de granule in cutiile colectoare

ale separatorului TESS.

Triboelectrizarea a fost realizată in dispozitivul cu pat fluidizat Fig. 1.12. echipat cu o

camera din PET ecranată cu folie de aluminiu legată la pământ. Camera din PET se comportă

ca şi un amplificator de sarcină a granulelor, deoarece polietilena teraftalată se situează in

seria triboelectrică intre ABS şi HIPS.

Electrozii placă au fost alimentaţi de la 2 surse de inaltă tensiune GAMMA RR 100-

3R, cu parametrii de ieşire 100 kV, 3mA şi polaritate reversibilă.

Reglarea temperaturii aerului de fluidizare s-a realizat prin intercalarea pe traseul de

ieşire al sursei de aer un incălzitor electric construit dintr-o rezisenţă de 300W bobinată şi

alimentată cu o tensiune variabilă de la un autotransformator.

Umiditatea aerului de fluidizare s-a obţinut cu ajutorul unui generator de abur,

compus dintr-o cuvă metalică cu capac glisant in interiorul căruia se afla un recipient cu apă

şi o rezistenţă electrică de 500W, conectată la o priză monofazată. Aburul rezultat prin

fierberea apei este aspirat de o turbosuflantă, iar amestecul omogen aer-abur se introduce

printr-un racord flexibil ca şi aer de fluidizare. Prin modificarea poziţiei capacului glisant al

cuvei generatorului de abur se reglează cantitatea de abur la intrarea turbosuflantei. Aceasta

imprimă o mişcare turbionară amestecului aer-abur in carcasa metalică, cu efecte de

condensare parţială a aburului pe suprafaţa interioară şi răcire a vaporilor de apă. Valoarea

maximă obţinută in instalaţia experimentală a fost RH=90%. Pentru triboelectrizarea

granulelor la RH=15% s-a introdus silicagel granular in cuva turbosuflantei.

a. Influenţa umidităţii aerului de fluidizare.

Efectul umidităţii relative a aerului de fluidizare asupra sarcinii granulelor de ABS şi

HIPS s-a evaluat prin experimente desfăsurate la patru valori diferite ale RH (15-30-45-

60)%. La toate cele patru valori ale umidităţii aerului de fluidizare granulele de ABS s-au

separat. Creşterea umidităţii peste valoarea de 45% reduce semnificativ sarcina de pe granule

datorită inmulţirii particulelor fine de apă din jurul granulelor, care facilitează disiparea

sarcinii superficiale (Fig. 1.8.). Cele mai mari deviaţii ale granulelor in separatorul TESS au

fost inregistrate la umiditatea relativă RH=15%. Totuşi această umiditate favorizează lipirea

granulelor de pereţii interiori ai camerei de triboelectrizare la durate apropiate de 2 min,

fenomen care nu s-a manifestat şi la celelalte umidităţi. Diferenţele dintre extracţiile obţinute

la RH=15% şi RH=30% este nesemnificativă ceea ce duce la concluzia ca pentru granulele de

ABS şi HIPS, cele mai bune separări se obţin după triboelectrizarea in pat fluidizat la o

umiditate relativă a aerului de fluidizare situata in jurul valorii de 30%.

b. Influenţa temperaturii aerului de fluidizare.

Efectul temperaturii aerului de fluidizare asupra sarcinii granulelor de ABS şi HIPS

s-a evaluat prin experienţe desfăsurate la trei valori ale temperaturii aerului fluidizant T(30-

35-40)o C. Creşterea temperaturii aerului are ca efect uscarea şi incălzirea suprafeţelor

particulelor din material plastic, facilitând astfel schimbul de sarcină electrică şi apoi

reţinerea unei cantităţi mai mari de electricitate pe granule. Analiza rezultatelor [Laur]

obţinute conduce la concluzia că cea mai mare deviaţie a granulelor de ABS şi HIPS se

obţine la valoarea temperaturii de 35o C. La temperatura de 40o C şi durata electrizarii

apropiată de 2 minute, unele granule se lipesc pe pereţii interiori ai camerei, ceea ce inseamnă

că sarcina acumulată de acestea este mai mare decât in cazul celor două temperaturi

inferioare. Granulele care au aderat la pereţi nu mai acumulează sarcină electrică, dimpotrivă

cedează o parte peretelui ecranat. Prin dezlipirea de pe camera de triboelectrizare, particulele

mai pierd o pare din sarcina. Aceste motive justifică scăderea uşoară a masei de granule

colectate după triboelectrizarea in flux de aer cu T=40o C.

In concluzie, pentru obţinerea unor separări eficiente a celor două tipuri de materiale,

temperatura aerului de fluidizare ar trebui sa se afle in jurul valorii de 35oC. Această

concluzie este valabilă pentru cazul in care umiditatea aerului se menţine la aproximativ 10%

Pentru valori mai mari ale umidităţii relative, la o durata de triboelectrizare stabilită,

temperatura aerului de fluidizare poate fi crescută până la nivelul la care apare fenomenul de

aderare a granulelor pe suprafaţa interioară a camerei de triboelectizare.

Aceste măsurători au fost făcute in cadrul unei teze de doctorat in co-tutelă intre

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca şi Univesitatea din Poitiers a autorului [Laur] şi

reuseşte să stabilească influenţa unor factori care intervin in procesul de triboelectrizare a

materialelor plastice granulare, temă analizată şi in această lucrare de licenţă.

Sisteme de măsurare a sarcinii electrice.

Studiul proceselor de incărcare cu sarcină a materialelor plastice in separatoarele

electrostatice a impus realizarea unor dispozitive de masură specifice a sarcinilor electrice a

granulelor, care având forme diverse şi dimensiuni ce variază de la cateva sute de micromi la

câţiva centimetrii, vor avea o sarcină superficială care va fi repartizată intr-un mod

neuniform.

In cazul separării electrostatice, unde câmpurile electrice intense sunt utilizate pentru

a „direcţiona” mişcarea granulelor incărcate cu sarcină, este important ca forţele electrostatice

(coulombiene) ce acţionează asupra particulelor să fie mai mari decât cele gravitaţionale,

adică sa fie indeplintă condiţia: Fe>Fg , Q*E>m*g. Pentru un câmp electric de intensitate E

dată şi luând valoarea maximă a sarcinii pe particulă Qmax , se obţine expresia raportului de

forţe:

9)

Unde: este densitatea masică a particulei, iar g acceleraţia gravitaţională. Se observă că

raportul de forţe creşte cu scăderea razei particulei şi a densităţii masice a particulei , sau

cu creşterea câmpului electric la suprafaţa particulei Esupr ce este direct proportională cu

sarcina Q a particulei.

Fig. 1.15. Cuşca Faraday utilizată in experimentele de triboelectrizare a materialelor plastice: a. - construcţie; b. - principiu de funcţionare . 1 - cutie metalică interioară (cuşcă Faraday);

2 – cutie metalică exterioară (ecran electrostatic); 3 – mufă ieşire semnal de măsurare.

Valoarea sarcinii electrice a grupului de particule a fost determinată cu ajutorul unui

dispozitiv special tip cuşcă Faraday (Fig. 1.15.), care constă in principal din două cutii

paralelipipedice conductoare : cutia 1 (cuşca Faraday) izolată faţă de pământ cu un suport

dielectric şi cutia 2 (ecranul electrostatic) legat la pamânt.

Dacă un corp electrizat cu sarcina (+Q) este plasat in cuşca Faraday, pe suprafaţa

interioară a cuştii se induce o sarcină egală ca mărime, dar de semn opus (-Q). Pe suprafaţa

exterioară a cuştii Faraday se separă, conform legii conservării sarcinii electrice, sarcina (+Q)

egală ca mărime şi semn cu sarcina corpului electrizat, sarcină care va migra spre elementul

de masură (electrometru) conectat la mufa de ieşire a semnalului 3. Deoarece câmpul in

interiorul unui conductor inchis şi gol este nul, cutia exterioară va ecrana cuşca Faraday

plasată in interiorul său de câmpurile electrice parazite, fapt ce permite măsurarea cu precizie

a sarcinii corpului electrizat

a. b.

c.

Dacă valoarea capacităţii intre cuşca

Faraday şi ecran este Cintr atunci cuşca va avea pe suprafata ei un potenţial datorat sarcinilor

Q interioare: Uintr=Q/Cintr , potenţial ce poate fi măsurat cu ajutorul unui voltmetru cu

impedanţă mare de intrare. In cazul utilizarii unui electrometru numeric prevăzut cu

Fig. 1.16. Spectrul liniilor de câmp in

cazul unei dispuneri a materialului

plastic granular incărcat cu sarcina

triboelectrică in cuşca Faraday. a.-

material granular dispus in centrul

cuştii, b.- dispunere intr-un colţ, c.-

distribuţia sarcinii pe suprafaţa

esterioară a cuştii pentru 2 pereti

opuşi.

funcţionare in regim de coulobmetru, sarcina se poate măsura direct, circuitul specific de

masură fiind un amplificator cu reacţie negativă capacitivă Fig.1.17. In această situaţie,

sarcina Q de pe suprafaţa exterioară a cuştii incarcă condensatorul de pe reacţia negativă de

capacitate Cref, iar tensiunea indicată la ieşirea amplificatorului va fi:

Uies=Q/Cref (1.10)

Fig. 1.17. Principiul de măsurare a sarcinii triboelectrice

Astfel, pentru schema simplificată a circuitului din Fig.1.17. se pot indica relaţiile de

funcţionare:

[V] ; [F]

(1.11)

Din care rezultă:

[V] ; [C] (1.12)

Având cunoscută capacitatea condensatorului de referinţă Cref de pe reacţia negativă a

amplificatorului operaţional şi măsurând tensiunea Uieş la ieşirea circuitului, electrometrul

calculează produsul celor 2 mărimi, rezultatul fiind exact valoarea sarcinii de intrare in

circuit, adică sarcina electrică a particulelor colectate in cuşca Faraday.

Aparatele de masură cel mai frecvent utilizate pentru determinarea precisă a sarcinii

electrice a materialelor granulare sunt electrometrele. Aceste aparate permit măsurarea

curenţilor, tensiunilor şi sarcinilor electrice incepând de la valori foarte mici, necesare mai

ales in cazul măsurătorilor electrostatice unde se lucrează cu curenţi şi sarcini ce nu depăsesc

valori de ordinul microamperilor sau nanoculombilor.

Electrometrele sunt in general multimetre de curent continuu foarte rafinate, fiind

caracterizate de o rezistenţă mare de intrare şi sensibilitatea curentului marită. Ele sunt

instrumente ideale pentru măsurarea sarcinii electrice, tocmai datorită curenţilor mici de

offset (curenţi datoraţi efectelor tribo sau piezo din circuitele de masură) şi a rezistenţei mari

de intrare ce nu permite scurgerea sarcinii electrice.

Electrometrele pentru măsurarea sarcinii particulelor de material utilizat in lucrarea de

faţă a fost KEITHLEY 6514 (Fig. 1.18. ).

Fig. 1.18. Electrometru digital KEITHLEY 6514.1- afişaj; 2- buton „shift „ pentru setarea

modului de măsurare: direct sau prin intermediul unui IV; 3- buton „power”; 4- buton

selectare mărime masurată; 5,6- butoane navigare meniu; 7- ...; 8- mufă conector IEEE 488;

9- mufă RS 232; 10- ....11- mufă alimentare tensiune alternativă.