Трибоелектризація
Процес зарядки потоку порошкової фарби в трибостатичному розпилювачі грунтується на терті частинок фарби з заряджаючою поверхнею всередині розпилювача та між собою.
Трибоелектризація порошкової фарби відбувається в так званій «зоні тертя». Ця зона досить неоднорідна через те, що різні порошкові фарби мають різну дисперсність. У цій зоні частинки порошкової фарби стикаються між собою й труться об зарядні поверхні трибопістолету. В результаті частки порошкової фарби набувають заряд однієї полярності, а на зарядній поверхні розпилювача утворюється заряд протилежної полярності.
Умовна сумарна площа, де відбувається взаємодія порошкової фарби з заряджаючою поверхнею, особливо важлива для процесу тертя, так як ступінь зарядки фарби залежить від:
– діаметру каналу і дисперсності порошкової фарби;
– фізичних параметрів порошкової суміші, її рух (наприклад, важлива швидкість суміші на вході в зарядну трубку);
– шляху, який проходять частинки порошкової фарби уздовж осі каналу.
Зарядка порошкової суміші також залежить від матеріалу, з якого виготовлений розпилювач.
З огляду на ці фактори можна сказати, що заряди окремих частинок порошкової фарби можуть відрізнятися між собою, але всі вони знаходяться в певних межах.
Система трибостатичної зарядки
Дослідження технологічних функцій такого фізичного процесу як тертя є однією з основних задач трибостатичної системи. Вхідними параметрами, які дозволяють описати ступінь зарядки порошкової фарби в системі трибостатичної зарядки є:
- рух частинок порошкової фарби в каналі нерухомого діелектричного циліндра;
- багаторазовий контакт частинок порошкової фарби (для спрощення приймаємо, що кожна частка має форму кулі) певної маси (m) з внутрішньою поверхнею циліндра;
- відстань між розпилювачем та виробом;
- кліматичні умови навколишнього середовища (вологість повітря, а також температура суміші повітря-порошок).
У той же час вихідними параметрами, які описують ступінь зарядки порошкової фарби в аспекті вибухонебезпечності є:
- ступінь наелектризованості потоку частинок порошкової фарби в місці їх вильоту з трибостатичного напилювача;
- рух заряджених частинок в камері напилення, що може привести до утворення вибухонебезпечної суміші;
- параметри витяжної вентиляції;
- інтенсивність напилювання порошкової фарби на виріб, що фарбується (продуктивність процесу).
Це досить складна для точного рішення система різних параметрів й факторів, особливо якщо ми шукаємо критичний стан системи трибостатичної зарядки.
Функціональні властивості системи трибозарядки, а також можливі загрози залежать від:
- типу матеріалів, які взаємодіють між собою під час проходження порошкової фарби через зарядну трубку (тут особливу роль відіграє їх діелектрична проникність);
- виду розпилювальних насадок і дефлекторів;
- відстані між пістолетом-розпилювачем й деталлю, що фарбується;
- напруги поля E в зоні напилення.
Елементарна будова частки порошкової фарби
Під час тертя діелектрики обмінюються електронами, в результаті чого здійснюється передача електричного заряду. Стан наелектризованості (в разі системи з двох тіл, між якими відбувається тертя) не залежить від того, який з матеріалів знаходиться в русі, а який – в спокійному стані. Величина потенціалу, який характеризує стан наелектризованості на поверхні частинок порошкової фарби, залежить від типу матеріалу. Також ця величина залежить від положення матеріалів в так званому трибоелектричному ряду. Якщо частка порошкової фарби виготовлена з матеріалу, який має бiльшу діелектричну постійну, ніж діелектрична постійна матеріалу, з якого виготовлена зарядна трубка, то на зовнішній поверхні частинки порошкової фарби накопичується позитивний заряд. У той же час на внутрішній поверхні трибостатичного розпилювача накопичується негативний електростатичний заряд.
Ступінь електризації значно збільшується в разі використання полярних полімерів (в порівнянні з неполярними). Цей ефект грунтується на молекулярній будові та мікрогеометрії поверхні частинок полімерів. (У цій статті ми не будемо згадувати порошкові фарби з інших матеріалів, які рідко використовують в технології покриттів).
Властивості окремої молекули полімеру, як основної складової частки порошкової фарби, залежать від її будови і є наступними:
А. Характерні особливості будови молекули неполярного полімеру:
- має неполярні зв’язки;
- є симетричною;
- між різними атомами, з яких складається молекула, існує ковалентний зв’язок;
- частка є електрично нейтральною (має однакову кількість позитивних та негативних зарядів);
- центр ваги позитивного і негативного зарядів збігається.
Б. Характерні особливості будови молекули полярного полімеру:
- центр ваги позитивного заряду не збігається з центром ваги негативного заряду;
- частка є електрично нейтральною, якщо складається з однакової кількості позитивних та негативних зарядів, але ці заряди розміщені несиметрично;
- полімер, що складається з полярних частинок, має велику діелектричну постійну;
- ступінь полярності збільшується, якщо атоми, що входять до складу молекули, здатні притягувати електрони.
Полімери є основним компонентом для виробництва термоотверджуючих порошкових фарб. Тому таке розмаїття характеристик порошкових матеріалів ускладнює точне визначення можливої електростатичної загрози в фарбувальних цехах.
Трибостатична зарядка в каналі пістолета напилювача
У трибостатичних пістолетах напилювачах джерелом електризації є взаємне тертя частинок порошкової фарби між собою й заряджаючою поверхнею всередині розпилювача. Ефективність цього методу залежить від вологості повітря. У разі вологості повітря нижче 50%, потік частинок порошкової фарби досить наелектризований, щоб забезпечити задовільне напилення.
Область зниженого тиску, яка виникає в ежекторі за рахунок подачі iнжекцiйного повітря крізь маленький отвір, дозволяє засмоктувати псевдокиплячу порошкову суміш зі спеціальної ємності. Отримана суміш після виходу з ежектора подається за допомогою шланга на пістолет розпилювач. Подача порошкової фарби часто регулюється ще одним потоком повітря, який додатково вводиться в ежектор.
Частинки порошкової фарби, які рухаються всередині зарядної трубки, отримують електричний заряд. У місці вильоту порошкової фарби з трибостатичного розпилювача, заряджені частинки рухаються в напрямку заземленого виробу по траєкторіях, які наближені до ліній поля Е. Ступінь зарядки потоку порошкової суміші залежить від:
- типу порошкової фарби;
- довжини зарядної трубки;
- діаметра зарядної трубки;
- типу матеріалу, з якого виготовлена зарядна трубка;
- форми розпилювальної насадки;
- вологості повітря (%).
Рух повітряно-порошкової суміші всередині зарядного каналу певної форми і з певними електростатичними властивостями пов’язаний з багаторазовими змінами траєкторії руху кожної окремої частки порошку. Це результат постійних ударів між собою частинок порошкової фарби. Навіть нетривала взаємодія між собою двох різних діелектриків призводить до виникнення на їх поверхнях однакового за величиною, але різного за полярностю електростатичного заряду. Різна полярність зарядів призводить до виникнення різниці потенціалів між окремою часткою порошкової фарби і матеріалом зарядної трубки.
Висока вологість (%) повітря знижує ступінь наелектризованості порошкової фарби.
Потік наелектризованих частинок в камері нанесення
Стан і ступінь наелектризованості потоку частинок порошкової фарби в робочій зоні камери напилення залежить від:
- швидкості частинок порошкової фарби всередині зарядної трубки;
- середньої маси окремої частки порошкової фарби;
- стабільності параметрів навколишнього середовища (температури і вологості);
- діаметру каналу зарядної трубки та його геометричної форми (щілини, спіральні канали тощо);
- матеріалу та форми шлангу.
Виникнення на поверхні матеріалів, між якими відбувається тертя в зарядному циліндрі, електростатичного заряду робить також вплив на заряджені частинки порошкової фарби в камері напилення. Важливий також ефект посилення ступеня електризації по всій довжині зарядного каналу. Це особливо стосується спіральних каналів. Недостатньо дослідженим є явище зарядки порошкової фарби під час вильоту з розпилювальних насадок, які так люблять розміщувати конструктори пістолетів розпилювачів. Як відомо, в залежності від типу насадки можна отримати факел конічної, плоскої або спіралевидної форми.
Факел, що складається з заряджених частинок порошкової фарби й повітря, на вильоті з трибостатичного пістолета-напилювача можна прийняти за об’ємно-заряджену кулю. Відповідно до законів кібернетики, ефективність системи трибостатичної зарядки залежить від взаємодії частинок порошкової фарби всередині пістолета-напилювача і негативних зовнішніх чинників (наприклад, гравітації, витяжної вентиляції, забруднення повітря, кабіни і т.п.)
Потік заряджених частинок порошкової фарби, який рухається в робочій зоні напилення від пістолету-розпилювача до виробу, що фарбується, є носієм в повітрі електростатичного.
Методи оцінки загроз в системі трибозарядки
Для оцінки загроз були проведені вимірювання й тести, які дозволили виявити можливість виникнення небезпечних ситуацій.
Трибозарядка в лабораторних умовах
Фактор, який призводить до виникнення електричного заряду – порошково-повітряна суміш.
Елементи, які піддаються електризації в системі трибозарядки:
- Модельована ділянка зарядної трубки – діелектрична трубка, окрема частина трибостатичного пістолета-напилювача. На внутрішній поверхні цієї трубки проводилось вимірювання потенціалу Vp.
- Металевий виріб, що фарбується. На поверхні ізольованого виробу відбувався вимір напруги поля Е. Провівши дослідження, було з’ясовано, що ступінь електризації незаземленого вироба і неметалевих елементів під час напилення не є загрозою для вибухобезпеки технологічного процесу. У разі трибостатичного напилення між розпилювачем і пофарбованим виробом не створюється сильного електричного поля, хоча потенціал на неметалічному предметi досить високий. Потужності умовних джерел енергії явно недостатньо для виникнення іскри. Відомо, що локально виступаючі потенціали U (2,2 кВ) можуть привести до виникнення розряду, але іскри не виникають на кордоні діелектричних матеріалів.
Трибозаряд в виробничих умовах
Час проведення вимірювання потенціалу Vp – 10 хвилин після початку напилення порошкової фарби. Тиск стисненого повітря, який подавався разом з порошковою фарбою, через зарядну трубку трибостатичного пістолету p = 0,4 Mpa. Виміри проводилися безпосередньо на поверхні неметалевих виробів, в місцях підвищеної небезпеки.
Виміряні значення потенціалу на елементах триборозпилювачів не перевищували 8 кВ, що є критичним значенням при моделюванні вибуху в пиловiй атмосфері.
Винятком серед неметалевих виробів є середня частина шлангу для транспортування потоку фарби, яка представляє реальну загрозу в процесі використання. Тому необхідно припинити використовувати матеріали, які в трибоелектричному ряду з порошковими фарбами не дають сильного ефекту електризації. Деякі виробники пістолетів використовують металеві пружини, вбудовані в шланг. Можна з упевненістю сказати, що проектувальники фарбувальних дільниць дуже часто не звертають увагу на цю потенційну загрозу.
Можливість виникнення іскрового розряду в процесі трибозарядки в лабораторних умовах
Об’єкт, який призводить до виникнення електричного заряду – порошково-повітряна суміш. Порошкова фарба, що подається за допомогою стиснутого повітря, має максимальний тиск 0,6 МРа (промислові умови).
Елементи, які заряджаються в системі трибоелектризації:
- Зарядна трубка – неметалічна трубка, окрема частина трібостатичного пістолета-напилювача. До поверхні трубки наближають електрод – джерело іскрового заряду.
- Забарвлюваний металевий предмет. До поверхні ізольованого металевого предмета наближають електрод – джерело іскрового заряду.
Камера, в якій знаходиться зарядна трубка і фарбується металевий предмет, була наповнена аерозолем, що складається з частинок порошкової фарби. Енергія спалаху такої суміші становила 5 МJ.
Серія експериментів по оцінці можливості загоряння була проведена за допомогою чотирьох видів діелектриків, які використовувалися в заряднiй трубці, і двома видами порошкової фарби. Тест тричі повторювали для кожної пари матеріалів, що не проводять електричний заряд. Під час проведення експерименту контролювалися й регулювалися кліматичні умови. У процесі дослідження було зареєстровано один випадок загоряння газової суміші, що тестувалася.
Займання сталося під час проведення оцінки на можливість вибуху внаслідок іскрового заряду.
Представлені результати вказують на те, що назва трибозарядки є умовним поняттям. Значення потенціалів головним чином залежать від вибору неметалевих матеріалів та способу отримання зарядки. Це пов’язано з постійною зміною порошкових фарб, що використовуються, а також випадковим використанням дiелектричних неметалевих виробівів та існуючими погрозами.
Беручи до уваги те, що в умовах напилювання порошкової фарби всередині кабіни загоряння утвореного аерозолю може привести до
катастрофічних наслідків, за безпечне значення прийнято 8 кВ, а ємність людини – 200 пФ.
На підставі проведених лабораторних досліджень здатності загоряння вибухонебезпечної газової суміші з кордоном загоряння 5 мДж слід, що стан наелектризованості неметалевих виробів в системі трибозярядки може створити загрозу вибуху, якщо потенціал значно перевищить значення 8 кВ.
Броніслав Велюха
Головний інститут гірничої промисловості
Експериментальна шахта «Барбара»
Відділ вибухобезпеки
(Польща)