感应荷电对静电特点的影响

本文作者：王军锋 王泽 霍元平 毛文龙 张娟娟 单位：江苏大学能源与动力工程学院

静电雾化是在静电力的作用下，液体破碎成带电小液滴的过程．由这种静电参与的雾化和其他雾化相比，具有其独特的优点:例如产生的液滴粒径更小，可达纳米量级;液滴分布更均匀，且单分散性强;雾化流场因受电场的影响，可控性强;沉积效率高，等等，因此被广泛应用于喷涂、除尘、薄膜制备和农药喷洒等领域［1－3］．静电雾化的效果在很大程度上取决于液滴所带的荷电量，而表征液滴荷电能力的参数是荷质比．荷质比是预测荷电液滴运动行为最关键的参数［4］，但迄今为止，关于荷电电压、介质物性对荷质比影响的系统性研究在国内还未见报道．对于孤立液滴，由于其带电量很少，现有的试验仪器很难对其定量测量，荷电效果主要借助于理论分析．对于荷电喷雾所形成的群体荷电液滴，由于液滴数量太多，且相互之间会发生作用，试验测量的荷质比也不能较好地反映液滴的荷电能力．针对这一情况，文中基于毛细管－环状感应电极下液体的静电雾化研究，对微流量条件下液滴的荷质比进行测量，探讨荷电电压、介质的物性参数(黏度、表面张力、电导率)对荷质比的影响，揭示介质物性对静电雾化特性的影响规律，为改善和开发不同场合的静电喷雾系统提供重要依据和指导．

1试验装置与试验方法

1．1试验装置试验装置有静电雾化装置和荷质比测量装置．静电雾化装置由高压静电发生器、调节阀、环状电极(半径3．5cm)、微量注射泵(ATIOrionM361)、电压表(Q3-V型)、金属毛细管、导线组成．微型注射泵精确控制溶液流量，环状电极内嵌在绝缘外层的前端，毛细管下端管口距电极环距离为3cm，高压静电发生器通过导线与电极环相连接，毛细管接地，液体流经毛细管时形成液滴，当液滴经过由毛细管和环状电极形成的电场时，会发生变形和破碎．荷质比测量装置如图1所示，包括:ZWB－1型直流微电流表(最小量程2nA)、秒表、集液筒、水槽等．试验中采用目标网状法测量液滴的荷质比，法拉第筒内布置3层铜网，放置在距电极环12cm处．当荷电液滴与铜网接触后会与大地形成回路，并产生微电流，用精密皮安表读出此电流，然后计算得到荷质比．

1．2试验方法利用微量注射泵控制试验溶液的流量，用高压发生器及电压读数仪控制所加荷电电压，确定一段时间内微电流的数值是准确计算荷质比的关键．试验中，在不同电压下，1min内读取6次电流值;每次试验完毕后充分放电，重复做6次，然后进行平均计算．在大气中，微流量液体的静电雾化易发生卷吸现象，为了保证法拉第筒收集到全部的雾化液滴，将液体雾化模式保持在滴状模式和锥射流模式．液滴的变形与破碎是一个复杂的过程，既包括力学性能又包括荷电性能，而液滴达到破碎条件所需要的荷电量在很大程度上取决于介质的物性．Maski等［5］在试验研究中发现液体的静电雾化与其本身的密度、黏度、表面张力、介电常数、电导率有密切的关系．为了具体研究介质物性因素对静电雾化特性的影响规律，文中通过选用2种或3种某一物性参数差别很大，其他物性差别不大的介质，在毛细管-环状感应电极配置条件下对各种介质静电雾化后，液滴的荷质比进行测量计算，分析了荷电电压、黏度电导率、表面张力对荷质比的作用规律．所选介质的物性参数见表1，试验环境温度21℃，相对湿度为28%;表中ρ为密度，μ为动力黏度，γ为电导率，σ为表面张力．

2试验结果与分析

2．1物性参数对荷质比的影响试验和研究证明液滴所带的荷电量很大程度上取决于液滴所形成的时间与电荷荷电弛豫时间的比［6］;对于电解质，荷电弛豫时间是瞬时的，因此荷电量主要由液滴所形成的时间来控制．从表1中水、5%NaCl溶液和50%LiBr溶液的物性参数来看，电导率有明显的差别，其他参数相差不大，因此电导率是不同介质荷质比形成差异的主要原因．这3种介质在不同电压下的荷质比测试结果见图2，图中U为荷电电压，d为毛细管管径，q1为介质流量。由图2可知:同一电压下，50%LiBr溶液的荷质比明显高于水和5%NaCl溶液，并且50%LiBr溶液的荷质比曲线随电压升高得更快．这表明:在微流量条件下，介质的电导率越高，越容易荷电，相同状况下荷质比曲线随电压升高得越快．此外，水和5%NaCl溶液的黏度、密度和表面张力差别很小，说明两种介质液滴所形成的时间基本一样，相同情况下，荷电时间相差无几，因此荷电量主要取决于电导率．两种介质的电导率相差近200倍，由图2显示的荷质比变化趋势却差别很小．水和5%NaCl溶液电导率差别虽大，但都是低电导率介质．这说明当介质的电导率比较小时，荷电电压对荷质比起主导作用，电导率对荷质比影响甚微．液体的静电雾化实际上是电场力与表面张力、黏性力相互作用的结果．黏性力不仅阻碍液滴的变形，还会影响雾滴的破碎，反过来又会影响雾滴的荷电量．黏度对荷质比的影响是通过生物柴油和硅油的荷质比来比较的，常温下这两种介质黏度相差很大，其他物性参数相差甚小，所以黏度是造成试验结果差异的最主要的参数．图3为不同黏度下，荷质比与荷电电压的关系图．由图可知:同一荷电电压下，黏度较小的生物柴油的荷质比明显高于硅油的荷质比，并且两者的荷质比与荷电电压呈明显的正比关系．这表明黏度在液滴静电雾化过程中起到抑制作用，是影响液滴荷质比的重要参数。由式(2)可知，液滴的最大荷电量是表面张力和粒径的函数．理论上，表面张力越大，液滴所带的荷电量就越多．由图1可知，在微流量下，小的电导率对荷质比的影响很小，因此在试验中忽略50%甘油溶液的电导率对荷质比的影响．从物性参数上，表面张力成为影响50%甘油溶液和硅油2种介质荷质比的重要因素．图4显示了2种溶液不同电压下荷质比的对比结果．试验结果表明:表面张力较高的50%甘油溶液其荷质比明显高于硅油，并且两者近似成正比关系，这与Wilson［8］在早期研究报告中介绍的在一定条件下液滴表面所带的电荷与表面张力成一定比例关系的结论相符，证明了理论分析的正确性．因此在静电雾化过程中，静电力克服表面张力使雾滴破碎;表面张力越大，液滴破碎前所达到的临界荷质比也越大．

2．2荷电电压对介质荷质比的影响Almekinders等［9］在1992年就发现孤立液滴的荷电量在达到瑞利极限以前，荷电电压对液滴的荷电量发挥着至关重要的作用．为了研究荷电电压对液滴荷质比产生的影响，文中对多种不同介质在不同荷电电压下的荷质比进行了比较，结果如图5所示．由图5可知:微流量条件下，在一定荷电电压范围内，介质的荷质比随荷电电压的升高而增大，并近似呈线性关系．这一试验结果与Joshua等［10］早期研究的试验结果一致．这是因为在同一流量情况下，电压越高，雾化越充分，产生的小液滴越多，使其在电场中的雾化面积大大增大，荷电效果增强，最终使液滴的荷质比提高．此外图5还显示，对于不同的介质，荷质比随荷电电压增长的速率也不同，这说明液滴的荷质比与介质的物性参数有着密切的联系．

3结论

1)在毛细管-环状电极的感应荷电中，液滴的荷质比与荷电电压呈正比关系，电压越高，液滴荷电后所带的荷电量越大．介质的电导率越高，荷质比随荷电电压增大的速率越快，但当介质的电导率不很大时，对荷质比的影响很小．2)介质的黏性和表面张力对液滴的荷质比有重要影响:同一电压下，黏性越大，荷质比越低;表面张力越大，荷质比越高，并且两者与荷电电压近似呈线性关系．3)液体的静电雾化是一个涉及电场力和流体力的复杂问题，静电雾化特征是多重因素相互作用的结果，介质的物性参数对荷质比有重要影响．试验研究结果可为充分利用荷质比增加的因素，改善静电喷雾在不同场合的应用，提供重要指导和依据。