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Efecto de la triboelectricidad en el empaquetamiento de medios granulares.

Pérez Vaquero, Javier

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EFECTO DE LA TRIBOELECTRICIDAD EN EL EMPAQUETAMIENTO DE MEDIOS GRANULARES Programa de do torado: Cienias y Tenologías Físias FACULTAD DE FÍSICA Javier Pérez Vaquero Grup o EHD-CGM Dpto. de Eletrónia y Eletromagnetismo Efeto de la Triboeletriidad en el Empaquetamiento de medios granulares Memoria presentada p or Javier Pérez Vaquero para optar al grado de Do tor Departamento de Eletrónia y Eletromagnetismo Faultad de Físia Universidad de Sevilla Dotorando: Javier Pérez Vaquero Diretor de Tesis: Miguel Ángel Sánhez Quintanilla Profesor Titular de Universidad Diiembre 2017 A mis padres Índie Agradeimientos v Prefaio vi Lista de símb olos x 1. Intro duión 1 1.1. Series trib o elétrias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2. Densidad de arga en partíulas . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3. Efeto de la humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4. Meanismos de arga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4.1. Meanismo eletrónio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4.2. Meanismo iónio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5. Fuerzas entre partíulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5.1. Imp ortania relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5.2. Fuerzas elétrias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia 15 2.1. Intro duión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Equip o y pro edimientos de medida . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1. EFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.2. KFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.3. Resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3. Carga en p olvos disp ersados 31 3.1. Intro duión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2. Monta je exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. Euaiones para el análisis de arga . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.2. Pro edimiento de medida . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3.3. Inertidumbre en la medida . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 iv Índie 3.4.1. Distribuión de tamaños de partíula . . . . . . . . . . 53 3.4.2. Distribuión de arga en partíulas . . . . . . . . . . . 58 3.4.3. Mo delo de distribuiones de arga . . . . . . . . . . . 66 3.5. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4. Límites de arga en sólidos granulares 71 4.1. Intro duión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2. Monta jes exp erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2. Inertidumbre en la medida . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.3.1. Carga en materiales disp ersados . . . . . . . . . . . . . 80 4.3.2. Carga en materiales sedimentados . . . . . . . . . . . 85 4.3.3. Mo delo eletrostátio simple para desarga de materiales durante la sedimentaión . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.4. Mo delo para la desarga de una mono apa innita de p olvo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3.5. Comparaión entre mo delo de apa argada y resultados exp erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5. Condutividad en sólidos granulares 99 5.1. Intro duión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Monta je exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.2.2. Pro edimiento de medida . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.2.3. Inertidumbre en la medida . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.3.1. Condutividad elétria . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.3.2. Mo delo de ondutividad sup erial . . . . . . . . . . 114 5.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida 119 6.1. Intro duión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2. Monta je Exp erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.2.1. Pro edimiento e inertidumbre en la medida . . . . . . 126 6.3. Materiales y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Conlusiones 133 Bibliografía 136 Publiaiones relaionadas on la tesis 150 Agradeimientos Agradezo en primer lugar a don Antonio Castellanos Mata, p or haer p osible mi llegada al grup o de investigaión y ser un notable diretor de tesis siempre que pudo. El ontato profesional on p ersonas omo Antonio p ermite atisbar ómo traba ja una mente investigadora de primera línea y qué signia un ono imiento ientío profundo. Miguel Ángel Sánhez Quintanilla se sitúa omo gura entral en mi traba jo de tesis. De él surgen la mayoría de ideas que alguna vez se mostraron exitosas en nuestro traba jo. Nada le obligaba a ser un diretor tan disp onible y dispuesto a ayudar y guiarme salvo su predisp osiión p ersonal. Siempre auto y suspiaz on los resultados exp erimentales, es exigente en onseuen- ia on el traba jo de lab oratorio en general, aunque llegas a entender que es solamente una fraión de lo que se pide a sí mismo a diario. El siguiente agradeimiento es para mis ompañeros y amigos José Manuel Pérez Ebrí y Franiso José Gómez Aguilar, on quienes ompartí lo bueno y menos bueno del día a día y las aniones del momento. Mi gratitud al grup o ompleto EHD-CGM del departamento de Eletró- nia y Eletromagnetismo, en el que nuna faltó la olab oraión y ayuda desinteresada, tanto en las uestiones que uno pudiera tener omo en el préstamo de equip os e ideas on los exp erimentos. Muestro on orgullo hab er p erteneido a un grup o investigador de su nivel. Por último agradeimientos a don Diego Maza en partiular y al grup o de medios granulares de la universidad de Navarra en general, on quienes disfruté tiemp o de lab oratorio y haia los que sentí una sana envidia profesional. xii Lista de Símb olos w Traba jo de adhesión sup erial J/m2 Capítulo 2 φ, ∆φ Fase y desfase del movimiento de osilaión de la miropalana rad ωac Freuenia del p otenial elétrio alterno entre punta y sustrato rad/s ωres Freuenia del pio de resonania de la miropalana libre rad/s a, l Longitudes de los lados del área retangular de esaneo m b, B, h Dimensiones araterístias de la seión transversal de la miropalana m C Capaidad elétria del sistema punta-sustrato F fo, ωo Freuenias del movimiento de osilaión forzado de la miropalana Hz Felec Fuerza de interaión elétria entre punta y sustrato N h Distania vertial entre miropalana y sustrato m kN Constante elástia de la miropalana N/m kN Valor medio de la onstante elástia de la miropalana N/m L Longitud de la miropalana m Q Fator de alidad de la miropalana Vac, Vdc Poteniales elétrios entre punta y sustrato V Vcpd Potenial de ontato V Capítulo 3 δ Esp esor de apa límite m η Visosidad dinámia de un uido Pa ·s ρ Densidad del uido kg/m3 ρp Densidad del material que forma la partíula kg/m3 θ Desfase entre el movimiento de la partíula y el amp o elétrio apli- ado rad dp Diámetro de partíula m Eo Amplitud del amp o elétrio V/m Lista de Símb olos xiii f, ω Freuenia y freuenia angular del amp o elétrio y del movimiento osilatorio de la partíula en la direión x Hz, rad/s fps Velo idad de adquisiión de ámara s−1 m Masa de la partíula kg ˙m Flujo másio kg/s q Carga elétria en la partíula C qi Carga media aritmétia p or partíula C qm Carga media p or unidad de masa en la partíula C/kg qsup Carga media p or unidad de sup erie en la partíula C/m2 R Radio m Rae, Dae Radio y diámetro aero dinámio m uterm Velo idad terminal en un uido m/s xo Amplitud estaionaria del movimiento en la direión x m Ao ux Amplitud de la velo idad de la partíula en el eje x m/s Capítulo 4 φ Fraión sólida del p olvo ρ, qmr Carga esp eía C/kg ρp Densidad de la partíula kg/m3 σ Condutividad elétria del p olvo S/m dp Diámetro de una partíula m Er Camp o elétrio de rotura del gas V/m k Constante dielétria msedim Masa de muestra reogida en la elda kg mdisp Masa de muestra inyetada al sistema desde el Venturi kg mp Masa de una partíula kg qsedim Carga remanente en ada partíula en la elda C qdisp Carga que ada partíula adquiere en el trib o argador de aero C xiv Lista de Símb olos Qdisp Carga total que adquiere la muestra en el trib o argador de aero C Qsedim Carga total que de la muestra reogida en la elda C Capítulo 5 γ Resistividad elétria m/S φ Fraión sólida del medio granular σ Condutividad elétria S/m τ Tiemp o de rela jaión de arga s G Condutania elétria S k Constante dielétria h Altura apa de p olvo, separaión entre eletro dos m I Intensidad de orriente a través de la elda de medida A Ia Intensidad de orriente a través del pioamp erímetro A Id Intensidad de orriente a través de los dio dos A Rmaterial Resistenia elétria del material Ω Rin Resistenia elétria interna del generador de alto p otenial Ω Rp Resistenia elétria en el iruito protetor Ω Rv Imp edania de entrada del voltímetro y sonda de alto p otenial Ω S Área o seión de los eletro dos m2 V Diferenia de p otenial entre eletro dos de la elda de medida V Capítulo 6 α Aeleraión en la elda m/s2 ε Porosidad del medio granular ε Permitividad elétria del gas F/m Γ Parámetro de aeleraión φ Fraión sólida del medio granular ρm Densidad del medio granular kg/m3 ρp Densidad de la partíula kg/m3 Lista de Símb olos xv Ao Amplitud de movimiento vertial en la elda m dp, rp Diámetro y radio de partíula m D Diámetro de elda m f, ω Freuenia y freuenia angular de vibraión de la elda Hz, rad/s h Altura del sedimento m Iin, I′ in Intensidades de orriente de entrada y salida del ampliador lo k-in A mp Masa de una partíula kg Mg Masa del gas en un volumen de medio granular kg Mp Masa del total de partíulas en un volumen de medio granular kg Msedim Masa del sedimento kg q Carga elétria en la partíula C Vacel Diferenia de p otenial en el aelerómetro V Zin Imp edania de entrada del ampliador lo k-in Ω xvi Lista de Símb olos Capítulo 1 Intro duión La trib o eletriidad se presenta siempre que dos sup eries entren en ontato, indep endientemente de la naturaleza de los materiales y del mo do en que ontaten. Por tanto es un fenómeno ubiuo en la naturaleza e históriamente ono ido, del que se suele itar el siglo VI I a.C. (Tales de Mileto) omo el primer registro de la atraión de p olvo p or una barra de ámbar que ha sido frotada previamente on un trozo de tejido. Esto o urre p orque al separar la barra y el tejido queda una arga elétria neta en ada uno de los uerp os, iguales en magnitud y opuestas en signo. El fenómeno se observa para ualesquiera tip os de materiales, ya sean idéntios o no, y no neesariamente sólidos, pues un líquido dielétrio uyendo en una tub ería también puede generar arga elétria. La transferenia de arga o urre a través de las sup eries de ontato. A p esar del abundante traba jo exp erimental disp onible, las prinipales razones p or las que la generaión de arga eletrostátia p or ontato no es una disiplina madura a día de hoy son el gran número de variables que afetan al pro eso -ondiiones ambientales, omp osiión químia, defetos y estrutura sup erial, tiemp o y velo idad de ontato- y el amplio rango de esalas de tiemp o y espaio impliadas: t < 1 ns para transiiones eletrónias y t∼1 s para la duraión del ontato, ∼ nm para dimensiones atómias y µ m-mm para el tamaño de partíulas [4, 6, 7℄. Esto da lugar a una notoria irrepro duibilidad en los exp erimentos que no hae p osible predeir la arga elétria tras un evento de ontato, enontrándose a vees resultados ontraditorios en la literatura. Inluso on los obstáulos que se presentan, existen apliaiones plenamente desarrolladas que haen uso de la trib o eletriidad; la más imp ortante p or volumen y freuenia de uso sin duda es la impresión xerográa [8℄, en la que el tóner usado para imprimir está adherido a la partíula p ortadora o arrier p or fuerzas trib o elétrias. Las pistolas trib o elétrias para aplia- ión de pinturas y reubrimientos en p olvo [911℄ ompiten en la industria frente a las más implementadas pistolas de desarga orona. La separaión eletrostátia en residuos plástios y minerales [12 16℄ también uenta on 2 Capítulo 1. Intro duión Figura 1.1 apliaiones omeriales. A esala de lab oratorio se tiene la medida de ujos másios en sistemas neumátios de transp orte de p olvos p or su relaión on la orriente elétria induida en el tub o de transp orte [17℄. 1.1. Series trib o elétrias A p esar de las diultades teórias existen araterístias p ersistentes entre pares de materiales que p ermiten lasiarlos ualitativamente de manera seuenial, de mo do que un material dado obtendrá arga negativa o p ositiva según su p osiión en la serie resp eto al otro material. Aunque las series se muestran sorprendentemente robustas a p esar de provenir de diferentes lab oratorios on distintos proto olos y méto dos de preparaión de materiales, el autor que auñó el término serie trib o elétria (Shaw, en 1917 [18℄) ya observó uno de sus puntos débiles, la p osibilidad de organizar iertos materiales en una serie ília. Otros motivos de rítia son que 1.- dos materiales pueden obtener un signo de arga ontrario al esp erado si están situados en p osiiones eranas en la serie, y que 2.- materiales idéntios también obtienen arga eletrostátia si se p onen en ontato mutuo. Díaz y Felix-Navarro [19℄ haen una notable revisión bibliográa de series trib o elétrias en la que inluyen atualizaiones para nuevos materiales. Parte de una atualizaión p osterior sobre este artíulo, de Go o ding y Kaufman [20℄, aparee en la gura 1.2, y señalamos algunos materiales on los que se ha exp erimentado durante el proyeto de tesis. En general, materiales ondutores on una funión traba jo p equeña, o aislantes de aráter hidrofílio, on alta basiidad de Lewis o que tengan grup os donadores de eletrones se sitúan más era de la parte sup erior de la serie, donde los materiales adquieren arga p or ontato p ositiva. Lo ontrario también es apliable, prueba de ello es que la mayoría de series sitúan al p olitetrauoro etileno (PTFE) y p oliloruro de vinilo (PVC), amb os on un gran aráter aeptor de eletrones, en la parte más negativa. Los materiales de aráter hidrófob o -omo p olietileno y PTFE- también tienden a o upar p osiiones eranas a la base. Comparando on nuestros resultados la serie de la gura no predie siem- 1.1. Series trib o elétrias 3 Figura 1.2: Serie trib o elétria (Go o ding y Kaufman, [20℄). Con ehas se indian materiales que se han usado en esta tesis. Dentro de un uadrado, una serie ília en la que no hay extremo p ositivo ni negativo. 4 Capítulo 1. Intro duión pre el signo de la arga. Aierta p or ejemplo uando en uno de los monta jes se hizo impatar partíulas de PMMA ontra nylon, quedando las partíulas on arga negativa. Según la serie así deb ería o urrir p orque el nylon está situado más era del extremo p ositivo que el PMMA. Falla uando las partí- ulas fueron de vidrio, pues observamos arga negativa en éstas y de auerdo a la serie trib o elétria quedarían on arga p ositiva al ontatar on nylon. Es p osible que inongruenias de este tip o se deban a la variabilidad en omp osiiones químias y de méto dos de preparaión entre materiales a p esar de p erteneer a una misma familia de ompuestos; el vidrio de b orosiliato lo ejemplia muy bien si observamos que o upa la parte más p ositiva de la serie de la gura, y a su vez un vidrio de b orosiliato ground state aparee en la parte negativa de la misma. 1.2. Densidad de arga en partíulas Por la propia naturaleza del fenómeno la trib o eletriidad tiene aráter sup erial y la arga generada queda relativamente jada en el entorno de la zona de ontato si el material es aislante. La antidad de arga elétria que se puede aumular tiene un límite sup erior que se suele tomar omo aquél que provo a la rotura dielétria del aire en sup eries planas ba jo un amp o elétrio uniforme de Er∼30 kV/m [21, 22℄. Por tanto la densidad de arga es σ≈εoEr≈3×10−5 C/ m2 , on εo la p ermitividad elétria del vaío. Para un átomo on una sup erie efetiva de 10 Å 2 que se ioniza on una arga elemental, esto signia que tener 1 átomo ionizado de ada 5×104 átomos sup eriales es suiente para alanzar la densidad de arga máxima. Paree razonable sup oner que durante el ontato se alanzará esta prop orión, siendo p or tanto la rotura dielétria del gas el meanismo que limita la densidad de arga nal en la partíula. Sin embargo la urvatura de las sup eries y la no uniformidad del amp o elétrio en el entorno de las partíulas puede llegar a sostener densidades de arga mayores que para el aso anterior [23℄. Harp er [22℄ mo dia una relaión semiempíria para ofreer una relaión entre el amp o elétrio de rotura en aire y el radio de la partíula omo Er= 37r−0,3 kV/m, on r en m, que denominaremos régimen intermedio. Para rasgos sup eriales on un radio de urvatura menor que ∼0,1µ m la p oblaión de iones gaseosos eranos al sólido disminuye y el amp o de rotura es equivalente al de emisión de amp o, Er∼108 V/m [24℄. La gura 1.3 ompara la arga máxima en una sup erie esféria de radio R en ada una de las situaiones anteriores, aluladas omo q= 4πεor2Er . Las partíulas no son esferas p erfetas y tienen rugosidad y asp erezas en la sup erie, p or lo que las densidades de arga dep enden en gran medida del radio de urvatura lo al en las zonas de ontato. Hasta ahora se ha onsiderado la arga omo homogéneamente distribuida p or la p orión de sup erie en la que se pro dujo el ontato. Esta 1.3. Efeto de la humedad 5 R (µm) 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 q (pC) 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 Descarga plana Régimen intermedio Emisión de campo Figura 1.3: Carga máxima superial en una partíula de radio R para distintos valores de ampo elétrio de rotura del gas. asunión puede ser válida para metales en general, p ero en el aso de materiales aislantes las evidenias exp erimentales a favor de la existenia de argas de diferente p olaridad en zonas eranas son denitivas [2527℄. La resoluión nanométria de las ténias de mirosopía de sonda de barrido (Sanning Prob e Mirosopy) p ermite observar dominios segregados de argas p ositivas y negativas, formando mosaios que alanzan dimensiones de hasta mm 2 -m 2 [28℄. Baytekin [29℄ llega a medir mosaios on dominios ontiguos de diferente p olaridad y esala nanométria, sin observar mobilidad de arga entre los dominios que pueda anelar la arga neta de zonas veinas. Estos exp erimentos maniestan que al medir la arga neta sobre una partíula argada p or ontato, aquélla proviene en realidad de un balane entre arga p ositiva y negativa sobre su sup erie. Esta araterístia se propaga a su vez haia esalas de longitud mayores, pues omo veremos en los resultados de esta tesis una p oblaión de partíulas argadas ontiene a su vez una fraión de partíulas on arga neta negativa y otra p ositiva, de manera que al ser reogidas y medir la arga del volumen total lo que se está midiendo es la suma algebraia de las argas en las p oblaiones. 1.3. Efeto de la humedad Es de omún ono imiento la menor tendenia de tejidos y alzado a argarse eletrostátiamente en días húmedos que en días seos. El meanismo impliado es la trib o eletriidad, aunque sea el frotamiento de sup eries 12 Capítulo 1. Intro duión Alarar primero que tanto las fuerzas de Van der Waals omo elétrias son situaiones límite, pues en realidad la sup erie de las partíulas es rugosa y on asp erezas, on lo que el radio de ontato lo al es menor que el diámetro medio de la partíula y las fuerzas de Van der Waals disminuyen. Resp eto a las fuerzas elétrias se ha supuesto que están argadas hasta el máximo p ermitido, lo que rara vez o urrirá en un sistema real. En ualquier aso y diho esto, vemos que las fuerzas apilares son dominantes en la mayor parte del rango de tamaños, y en torno a 3 vees ( 2γL/w ) mayor que la fuerza de Van der Waals. La fuerza gravitatoria sobre la partíula es al menos dos órdenes de magnitud menor que ualquiera de las otras, y resp eto a las fuerzas elétrias, solamente la orresp ondiente a la arga según el régimen intermedio puede omp etir en magnitud on Van der Waals, aunque esto no implia que la inuenia que las fuerzas elétrias pueda tener en las fuerzas de adhesión netas entre partíulas sea despreiable. Esta disusión sobre la imp ortania relativa entre fuerzas es op ortuna para intro duir un número adimensional imp ortante en el área de medios granulares; el número ohesivo de Bond, Bog=Fa/mg . Fa son las fuerzas atrativas o de adhesión entre partíulas, indep endientemente de su naturaleza, y mg la fuerza gravitatoria. Si, p or ejemplo, en un sistema de partíulas existen fuerzas elétrias y de Van der Waals, Fa será la resultante de la suma de ambas. A mayor número de Bond las partíulas tienden a agregarse p orque la adhesión vene al p eso. Se suele tomar omo límite el valor Bog= 1 para marar la región entre material ohesivo y no ohesivo, aunque sólo de manera indiativa p orque el paso de una a otra es difuso y dep ende de otros fatores. 1.5.2. Fuerzas elétrias Por su imp ortania en los pro esos industriales de ltraión de gases en preipitadores eletrostátios y de lehos eletrouidizados, la relaión entre los amp os elétrios apliados en estos equip os y las fuerzas ohesivas resultantes entre las partíulas ha sido motivo de estudio [49, 50℄ y [51℄. Los dos primeros traba jos mo delan la fuerza de atraión en p olvos on empaquetamiento en estrutura úbia y hexagonal, mientras que el traba jo en leho eletrouidizado onsidera el aso de partíulas on un número de ontatos on partíulas veinas que varía entre 6 y 12. To dos ellos tienen en omún la apliaión de un amp o elétrio externo Ea que hae aumentar la ohesión en las apas de p olvo, de manera que existe prop orionalidad entre las fuerzas y Ea de forma exp onenial, Felec ∝Eλ a , on λ= 1,2−1,5 . El álulo itado de Feng [48℄ ofree resultados interesantes omo que puede hab er atraión neta entre dos partíulas aun teniendo arga del mismo signo, esp eialmente si las onstantes dielétrias de éstas son muho mayores que 1, k≫1 , p orque la p olarizaión de los materiales es alta, o si la relaión entre las argas de una y otra partíula es tal que Q1≫Q2 . 1.5. Fuerzas entre partíulas 13 Sin embargo no se tiene en uenta la presenia de tereras partíulas en el entorno erano, p or lo que un tratamiento más realista se puede enontrar en el manual de Jones [52℄, donde el autor toma el aso de esferas dielé- trias on arga sup erial, q, y una fraión f de la arga está lo alizada en una región de la sup erie que hae ontato on un plano mientras el resto de la arga (1-f ) × q se sitúa en el entro de la partíula (Figura 1.9a). La fuerza de adhesión total de una partíula sobre el plano es la suma de la interaión on la arga imagen en el plano y de la interaión on el resto de las partíulas veinas: Ftotal =Fimagen +Finteraccion Resolviendo para una estrutura uadrada bidimensional y propiedades de partíulas de tóner obtiene la fuerza de adhesión total Ftotal en funión de la fraión de arga lo alizada en parhes, f (Figura 1.9b). Aun on la limitaión de tratarse de un mo delo 2D de esferas en lugar de uno tridimensional presenta resultados interesantes, omo que Ftotal aumenta a medida que la arga se onentra en los parhes de la sup erie en lugar del entro (f ree). Distanias entre partíulas más p equeñas - Ξ/R - tienen el mismo efeto. Por último, el término debido a la interaión de la partíula on sus veinas va dereiendo on f hasta que se hae nulo uando f=1. 14 Capítulo 1. Intro duión (a) (b) Figura 1.9: a) Conguraión de esferas argadas en ontato on una sup erie y b) fuerzas de adhesión de una partíula sobre una sup erie ro deada de una onguraión 2D uadrada de partíulas argadas, para datos típios de tóner. Fsingle se orresp onde on Fimagen y Finteraction , on Finteraccion . Adaptado de [52℄. Capítulo 2 AFM: Mirosopía de fuerza atómia 2.1. Intro duión En este apítulo desribiremos las tareas llevadas a ab o on la ténia de mirosopía de fuerza atómia, o AFM (Atomi Fore Mirosopy), que terminaron quedando inompletas p or la preferenia que -p or p etiión del organismo naniadorse le dio a otras líneas de traba jo dentro del proyeto. El desarrollo e implementaión de la mirosopía de fuerza atómia desde la publiaión de uno de los artíulos fundaionales de esta ténia en la dé- ada de 1980 [53℄ se vio aelerado p or el heho de representar una ténia no destrutiva relativamente barata y senilla (sin preparaión previa de muestra, sin requerimientos de vaío) para obtener imágenes de alta resoluión de sup eries, resoluión que pronto llegó a alanzar el nivel atómio [54℄. Tanto AFM omo otros mo dos de op eraión similares que hemos usado p erteneen en realidad a un grup o más amplio de ténias de araterizaión de sup eries ono ido omo SPM (Sanning Prob e Mirosopy). Tienen en omún el uso de una sonda on punta muy alada -denominada miropalan- a o antileverde radios de urvatura de deenas de nm ; on ella se barre la sup erie de la muestra a la vez que se mide la interaión entre ambas. Se puede deir que la miropalana es un sensor de fuerza de alta sensibilidad. Una buena alibraión de la onstante elástia de la miropalana p ermite relaionar su desplazamiento on la fuerza mediante la ley de Ho oke, prop orionando sensibilidades en las medidas que van desde µ N hasta <nN. El esaneo puede o urrir en mo do ontato si la punta de la miropalan- a y la sup erie están en ontato p ermanente durante el barrido, en mo do separaión si aquélla se mantiene a una ierta distania sobre la muestra, o intermitente si hay un golp eo disontinuo. Diferentes ténias de SPM registran y miden diferentes interaiones, de las que se pueden derivar propiedades omo adhesión, elastiidad, arga eletrostátia, top ografía sup erial,... 16 Capítulo 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia Más informaión sobre diferentes ténias de SPM puede enontrarse en la referenia [55℄. Si la trib o eletriidad es un fenómeno eminentemente sup erial resulta obvia la utilidad que un equip o de AFM puede prop orionar en este amp o, p or ejemplo al determinar fatores que afetan a la arga p or ontato, omo el relieve y la rugosidad de las sup eries. Aunque no sea p osible ontrolar la arga transferida a la sup erie durante un ensayo de AFM, sí que lo es el medir la fuerza debida a la interaión elétria entre la sup erie argada y la miropalana. En [56℄ esto se hae al p oner en ontato la miropalana -que tiene una partíula unida a su extremo libre- y el sustrato, on un amp o elétrio uniforme presente. Al intentar separar la miropalana del sustrato ésta se va exionando debido a las fuerzas de adhesión entre partíula y sup erie. El grado de deformaión en el momento de la separaión sirve para alula la fuerza de interaión. Como es de esp erar, observa mayor adhesión al sustrato a mayor amp o elétrio apliado. En [57℄ y [58℄ también miden la fuerza durante el ontato de la partíula on la sup erie, y de estos datos exp erimentales estiman la arga sobre la partíula asumiendo que está lo alizada en su zona inferior, la zona que hae el ontato on el sustrato. Las argas p or partíula que ofreen son del orden de 0,01 fC y 0,1 - 10 fC, resp etivamente. Otra manera de medir fuerzas de interaión de naturaleza elétria es ono ida omo EFM (Eletrostati Fore Mirosopy) [59℄, donde la miropalana sobrevuela la sup erie y la esanea a una ierta altura h o bien se mueve en la direión vertial a haer ontato. El ambio en la fase o freuenia de su osilaión está relaionada on el gradiente de fuerza en direión vertial entre punta y sup erie. En el primer aso se obtiene la distribuión espaial del gradiente de la fuerza de interaión entre miropalana y sustrato a una altura de la muestra. En el segundo aso se obtiene el gradiente de la fuerza de interaión en funión de la separaión entre mi- ropalana y sustrato. En nuestro traba jo se usó la op ión de aeramiento y ontato de EFM para medir fuerzas. Por último, on el mo do KFM (Kelvin Fore Mirosopy) es p osible determinar diferenias de p otenial de ontato entre dos sup eries, Vcpd , tan imp ortantes para los mo delos teórios propuestos de transferenia de arga en trib o eletriidad. La existenia de arga sup erial es detetable en KFM, pues zonas argadas tienen un mayor valor de Vcpd [60, 61℄. 2.2. Equip o y pro edimientos de medida El equip o de AFM es un mirosopio omerial (Moleular Imaging TM ) disp onible en el Serviio de Mirosopía de la Universidad de Sevilla. Además del equipamiento básio se tiene lieniado un mó dulo esp eío para medidas KFM y el mó dulo Resisop e para medidas de resistenias elétrias. 2.2. Equip o y pro edimientos de medida 17 Figura 2.1: Diagrama del mirosopio de fuerza atómia, AFM. Adaptado de [62℄ Entre los omp onentes básios del equip o (Fig.2.1) están el sop orte para la muestra, la miropalana -sujeta a un material piezo elétrio que ontrola su movimiento vertial-, un haz láser que reeja en la ara sup erior de la miropalana, y un array de foto dio dos que reoge el haz reejado y lo transforma en una señal de volta je prop orional al movimiento de exión y torsión de la miropalana. El equip o onsta además de un ordenador y la eletrónia orresp ondiente para ontrolar los omp onentes, así omo p osiionadores de preisión para mover la muestra en el plano horizontal. Un paso previo omún en las sesiones es la obtenión del esp etro de osilaión de la miropalana libre. Enontrándose lejos del sustrato para asegurar que osile de forma libre se imp one desde el piezo elétrio una osilaión p erió dia a la vez que se mide la amplitud del movimiento en la punta de la miropalana. Haiendo un barrido de freuenias se obtiene el esp etro de osilaión, detetándose así la freuenia de resonania del antilever omo un pio de máxima amplitud (Fig. 2.2). Este barrido se realiza normalmente antes y después de ada exp erimento a mo do de omprobaión de la integridad del antilever, ya que fenómenos omo deterioro o adhesión/p érdida de masa son detetados omo un desplazamiento en la freuenia del pio. A ontinuaión detallaremos los diferentes pro edimientos de medida que se han usado: 1. Mo do aústio: Con este mo do se obtiene la top ografía de una sup erie. Ajustada una freuenia de osilaión fo (Fig.2.2) ligeramente 18 Capítulo 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia p or deba jo de la orresp ondiente al pio de resonania, también se elige el parámetro setp oint, que representa un p orenta je de la amplitud a freuenia fo . De este mo do el piezo elétrio omienza a desender la miropalana haia el sustrato hasta que llega a separaiones en que la amplitud de osilaión en la punta empieza a atenuarse p or el ontato on la sup erie. Cuando deteta que esta atenuaión es suiente para alanzar el valor del setp oint el equip o onsidera que ha alanzado el grado de interaión deseado on la muestra. Finalmente se hae desplazar la miropalana en el plano horizontal a lo largo de líneas de longitud l para esanear un área de muestra de dimensiones a×l , on a siendo la distania barrida en direión p erp endiular a las líneas. A mayor número de líneas para barrer el área en uestión mayor será la resoluión de la imagen, p ero también llevará más tiemp o onseguirla. Durante el esaneo del área el piezo elétrio a justa la altura sobre la muestra h para mantener una amplitud de osilaión de la miropalana onstante e igual al setp oint. La imagen de top ografía se forma on la señal de orreión (el volta je apliado al piezo elé- trio para mantener la amplitud) multipliada p or la sensibilidad del piezo elétrio, que tiene unidades de nm/V. Otra imagen imp ortante es la de amplitud (desviaión entre la amplitud de osilaión medida en la miropalana y la orresp ondiente al setp oint), pues ayuda a identiar zonas on grandes ambios de p endiente. Esto es así p orque el bule de retroalimentaión mantiene onstante la amplitud de osilaión de la miropalana. Sólo uando hay un rasgo top ográo on una p endiente muy brusa el bule de retroalimentaión no onsigue momentánemente mantener la amplitud de osilaión. Por eso la señal de amplitud (que más orretamente deb ería llamarse señal de error de la amplitud) muestra sólo los rasgos top ográos de la imagen donde hay b ordes o p endientes fuertes. Cada línea se esanea tanto en un trayeto de ida omo de vuelta, de manera que se tienen dos imágenes de top ografía y de amplitud, que serán iguales si la sup erie no es mo diada durante el ontato on la miropalana. También es neesario que los parámetros del bule de retroalimentaión sean los óptimos. De heho la forma de optimizar los parámetros es haer que las trazas de ida y vuelta sean lo más similares p osible. No siempre se onsigue que sean iguales, en esp eial si la top ografía del sustrato tiene rasgos on p endientes fuertes o si el sustrato tiene rasgos más agudos que la punta de la miropalana. 2. El mo do KFM (Kelvin Fore Mirosopy) [63, 64℄ (Fig.2.3) toma su nombre del famoso ientío del siglo XIX, que reó un aparato para medir p oteniales eletrostátios sup eriales al montar un ondensador de plaas planas paralelas en el que la sup erie problema es una de ellas, y la otra plaa se vibra a una freuenia de manera que la a- 2.2. Equip o y pro edimientos de medida 19 Frecuencia (kHz) 264 266 268 270 272 274 276 Amplitud (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 fo Figura 2.2: Detalle del esp etro de freuenias de una miropalana libre. paidad del ondensador ambia durante la vibraión y se genera una orriente elétria alterna en el iruito siempre que haya una diferen- ia de p otenial ontinuo entre ellas. Si se aplia un p otenial a una de las plaas para que la intensidad de orriente se anule, se umple que éste es igual a la diferenia de p otenial sup erial de las plaas. La ténia KFM es equivalente a este sistema, p ero una plaa vibratoria del ondensador es la punta de la miropalana, y la segunda plaa, la muestra. En este monta je la miropalana ha de ser ondutora elétri- a, y aunque el sustrato no, la base sobre la que éste se ap oya sí que se oneta a p otenial ero. Además de la osilaión p erió dia en la punta ( ωo= 2πfo ) y del volta je de omp ensaión, Vdc , se aplia una señal alterna Vac sin(ωact) on ωac ≪ωo . La fuerza eletrostátia resultante indue una osilaión en la miropalana on freuenia ωac . Si C es la apaidad del ondensador formado p or la punta y la sup erie de muestra, la fuerza elétria resultante en la o ordenada vertial h se esrib e omo [65℄: Felec =−1 2 ∂C ∂h [Vdc −Vcpd +Vac sin(ωact)]2 (2.1) donde Vcpd es el p otenial de ontato entre sup eries, o omo se expuso en el apítulo intro dutorio, la diferenia en las funiones traba jo de ambas sup eries y que juega un pap el fundamental en los mo delos de meanismos de transferenia de arga p or ontato. Desarrollando 20 Capítulo 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia Figura 2.3: Modo de op eraión KFM. la expresión se obtienen tres términos, entre los uales hay uno que dep ende de la freuenia ωac , y que se onvierte en ero uando Vdc y Vcpd se haen iguales. Preisamente, durante el barrido on la punta a una distania h onstante la eletrónia del equip o deteta ese término de osilaión y lo intenta minimizar variando Vdc , on lo que indiretamente se mide Vcpd . 3. Mo do EFM (Eletrostati Fore Mirosopy): Con la miropalana os- ilando libremente lejos del sustrato a una freuenia fo erana a la de resonania natural se añade un p otenial elétrio ontinuo Vdc entre punta y sup erie. Se omienza entones un aeramiento vertial hasta realizar ontato, y a ontinuaión una separaión hasta volver a la altura iniial. Tanto en el reorrido de ida omo en el de vuelta, uando la interaión entre punta y sup erie es signiativa la amplitud y fase de osilaión ambian resp eto al estado libre. El equip o registra los valores de amplitud, fase ( φ ) y deexión (deformaión) de la miropalana. El desfase ∆φ resp eto a la osilaión libre se puede relaionar on el gradiente de fuerzas en direión vertial [59℄: ∆φ Q=−α kN ∂Ftip ∂h (2.2) donde kN es la onstante elástia de la miropalana, α= 0,91 para miropalanas retangulares, h es la o ordenada vertial y Q es el fator de alidad de la miropalana, que representa la relaión entre energía almaenada en la miropalana y energía que se pierde p or friión visosa on el medio, en ada ilo. En uidos p o os visosos omo el aire, Q≫1 , y se alula a partir del esp etro de resonania libre (Fig.2.2). De auerdo on Sader [66℄, se toma el esp etro de p otenia (uadrado de la amplitud) de la miropalana en aire y se realiza un 2.3. Resultados 21 mejor a juste a la expresión: P(ω) = A+Bω4 res (ω2−ω2 res)2+ω ωres Q2 A , B y Q son parámetros de a juste, y ωres es el pio de máxima amplitud de osilaión. Por ejemplo, en los datos de la gura 2.2 el pio está en ωres = 2π(269,6×103) rad/s, y arro ja un fator de alidad Q= 392 . Aunque la onstante elástia está esp eiada p or el fabriante, detallaremos en la seión de resultados uno de los méto dos p osibles para determinar su valor exp erimentalmente. 4. Por último desribiremos una medida adiional para la medida de ondutividad, en el que se neesita una eletrónia ba jo lienia de nombre omerial Resisop e y una miropalana ondutora. Esta ele- trónia p ermite medir orrientes elétrias entre la miropalana y el sustrato en el rango fA - mA [67℄. Se puede esanear la sup erie en mo do ontato on la punta mientras se aplia una diferenia de p otenial entre ésta y la muestra. A partir de la orriente medida en el iruito se deriva la resistenia en el ontato miropalana-sup erie. Es neesario p or tanto un buen ontato en la zona de medida. En las pruebas que hiimos on este equip o no barríamos la sup erie, simplemente se mantenía ontato p ermanente on la punta de la mi- ropalana y se apliaba un rango de volta jes a la vez que se registra la intensidad de orriente. Cuando se neesitó adherir una partíula a la punta de la miropalana el pro eso es similar al desrito p or Ralston [68℄. Para partíulas ohesivas se realizaba una disp ersión en isopropanol que se pulverizaba en una sup erie plana a la que quedan jadas uando el alohol se evap ora. La miropalana está sujeta y ontrolada p or unos miromanipuladores, y on ellos se aera a un lamento on una gota de adhesivo ep oxi ondutor en uno de sus extremos. Se mo ja la punta de la miropalana en la gota y después se lleva la punta haia una de las partíulas o aglomerado de la sup erie ontra la que se provo a el ontato, quedando unidas p or el adhesivo. To da la esena está iluminada dentro del amp o de visión de un mirosopio óptio invertido para failitar las maniobras. Tras un tiemp o de esp era suiente el adhesivo ep oxi enduree y la partíula/aglomerado queda jada. 2.3. Resultados Las miropalanas usadas están fabriadas en siliio on seión trap ezoidal. Cuando se quieren medir resistenias elétrias la miropalana ha 28 Capítulo 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia (a) Topografía. (b) Amplitud. () Perles de la seión marada p or las líneas A-B y B-C en la imagen de topografía. (d) Vcpd . Figura 2.9: Topografías, p erl de seión y p otenial de ontato de un área de 9×9 µm2 de b ola de vidrio 5 - 50 µ m depositada sobre PDMS y argada previamente on un p otenial punta-sustrato de 6V . a de PDMS son medios dielétrios, y quien se oneta a tierra es el diso ondutor situado p or deba jo. Entones la sup erie de la partíula es en realidad una tierra otante uyo p otenial elétrio dep ende de la resistividad partíula-PDMS. A mayor resistividad, menor será la transferenia de arga on la miropalana p orque menor diferenia de p otenial elétrio habrá entre ésta y la partíula. La resistividad de partíulas y medios granulares en general es un tema imp ortante en trib o eletriidad y dediaremos un apítulo ompleto de esta tesis al tema. Esto nos lleva a hablar sobre las pruebas que se realizaron on el mó dulo Resisop e, preisamente para araterizar la resistividad sup erial de partíulas aisladas. 2.4. Resumen 29 2.3.3. Resistividad Ya que no pudimos medir sin ambigüedad la distribuión de la arga elétria sobre una partíula tratamos de medir su ondutividad sup erial diretamente, puesto que omo se verá en temas p osteriores la ondutividad sup erial de las partíulas es uno de los fatores que determina la arga total aumulada en un asiento de un medio granular. Se adhirieron partíulas a una miropalana onforme a lo desrito en la seión 2.2 y se pusieron en ontato on una plaa metália pulida onetada a tierra, midiendo la intensidad de orriente en el iruito en funión del volta je para derivar la orresp ondiente resistenia elétria debida a la partíula. Se p egaron partíulas de dos materiales, Sip ernat 320DS (sílie on sup erie hidrofília) y b ola de vidrio de 5 - 50 µ m (Fig.2.10). Como se apreia en las fotografías 2.10a y 2.10b, los aglomerados de sílie son estruturas abiertas y de alta p orosidad. Las medidas de resistividad elétria no tuvieron éxito p orque en los suesivos intentos los aglomerados de sílie no sop ortaban las tensiones al haer ontato on el sustrato ondutor para realizar la medida, on lo que se terminaba desprendiendo a vees una masa parial y otras totalmente, p ero imp osibilitando siempre la medida de resistenia. Por su parte las b olas de vidrio terminaban desp egándose de la resina (Fig.2.10). La fuerza de ontato a la que fueron sometidos los aglomerados de sílie durante la medida de resistividad se puede estimar p orque ono emos la urva de deexión de la miropalana uando hay ontato (Fig.2.5). Durante el ensayo la punta tenía una deexión de 9,3 nm, y su onstante de rigidez son 53,7 N/m, luego la fuerza de ompresión sobre el aglomerado fue de 9,3×53,7∼0,5µ N. 2.4. Resumen En este apítulo se han desrito medidas en AFM enaminadas a araterizar propiedades sup eriales de partíulas que son imp ortantes en el fenómeno de la trib o eletriidad, omo top ografía de sup eries, p oteniales de ontato, resistividad sup erial y fuerzas de interaión eletrostátia. Aunque el traba jo desrito está inaabado p or la preferenia que se otorgó a otras líneas de traba jo, p o demos argumentar que en las pruebas de KFM no se pudo disriminar en la señal de Vcpd la inuenia de la arga resp eto a la de top ografía. En la medida de la resistenia sup erial las partíulas se veían alteradas morfológiamente p or el ontato on la sup erie, no siendo p osible obtener relaión entre la naturaleza del material y su resistividad. En EFM se pudo difereniar el efeto de un amp o elétrio en la fuerza de interaión entre miropalana y sustrato. 30 Capítulo 2. AFM: Mirosopía de fuerza atómia (a) (b) () Figura 2.10: Fotografías de mirosopio eletrónio de barrido de miropalanas ondu- toras on a), b) Sip ernat 320DS adherido y ) restos de adhesivo ep oxi tras desprenderse la b ola de vidrio de 5 - 50 µ m. Capítulo 3 Carga en p olvos disp ersados 3.1. Intro duión Disp ersados y susp endidos en un gas, los medios granulares son usados de manera freuente en la industria, bien sea en reatores de leho uidizado o en sistemas de transp orte. Uno de los efetos de la disp ersión gaseosa es la desagregaión de aglomerados de partíulas p or las fuerzas de impato y tensiones de izalla, inrementando la sup erie esp eía libre del sistema. A mayor sup erie disp onible, más grande es la p osibilidad de generaión de arga elétria sup erial p or ontato. La medida del nivel de arga elétria sup erial en partíulas aisladas o aglomerados de éstas es interesante no sólo desde el punto de vista de la investigaión sino para algunas apliaiones omo la impresión p or xerografía o el reubrimiento/pintado de sup eries on pistolas eletrostátias. Por ejemplo, en el primer aso onviene que en las partíulas de tóneres de impresión haya una distribuión q/m (arga/masa) estreha y erana al valor óptimo (q/m)o p orque así aumenta la eienia en la etapa de transferenia del tóner al pap el [8℄. Hay diferentes maneras de ab ordar la medida de la arga en partíulas aisladas. Los dos ejemplos que siguen son asos en los que se miden la arga total de un número limitado de partíulas on un tamaño bien denido, de manera que se pueda estimar la arga p or partíula. En la Ref. [71℄ se dejan aer las partíulas p or gravedad en el seno de un amp o elétrio, de manera que migran en una u otra direión dep endiendo de su arga hasta dep ositarse dentro de reipientes distintos, situados a distintas distanias de uno u otro eletro do. Cada reipiente reoge partíulas on relaión q/m y signo de arga similares. El segundo ejemplo [72℄ es una ténia que hae a las partíulas impatar ontra diferentes etapas onetadas a eletrómetros que medirán una arga elétria total mayor a mayor número de partíulas impatadas. Las partíulas llegan a una u otra etapa en funión del rango de tamaño en que estén. La ténia que presentamos en este apítulo, denominada Partile Traking Velo imetry (PTV), p ertenee a otro grup o 32 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados de ténias; aquél apaz de analizar la arga elétria en ada una de las partíulas que omp onen la muestra. La PTV tiene omo prinipio básio el seguimiento de la trayetoria de partíulas y aglomerados argados previamente, disp ersados en un gas y que aen p or gravedad en una región del espaio on un amp o elétrio. La aptura de la trayetoria se realiza on una ámara de alta velo idad, y el análisis detallado de diha trayetoria on la base teória adeuada p ermite averiguar el nivel de arga elétria y tamaño equivalente de las partíulas analizadas. La ténia PTV ha sido utilizada en un traba jo anterior [73℄ para estudiar aglomerados de nano-sílie uidizados, aunque en el traba jo que presentamos se onsiguió implementar el monta je y álulos neesarios para distinguir el signo de la arga elétria además de su magnitud. Citaremos a ontinuaión otras ténias disp onibles y equivalentes al PTV en tanto que miden arga en partíulas individuales, algunas on la p osibilidad de disernir -omo el PTV- la p olaridad de la arga y otras no. Primero, el E-SPART [74℄, que se distribuye omo un equip o omerial (Figura 3.1a). Con la exitaión aústia de las partíulas al pasar p or una elda interior se deriva su diámetro aero dinámio. Al mismo tiemp o, un amp o elétrio ontinuo provo a una omp onente de velo idad -velo idad de migraión- en la partíula debida a la arga elétria, omp onente que se mide p or velo imetría láser Doppler. Con la velo idad de migraión, el diámetro y un equilibrio de fuerzas sobre el sistema, el signo y la arga son alulados. En el artíulo original los autores miden las relaiones q/m de tóneres de impresión on diámetro medio dp= 10 µ m. Otra ténia de análisis [75℄ es el motion analysis system (PMAS, gura 3.1b), que usan para tamaños de partíula dp=40 - 90 µ m en el que un amp o elétrio ontinuo y horizontal entre dos plaas planas paralelas desvían las partíulas argadas haia el eletro do orresp ondiente. Midiendo la velo idad en la direión horizontal y el eletro do haia el que van dirigidas, los autores pueden deduir arga y p olaridad sobre la sup erie de la partíula tras obtener la soluión analítia al aso del movimiento de una partíula esféria ba jo fuerzas de arrastre de un uido y fuerzas elétrias. Las fuentes de error prinipales en esta ténia provienen de la gran onentraión de partíulas en el espaio entre eletro dos, que lleva a reorridos libres medios de partíula muy ortos: uando o urre un impato la transferenia de arga y antidad de movimien- to entre partíulas mo dia el estado de éstas. Otra ob jeión sería que los autores analizan sólo dos imágenes para deduir la velo idad media de ada partíula. En la referenia [76℄ se mide la arga sup erial en partíulas aisladas ( dp=100 - 500 µ m) al aer desde un reipiente p or el interior de una olumna vertial en la que se ha heho vaío (Figura 3.1). Una ámara rápida también se deja aer p or gravedad en el mismo instante en que el agujero de salida del reipiente se abre. Cámara y partíulas se aeleran así a la vez, y se graba la trayetoria de las partíulas. En el interior de la olumna hay dos eletro dos planos on una diferenia de p otenial apliada. Las partíu- 3.1. Intro duión 33 (a) Esquema del monta je del E-SPART [74℄. (b) Nub e de partíulas y sup erp osiión de 2 imágenes onseutivas en PMAS. Adaptado de [75℄. () Monta je y partíulas detetadas. Adaptado de [76℄. Figura 3.1: Ilustraiones de ténias experimentales para medir arga en partíulas individuales disp ersadas en un gas o en vaío. las se desvían haia uno de los eletro dos según su arga, y omo no hay rozamiento on el aire, el término de fuerza de arrastre sobre la partíula se despreia. Comparando on los traba jos menionados, la ténia PTV es más similar a la PMAS que a ualquiera de las otras, tanto p orque ambas analizan la trayetoria registrada de partíulas eyetadas en gas en el seno de un amp o elétrio, omo p or la físia detrás del análisis de las trayetorias, en la que las fuerzas relevantes son la gravitatoria, elétria y de arrastre/rozamiento en un uido. Una diferenia signiativa sin embargo es que en PTV la traye- toria de las partíulas es tomada en ondiiones de movimiento estaionarias 34 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Figura 3.2: Diagrama del monta je exp erimental de PTV para medida de arga media en partíulas disp ersadas. 1.- Generador de alto p otenial. 2.- Iluminaión LED verde. 3.- Caudalímetro y eletroválvula de gas. o uasi-estaionarias, y analizando un número de imágenes que abara un lapso de tiemp o mayor que en PMAS, mejorando la estadístia de los álulos. Conviene menionar también que ninguno de los traba jos desritos salvo el del E-SPART onsigue analizar partíulas de díametro medio 10 µ m o menores, omo haemos en PTV. 3.2. Monta je exp erimental La ténia para medir la distribuión de arga en las partíulas se ono- e omo Partile Traking Velo imetry (PTV), y su monta je exp erimental onsta de tres partes prinipales: una para disp ersar y transp ortar el material, otra para generar la arga p or ontato en las partíulas y una terera para la aptura en imágenes de las trayetorias de las partíulas así argadas elétriamente (Figura 3.2). En la unidad de disp ersión se usa una trompa de agua de efeto Venturi mo diada, de manera que se le hae pasar el gas disp ersante (aire o N 2 ) en vez de agua y en la onexión de suión de la trompa se ha adaptado un embudo de plástio dentro del ual se dep osita la muestra de medio granular a disp ersar. Cuando el gas disp ersante entra en la trompa se aelera en su interior y la aída de presión provo ada (efe- 3.2. Monta je exp erimental 35 to Venturi) suiona la muestra del embudo, que se ve atrapada en el ujo de gas. Que el embudo esté orientado vertialmente hae que el p eso de la muestra aumente el efeto de la suión. Las partíulas disp ersas se aeleran hasta alanzar una velo idad estaionaria erana a la del gas de transp orte, y sólo se verán p erturbadas durante las olisiones on la pared del tub o o on otras partíulas. Amb os tip os de ho que no son fatores determinantes en el pro eso del transp orte de las partíulas siempre y uando se esté en el régimen de fase diluida , denido omo aquél en el que la relaión entre los ujos en masa ( [ ˙m] = kg/s ) de las partíulas y el gas es inferior a 15 (0 <˙mp / ˙mg< 15) [77℄. To das las disp ersiones de partíulas usadas on las diferentes ténias en el presente traba jo se enuentran en un régimen de fase diluida, pues las relaiones de ujo másio en ningún aso exeden el valor de 2,5. Una vez expulsados del Venturi, gas y partíulas via jan p or un tub o exible de seión irular de 6 mm de diámetro interno y 2 m de longitud fabriado en p oliamida. Al nal de éste omienza un tub o de aero (D.I. = 5,5 mm y 76 m de longitud) que gira on un ángulo de 90◦ antes de entrar p or la parte sup erior de otro tub o de aero orientado vertialmente, de 21 mm de diámetro interior y 95 m de longitud, abierto p or la parte inferior y onetado p or la sup erior de manera estana para la entrada de las partíulas. Si entendemos p or trib o argador al diseño exp erimental resp onsable de la transferenia de arga on las partíulas, rigurosamente hablando se deb ería armar que to do el monta je atúa omo trib o argador ya que el ho que entre partíulas y de éstas on las sup eries internas del Venturi y tub os de transp orte genera separaión de arga elétria. Sin embargo, to das estas sup eries están ompuestas de materiales plástios no ondutores salvo los 2 tub os de aero al nal del trayeto, que además son onetados a tierra durante los exp erimentos mediante un pioamp erímetro (Keithley 6485). Es de esp erar que los materiales no ondutores sean apaes de transferir on las partíulas una arga elétria limitada durante el ontato, mientras que las partes metálias pueden ap ortar o tomar argas a las partíulas de manera indenida p or estar onetados a tierra, arga que además se mide indiretamente p or la orriente que pasa a los tub os de aero a través del pioamp erímetro. En este traba jo llamaremos trib o argador sólo a la parte heha en aero. Otro asp eto destaable es la diferente prop ensión de distintos materiales a eder o tomar arga negativa uando entran en ontato sup erial on las partíulas, tendenia que se reoge en las series trib o elétrias omo p ositiva (que ede eletrones) para el nylon/p oliamidas [6, 20℄ y el aero. Resp eto al aero, aunque le lugar que o upa en la series trib o elétrias onsultadas es erano al extremo negativo, los traba jos exp erimentales que miden un aráter p ositivo en el aero durante pro esos de trib o eletriidad son omunes en la literatura ientía [7881℄ y están en onordania on lo observado durante este proyeto. Que la entrada del p olvo en el tub o de aero más an- ho sea oaxial on el eje de simetría de éste ayuda a que haya en su interior 36 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Figura 3.3: Imagen de partíulas de regolito, apturada por la ámara a través del vidrio en la elda a la salida del trib o argador. Veloidad de grabaión, 4000 fps. un ujo de gas menos turbulento resp eto a otras onguraiones de entrada y los vórties generados se disip en más rápidamente a medida que gas y partíulas ba jan haia la salida. Añadamos que el tiemp o de funionamiento del Venturi es de 0,3 a 1,0 segundos lo que, para los audales de gas utilizados, da un volumen total de gas inyetado menor que el volumen muerto o volumen total que suman los espaios internos del monta je. El prop ósito de la entrada oaxial y el orto tiemp o de inyeión es que a la salida del tub o las turbulenias en el gas hayan sido atenuadas y la velo idad de éste será erana a 0, así uando las partíulas abandonan el tub o tendrán un movimiento de aída libre on una velo idad vertial erana o igual a la velo idad terminal en el uido en rep oso, uterm . Una desventa ja de la on- guraión oaxial resp eto a otras omo la p erp endiular es que el número de olisiones de las partíulas on las paredes internas del tub o son menores y en onseuenia la transferenia de arga total también. A la salida del tub o de aero se enuentra la zona de aptura de imágenes, que tiene una elda heha en bra de vidrio y a la ámara rápida (Phantom Miro 310) omo prinipales omp onentes. La geometría de la elda es de prisma hueo de base uadrada on un grosor de pared de 3 mm y lado exterior de 25 mm. Dos aras opuestas de la elda han sido mo diadas para alo jar ventanas de vidrio transparente, de manera que la ámara rápida pueda enfo ar una p orión de área dentro de la elda. En las otras dos aras laterales de la elda se adhieren láminas de aluminio que atuarán omo eletro dos planos; una se oneta elétriamente a tierra y la otra al ampliador de alto p otenial 3.3. Euaiones para el análisis de arga 37 (mo delo 20/20A, Trek In.), que toma la señal elétria alterna proveniente de un generador de funiones. La ámara rápida está situada a la misma altura que las ventanas de vidrio de mo do que su línea de visión pasa a través de ellas y la ámara puede apturar la trayetoria de las partíulas que aen p or el interior de la elda. Las lentes y anillos extensores en la ámara p ermiten una magniaión típia de la imagen de 7,4 µ m/pixel (área de imagen ∼ 5,8 × 6 mm 2 ). Tras la ámara y las dos ventanas montamos una luz led de alta intensidad que ilumina la esena dentro de la elda de manera homogénea, y en la que las partíulas apareerán en negro sobre un fondo iluminado. 3.3. Euaiones para el análisis de arga Figura 3.4: Diagrama de fuerzas sobre la partíula en aída libre. En esta seión se derivarán las euaiones para alular el valor de la arga elétri- a en ada partíula, qi , y su signo a partir de la amplitud |xo| y el desfase θ en el movimiento osilatorio resp eto al amp o elé- trio. Primero disutiremos las ondiiones que se han de umplir para que las partíulas que abandonan el trib o argador se muevan en estado estaionario en direión vertial (que hayan alanzado su velo idad terminal en aire). Sup ongamos que tras algunas olisiones on las paredes del tub o las partíulas se mueven sólo en direión verti- al (eje Z ). Las fuerzas que atúan en diha direión son la gravitatoria y la de arrastre en un uido (Figura 3.4). Para ésta usamos la aproximaión de Stokes: Farrastre,z = 6πηRuz, (3.1) donde η es la visosidad dinámia del uido en Pa · s, R el radio de la partíula (sup oniendo que son esférias) y uz la velo idad de ésta en la direión Z . Los ambios en la velo idad uz son desritos on el equilibrio de fuerzas: mduz dt =mg −6πηRuz, (3.2) es válida siempre que el número de Reynolds Rez umpla: Rez=uzρR η≪1, (3.3) on ρ la densidad del uido. De otra forma, la fuerza de arrastre Farrastre,z no está dada p or la aproximaión de Stokes. Ya que hemos asumido que las 44 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Radio (µm) 0 5 10 15 20 25 θ / π 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Carga positiva Carga negativa Figura 3.7: Desfase θ frente a radio de partíula, de auerdo a la euaión 3.19 para partíulas argadas negativa y p ositivamente. Las líneas en negro representan el desfase para densidad ρp= 2500 kg/m 3 , y 2900 kg/m 3 las de azul. p eso), y CaO , MgO , FeO omo prinipales omp onentes minoritarios. Se lasia omo p olvo inorgánio ohesivo. Arena omún molida en molino de b olas durante 1 hora a 450 revolu- iones p or minuto (Fig. 3.8). Resulta en un p olvo ohesivo. Sip ernat R  320DS (Evonik). Material inorgánio formado p or agregados de partíulas de nano-sílie ( SiO2 ) on reubrimiento sup erial hidrofílio. Es un material granular ohesivo. Sip ernat R  D10 (Evonik). Agregados de nano-sílie on reubrimien- to hidrofóbio. Material ohesivo. To dos los materiales se almaenaron ba jo atmósfera de N2 ( ∼10 % HR), que es un ambiente más seo que la humedad ambiente. Para las b olas de vidrio, una segunda muestra fue separada y almaenada en ondiiones ambientales. El volumen de almaenamiento para las muestras en atmósfera sea era un deseador de vidrio al que se le extraía el aire a diario on una b omba de vaío para rellenarlo on p osterioridad desde una bala on gas N2 omprimido. 3.3. Euaiones para el análisis de arga 45 Material Diámetro medio Sauter ρp µ m kgm−3 Bolas de vidrio 5-50 33.9 2500 Regolito 9.7 2900 Arena 4.0 2500 Sip ernat 320DS 6.6 2500 Sip ernat D10 3.4 2600 Tabla 3.1: Tamaño medio Sauter y densidad de partíula de los materiales. Diámetro medido por difraión láser en Mastersizer 2000 a 1 bar de presión de aire disp ersante (seión 3.4.1). 3.3.2. Pro edimiento de medida Durante el pulso de gas p or el Venturi pasa un audal que genera velo- idades de entrada típias de ugas =15 m/s a la parte de mayor seión del trib o argador. El pulso omienza al abrir la eletroválvula que oneta la fuente de gas omprimido on el sistema. El gas pasa de esta forma a través de un audalímetro de resistenia (SMC, PF2A) y entra en el Venturi para arrastrar el p olvo previamente dep ositado (hasta 1 gr. de masa dep endiendo del material). Cuando el p olvo entra en el trib o argador, la orriente elétria que pasa entre éste y tierra se mide on el pioamp erímetro, y su letura se registra en el ordenador. Por su parte la ámara rápida se dispara un tiemp o después de que abra la eletroválvula para dar tiemp o a las partíulas a viajar p or el sistema y entrar en la elda uadrada. El volta je alterno apliado a los eletro dos es reogido p or el ordenador a una tasa de 1000 muestras p or segundo, y de estos datos junto a la separaión entre eletro dos se deriva el amp o elétrio instantáneo dentro de la elda ( Eo =1,2 - 1,5 kV/m y f =100 Hz). Para ejeutar to dos los eventos de disparo y reogida de datos se usa software Labview R  , en el que fue neesario rear un ó digo que realizara las tareas de registro de volta je y disparo de ámara de manera simultánea. Esta sinronizaión vía software es neesaria puesto que de la orreta asignaión de valor de amp o elétrio a ada imagen adquirida p or la ámara dep ende la estimaión del desfase entre el movimiento horizontal de la partíula y el amp o elétrio, previo a la asignaión del signo de la arga en la partíula. La seuenia de imágenes apturada en ada medida ha de ser analizada (Figura 3.9), pro eso que omienza on la inversión de olores (Fig.3.9b) de ada imagen usando el programa de pro esamiento ImageJ. La inversión hae que el fondo de la imagen pase de ser laro a osuro, y las partíulas de osuras a brillantes. En o asiones apareen ob jetos estátios en la seuenia de imágenes, sobre to do uando alguna partíula o suiedad queda adherida a la ventana de vidrio de la elda. Cuando este es el aso se realiza un promedio 46 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Figura 3.8: Fotografías al mirosopio eletrónio de barrido de arena (sup erior) y regolito (inferior). de to das las imágenes invertidas, promedio que se resta a ada una de las imágenes que omp onen la grabaión. Las partíulas que se mueven apareen durante una fraión p equeña de imágenes en omparaión on el total, on lo que el promediado resalta los ob jetos estátios y terminan siendo eliminados tras la sustraión (Fig.3.9). A ontinuaión se segmentan las imágenes on una op eraión de thresholding en la que se estableen unos valores umbral de intensidad para disriminar aquellos píxeles de la imagen que p erteneen a una p osible partíula de los que no (Fig.3.9d). Este thresholding elimina también aquellas partíulas que están fuera de fo o y no tienen un ontorno bien denido resp eto al fondo. Una vez identiados los píxeles que pueden p erteneer a partíulas, aquellos que estén ontiguos se agrupan dentro de una misma entidad y del resultado se toma el brillo total de los píxeles aso iados, momento de ineria y o ordenadas del entroide (Fig.3.9e). Para esto se utiliza una rutina reada p or nosotros y ejeutada en Matlab R  . El siguiente paso es enlazar aquellas imágenes en que aparezan estas entidades o partíulas andidatas para identiar sus p osibles trayetorias. Esto se realiza on una herramienta de ImageJ desarrollada p or los autores de la ref. [83℄: on ella se omparan el brillo medio y momento de ineria de las partíulas andidatas en dos imágenes onseutivas, A y B. Para ahorrar tiemp o de álulo no se ompara ada partíula en la imagen A on to das las de B, sino que para la p osiión de la partíula en la imagen A se establee 3.3. Euaiones para el análisis de arga 47 Figura 3.9: Pro eso de análisis de imágenes on Sipernat 320DS (hidrofílio). a) Imagen adquirida. b) Tras inversión de olores. ) Después de la sustraión de la imagen promedio. d) Operaión de thresholding. Los píxeles on intensidad suiente están en olor ro jo frente al fondo negro. e) Imagen binaria resultado de la deteión de partíulas on la rutina de análisis. una región de radio determinado, y es dentro de esta región donde se busan partíulas en la imagen B. El tamaño de la región y las velo idades típias de adquisiión de imágenes representan un límite sup erior a la velo idad de movimiento entre 2 imágenes onseutivas de las partíulas analizadas que está entre vlim = 0,2 - 0,4 m/s. Partíulas on mayor velo idad que esta vlim no serían rastreadas adeuadamente p or el programa. Tras enlazar las p osiiones de las partíulas andidatas en los diferentes frames, se hae un 48 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados a juste según las euaiones: zk=zin +vztk (3.20) xk=xin +vxtk+xocos(2πftk+θ) donde zk es la o ordenada vertial de la partíula en la imagen orresp ondiente al tiemp o tk y f es la freuenia del amp o elétrio. Los parámetros de a juste son la amplitud de osilaión xo , el desfase on el amp o, θ y las velo idades vertial y horizontal, vz y vx . Sólo se aeptan aquellas traye- torias que ofreen o eientes de orrelaión r2≥0,6 y que se prolonguen al menos durante un ilo ompleto del amp o elétrio. Este último ltro elimina trayetorias en las que el software ha ometido el error de onfundir distintas partíulas de forma y tamaño similar que, p or apareer en algún/os fotograma/s demasiado era de la otra son identiadas omo la misma partíula. Dos ejemplos de trayetoria aeptada apareen en la gura 3.10. El diagrama sup erior es un ejemplo de trayetoria on o eiente de orrelaión r2= 0,970 en el a juste, y 0,618 para el diagrama de aba jo. Se inluyen otros detalles omo la amplitud de la osilaión xo , las velo idades medias vx y vz (e. 3.20), la velo idad de adquisiión en la ámara y la arga elétria alulada en la partíula, q. 3.3.3. Inertidumbre en la medida La inertidumbre en la medida de arga y p olaridad en las partíulas tiene distintos orígenes. En uanto a la p olaridad se reere, ya hemos menionado que es neesario ono er el valor del amp o elétrio en ada fotograma para una orreta araterizaión del desfase entre el movimiento osilatorio y el amp o. La manera que se onsideró para lograrlo fue la de, una vez onetada y en marha la fuente de alto p otenial, omenzar la tarea de adquisiión de datos de volta je y de adquisiión de imágenes de manera simultánea. Se armó en la seión anterior que esta simultaneidad de eventos se realiza vía software. En la gura 3.11i) se representa la idea: el tiemp o de iniio o t=0 se orresp onde al momento en que se ejeuta el software, y debido a que ono emos el valor de freuenia del volta je adquirido y la velo idad de ámara en fotogramas/segundo (fps) amb os eventos omparten una misma esala de tiemp os ( tk ). Para veriar que el software funiona orretamente se montó un ensayo en el que la ámara rápida enfo a a una rejilla metália ja, y la iluminaión orre a argo de un láser (BWTek In.) mo dulable ( tsubida y tbajada<20 µ s) dirigido diretamente a la rejilla. Del mismo generador de funiones que provee la señal alterna a la fuente de alto p otenial durante los exp erimentos se extrae una señal TTL (0 - 5 V) de sinronismo que se oneta al láser, y éste se ilumina y apaga de auerdo a diho pulso. El volta je y la señal TTL que salen del generador son apturados 3.3. Euaiones para el análisis de arga 49 Figura 3.10: Posiión de dos partíulas de vidrio en el plano x-z según la deteión realizada sobre 118 y 189 fotogramas de las seuenias apturadas. Los puntos de deteión están en azul, y en línea ro ja el a juste. en un osilosopio, omo se representa en la gura 3.11ii). Así, usando la rutina de LabVIEW esrita para los exp erimentos, se adquiere p or un lado la señal de volta je de 100 Hz generada y p or el otro grabamos la rejilla metália on la ámara. Si el ó digo funiona orretamente, atendiendo a la gura deb emos observar que la rejilla se iluminará uando el volta je registrado sea máximo -pues este punto oinide on el iniio del pulso uadrado- y dejará de estarlo uando el volta je sea mínimo -ba jada del pulso uadrado-. Las pruebas se realizaron on una velo idad de ámara de 6700 fps (149 µ s p or fotograma) y tasa de muestreo de volta je a 1000 muestras/seg, on amplitud y freuenia de señal similares a las usadas en los exp erimentos. Posteriormente se ompararon visualmente las imágenes on los valores de volta je registrados, omprobando que efetivamente el láser iluminaba la 50 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Figura 3.11: i) Momento iniial t= 0 para la adquisiión de volta je y grabaión de la ámara. Si t= 0 o urre en el transurso de un fotograma la ámara no omienza a grabar hasta el iniio del siguiente. ii) Señal TTL de sinronismo y volta je alterno -en unidades arbitrarias- a la salida del generador de funiones (f=100 Hz). rejilla metália en los mismos puntos de tk en que el volta je adquirido era máximo, y dejaba de iluminar uando V era mínimo. Este análisis visual se realizó para unas 2200 imágenes, orresp ondiente a ∼ 0,3 segundos de duraión. En la determinaión del desfase entre partíula y amp o elétrio existe una segunda fuente de inertidumbre relaionada on la sinronizaión entre el amp o elétrio y las imágenes, que resulta inevitable y proviene de la manera en que la ámara funiona. Cuando ésta se enuentra enendida y preparada para el disparo, lo que hae es grabar ontinuamente en la memoria volátil de manera ília; es deir, uando la memoria se llena el equip o sobresrib e las imágenes más antiguas de la memoria on los nuevos 3.3. Euaiones para el análisis de arga 51 fotogramas. Así, uando la ámara reib e la señal de disparo probablemente se enontrará en la tarea de adquirir un fotograma. Es lo que se intenta ilustrar en la gura 3.11i) al dibujar el instante de disparo dentro de la primera imagen. Aunque le haya llegado la señal, la primera imagen guardada en la ámara será la inmediatamente p osterior a aquella en la que se reibió la señal. El tiemp o que media entre el momento del disparo y el iniio del primer fotograma en ser guardado es tiemp o p erdido, ∆t , y tendrá omo máximo un valor de 1/fps . Aunque lo mismo se p o dría deir de la tarea de adquisiión de volta je, el heho de que la velo idad del relo j de la tarjeta de adquisiión sea del orden del GHz hae despreiable su tiemp o de retraso frente al de la ámara. Conluimos p or tanto que se tiene un retraso sistemátio en el tiemp o de iniio en la ámara on resp eto al de la tarjeta de adquisiión, uyo valor máximo p o drá ser ∆t=1/fps . Durante los exp erimentos la freuenia del amp o elétrio apliado es f=100 Hz y las velo idades de adquisiión de ámara entre 3000 - 5000 fps. Como un p erio do de 10 ms orresp onde a un ilo ompleto en la señal de volta je, la inertidumbre en la fase se puede evaluar omo 360◦ 10·10−3·fps = 12◦−7.2◦ para 3000 y 5000 fps, resp etivamente. Teniendo en uenta la velo idad de ámara que se usó en ada exp erimento, estos valores de inertidumbre son restados a los valores θi (e. 3.19) de ada partíula argada analizada. En uanto a la inertidumbre en la medida de arga de las partíulas, la alulamos p or propagaión de errores a partir de la expresión de q (e. 3.18). Para f una funión de varias variables (x, ...., z) , la inertidumbre ∆ f es ∆f=s∂f ∂x∆x2 +... +∂f ∂z ∆z2 En el aso de q las fuentes prinipales de error son la medida del radio R y la amplitud del movimiento osilatorio horizontal |xo| . No nos paree lo más adeuado derivar el tamaño medio de las partíulas a partir de su área tal y omo aparee en las imágenes p orque ésta no es más que una proyeión en 2D de la geometría tridimensional real. Habría que alular el radio de la esfera equivalente: aquella uya seión tiene la misma sup erie que el área proyetada de la imagen. Esto es una aproximaión, que se vuelve más severa a medida que la geometría real de la partíula es más irregular. Tamp o o resultó adeuado obtener el tamaño de la partíula a partir de la velo idad terminal uz,term , p or lo que se optó p or derivar el radio a partir de la velo idad vertial de la partíula, en lo que se ono e omo radio aero dinámio. Éste es el radio de la esfera equivalente que tiene una velo idad terminal en el uido igual a la medida en la partíula: Rae =s9ηvz 2gρp (3.21) 52 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados De esta manera, la inertidumbre ∆q es: ∆q=s∂q ∂vz ∆vz2 +∂q ∂xo ∆xo2 (3.22) El valor ∆xo se obtiene diretamente al haer el a juste (e. 3.20), y ∆vz la estimamos omo la diferenia entre el mó dulo de la velo idad de la partíula, |v| , y la omp onente vertial: ∆vz = |v| - |vz| = pv2 x+v2 z - |vz| . Una mayor diferenia entre los términos india más desviaión en el movimiento de la partíula resp eto al aso de aída libre puramente vertial, que es la situaión en la que el álulo de Rae tendría la mayor exatitud p osible. 3.4. Resultados 53 Figura 3.12: Esquema del equip o de análisis p or difraión láser Mastersizer 2000 y patrones de intensidad disp ersada para dos partíulas aisladas. Adaptado de Malvern Instruments y Sympate GmbH, resp etivamente. 3.4. Resultados 3.4.1. Distribuión de tamaños de partíula Del total de partíulas analizadas durante la grabaión se puede extraer una distribuión de tamaños para ada material y ser omparada on la obtenida p or ténias de medida estándar. Entre éstas (tamizado, sedimentaión, difraión láser, mirosopía óptia,...) destaa la difraión láser (ISO 13320- 1) p or su versatilidad -se pueden medir las muestras disp ersas en un gas o susp endidas en un líquido-, rapidez en la medida -no más de 5 ó 10 min.- y rango de medida. En onreto, el equip o que usamos (Mastersizer 2000, Malvern Instruments) puede analizar muestras on diámetro de partíula entre 0,02 - 2000 µ m usando el mó dulo de disp ersión en seo. En una primera etapa la muestra se vierte p or vibraión desde una bandeja haia una ámara donde se enuentra on una orriente de aire seo a presión (regulable entre 0,25 y 4 bar). El gas desagrega las partíulas del p olvo en mayor grado uanto más presión tiene. La muestra es de esta forma arrastrada omo susp ensión haia la siguiente etapa, una elda de medida a través de la que pasa un haz láser de He-Ne ( λ= 633 nm). El prinipio de medida de la ténia se basa en el análisis de los patrones de intensidad de luz disp ersada p or la nub e de partíulas al ser iluminadas on la luz láser. La variaión angular en los patrones de intensidad de la señal está relaionada on la distribuión de tamaños de las partíulas. En el aso de una partíula esféria aislada, la distania del entro del patrón ( ro ) al primer mínimo dep ende del diámetro de la partíula (Figura 3.12). La presentaión de las distribuiones de tamaño obtenidas suele ser en forma de tabla o de gráa. El aso gráo más simple es el de un histogra- 60 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Rae (µm) 0 5 10 15 20 25 30 θ / π 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Carga Negativa Carga Positiva Rae (µm) 0 5 10 15 20 25 30 q (fC) -60 -40 -20 0 20 40 60 Figura 3.16: Izquierda: Desfase exp erimental entre partíula y amp o elétrio para to dos los materiales junto a las líneas de valores esp erados para arga negativa y p ositiva. Dereha: Carga exp erimental para todos los materiales. Las líneas a trazos representan los límites máximos de arga elétria sup erial, qmax . a 2 es p or tanto equivalente a aquel on θi/π∼0 . Apareen 2 onjuntos de datos agrupados en torno a las líneas de desfase esp erado y que siguen la tendenia de éstas al inrementarse Rae . Estos onjuntos tienen también ierta disp ersión en los puntos, uya anhura máxima no llega a ser 0,4 vees el valor de π rad salvo algunos puntos aislados. A p esar de la disp ersión resulta senillo relaionar ada punto on una de las dos líneas de desfase, siempre están muho más era de una que de otra. Tamp o o paree hab er ninguna relaión entre el tamaño de la partíula y la distania de los puntos a las líneas de desfase; es deir, no es aparente ninguna relaión entre el grado de disp ersión de los puntos y Rae . Finalmente, una vez asignada a ada partíula la p olaridad de su arga sup erial hemos ubierto el paso neesario para estableer las distribuiones de arga durante la disp ersión en el trib o argador. Es esto lo que se ilustra en la gráa dereha de la gura 3.16, para to das las partíulas de los materiales analizados y junto a las urvas -en disontinuade arga máxima impuesta p or la rotura dielétria del aire. A ontinuaión separaremos estas distribuiones de arga para ada uno de los materiales. La manera de presentar las distribuiones de arga para los diferentes materiales ha sido dibujar qi vs Rae y en forma de histograma (guras 3.17 a 3.21). qi se aompaña de líneas disontinuas que maran el valor máximo de arga qmax en funión del tamaño, según la e. 3.15. To dos los datos tienen inluida barra de error (según se disutió en la seión 3.3.3), aunque en muhos asos ésta es de menor tamaño que el símb olo. Solamente en el aso de la arena se ha deidido dotar on barra de error a 1 de ada 10 datos para una mejor visualizaión. De las barras que se han omitido ninguna es mayor 3.4. Resultados 61 Rae (µm) 0 5 10 15 20 25 30 q (fC) -60 -40 -20 0 20 40 60 Vidrio 5-50 µm q (fC) -60 -40 -20 0 20 40 60 No. partículas 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Figura 3.17: Carga por partíula qi e histograma obtenidos on PTV para las bolas de vidrio 5-50 µ m almaenadas a humedad ambiente ( • ) y a 10 % HR ( • ). Las líneas disontinuas en el diagrama de la izquierda son la arga máxima p ermitida p or la rotura del aire, qmax . Rae (µm) 0 5 10 15 20 25 q (fC) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Regolito q (fC) -30 -20 -10 0 10 20 30 No. partículas 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Figura 3.18: qi e histograma del regolito almaenadas en ámara al 10 % HR. Las líneas disontinuas son los valores límite en la arga, qmax . que las que están representadas. En un primer análisis se distinguen tres asp etos que son: 1.-) a nivel de partíula existe una distribuión de arga bip olar para ualquier material, omo han enontrado otros traba jos tanto en partíulas en disp ersión [6, 74, 8688℄ omo en lehos uidizados [71, 89 92℄; 2.-) en to das las muestras se presenta la tendenia a tener mayor nivel de arga según la partíula ree, aunque no enontramos segregaión en funión del tamaño omo arma Laks en sus traba jos tanto exp erimentales [88℄ omo de simulaión numéria sujetos a mo delos simples de transferenia eletrónia entre partíulas [9396℄. Otras referenias que desrib en el mismo fenómeno 62 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados No. electrones 80 60 40 20 0 20 40 60 80 Rae (µm) 0 2 4 6 8 10 12 q (fC) -10 -5 0 5 10 x10-3 Arena No. electrones -10 -5 0 5 10 q (fC) ×10-3 -2 -1 0 1 2 No. partículas 0 50 100 150 200 250 Figura 3.19: qi e histograma de la arena almaenada al 10 % HR. Rae (µm) 0 2 4 6 8 10 q (fC) -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Sipernat 320DS q (fC) -1 -0.5 0 0.5 1 No. partículas 0 20 40 60 80 100 120 140 Figura 3.20: qi e histograma del Sipernat 320DS almaenado al 10 % HR. son [90, 97, 98℄: presentan resultados en los que las partíulas de menor diámetro obtienen arga neta negativa preferentemente, y las de mayor tamaño tienden a argarse p ositivamente. Una araterístia omún a to dos estos traba jos itados es que en ellos predomina laramente el ontato partíulapartíula. A mo do de omparaión presentamos en la gura 3.22 el número de partiulas argadas on un signo u otro en funión del radio aero dinámio Rae de nuestros resultados on b olas de vidrio y regolito (otros materiales no se adjuntan p ero ofreen gráas semejantes). En ellos no se observa dominio de las argas negativas entre las partíulas más p equeñas sino más bien en to do el rango de tamaños. Esto nos paree indiativo de que en nuestros exp erimentos domina iertamente el ontato partíula-pared, omo orresp onde a una disp ersión en régimen de fase diluida [99℄. 3.-) En los histogramas dominan las p oblaiones de partíulas on arga negativa. 3.4. Resultados 63 Rae (µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 q (fC) -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2Sipernat D10 q (fC) -1 -0.5 0 0.5 1 No. partículas 0 100 200 300 400 500 Figura 3.21: qi e histograma del Sip ernat D10 almaenado al 10 % HR. Rae µm 0 5 10 15 20 25 30 No. partículas 0 50 100 150 Vidrio 5-50 µm Positivas Negativas Rae µm 0 5 10 15 20 25 No. partículas 0 50 100 150 200 250 300 Regolito Positivas Negativas Figura 3.22: Número de partíulas on arga neta p ositiva y negativa en funión del radio aero dinámio Rae para dos de los materiales analizados. Solamente la sílie hidrófoba (Sip ernat D10) tiene una distribuión en que las argas p ositivas son mayoría. En su homóloga hidrofília (Sip ernat 320DS) dominan las argas negativas, y puesto que ambas tienen idéntia omp osi- ión químia y morfología, las diferenias en la distribuión de arga quizás vengan motivadas p or los diferentes grup os funionales siloxano y silanol (Fig. 3.23) enlazados químiamente a la sup erie [100℄, y resp onsables del aráter hidrofóbio e hidrofílio, resp etivamente. Diversos traba jos han obtenido una fuerte dep endenia entre la omp osi- ión químia en la sup erie de materiales aislantes y la arga sup erial p or ontato. En las referenias [44, 60, 101℄, la sup erie de las partíulas está ubierta p or moléulas on un atión fuertemente unido a aquélla y un anión débilmente unido, o vieversa, de manera que la parte débil es la que se trans- ere durante el ontato. Enuentran que el signo de la arga nal es igual al 64 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Figura 3.23 del ión débilmente unido, y la magnitud de q es diretamente prop orional a la onentraión sup erial de los iones. Lo observado on Sip ernat tiene equivalente en la referenia [27℄, donde se llegan a lasiar las argas sup er- iales generadas en funión de la apaidad donadora/aeptora de eletrones de las moléulas sup eriales. Un grup o on gran apaidad aeptora (áido de Lewis) hará que la sup erie quede argada negativamente, y un aráter donador (base de Lewis) provo a la arga p ositiva. Los grup os silanol del Sip ernat 320DS son áidos de Lewis p or la alta eletronegatividad del átomo de oxígeno, mientras que los grup os metilo del siloxano en el Sip ernat D10 tienen aráter donador. Por ello paree justiado enontrar en el análisis p or PTV una mayor p oblaión de partíulas argadas negativamente en el Sip ernat hidrofílio, y lo opuesto en el hidrofóbio. Antes de seguir on la omparaión entre las distribuiones de arga de los materiales nos detendremos en el aso de la arena molida. Ya se menionó que su distribuión es la que más inertidumbre presenta, otro asp eto notable es el ba jo nivel de arga elétria que aparee en las partíulas analizadas, y a to dos los efetos se puede onsiderar omo nula. Tan ba jo, que en la gura 3.19 se añade un segundo eje on el número de argas elementales (número de eletrones) equivalente. Si tenemos en uenta las barras de error, la arga en las partíulas osila en un intervalo de amplitud de 2×80 argas elementales. Inmediatamente surge la uestión de uán sensible es la ténia PTV y si estos valores de arga tan ba jos tienen sentido o p or el ontrario son un artiio resultado de los álulos. La euaión 3.18 de la que se deriva qi es funión de las variables amplitud de trayetoria, |xo| y de Rae . Resp eto a aquélla, si atendemos a la osilaión total 2×|xo| (Figura 3.10) el 7,7 % de las partíulas de arena representadas tiene un valor de entre 1,3 y 2 píxeles, erano a 1 , que es lo mínimo que en las imágenes se p o dría detetar. El 92,3 % de partíulas restantes tiene valores mayores que 2 píxeles, donde el más freuente es 5 px. Esto paree suiente para desartar que la ba ja arga se deba a una inorreta asignaión de la amplitud de osilaión. En 3.4. Resultados 65 el análisis de imágenes, además, sólo se analizan trayetorias de partíulas que hayan durado al menos 1 ilo ompleto de amp o elétrio. Resp eto al tamaño Rae de las partíulas, la distribuión está entrada en torno a 10 2µ m (Figura 3.13), similar a la del Sip ernat hidrofílio y p or enima del Sip ernat hidrofóbio. To do lo anterior apunta p or tanto a que ninguna de las dos variables más inuyentes en el álulo de qi toma valores anormalmente p equeños omo para provo ar que la arga alulada esté en el orden de 10−18 C . En lo referente a las barras de error, hemos omprobado que los valores de ∆q (e. 3.22) en la arena son similares en magnitud a los del resto de materiales, p ero al tener valores de arga tan ba jos la prop orión entre ambas se agranda. Conluimos pues que la arga elétria en la muestra de arena se puede onsiderar ero a to dos los efetos, p ero no es debido a una falta de sensibilidad en la ténia; p ensamos que probablemente las partíulas de arena, debido a su p equeño diámetro, siguen las líneas de ujo de gas durante la disp ersión dentro del trib o argador de aero, su ineria no es suiente para haerlas salir de las líneas y olisionar on las paredes on la suiente velo idad para que la arga adquirida sea relevante. Intentemos ahora omparar las distribuiones de arga entre los diferentes materiales. Revisando a o jo las guras 3.17 a 3.21 pareería que, de media, las partíulas de vidrio entre 5 y 50 µ m son las que obtienen una mayor arga sup erial. Le seguiría el regolito, después ambas sílies on un nivel de arga similar, y nalmente la arena a muha distania del resto. ¾Cómo uantiar esto? La manera más senilla -y menos representativasería haer la media de los valores absolutos de arga para las N partíulas, qi= N X i=1 |qi| N (3.23) No es más que p oner número a lo que se hae a o jo on las gráas; rear una idea de uán alto llegan las argas eletrostátias en el material sin tener en uenta ninguna otra araterístia de éste, omo la antidad de masa. Esto sí es tenido en uenta p or el valor medio qm= N X i=1 |qi| mi N= N X i=1 |qi| 4 3πρpR3 ae,i N, (3.24) en el que ρp es la densidad del material sólido, y para alular la masa se usa el radio de partíula sup oniendo que son de geometría esféria. De la misma manera y usando la sup erie de una esfera de radio Rae derivamos una arga media p or unidad sup erie qsup . En la tabla 3.2 se presentan los valores medios para las distribuiones de ada material. Repitiendo lo diho on anteriorad, si uno se ja en la primera olumna p o dría llegar a 66 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados Tabla 3.2: Valores medios de arga aritmétio, p or unidad de masa y p or unidad de superie, derivados del PTV. Aba jo, resultados de referenias bibliográas para arga p or unidad de masa en partíulas en disp ersión Material qiqmqsup fC nC/g nC/cm2 Bolas de vidrio 5-50 µ m 10,5 208 0,28 Regolito 2,2 200 0,17 Sip ernat 320DS 0,2 342 0,09 Sip ernat D10 0,1 1167 0,11 Arena 3×10−4 0,3 1×10−4 s.e. [87℄* - 2000 - Tóner [74℄ - 3000 - 8000 - Sílie [75℄ - 20 - 100 - Carb ón vítreo [75℄ - 20 - 100 - Ceniza [86℄ - 6000 - Alúmina [86℄ - 6000 - s.e. [102℄** - 1 - 100 - *Sin esp eiar. Formulaiones farmaéutias. **Sin esp eiar. Condutividad elétria σ≈10−12 S/m . p ensar que, p or la gran variabilidad entre las argas medias en uno y otro material, existe una gran diferenia en la apaidad de los materiales de obtener arga eletrostátia ba jo ondiiones similares de disp ersión. Sin embargo, uando observamos los valores medios p or unidad de masa o de sup erie la variabilidad disminuye, esp eialmente si se obvia el aso de la arena molida. Esta homogeneizaión es fáil de entender p orque la masa -p ero sobre to do la sup erieson variables imp ortantes en los pro esos de arga p or ontato. A mayor sup erie disp onible en una muestra hay más zonas expuestas al interambio de argas uando o urra el ontato. Por tanto al eliminar esta variable nos queda una informaión más ltrada sobre el pro eso de arga en materiales disp ersados. A mo do omparativo, la tabla 3.2 reoge también resultados de qm derivados de publiaiones ientías sobre otros traba jos de arga en materiales en disp ersión. 3.4.3. Mo delo de distribuiones de arga Para mo delar el pro eso de arga, la representaión más simple es la del ondensador. Se onsideran las sup eries en ontato omo un ondensador 3.4. Resultados 67 Figura 3.24: Ilustraión del sistema partíula-sup erie durante la olisión y su iruito equivalente según el mo delo de ondensador. plano uya apaitania dep ende del área de las sup eries en ontato S, la distania entre ellas a nivel mirosópio zo , la arga transferida ∆q y la diferenia de p otenial V [7℄. C=εoS zo =∆q kcV kc es una onstante de eienia de arga y εo la p ermitividad del gas. La diferenia de p otenial V dep ende prinipalmente del p otenial de ontato entre las sup eries ( Vcpd ), más otros términos de p otenial que van ambiando según el tip o de ontato que se quiera estudiar, y que en los traba jos que nos sirven de referenia para este apartado [81, 103℄ inluyen uno debido a la arga imagen generada sobre la sup erie de olisión, Ve , y otro que proviene del amp o elétrio que las argas de las partíulas irundantes generan en la zona del ontato, Vb . Tanto Ve omo Vb se onsideran prop orionales a la arga instantánea en la partíula, Ve,b ∝q . Los autores simulan el ontato rep etido on la pared de un tub o metálio onetado a tierra, de longitud y diámetro ono idos. Como resultado prop onen una funión densidad de probabilidad f(qm) para desribir la distribuión de arga p or unidad de masa en una nub e de partíulas disp ersas que via jan p or el interior del tub o. Las onsideraiones imp ortantes para obtener f(qm) son que: La arga transferida entre la pared y las partíulas es una magnitud ontinua, y siempre del mismo signo. La arga p or unidad de masa qm en las partíulas es muho menor que 68 Capítulo 3. Carga en p olvos disp ersados !tb qm (C/kg) ×10-3 -1 -0.5 0 0.5 1 f1(qm) 0 500 1000 1500 2000 2500 n = 0.14 k = -5.82e-04 r2 = 0.932 Bolas de vidrio 5-50 µmDatos Ajuste Figura 3.25: Ajuste a los datos exp erimentales de b olas de vidrio 5-50 µ m según la funión de distribuión del mo delo de [81, 103℄. la arga máxima de equilibrio que onseguirían tras un número innito de olisiones, |qm|≪|qm∞| ( C/kg ). La arga iniial de las partíulas al entrar en el tub o es nula, qm0= 0 . La funión de distribuión resultante es: f1(qm)≈1 √2πk√nexp −(qm−nk)2 2nk2 (3.25) donde n es el número medio de olisiones de ada partíula y k ( C/kg ) lo denominan fator de eletriaión p or impato. La funión f1(qm) es equivalente a una distribuión normal on valor medio nk y desviaión estándar k√n . Los autores dan a k el signiado físio de una eienia en la transferenia de arga p or ada olisión uyo valor no se puede estimar de las propiedades de los materiales, sino que se alula al optimizar la urva a los datos exp erimentales. Lo mismo o urre on n . Además presentan medidas exp erimentales que indian que k no es un valor jo, sino que tiene una desviaión estándar σk , y tanto k omo σk son funión de la longitud del tub o durante la que las partíulas han estado olisionando on las paredes. La gura 3.25 es el a juste de los resultados de PTV para las b olas de vidrio 5-50 µ m a la funión f1(qm) . qm ( C/kg) se alula a partir de la densidad del vidrio, ρp , el radio Rae y la arga medida qi sup oniendo que las partíulas son esférias. Sorprende que el número de olisiones medio sea <1 , pues esto indiaría que las partíulas onsiguen la arga sin neesidad 3.5. Resumen 69 de ho ar 1 vez on la pared del trib o argador. Deb eríamos tener un valor estimado de k para onseguir un n representativo. 3.5. Resumen En este apítulo hemos desrito una ténia (PTV) para medir la arga de una fraión de las partíulas en disp ersión que salen del trib o argador de aero. Se ha expliado ómo los materiales, el monta je y las ondiiones de grabaión son adeuados para analizar las partíulas en estado estaionario, ondiión indisp ensable para apliar el análisis teório utilizado. Los diámetros de partíula medidos on la ténia son apreiablemente mayores que los obtenidos on una ténia estándar de medida. Las razones son que la ténia PTV tiene un límite de resoluión de ∼7,4µ m p or la óptia usada y que p osiblemente se están analizando una mezla de partíulas y aglomerados a la salida del trib o argador. En el análisis de arga no se ha enontrado diferenia entre la arga adquirida p or partíulas que fueron almaenadas a ba ja humedad (10 % HR) resp eto al resto. La relaión entre la p olaridad de la arga y el diámetro de las partíulas india que, en semejanza on lo que ab e esp erar en una fase diluida, las olisiones predominantes o urren entre partíula y paredes. Las medidas de arga p or partíula son del orden del fC , y no se han enontrado argumentos para p ensar que las menores argas medidas ( 10−3fC ) están fuera del rango de sensibilidad de la ténia; argas elétrias tan ba jas pueden deb erse a la inapaidad del sistema para haer olisionar partíulas muy p equeñas ( R < 1µ m) on las paredes del trib o- argador on la intensidad y freuenia neesarias. Una omparaión de los resultados on datos reopilados en la literatura ientía muestra que nuestros p olvos disp ersos adquieren niveles de arga elétria sup erial equiparables a las referenias. Finalmente, se han intentado examinar los resultados ba jo el punto de vista de un traba jo teório-exp erimental que onsidera el ho que ontinuo entre partíulas disp ersas y las sup eries internas de un tub o ondutor. Aunque el número de grados de lib ertad en el mo delo limita el análisis, hemos p o dido entender que variables omo el número medio de olisiones entre partíula y sup erie y la eienia en la transferenia de arga durante ada olisión son signiativos en trib o eletriidad. 76 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares Figura 4.4: Esquema y fotografías del monta je exp erimental para medir el nivel de arga elétria en p olvos disp ersados y sedimentados. La malla metália alrededor de la jaula de Faraday se oneta a tierra y ayuda a aislar de interferenias. (*) Cuando se usa tubo de aero omo trib o argador, se oneta a tierra mediante un eletrómetro. pierden energía inétia y se desargan p or la b o a ónia, el gas sale libre de partíulas p or un agujero en la parte sup erior. Por el elevado número de olisiones que o urren on la paredes interiores, los ilones son muy onvenientes para ensayos de arga de p olvos [79, 80, 112, 113℄ e inluso a esala de planta piloto, para separaión de residuos [114116℄. El trib o argador en aero ( L= 540 mm, di= 21 mm) es de geometría ilíndria, y su apaidad de limpiar el gas de las partíulas que arrastra es menor que la del ilón. Lo onsigue p orque, una vez que el gas de transp orte entra en él, su velo idad deree al aumentar la seión y también las fuerzas de arrastre sobre las partíulas, on lo que ya no pueden ser sostenidas en el ujo de gas y aen p or gravedad a la salida del tub o haia la jaula de Faraday. También es de uso omún la onguraión de tub o en traba jos exp erimentales, esp eialmente uando se intenta simular sistemas de transp orte neumátio [117, 118℄. Tanto en ilón omo en tub o de aero la entrada de gas proveniente del Venturi se hae de manera tangenial al eje longitudinal del trib o argador, ya que así se ve p oteniado el número de olisiones entre las partíulas y las paredes interiores del trib o argador. Cuando se usa el trib o argador de aero se oneta un eletrómetro progamable (Keithley 6512) funionando omo amp erímetro entre tierra y el trib o argador, de manera que mide la orriente elétria que uye entre el trib o argador y las partíulas. De esta orriente, p or integraión numéria se 4.2. Monta jes exp erimentales 77 obtiene la arga total Qdisp transferida a las partíulas en disp ersión. Para reduir el ruido elétrio p or aoplamiento apaitivo on los disp ositivos alrededor, se usa una malla metália onetada a tierra y que reubre el tub o de aero, p ero sin ontato entre amb os. El uso de trib o argadores de naturaleza aislante y ondutora nos p ermitirá ono er si los meanismos mirosópios de la transferenia de arga entre las partíulas y las paredes del trib o argador tienen algún efeto en la arga adquirida. Tras abandonar el trib o argador las partíulas argadas aen p or gravedad en una elda ilíndria fabriada en material aislante (metarilato), que está errada en su parte inferior on un ltro p oroso metálio para dep ositar las partíulas. Este ltro está elétriamente aislado del exterior de la elda. La elda está olo ada dentro de la jaula de Faraday, que a su vez viene onetada p or able oaxial a un pioamp erímetro Keithley 6485. Éste mide la orriente elétria que se mueve entre tierra y la parte interna de la jaula de manera ontinua, y sus datos se pasan a un ordenador p ersonal on software lieniado LabVIEW R  , donde se integran numériamente para obtener la arga que hay en la elda de metarilato en funión del tiemp o, Qsedim(t) , y que se orresp onde on la arga del medio granular que sale del trib o argador y sedimenta. Nótese que haemos distinión entre la arga que es transferida al p olvo uando está disp erso, Qdisp , y la que tiene al sedimentar en la elda, Qsedim . En el monta je también existe una balanza (Mettler Toledo AB2014-S o Preisa XT) sobre la que desansan la jaula de Faraday y la elda, de manera que on el mismo software se registra la masa en la elda en funión del tiemp o, m(t) . Los datos de arga y masa se registran a una velo idad de entre 4 - 10 muestras/segundo. 4.2.1. Materiales Durante el proyeto se puso énfasis en la imp ortania que tenía para los so ios industriales el estudio de materiales de naturaleza inorgánia y del ontrol de la humedad en la muestra. En plantas industriales situadas en limas fríos (ba ja humedad relativa ambiente) la ohesividad o la failidad para adquirir arga elétria p or rozamiento/ontato dieren notablemente de aquellas instaladas en ambientes mo deradamente húmedos o muy húmedos. La temp eratura de traba jo y almaenamiento de los materiales en este proyeto fue siempre la ambiental, y los valores de humedad relativa de almaenamiento, prinipalmente tres. Muestras de ada material eran alma- enadas en ampanas de vidrio. En la de 60 % HR se intro duía junto a las muestras una mezla de glierina/agua on una prop orión bien denida [119℄ que hae que la presión de vap or del agua sea la adeuada para alanzar un grado de humedad determinado. Una segunda ampana tenía aetato p otási- o, altamente higrosópio [120, 121℄, para alanzar el 30 % HR. En la terera ampana se llevaban a ab o ilos de vaío on b omba de aeite y relleno on 78 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares Tiempo (días) 0 5 10 15 Humedad Relativa (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 10% 30% 60% Figura 4.5: Letura de las sondas de humedad dentro de ada una de las ámaras de almaenamiento de los materiales durante un p erio do de 15 días. N2 seo desde una bala de gas para mantener las muestras en torno al 10 % HR. Las humedades se midieron on sondas programables de Lasar Ele- tronis In. (Fig.4.5). Cuando se menionen resultados para muestras que no fueron guardadas en ondiiones ontroladas, así se indiará. A ontinuaión nombraremos los materiales y proveedores usados: Bolas de vidrio 5-50 µ m (Duke Sienti Corp). Medio granular inorgánio no ohesivo. Compuestas de vidrio omún (omp onentes mayoritarios SiO2 y Na2O ), tiene una distribuión de diámetro de partíula medio entre 5 y 50 µ m. Bolas de vidrio 70-110 µ m (Sigmund-Lindner GmbH). Partíulas de vidrio omún, material inorgánio no ohesivo. Bolas de vidrio 90-150 µ m (Sigmund-Lindner GmbH). Compuestas de vidrio omún, material inorgánio no ohesivo. Poli-metil-metarilato (PMMA) (Polysienes In.). Material inorgánio no ohesivo on distribuión de diámetros muy estreha (monodisp ersa). Féula de maíz . Material orgánio ohesivo. Azúar omún . Material orgánio no ohesivo. Sémola de trigo . Material orgánio no ohesivo. 4.2. Monta jes exp erimentales 79 Material Diámetro medio ( µ m) Bolas de vidrio 5-50 33.9 Bolas de vidrio 70-110 92.0 Bolas de vidrio 90-150 125.4 PMMA 200 Féula 7.3 Azúar 720 Sémola 796 Tabla 4.1: Diámetro Sauter medio de partíula medido p or difraión láser (Mastersizer 2000) en disp ersión on aire seo a 1 bar. Figura 4.6: Fotografía ba jo lupa óptia de b olas de Pmma (izqda.) y azúar (dha.). 4.2.2. Inertidumbre en la medida Las fuentes de error prinipales son el ruido elétrio que se indue en el monta je p or interferenias externas y la inertidumbre en la masa de partí- ulas disp ersada. El primer aso se ve atenuado p or las mallas metálias de proteión alrededor de la jaula de Faraday y del tub o de aero (uando se usa omo trib o argador). Con el sistema enendido y un osilosopio one- tado a la salida del pioamp erímetro o del eletrómetro, la señal de ruido media fue evaluada en Vp−p≃20mV y Vrms ≃7mV . Como las señales de salida de estos aparatos tienen un valor máximo de ±2V indep endientemente de la esala de medida, resulta en una relaión señal-ruido de 1 a 0,0035 ( = 7×10−3/2 ). Resp eto a la inertidumbre en la masa disp ersada, ∆mdisp , sólo es relevante uando se usa el tub o de aero omo trib o argador. La razón es que on él se mide la arga total transferida a las partíulas p or las sup eries del trib o argador ( Qdisp ), y p or tanto deb emos ono er la antidad de muestra que entra en él. No to da la muestra inyetada en el Venturi llegará al trib o- argador, pues parte quedará adherida a las sup eries de tub os y Venturi, 80 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares y en las propias paredes del trib o argador. Así, uando usamos la masa de material que ae a la jaula de Faraday para asignarle una arga total transferida Qdisp , se está sobreestimando la arga elétria edida a la muestra. La manera de aproximar la antidad de material p erdida p or adhesión a las sup eries es medir la que se inyeta desde el silo y omparar on la que se reoge en la jaula de Faraday. La diferenia prop oriona la masa p erdida. De este mo do se puede evaluar la relaión Qdisp/mdisp y su barra de error. Los valores típios de masa p erdida resp eto a la inyetada desde el Venturi osilan entre el 19 % - 69 % para las b olas de vidrio 5 - 50 µ m hasta el 1 % - 20 % para las b olas de vidrio 90 - 150 µ m. En general, estos p orenta jes dereen a mayor tamaño medio de partíula y mayor humedad relativa de la muestra. Este heho también se observa visualmente, pues al terminar el exp erimento una insp eión del interior del trib o argador y tub os aesorios revela la ausenia de adhesión en muestras de tamaño grande omo Pmma o azúar y un aumento a medida que se usan b olas de vidrio más p equeñas. Otra variable en la que ∆mdisp inuirá es la fraión volumétria de la disp ersión, φ -omo se verá en la seión de resultados-, denida omo la fraión de volumen que el p olvo o upa uando está en forma disp ersa en el gas. 4.3. Resultados 4.3.1. Carga en materiales disp ersados Como se ha itado previamente, la arga en partíulas disp ersadas se puede medir si el trib o argador usado es el de aero. La Figura 4.7 muestra la intensidad de orriente que va al trib o argador de aero, medida on el eletrómetro según se inyetan b olas de Pmma durante un tiemp o determinado. El eje horizontal seundario es la masa reogida en la elda de la jaula de Farday onforme avanza el exp erimento. La integraión numéria de la orriente nos da la arga adquirida p or las partíulas. Diha arga tiene signo negativo (las partíulas se argan negativamente), p ero en la Figura se representa el valor absoluto de Qdisp . La relaión entre Qdisp y la masa medida en la jaula de Faraday tiene un aráter aproximadamente lineal. Esto india que, asumiendo el mismo tamaño para to das las partíulas, éstas obtienen una arga aproximadamente onstante a lo largo del exp erimento, qdisp = Qdisp(mp/mdisp) , donde mp es la masa de la partíula, que se deriva de la densidad del material que la forma (p or ejemplo, 2,5g/cm3 para vidrio y 1,18 g/cm3 para Pmma) y del diámetro medio de partíula listado en la Tabla 4.1, mp=ρpπd3 p/6 . En la Figura 4.8 se muestra el valor absoluto de qdisp en funión del radio de partíula medio (Tabla 4.1) para los exp erimentos on trib o argador de aero. Las líneas disontinua y ontinua representan los límites máximos de arga sup erial sobre una partíula aislada para el aso de desarga orona plana y desarga orona en régimen intermedio [22℄. A medida que se dep osita 4.3. Resultados 81 mdisp (g) 0 10 20 30 40 Tiempo (seg) 0 100 200 300 400 Idisp (nA) -150 -100 -50 0 50 100 150 mdisp (g) 0 10 20 30 40 50 |Qdisp| (nC) ×104 0 1 2 3 4 5 Figura 4.7: Izqda: Intensidad de orriente medida por el eletrómetro a través del trib o argador de aero a una tasa de 4 muestras/seg para b olas de Pmma (sin ontrol de humedad) dispersadas en aire seo. Dha: Carga (valor absoluto) resultante en funión de la masa reogida. El eje horizontal en ambas inluye la masa de partíulas en la jaula de Faraday onforme avanza el exp erimento. más arga elétria sobre una sup erie aislada el amp o elétrio lo al va aumentando hasta alanzar el valor de rotura ( Er= 3·106V /m en desarga orona plana y Er= 37r−0,3 p en régimen intermedio) a partir del que to da nueva arga elétria que se dep osite en la sup erie se p erderá. Volviendo a la Figura 4.8, apareen resultados de exp erimentos llevados a ab o on muestras disp ersas en N2 y aire, y de muestras almaenadas en ondiiones sin ontrol de humedad y ba jo humedades relativas desde 10 % a 60 %. Como no se observó un efeto laro de la humedad de almaenamiento en qdisp , no está indiada en los puntos de la gura p or simpliidad. Sí están difereniados los puntos exp erimentales obtenidos on uno u otro gas de disp ersión. En las muestras en que se midió la antidad de masa inyetada apareen las barras de error típias de qdisp . En ualquier aso, y p or la proximidad de la mayoría de los puntos a la línea disontinua, se apreia que, indep endientemente de la naturaleza del material, las ondiiones de almaenamiento o el gas disp ersante usado, la arga elétria transferida desde el aero a las partíulas es del orden del máximo p ermitido según la desarga orona plana, y p or deba jo de la desarga en régimen intermedio, aunque on una distania a los puntos exp erimentales que no llegar a ser de un orden de magnitud. Es notable también que esto o urra en materiales on partíulas de tamaño y morfología muy distintas (alta esferiiad para Pmma y b olas de vidrio e irregulares en el azúar). Al entrar de manera tangenial las partíulas olisionan varias vees on el interior del trib o argador [122℄. Sin embargo, estas medidas son un valor promedio resultado de dividir la arga total entre el número total de partí- 82 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares rp (µm) 10 100 1000 |qdisp| (pC/partícula) 10-2 10-1 100 101 102 Vidrio 5-50 µm Vidrio 70-110 µm Vidrio 90-150 µm Pmma Azúcar Aire Nitrógeno Figura 4.8: Carga (valor absoluto) por partíula en funión del radio medio, rp para materiales almaenados entre 10-60 % de HR, a humedad ambiente, y disp ersos en aire seo y N2 . Se añaden barras de error p or efeto de la fraión de masa disp ersada que queda adherida y no ae a la jaula de Faraday. () Desarga orona plana, qplana corona,max = 4πεo3·106r2 p . (- -) Desarga orona, régimen intermedio, qinterm corona,max = 4πεo37r−0,3 pr2 p . ulas, y p or tanto no ayudan a difereniar si lo que o urre en el trib o argador es que las partíulas van obteniendo mayor arga durante las suesivas olisiones hasta alanzar su nivel nal, o bien algunas de ellas obtienen muy p o a arga elétria mientras que otras alanzan el máximo p ermitido, sufren desarga al aire y vuelven a obtener arga en la siguiente olisión. Este méto do tamp o o ofree informaión sobre el tip o de ho que predominante (partíula-sup erie o partíula-partíula), aunque la ba ja onentraión de sólidos en disp ersión usada en los exp erimentos indiaría dominania del hoque partíula-sup erie. Los riterios ba jo los que denimos nuestros ensayos omo de ba ja onentraión son los de Klinzing [77℄ y Matsuyama [104℄. Ba jo el primer riterio, para que una susp ensión sea onsiderada diluida la rela- ión de ujos másios de partíula y gas ha de estar omprendida entre 0 y 15 [77℄. En nuestros exp erimentos nuna se sobrepasó el valor 2,5 . El segundo riterio lo desribiremos en detalle, y parte del estudio teório-exp erimental de los autores de la referenia [104℄ en relaión al ujo de partíulas a través de tub os de transp orte ondutores y la onseuente generaión de arga elétria. El aso ideal de un partíula argada y aislada no es realista ba jo ningún punto de vista uando se traba ja on p olvos; las partíulas argadas veinas y paredes de transp orte/almaenamiento eranas tendrán inuenia en la eletrostátia del sistema. Para alular la arga elétria máxima p ermitida en partíulas que se mueven disp ersas en un ujo de aire p or el interior de 4.3. Resultados 83 un tub o ondutor, Matsuyama [104℄ lleva a ab o simulaiones numérias en las que las onsideraiones más imp ortantes son: 1. To das las partíulas son esférias y de idéntio diámetro. Compuestas p or material dielétrio de onstante dielétria 2 . 2. La transferenia de arga sólo o urre en los ho ques partíula-sup erie, nuna en partíula-partíula. 3. Cada partíula tiene una arga q homogéneamente distribuida sobre to da su sup erie. 4. El amp o elétrio resultante sobre la sup erie de una partíula problema es la suma de varios términos: Eo , el amp o elétrio generado p or to da la susp ensión de partíulas. Ep , el generado p or la p olariza- ión de la propia partíula. Eq , debido a la arga q sobre la partíula problema. Eim , amp o generado p or la arga imagen en la sup erie del tub o ondutor. 5. La onentraión de las susp ensiones aluladas viene dada p or la fraión en volumen de partíulas φ . Se dene omo el volumen que o upa el sólido (partíulas) sobre el volumen total (gas+partíulas). Abara un rango que ubre desde sup ensiones diluidas a onentradas ( 10−8−0,5m3/m3 ). La relaión obtenida para la arga máxima en disp ersión en funión del tamaño de partíula ( dp ), la onentraión de la susp ensión ( φ ) y el diámetro del tub o ondutor ( D ) es: qd,max =1,1·10−4d3 p q(φD)2+ 292,4d3 p [C] (4.1) donde la arga resulta en oulombios si las variables de la euaión on dimensiones de longitud tienen unidades de metro. Esta expresión muestra dos regiones bien difereniadas en funión de φ . Para ilustrarlo gráamente onviene usar la arga esp eía p or unidad de sup erie, σd,max =qd,max πd2 p , donde el denominador es el área sup erial de la partíula onsiderándola omo una esfera. También se dene un parámetro adimensional: η=φD dp (4.2) Con esto hemos representado en la Figura 4.9 la arga sup erial adquirida p or las muestras en el trib o argador de aero. Para el áulo del área sup erial se usaron los diámetros medios de la Tabla 4.1. φ se deriva del ujo másio medio de muestra y el audal de gas usado. El ujo másio 84 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares Figura 4.9: Carga sup erial espeía adquirida en el trib o argador de aero en funión de la onentraión adimensional η=φD/dp de la disp ersión, onforme al traba jo de Matsuyama [104℄. (1) Resultados on partíulas de p olietileno de Cartwright [123℄. (2) Vidrio, Nieh [124℄ y eniza, Matsusaka [81℄. (3) Poliestireno, Ga jewski [125℄. (4) Alúmina, Matsusaka [86, 126℄. sale de dividir mdisp entre el tiemp o de duraión del exp erimento, y para el audal de gas tenemos audalímetros de resistenia (SMC). En nuestros datos exp erimentales sólo se inluyen las barras de error de las b olas de vidrio 5 - 50 µ m, las barras en las b olas de 90 - 150 µ m son más p equeñas que el símb olo de la gura. Las regiones oloreadas son valores adaptados p or los autores de [104℄ a partir de otros traba jos exp erimentales (referenias en pie de gura). En éstos se usaron tub os metálios (aero, obre, aluminio o latón) omo trib o argador, on diámetros D entre 4,7−10 m, y longitudes entre 2 y 35 m. En forma de líneas disontinuas se inluyen los valores de arga sup erial máxima σd,max en funión de η para el diámetro de nuestro trib o argador de aero D= 2,1 m y diámetros de partíula de 10 y 200 µ m, similares a los materiales féula de maíz y Pmma. Observamos que la línea de dp= 10 µ m se sitúa p or enima; según este traba jo las partíulas más p equeñas sop ortan más densidad de arga sup erial. La línea azul está tomada del artíulo y repite la tendenia de menor arga sup erial máxima a mayor diámetro medio dp . El diámetro del tub o, D, tiene el mismo efeto en la arga sup erial que dp . Nuestros datos exp erimentales aen en una zona p or deba jo de las líneas de σd,max , en la región en que éstas son horizontales. Como se menionó en un párrafo anterior la e.4.1 pro due dos zonas bien difereniadas: las 4.3. Resultados 85 msedim (g) 0 10 20 30 40 Tiempo (seg) 0 100 200 300 400 Isedim (nA) -15 -10 -5 0 5 10 15 msedim (g) 0 10 20 30 40 50 |Qsedim| (nC) 0 100 200 300 400 500 Figura 4.10: Izqda: Intensidad de orriente en la jaula de Faraday a una tasa de 4 muestras/seg para b olas de Pmma (sin ontrol de humedad) en aire seo. Dha: Carga en funión de la masa reogida. El eje horizontal de las dos guras inluye la masa de partíulas en la jaula de Faraday onforme avanza el exp erimento llamaremos R1 y R2. En R1 la disp ersión es lo suientemente diluida ( η≪ ) para que los efetos de las argas situadas alrededor de la partíula problema ( efetos espaiales ) no inuyan en σd,max . En esta parte σd,max(η)≈cte y la línea es horizontal. En R2 la relaión entre arga y η se torna inversa, y las líneas teórias olapsan en una sola. Aquí la inuenia del parámetro η en la arga máxima es fuerte. Esta es la zona en que los efetos espaiales son dominantes, tanto las argas en partíulas veinas omo en las paredes del tub o ondutor se vuelven determinantes. La zona de transiión entre R1 y R2 va ambiando en funión del tamaño de partíula y del diámetro de tub o. Que los datos exp erimentales de to dos nuestros materiales aparezan en la zona R1 respalda que hayamos usado anteriormente (Fig. 4.8) la desarga orona plana y de régimen intermedio para partíulas aisladas. De heho los valores onstantes de σd,max se pueden transformar en un amp o elétrio máximo, que los autores alulan en 5,93 MV/m, aproximadamente el doble que el valor de amp o rítio Er que usamos para la desarga plana. Los resultados de este traba jo apuntan el efeto limitante que tiene la onentraión de partíulas en la arga máxima. En los siguientes apartados onstataremos que este efeto ontinúa para onentraiones mayores que las disp ersiones, en onreto en materiales sedimentados. 4.3.2. Carga en materiales sedimentados Una vez que los materiales salen del trib o argador aen a la jaula de Faraday, sedimentan y se agregan en la elda ilíndria a la vez que el pi- oamp erímetro mide la intensidad de orriente. La Figura 4.10 ilustra la intensidad de orriente que pasa a la jaula de Faraday y la arga total a la que equivale, durante el transurso del exp e- 92 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares ρ(z, t) = ρoexp −σ εt−ρm Fm zΘt−ρm Fm z (4.11) t≤to Dz(z, t) = ρo ε σ Fm ρmexp −σ εt−ρm Fm z−exp −σ 2εt (4.12) σp(t) = ρo ε σ Fm ρmh1 + exp −σ εt−2 exp −σ 2εti t > to Dz(z, t) = ρo ε σ Fm ρmexp −σ εt−ρm Fm z−exp h−σ ε(t−to)i + exp h−σ 2ε(t−to)i−exp −σ 2εto (4.13) σp=ρo ε σ Fm ρmn2 exp h−σ 2ε(t−to)ih1−exp −σ 2εtoi + exp h−σ ε(t−to)ihexp −σ εto−1io Se distinguen dos etapas: la de reimiento de la apa argada y la etapa Dz/Dz,lim -1 0 1 z/Lz 0 1 2 3 4 5 τ=1 τ=3 τ=5 ρ/ρo 0 0.5 1 z/Lz 0 1 2 3 4 5 τ=1 τ=3 τ=5 Figura 4.15: Perles de la evoluión del desplazamiento elétrio Dz (izqda.) en la olumna de Pmma argado y de la densidad de arga volumétria (dha.) en funión del tiemp o de iniio desde la deposiión de las primeras partíulas y de la profundidad de apa argada. Ambas magnitudes están en manera adimensional; el tiemp o en unidades de [τ]= ε/σ , y la altura z en unidades de longitud Lz , dep ositada durante un tiempo τ= 1 . 4.3. Resultados 93 en que dejan de aer partíulas nuevas sobre el sedimento. El tránsito entre ambas o urre para un tiemp o to . Durante la etapa de reimiento, si t≫ε/σ el vetor desplazamiento elétrio en la sup erie sup erior del p olvo tiende al valor límite: Dz(H, t)→ρo ε σ Fm ρm =Dz,lim (4.14) La gura 4.15 representa los p erles del desplazamiento y la arga volumétria dentro de la apa de p olvo, para varios tiemp os de dep osiión. Estos son los p erles durante la etapa de reimiento ( t < to ). A mayor tiemp o de dep osiión de p olvo τ la altura de la apa z/Lz ree. Para onstruir la gura se usaron las euaiones 4.11, 4.12 y datos exp erimentales de un ensayo de disp ersión de Pmma en aire on tub o de aero. Para la arga volumétria iniial de las partíulas que llegan a la jaula hemos tomado ρo=ρp·qmr , on ρp= 1,18 g/ cm3 y 92 nC/g la arga esp eía. Hemos desrito previamente ómo la arga esp eía en la jaula de Faraday deree a medida que avanza el exp erimento (Fig. 4.10); ya que el mo delo de apa argada inluye la desarga parial de las partíulas que sedimentan y se agregan omo ausa de este fenómeno, paree lógio derivar el valor de qmr de los instantes iniiales del exp erimento, uando la elda de reogida se enuentra vaía y aen las primeras partíulas desde el trib o argador. En onreto, qmr = 92 nC/g es el valor de la arga esp eía medido en el primer segundo del exp erimento. Sup onemos que se mantiene onstante durante to do el pro eso. El ujo de alimentaión a la jaula, Fm= ˙m/A = 0,0794 kg/ m2 s es el valor medio medido durante to do el exp erimento (on ˙m∼0,11 g/s ). La densidad media en el p olvo ρm=φ·ρp , on una fraión sólida típia de φ= 0,6 para medios granulares agregados. La ondutividad media de una apa de b olas de Pmma fue medida en gas seo omo σ= 1·10−13 S/m , según se desrib e en la seión de medidas de ondutividad elétria, Capítulo 5. La onstante dielétria k=ε/εo del Pmma sólido osila entre 2,8 y 4 . Para un p olvo on fraión sólida φ= 0,6 del mismo material, según la expresión de Bruggeman [127℄ los valores límite orresp ondientes son k= 1,94 y k= 2,50 , así que nos quedamos on una onstante dielétria media de k= 2,22 . Volviendo a la gura 4.15, según aumenta el grosor las fraiones más profundas de la apa se desargan mientras las sup eriores mantienen arga elétria. La profundidad de estas p oriones on arga remanente es funión de la ondutividad efetiva del p olvo y del ujo másio de partíulas, aunque es una dep endenia débil p orque la forma de los p erles no ambia apreiablemente inluso si σ o Fm varían en un orden de magnitud. Por su parte el desplazamiento elétrio (prop orional al amp o elétrio) es distinto a ero en las regiones del p olvo on arga remanente y p or enima de la sup erie sup erior. Una distribuión de argas similar ha sido desrita previamente en el llenado de silos [128℄. El amp o elétrio p or enima de la sup erie sup erior del p olvo viene dado p or Ez=Dz(H, t)/εo . Asumiendo que el amp o elétrio máximo es 94 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares el amp o rítio para desarga orona Er= 3·106 V/m en aire, tenemos: Er=ρo ε εo 1 σ Fm ρm (4.15) Dejando ρo omo inógnita y sustituyendo el resto de variables se obtiene que una arga esp eía de 36 nC/g en las partíulas que aen a la jaula es suiente para alanzar el amp o elétrio de rotura en la sup erie del p olvo. El valor exp erimental de 92 nC/g es mayor; p or tanto, de auerdo al mo delo en nuestros exp erimentos se alanza la desarga al aire en la sup erie del p olvo, de ahí la relaión sublineal entre Qsedim y msedim . También p o demos alular la arga p or unidad de área en la apa argada, según: Q A=ZH(t) 0 dzρ(z, t) =⇒ (4.16) Q A=ρo ε σ Fm ρmh1−exp −σ εti ;t≤to (4.17) Q A=ρo ε σ Fm ρm exp h−σ ε(t−to)ih1−exp −σ εtoi;t≥to (4.18) y sumándole el término de densidad de arga en la plaa metália obtenemos la arga total p or unidad de área en la jaula de Faraday. Si están ayendo partíulas nuevas sobre la apa: Q A+σp= 2ρo ε σ Fm ρmh1−exp −σ 2εti (4.19) y una vez que la apa deja de reer p orque no hay más ap orte de partíulas, la arga total se disipa según Q A+σp=Q A+σpto exp h−σ 2ε(t−to)i (4.20) (Q/A +σp)to sale de sustituir to en la euaión 4.19. La evoluión temp oral de la arga total en la jaula está en la gura 4.16, generada on los mismos datos exp erimentales que en la gura 4.15, aunque inluimos la evoluión para dos ondutividades efetivas diferentes, según se midieron on aire húmedo y N2 seo (Cap. 5). Tanto la arga total omo el tiemp o están representados en forma adimensional. Se representan las ontribuiones del p olvo y de la plaa p orosa a la arga total. En las etapas iniiales de ambas gráas la apa ree y también la arga total, on una relaión sublineal. En la prediión on mayor ondutividad efetiva aparee una zona de arga onstante o plateau en que la apa sigue reiendo en altura p ero la arga ap ortada p or las partíulas nuevas se pierde p or desarga al aire, sin variar el total aumulado en la jaula de Faraday. Cuando se para el exp erimento 4.3. Resultados 95 en el tiemp o to la arga total omienza a deaer a un ritmo que dep ende de la ondutividad media en el p olvo. La gráa on menor ondutividad ( 1·10−13 S/m) también presentaría este plateau si to se hae lo suientemente grande, ya que la migraión de arga elétria en el seno de la apa es más lento. En los resultados exp erimentales nuna se llegó a observar la zona de arga onstante, solamente la etapa sublineal (Figura 4.10). (σ/ε) t 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 σρm εFmρo (Q A+σp) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 σ = 1.0e-13 S/m Carga total Placa Capa de polvo to (σ/ε) t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 σρm εFmρo (Q A+σp) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 σ = 1.0e-11 S/m Carga total Placa Capa de polvo to Figura 4.16: Evoluión de la arga dentro de la jaula de Faraday según el mo delo de apa argada para partíulas de Pmma. qmr = 92 nC/g, ρp= 1,18 g/m 3 , Fm= 0,0794 kg/m 2 s, φ= 0,6 , k= 2,22 . Arriba, σ= 1·10−13 S/m. Aba jo, σ= 1·10−11 S/m, 96 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares msedim (g) 0 10 20 30 40 50 60 70 qmr (nC/g) 100 101 102 103 104 Pmma 205 nC/g ; 0.04 g/s 9.2 nC/g ; 0.24 g/s Figura 4.17: Evoluión de la arga esp eía (E. 4.19) dentro de la jaula de Faraday según el mo delo de apa argada para partíulas de Pmma. ρp= 1,18 g/m 3 , φ= 0,6 , σ= 1·10−13 S/m, k= 2,22 . 4.3.5. Comparaión entre mo delo de apa argada y resultados exp erimentales Con la euaión 4.19 se puede derivar también la arga esp eía qmr de un material en la jaula de Faraday en funión de la masa, a la manera en que se presentaron los exp erimentos en la gura 4.12. Por un lado, la masa reogida en la jaula es prop orional al tiemp o transurrido, relaionados amb os p or el ujo másio de partíulas ˙m . Por el otro, al multipliar la arga p or unidad de área (Q/A +σp) p or la seión de la elda de reogida tenemos la arga total Q , y nalmente la arga esp eía si dividimos p or la masa reogida. En la gura 4.17 se omparan la arga esp eía exp erimental de los distintos materiales y el resultado de la euaión 4.19 para b olas de Pmma. Los valores de ondutividad elétria del p olvo, densidad y onstante dielétria son 1·10−13 S/m, ( 0,6·1180 ) kg/m 3 y 2,22 , resp etivamente. Para la arga volumétria de las partíulas, se tomaron los valores máximo y mínimo de entre to das las series exp erimentales on Pmma en ilón y tub o de aero y sus orresp ondientes ujos másios medios durante la medida. Buen número de puntos exp erimentales del Pmma se enuentran situados entre las dos líneas derivadas del mo delo de apa. En la gura 4.18 tenemos la omparaión on el mo delo de apa argada apliado a las b olas de vidrio 5 - 50 µ m. Las propiedades del p olvo usadas están 4.3. Resultados 97 msedim (g) 0 10 20 30 40 50 60 70 qmr (nC/g) 10-4 10-2 100 102 104 Vidrio 5-50 µm 41 nC/g ; 0.10 g/s 8.4 nC/g ; 0.05 g/s Figura 4.18: Evoluión de la arga esp eía (E. 4.19) dentro de la jaula de Faraday según el mo delo de apa argada para partíulas de vidrio 5-50 µ m. ρp= 2,50 g/cm3 , φ= 0,6 , σ= 1,5·10−9S/m , k= 2,36 . inluidas a pie de gura, en donde la ondutividad efetiva σ en N2 seo está tomada del apítulo 5. La diferenia on los exp erimentos de dos órdenes de magnitud aproximadamente; el mo delo predie una p érdida de arga más rápida que en los resultados, lo que lleva a una arga remanente en la masa de p olvo sedimentado más p equeña que las medidas exp erimentalmente. Hagamos notar que el únio meanismo de lib eraión de arga onsiderado durante el planteamiento de las euaiones ha sido el de desarga al aire, sin imp oner límite alguno en la antidad de arga p or unidad de tiemp o que se puede lib erar. Es op ortuno uestionarse la validez de esta asunión, pues a p esar de que los amp os elétrios eranos a la sup erie sean apaes de ionizar el aire irundante y rela jar la arga elétria, el valor máximo de arga p or unidad de tiemp o que se pueda rela jar estará limitado p or la naturaleza del meanismo de desarga. Hay un auerdo entre los autores resp eto al meanismo dominante, la desarga orona, pues en los p olvos argados se umplen ondiiones neesarias para este meanismo omo que el amp o elétrio sea fuertemente no uniforme y que al menos uno de los eletro dos sea de p equeño tamaño en omparaión on la separaión entre eletro dos. En p olvos argados el eletro do a alto p otenial son las partíulas on arga sup erial, que rean un amp o elétrio intenso y atúan omo eletro do de p equeño tamaño. En su libro sobre desarga en gases, Raizer [129℄ arma que a p esar de que una desarga orona es apaz de pro duir una gran orriente 98 Capítulo 4. Límites de arga en sólidos granulares desde el eletro do generador, llega a verse limitada p or la arga espaial . Esta es la arga elétria que está distribuida p or el espaio erano a la zona de generaión, y que p or tener misma p olaridad que los p ortadores nuevos pro duidos, rep elen a éstos haia el eletro do generador o de alto p otenial. 4.4. Resumen En el presente apítulo hemos presentado las ténias usadas para la generaión y medida de arga p or ontato de masas de partíulas suientemente grandes para formar una estrutura denida. Hemos omprobado que la arga adquirida p or las partíulas dep enden del tamaño de éstas prinipalmente, en detrimento de otros fatores omo humedad de almaenamiento, humedad del gas o omp osiión de la partíula. Sin embargo la arga remanente en el material sedimentado se ha mostrado fuertemente indep endiente de los trib o argadores usados, los valores de humedad relativa, el tip o de material y el tamaño medio de partíula. Sí que existe dep endenia entre la arga nal en el p olvo y la variable masa sedimentada. Se ha medido una p érdida de arga de las partíulas sedimentadas resp eto a su estado en disp ersión y, aunque no p o demos desartar que diha p érdida pueda o urrir también durante la aída de las partíulas haia la elda de sedimentaión, la onsideraión de que existe un amp o elétrio rítio de rotura Er que provo a desarga elétria al aire p ermite reproduir la relaión sub-lineal medida entre arga total y masa, primero en un mo delo eletrostátio simple de simetría esféria y después en un mo delo de apa argada de geometría plana. Aunque el mo delo de apa simplia la geometría real de la elda en la que sedimenta el p olvo y obvia las propiedades elétrias del gas, onsigue repro duir la relaión dereiente entre la arga esp eía qmr y la masa sedimentada del onjunto de datos exp erimentales. Capítulo 5 Condutividad en sólidos granulares 5.1. Intro duión En trib o eletriidad en medios granulares, la ondutividad elétria del medio es esenial para entender la rela jaión de arga; de ello dep ende la vida media de la arga en la sup erie de las partíulas. Si las partíulas no tienen un aráter aislante marado y existe un amino a tierra, la onduión elétria disipa la arga de manera rápida y ésta no se aumulará. La rela jaión de arga en un medio granular o urre de manera exp onenial, exp(−t/τ) , donde t es el tiemp o, τ=kεoγ el tiemp o de rela jaión, k la onstante dielétria y γ la resistividad en S −1 m. Para [102℄ la forma exp onenial es más apropiada si γ≤1013 S −1 m, o, lo que es lo mismo, si la ondutividad σ= 1/γ≥10−13 S/m. Al ser un medio p oroso, la fase gaseosa también ontribuye a la ondutividad total del medio granular, en mayor prop orión a medida que la resistenia elétria de las partíulas ree [130℄. También es de esp erar que la presión del gas ( Pg ) o el grosor de la apa de p olvo ( h ) inuyan en la ondutividad total [131℄. La apaidad de un medio granular para aumular o disipar la arga generada es también imp ortante desde un punto de vista de seguridad, pues materiales que retengan la arga durante más tiemp o aumentan el llamado p eligro de desarga eletrostátia, pudiendo ausar degradaión, ombustión o explosión de materiales e instalaiones según el aso. Por su trasendenia en la seguridad de equip os y p ersonal, existen guías y proto olos de alma- enamiento y pro esos para materiales y situaiones suseptibles de generar desarga eletrostátia, omo el llenado de los tanques de ombustible en aviaión o el transp orte neumátio de sólidos granulares en tub erías. Estas guías resultan prinipalmente de una amplia exp erienia en los pro esos en uestión más que de una omprensión rigurosa de los meanismos físios impliados. En la tabla 5.1 se presenta la probabilidad de desarga elétri- 100 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares Condutividad Tiemp o de rela jaión Carga esp eía Nivel de p eligrosidad de desarga eletrostátia σ ( S/m ) τ ( s ) q/m ( nC/g ) ≥ ∼ 10−7<10−410−3 ba jo ∼10−7 - 10−13 10−3 - 10210−3 - 10−1 mo derado (según irunstanias) ≤ ∼ 10−13 >102>10−1 alto Tabla 5.1: Clasiaión de p eligro eletrostátio ausado p or trib o eletriidad en medios granulares, en funión de su ondutividad. Adaptado de [102℄, original de [132℄. a según la ondutividad del medio. Los límites entre un grup o y otro son impreisos y dep enden del sistema para el que se midan. Para equip os de pre- ipitaión eletrostátia, [131℄ y [133℄ ofreen valores de σ= 10−8 y σ= 10−9 S/m omo límites sup eriores para que o urra rotura dielétria a través de la apa de p olvo. Son el equivalente al límite sup erior en el grup o mo derado de la tabla. La sup erie de ualquier material expuesto al aire tiene impurezas y está suia en el sentido físio (adsorión de N2 , O2 , de humedad, o p oriones de otros ompuestos adheridos p or ontato), muho más suia que el interior. De aquí se inere que la ondutividad elétria sup erial ha de ser predominante sobre la ondutividad volumétria de la partíula. Esta idea se ve ap oyada p or observaiones omo que la humedad de la fase gaseosa inuye notablemente en la ondutividad total del p olvo on indep endenia de su omp osiión y tamaño medio de partíula [134℄; la apa de agua adsorbida ree al aumentar la humedad relativa del gas, on lo que deree la resistenia elétria sup erial. Por ejemplo, Sharma [135℄ mide un desenso desde 3·1013 a 1010 S −1 m al pasar de un aire on 25 % a uno on 70 % HR en una muestra de p olvo arílio. Otra observaión viene de medidas omo las de Pieloth [133℄ para SiO2 (entre 300−3000 µ m de diámetro medio). Tienen muestras en aire on distintas humedades relativas, y se miden sus ondu- tividades en funión de la temp eratura T. Las funiones de ondutividad σ(T) para ada muestra son diferentes hasta que, a partir de una T∼180◦ C se igualan unas a otras; el efeto de la humedad en σ(T) desaparee p orque la temp eratura es lo suientemente grande para provo ar la desorión de moléulas de H2O de la sup erie, y pasa a ser la ondutividad volumétria quien domina. 5.2. Monta je exp erimental 101 Un asp eto fundamental en la araterizaión de la ondutividad de un medio granular es que los resultados dep enden fuertemente de la ténia usada, es aonsejable que el monta je de medida repro duza en lo p osible la onguraión del sistema para el que se desea araterizar la muestra [131℄. Los méto dos más freuentes onsisten en medir la urva de disipaión de arga o, aunque los sólidos granulares no sean medios óhmios, la urva intensidad-volta je (I-V). En el primer aso se registra la arga en el p olvo en funión del tiemp o, y la resistividad γ (S −1 m) se dedue del tiemp o araterístio τ=εokγ , donde τ es el tiemp o que transurre para que la arga en la apa de p olvo dereza en un fator 1/e resp eto al valor iniial [136℄. Desde el punto de vista exp erimental es deseable que el tiemp o que pasa entre el momento en que el p olvo adquiere arga elétria y el momento en que ésta se omienza a medir sea mínimo. En nuestro aso esto presenta un obstáulo, pues aunque disp ongamos de un disp ositivo omo la jaula de Faraday, que es adeuado para registrar la arga en funión del tiemp o, el méto do de arga de p olvos p or disp ersión en trib o argador dura algunos minutos uando la masa de material es del orden de gramos (Capítulo 4). Para uando se dep ositen las últimas partíulas en la jaula de Faraday una p orión del material sedimentado ya ha omenzado a p erder arga elétria. Aunque se realizaron medidas de resistividad on el méto do del tiemp o araterístio, la ténia usada prinipalmente para araterizar nuestros materiales fue la de medir la relaión I-V. Si el rango de volta jes es su- ientemente amplio esta relaión toma forma de urva, omo se rerió on anterioridad, los sólidos granulares no tienen omp ortamiento óhmio. Aunque haya traba jos [137℄ en que se obtiene la urva imp oniendo el valor de orriente elétria mientras se mide la aída de p otenial a través del p olvo, lo más omún es ontrolar V y medir la intensidad de orriente en una muestra de p olvo situada entre dos eletro dos en una elda. La ongura- ión de los eletro dos y la elda es variable. En el aso de araterizaión de ondutividad para preipitadores eletrostátios (ESP) el eletro do de alto p otenial es una punta que genera desarga orona al aire e inyeión de eletrones a la sup erie sup erior del p olvo, intentando simular el pro eso de arga en los equip os ESP [131, 133℄ (Fig.5.1). Generalmente la forma de los eletro dos es plana, que asegura un buen ontato entre éste y las partíulas del p olvo. 5.2. Monta je exp erimental Se fabriaron dos eldas para araterizar los materiales, ambas on on- guraión de eletro dos planos (similar a Fig.5.1b) y onstruidas en material arílio (Pmma). La primera elda que se fabrió y utilizó tiene seión re- tangular y onsta de dos partes prinipales: una base de 48×25 mm on una 108 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares nes: 1.− eliminar/atenuar las argas elétrias y de p olarizaión en p olvo y sup eries generadas durante la apliaión de amp os elétrios tan altos en la medida anterior, y 2.− aumentar el grado de ompataión y la red de ontatos entre partíulas, p ermitiendo medir una nueva urva del material para una fraión sólida φ mayor que en la primera medida. 5.2.3. Inertidumbre en la medida La p endiente del mejor a juste lineal a los puntos exp erimentales I - V es la ondutania, G= 1/R ( Ω−1 ). Usar esta magnitud tiene la venta ja de que son aditivas las ondutanias de aminos elétrios en onguraión paralela. En nuestro aso estos aminos son el p olvo, las paredes y el gas. La relaión de G on la ondutividad es: σ=Gh S(1 Ωm) (5.1) donde h es la longitud del amino reorrido p or las argas y S la seión de la sup erie atravesada; en el monta je se orresp onden on la separaión entre los eletro dos y la seión del eletro do, resp etivamente. Las fuentes de error en la determinaión de σ son, p or un lado, la propagaión de los errores desde los puntos exp erimentales I - V hasta G , y p or otro las inertidumbres en la medida de h y S . Centrémonos primero en éstas; la separaión entre eletro dos h se mide en ada exp erimento on una regla adherida a la pared de la elda, de resoluión 1 mm, luego ∆h= 1 mm. La sup erie se deriva al medir las dimensiones interiores de la elda on un alibre digital, de resoluión 0,1 mm. En uanto a la urva I - V , los puntos de intensidad y volta je tienen un error de medida que proviene de los aparatos. Atendiendo a sus esp eiaiones los errores relativos en las intensidades medidas osilan entre el 0,1 y el 10 % , y en el volta je, entre 0,1 y 0,9 % (tabla 5.2). El grado de preisión de los aparatos es adeuado para los rangos de intensidad y volta je que se manejan en los exp erimentos; de heho es mayor el error debido a la no linealidad en la relaión empíria I - V . Por ello, usaremos omo error ∆G el error de la p endiente en el a juste lineal. Por tanto p o demos esribir la inertidumbre en la medida de ondutividad omo: ∆σ=σ∆G G+∆h h+∆S S (5.2) donde ∆S S=∆l1 l1 +∆l2 l2=0,1 l1 +0,1 l2 para la elda de seión retangular si los lados l1 y l2 del retángulo se miden en mm, y ∆S S= 2∆r r= 20,1 r para la elda ilíndria on el valor de radio r en mm. 5.3. Resultados 109 Tabla 5.2: Ejemplos de leturas de intensidad y volta je durante medidas de ondu- tividad, y las inertidumbres orresp ondientes ∆I y ∆V según la preisión de los aparatos. Material Esala Letura ∆I/∆V Error aparato relativo Amp/V olt Amp/V olt % Pioamp erímetro* Sip ernat D10 2 nA 0,300 0,002 0,7 Pmma 20 nA 0,300 0,002 0,7 4,00 0,02 0,5 Sip ernat D10 200 nA 0,30 0,01 3,3 21,40 0,05 0,2 Vidrio 90 - 150 µ m 2 µ A 0,0010 0,0001 10,0 0,3480 0,0006 0,2 Vidrio 90 - 150 µ m 20 µ A 0,090 0,001 1,1 11,31 0,01 0,1 Vidrio 70 - 110 µ m 200 µ A 9,70 0,02 0,2 60,1 0,07 0,1 Multímetro** 1118 10 0,9 2372 10 0,4 3818 10 0,3 5195 10 0,2 6455 10 0,2 7880 10 0,1 9086 10 0,1 10280 60 0,6 11500 60 0,5 12630 60 0,5 * ∆I=±( %lectura +offset) . % y oset dep enden de la esala. ** ∆V=±(0,1 %lectura + 5×cuentas) . 5.3. Resultados 5.3.1. Condutividad elétria La p endiente del mejor a juste lineal de la urva I - V es la ondutania total G de elda/gas y p olvo. Las denotaremos omo Gw y Gp , luego G= Gp+Gw . Solamente los resultados en que la mayor parte de la arga via ja a través del p olvo tienen sentido; o sea, uando Gp≫Gw . En la gura 5.5 están las medidas para determinar Gw en las dos eldas. Hay varias osas destaables, la primera, la fuerte inuenia de la humedad en la ondutania de la elda vaía, en aire húmedo la intensidad de orriente 110 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares V (kV) 0 2 4 6 8 10 I (nA) 0 2 4 6 8 10 12 14 Rectangular Aire Húmedo N2 V (kV) 0 2 4 6 8 10 12 I (nA) 0 2 4 6 8 10 Cilíndrica Aire Húmedo N2 Celda Gas Separaión Gw∆Gw eletro dos mm pS pS Retangular Aire H. 10 2,1 0,3 N29 0,34 0,04 Cilíndria Aire H. 10 0,6 0,2 N210 - - Figura 5.5: Medidas de ondutania on elda vaía y aire húmedo/ N2 seo. Se muestra disontinua la línea de mejor a juste a los puntos en aire. Izqda: Celda retangular, o eiente de orrelaión r2=0,909 . Dha: Celda ilíndria, r2=0,628 . Los valores de ondutania y el error para las uatro urvas se reogen en la tabla. entre eletro dos es mayor que en nitrógeno. Existe probablemente una apa de agua sup erial que se dep osita en las paredes de la elda uando usamos aire húmedo, aumentando la apaidad de onduión del sistema. Paree laro que la diferenia entre Gw de uno y otro gas se deb e a la existenia de H2O y O2 , p orque p or lo demás aire y N2 seo son gases ompuestos mayormente p or nitrógeno. Un segundo asp eto notable es el inremento de intensidad que o urre en el aire húmedo a medida que ree el amp o elétrio entre eletro dos: el aire se vuelve mejor ondutor. Para expliar este heho se puede desartar la apariión de desarga orona p orque la geometría de la elda on eletro dos planos no es la adeuada, omo desribimos al nal del apítulo 4. Tamp o o es viable la generaión en asada de iones en el espaio entre eletro dos, pues atendiendo al valor de α , un parámetro usado en desarga de gases que uantia el número de ionizaiones que un eletrón realiza sobre moléulas de gas p or ada m reorrido, para las ondiiones de 1 atm y volta jes de 11 kV, resulta α∼0 . De auerdo on Raizer [129℄ es p osible que esté o urriendo un meanismo seundario, onsistente en la inyeión de arga desde el eletro do de alto p otenial al gas, arga que via ja 5.3. Resultados 111 hasta el eletro do de medida y que ree on el p otenial elétrio apliado. Subrayar que la ondutania Gw en la elda ilíndria para N2 no se pudo alular p orque el monta je no tenía sensibilidad suiente para detetar ambio alguno en I al aumentar V ; en este aso el pioamp erímetro ofre- ía una letura en torno a 0 nA durante to do el rango de V . El límite de sensibilidad del sistema es del orden de 0,1pS , p or tanto onluimos que la ondutania de la pared en la elda ilíndria para N2 es menor ( Gw<0,1 pS ). En denitiva se ve que el diseño de elda ilíndria on eletro dos de guarda sup one una mejora resp eto a la elda retangular en uanto que disminuye los valores de ondutania para la elda vaía. Por último, y antes de pasar a la presentaión de resultados para los diferentes materiales, diremos que Gw es en realidad funión de la distania entre eletro dos y para una araterizaión rigurosa se deb ería obtener valores de Gw(h) para varias distanias. Nosotros haremos una orreión sup oniendo que la ondutania en la elda vaía es inversamente prop orional a la separaión entre eletrodos, h . En ada medida on p olvo se tiene un hp determinado p or la antidad de masa de éste en la elda; al valor de ondutania obtenido se le resta el valor de Gw orregida para hp , de manera que Gp=G−Gw(hp) . Apliando la euaión 5.1 a la ondutania en el p olvo se tienen los resultados reogidos en la tabla 5.3 y presentados en la gura 5.7. Existe una gran diferenia entre ondutividad en ambiente seo y húmedo, lo que ilustra que no es sólo el material quien inuye en la orriente que llega a los eletro dos. Las inertidumbres de medida son generalmente mayores en los resultados en aire, debido al menor aráter lineal de las relaiones I - V resp eto a las medidas en nitrógeno. En el ejemplo de las medidas de b olas de vidrio 70 - 110 µ m que aompañan a la tabla (Fig.5.6) se observa una lara urvatura en los puntos para aire. Los puntos on N2 tienen una urva menos marada, aunque no se pueda apreiar en la gura p or la esala del eje vertial. Ciertamente la inuenia de la pared y el gas, según se disutió al iniio de la seión Resultados, es imp ortante inluso en las muestras de b olas de vidrio, donde la fase gaseosa representa la fraión minoritaria del volumen total resp eto a las partíulas ( ∼40 % ). Cuando se visualizan los resultados de ondutividad (Fig.5.7) en los materiales no se apreia tendenia o relaión entre σp y el tamaño medio de partíula dp (eje horizontal), a p esar de que el ompuesto químio mayoritario en to dos ellos es sílie (SiO2) . La únia diferenia signiativa aparee, omo se ha señalado on anterioridad, uando ambia la humedad relativa del gas. Por simpliidad no se maran las medidas a diferente onsolidaión ( ∼1kPa y ∼27 kPa ); no ha resultado ser un fator que inuya apreiablemente en σp . Esto es algo ompartido on otros traba jos indep endientemente del tip o de elda usada [138, 139℄. Sorprende que un fator imp ortante a priori omo es el grado de ompresión apliado a la muestra no sea determinante en la ondutividad del medio. A medida que se ompata un p olvo se inrementa 112 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares V (kV) 0 2 4 6 8 10 12 14 I (µA) 0 10 20 30 40 50 60 70 N2 - 1 kPa N2 - 27 kPa Aire Húmedo - 1 kPa Aire Húmedo - 27 kPa Figura 5.6: Corriente elétria en la elda ilíndria frente a aída de p otenial entre eletro dos para b olas de vidrio 70 - 110 µ m. Las ondiiones de ompresión son 1 y 27 kPa . Condutividad σ(nS/m) Material Celda N2 seo Aire Húmedo 1kPa 27 kP a 1kP a 27 kP a Bolas vidrio 5 - 50 µ m Retangular 2,3±0,7 2,4±0,7 27 ±7 21 ±6 Cilíndria 1,5±0,2 1,0±0,1 5 ±2 6 ±2 Bolas vidrio 70 - 110 µ m Retangular 1,6±0,4 1,8±0,5 15 ±5 15 ±5 Cilíndria* 5±1 4 ±1 100 ±100 90 ±80 Bolas vidrio 90 - 150 µ m Cilíndria 0,53 ±0,07 0,40 ±0,05 10 ±4 15 ±6 Sip ernat 320DS Retangular 0,03 ±0,02 0,3±0,1 90 ±20 210 ±70 (hidrofílio) Cilíndria 35 ±4 170 ±40 40 ±10 200 ±90 Sip ernat D10 Retangular ≤0,0001 ≤0,01 (hidrofóbio) Cilíndria - - Pmma Retangular ≤0,0001 ≤0,01 *Valores medios e inertidumbres orresp ondientes tras dos medidas en las mismas ondiiones. Tabla 5.3: Valores alulados de ondutividad efetiva para los p olvos en ondiiones de ba ja/alta humedad y ba ja/alta onsolidaión en las dos eldas onstruidas. la red de ontatos entre partíulas y el número medio de ontatos de ada partíula; se esp eraría entones una menor resistenia al paso de orriente y mayor ondutividad p or existir más vías disp onibles para los p ortadores de arga. Ante la evidenia exp erimental de que no hay ambio apreiable en σp 5.3. Resultados 113 dp (µm) Sipernat320DS Vidrio 5-50 Vidrio 70-110 σp (S/m) 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 Rectangular dp (µm) Sipernat320DS Vidrio 5-50 Vidrio 70-110 Vidrio 90-150 σp (S/m) 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 Cilíndrica Figura 5.7: Resultados de ondutividad en aire húmedo ( • ) y nitrógeno seo ( • ) de los distintos materiales en funión del diámetro medio de partíula dp (diámetro medio Sauter), para elda retangular y ilíndria. p o demos p ensar que 1.- se requieren presiones más altas que las itadas para provo ar una disminuión de la resistenia elétria que p ermita medir un ambio en σp y/o 2.- el pap el que juega el gas en la ondutividad total predomina sobre el de la estrutura del p olvo. Existen dos materiales para los que los monta jes de medida no tuvieron sensibilidad suiente, son la sílie hidrofóbia y las partíulas de Pmma. En éste, la ondutania medida fue del orden de la ondutania en la elda 114 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares (a) (b) Figura 5.8 vaía; esto nos da para armar que la ondutividad del Pmma será igual o menor que la que se mide on la elda vaía ( 10−4 y 10−2nS/m en la tabla 5.3). Con la sílie hidrofóbia o urre lo mismo uando se mide en la elda retangular. En ambio en la elda ilíndria ni siquiera se pudo medir valores de ondutania p orque el pioamp erímetro no detetaba orriente elétria alguna on indep endenia del volta je apliado. 5.3.2. Mo delo de ondutividad sup erial Ya que el transp orte de arga en p olvos es un fenómeno eminentemente sup erial y la humedad relativa un fator determinante, p ensamos en un mo delo de onduión que tuviera en uenta la humedad omo una apa de agua en la sup erie de las partíulas, de mo do que a mayor esp esor de apa más failidad tienen las argas para distribuirse p or el p olvo siguiendo las líneas del amp o elétrio. El n es estimar la resistenia elétria de una partíula que tiene un esp esor de apa determinado, y a partir de aquí derivar la ondutividad del p olvo omo la resistenia equivalente de un onjunto de partíulas similares en ontato unas on otras. Comenzamos sup oniendo que el esp esor h de apa ondutora sobre la sup erie es p equeño en omparaión on el radio R de la partíula esféria ( h≪R ), y que la densidad de orriente −→ j se distribuye uniformemente en la seión de esa apa −→ j=|−→ j|−→ eθ . La seión δ p or la que se reparte −→ j 5.3. Resultados 115 es (5.8a): ∆δ=r∆rsin θ∆φ∆r=h;r=R −−−−−−−−−→ ∆φ= 2π rad δ= 2πhR sin θ Por tanto los mó dulos de densidad de orriente y amp o elétrio en la sup erie de la partíula son: |−→ j|=I δ=I 2πhR sin θ |−→ E|=|−→ j| σ=I 2πσhR sin θ Donde I es la orriente elétria y σ la ondutividad elétria en la apa. Sup ongamos ahora que la partíula hae ontato on otras dos partíulas veinas, on las zonas de ontato separadas a 180◦ (Fig. 5.8b). Por la simetría esféria de las partíulas, las zonas de ontato son áreas irulares de radio a , y asumiremos que a≪R . Sea VA−VB la diferenia de p otenial que existe entre las dos zonas de ontato de la partíula; VA−VB=ZB A −→ E−→ dl →→ −→ dl =Rdθ−→ eθ;−→ E=|−→ E|−→ eθ Los límites de integraión A y B se orresp onden on los ángulos θmin y θmax de las zonas de ontato. Haiendo uso de que a≪R , sus valores son θmin =a R y θmax =π−a R . Sustituyendo ada término y haiendo el ambio de variable p= tan (θ/2) , la integral resuelta es: VA−VB=I 2πσhhln pi 2R a a 2R =I πσh ln 2R a (5.3) Luego la resistenia elétria de una esfera on la onguraión desrita es: Res =1 πσh ln 2R a (5.4) En el momento de realizar el mo delo no éramos onsientes de que MLean [49℄ ya obtuvo esta expresión para la resistenia en partíulas donde la arga elétria se mueve sup erialmente, en un traba jo que pretende mo delar las fuerzas de ohesión en funión del amp o elétrio apliado a un p olvo reogido en un preipitador eletrostátio. Seguimos el mo delo onsiderando la geometría de la elda de medida, que puede ser retangular o ilíndria. Si las partíulas se agrupan on una fraión sólida φ , en una seión transversal de la elda el área que o upan las partíulas es φ·Asec , donde Asec es el área de la seión (Fig. 5.9). Considerando que ada partíula se une on dos partíulas veinas para formar adenas que se alargan desde un eletro do hasta el otro, el número de adenas en la seión de la elda viene dado p or nc=φAsec/πR2 , y el número de 116 Capítulo 5. Condutividad en sólidos granulares Figura 5.9 esferas en ada adena es nes =d/2R , donde d es la separaión entre ele- tro dos. A ontinuaión multipliamos la expresión 5.4 p or nes para obtener la resistenia elétria en ada adena, y asumiendo que las nc adenas están distribuidas en una onguraión en paralelo entre eletro dos, la resistenia total en el p olvo queda: RT=Rd ln 2R a 2φAsecσh La ondutividad del medio granular es σm=d/(RTAsec) , luego: σm=2φσh Rln 2R a Op erando on esta euaión llegamos a la forma nal, φ σmR=−ln a 2σh +1 2σh ln 2R (5.5) en la que hemos separado las variables ono idas R, φ, σm del resto de manera que representando gráamente los resultados exp erimentales p o dríamos esp erar una relaión lineal de p endiente (2σh)−1 y ordenada (−ln a/2σh) . Para validar este mo delo es neesario tener datos de materiales on una omp osiión químia idéntia y diferentes tamaños de partíula, en ondi- iones de humedad similares para que el esp esor de apa h sea equivalente. Nosotros disp onemos de las b olas de vidrio, uyo omp onente prinipal es SiO2 y provenientes del mismo fabriante. También ontamos on la sílie hidrofília Sip ernat 320DS, aunque este material está formado p or aglomerados de nanopartíulas de SiO2 . La representaión de auerdo a la euaión 5.5 para estos materiales on los datos de la elda ilíndria están representados en la gura 5.10, para las medidas on N2 y aire húmedo, sin esp eiar los valores de onsolidaión p or simpliidad. Por la esala logarítmia del eje vertial se ha insertado un gráo que muestra el asp eto que una línea reta deb ería presentar. Se observa que ni los puntos exp erimentales de N2 ni los de aire se a justan a una línea. Las razones pueden ser que las sup osiiones para desarrollar el mo delo son demasiado simplistas, que el efeto del gas en la ondutividad total del p olvo enmasara el de la ondutividad sup erial, o ambas. 5.4. Resumen 117 ln 2R -12.5 -12 -11.5 -11 -10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 φ σmR 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 N2 Aire H. -12 -11 1012 1015 Figura 5.10: Representaión onforme a la euaión 5.5 de los datos exp erimentales en la elda ilíndria para b olas de vidrio 5 - 50 , 70 - 110 , 90 - 150 µ m y Sip ernat 320DS en N2 y aire húmedo. El reuadro insertado ilustra la forma que una línea reta tendría p or estar el eje vertial en esala logarítmia. 5.4. Resumen En este apítulo hemos desrito una ténia de medida de ondutividades elétrias en sólidos granulares, ya que esta es una propiedad determinante en la aumulaión de arga elétria en pro esos de trib o eletriidad en partiular y de arga de sup eries en general. En onreto, los resultados aquí obtenidos son útiles omo parámetro de entrada en el mo delo de apa argada desrito en el apítulo 4. En el presente apítulo se ha mostrado que la onguraión de la elda de medida rep erute en la ondutividad resultante, que la humedad en el gas y -presumiblemente- en la sup erie de las partíulas es el fator que más inuye en la ondutividad del p olvo, y el grado de ompresión en el material, el que menos. Aunque asi to dos los materiales usados tienen similar omp osiión químia, no se ha observado relaión entre la ondutividad y el tamaño medio de partíula. Existe también una omp onente no lineal imp ortante en las urvas I - V que prohib e la medida de un únio valor σp omo propiedad araterístia del material. En último lugar se ha presentado un mo delo de onduión elétria en medios granulares que onsidera el transp orte de arga omo un fenómeno estritamente sup erial, a través de la apa de agua adherida a la sup erie de las partíulas y de las zonas de ontato. 124 Capítulo 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida Figura 6.4 Material PTV * Jaula Faraday Bog>1Bog Arena 0 % - Regolito 35 % - Sip ernat 320DS 90 % - Sip ernat D10 100 % - Vidrio 5 - 50 µ m 50 % 0,8 - 18 Vidrio 70 - 110 µ m - 1,5 - 6 Vidrio 90 - 150 µ m - 0,03 - 5 Féula - 103 - 107 Pmma - 0,01 - 5 Azúar - 10−3 Sémola - 10−4 - 10−3 s.e. [145℄** 117 Aero [148℄ 2,7 *Porenta je de las partíulas analizadas on un Bog>1 . **Sin esp eiar. Simulaión DEM/CFD. Tabla 6.1 inuenia de las argas elétrias en la aglomeraión de las partíulas, bien sea p or méto dos numérios o exp erimentalmente. 6.2. Monta je Exp erimental 125 La tendenia general es que a materiales on menor tamaño medio de partíula mayor inuenia de las fuerzas elétrias, lo que es razonable atendiendo a que la masa de una partíula aumenta on el ub o de su tamaño, mientras que la arga dep ende de r2 p p or ser un fenómeno sup erial. 6.2. Monta je Exp erimental Idealmente, la ténia para medir la fraión sólida deb e ser más rápida que el tiemp o de desarga típio para los p olvos argados (del orden de minutos). También es deseable la menor manipulaión manual p osible on la muestra, pues se aumentarían las fugas de arga desde el material. En nuestro pro edimiento la elda de prueba ha de llenarse on material argado en el monta je del trib o argador-jaula de Faraday y moverse después al equip o de tapping para ser vibrada. Este trayeto es orto y de p o a duraión para p erturbar lo mínimo p osible el material dep ositado. El monta je onsta básiamente de un vibrador magnétio (TIRA GmbH) y una ámara de alta velo idad (HCC 1000 Vosskühler) (Figura 6.5). El vibrador tiene una zona de agarre para la elda que se va a vibrar. La señal de entrada al vibrador pro ede de un generador de funiones y un ampliador de señal, a justados a una forma de onda senoidal de 100 Hz de freuenia. La amplitud de osilaión vertial del vibrador dep ende de la freuenia de la señal de entrada y su intensidad, así omo de la masa que se va a vibrar. Para asegurar repro duiblidad en las medidas el ampliador se a justa a un valor idéntio para to das las medidas. Además se oneta un aelerómetro piezo elétrio a la zona de agarre de la elda, de manera que vibra on ella. La señal que sale del aelerómetro se pasa p or un ampliador lo k-in analógio (SR530), que la ltra y amplia. Cámara rápida y registro de señal se ontrolan desde un ordenador p ersonal. Para el rango de masas en los exp erimentos llevados a ab o la aeleraión media en las muestras fue de 0,8 - 1,5 vees el valor de g ( 9,81 m/s 2 ). La ámara se olo a aproximadamente en línea on la sup erie sup erior del p olvo y enfo ando el b orde de la sup erie más erano al ob jetivo. Una fuente de iluminaión está detrás de la elda y en línea on la ámara para aumentar el ontraste de la sup erie del material. Se omienza a registrar imágenes uando empieza la vibraión, onsiguiendo así la evoluión de la altura del medio granular dentro de la elda frente al tiemp o. La fraión sólida se alula de auerdo a φ=4Msedim πD2hρp (6.2) donde Msedim es la masa dentro de la elda, D es el diámetro de elda ( 4,2 cm ), ρp la densidad de la partíula y h es la altura del p olvo para un instante de tiemp o determinado. 126 Capítulo 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida Figura 6.5: Monta je de elda y vibrador desde el punto de vista de la ámara rápida. 6.2.1. Pro edimiento e inertidumbre en la medida Cuando se analizan muestras sin argar, éstas se vierten desde el reipiente a la elda de medida on la ayuda de un embudo. Para las muestras argadas el material se disp ersa en el venturi y trib o argador, y se reogen en la elda situada en la jaula de Faraday (Cap. 4) para medir su arga esp e- ía. Con material argado o sin argar, una vez llena de p olvo la elda se agarra on unas pinzas aislantes de teón y se lleva al sop orte del vibrador, en el que se sujeta para omenzar el ensayo de vibraión. Ato seguido la esena se ilumina on la fuente y desde el ordenador on software LabView R  se disparan la ámara (velo idades de adquisiión típias de 30 - 50 fps ) y la adquisiión de la señal del aelerómetro. Iniialmente el vibrador reib e la señal a 100 Hz , p ero su intensidad es nula p orque el ampliador de señal se enuentra al mínimo. Manualmente se va inrementando la intensidad en el ampliador hasta un límite prejado, y una vez alanzado se deja onstante. Un relo j a la vista sirve de guía para que alanzar el límite lleve unos 6 segundos, de manera que las rampas de vibraión para alanzar el valor la amplitud estaionaria sean similares de un ensayo a otro. La duraión total de la vibraión suele ser de ∼30 segundos, tiemp o suiente para que el material alane una fraión sólida φ de equilibrio. La magniaión de las imágenes es de ∼69,5µ m/px, on una resoluión de 512 px ×1024 px que p ermite apturar en el área de la imagen la mayor parte de la elda (Figura 6.6). La amplitud de osilaión vertial del vibrador y de la elda es <1 px, on lo que no es detetable en las imágenes. Es onveniente utilizar amplitudes p equeñas p orque induen ambios leves en la miro estrutura del medio, mientras que amplitudes grandes pueden sobre- 6.2. Monta je Exp erimental 127 Figura 6.6: Imagen original apturada para b olas de vidrio 70 - 110 µ m al 30 % HR argadas en ilón on qmr = 17 nC/g ; imagen reortada e imagen resultado tras apliar ltro de deteión de b ordes. exitar las partíulas y haer que aore una dinámia de movimiento on araterístias de uido [151, 152℄. La seuenia de imágenes original se reorta para seleionar una p orión más homogénea en la que el b orde sup erior del sedimento destaque, y a ontinuaión se aplia un ltro que deja una imagen binaria en la que los píxeles del b orde apareen en blano sobre un fondo negro. Las herramientas usadas son el software libre ImageJ y Matlab R  . Una regla adherida a la elda on resoluión 1 mm sirve para relaionar las o ordenadas en las imágenes on la altura y anhura reales. Además de apliar el ltro, la rutina en Matlab R  arro ja un valor de altura de b orde resultado de promediar las alturas de to dos los píxeles detetados a lo anho de la imagen ltrada. Este valor promediado se intro due en la euaión 6.2 para derivar la fraión sólida en ada imagen de la seuenia. Obtener valores de aeleraión en la plataforma vibratoria desde el aelerómetro no es direto y se neesita una araterizaión previa. El aelerómetro es un sensor ompuesto p or material piezo elétrio, que genera una separaión de argas en su interior uando se ve sujeto a movimiento (Figura 6.7). La separaión de argas pro due una diferenia de p otenial que llamaremos Vacel y que es prop orional a la aeleraión en el sensor. Como se enuentra onetado a la entrada del ampliador lo k-in, la orriente elé- tria Iin que entra en éste dep ende de su imp edania de entrada Zin y del 128 Capítulo 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida Iin =Vacel Zin I′ in ω=kα Figura 6.7: Esquema de la onexión entre aelerómetro y ampliador lo k-in. volta je Vacel . Este volta je es funión a su vez de la freuenia on la que se hae osilar el aelerómetro ( ω= 2πf ), así que para una buena arateriza- ión será neesario probar on diferentes valores de ω y averiguar la relaión entre la señal ltrada I′ in/ω y la aeleraión máxima α . En la araterizaión del aelerómetro se olo ó la elda en el vibrador y a justaron varias amplitudes de vibraión, tanto a una freuenia de 100 omo de 50 Hz . Al mismo tiemp o que se registraba la señal de salida del ampli- ador lo k-in se adquirían imágenes on la ámara rápida on el n de medir el desplazamiento vertial de la elda, Ao . Reordar que este desplazamiento ha de ser mayor a 1px en la imagen para p o der ser observado. Como la vibraión está alimentada p or una señal senoidal, la euaión de movimiento se orresp onde a la de un osilador armónio simple, y(t) = Aocos ωt , y la magnitud de la aeleraión máxima es α=Aoω2 . Por tanto de las imágenes se derivan los valores de α , y on un mejor a juste lineal entre los registros de I′ in/ω y α se obtuvo una onstante de prop orionalidad k= 1,973 ·10−10 mCs2/m . Aabaremos esta seión on la inertidumbre en los resultados de φ , que está dominada p or el error en la medida de la altura del sedimento, h . Prinipalmente debido a que las sup eries tienen una inlinaión y a que al alular el valor medio de la altura se analiza solamente una p orión del p erímetro del p olvo en ontato on las paredes, la p orión más erana al ob jetivo de la ámara. En la imagen izquierda de la gura 6.6 se pueden observar amb os asp etos: inlinaión en la sup erie y la zona del p erímetro más lejana que no queda enfo ada p or la ámara. La máxima inlinaión de la sup erie en to das las medidas realizadas se orresp ondía on una diferenia de altura de 5 mm entre la parte más alta y la más ba ja. Esto quiere deir 6.3. Materiales y Resultados 129 que si la ámara está enfo ando la parte más alta, la p orión no analizada está 5 mm p or deba jo, y se está midiendo una fraión sólida menor que si se enfo ara la parte ba ja. Lo ontrario o urre si lo que se enfo a es la parte de menor valor de h . Por tanto tomaremos la inertidumbre en la fraión sólida omo ∆φ φ=∆h h=5 h→→ ∆φ=5 hφ (6.3) siempre, on h en mm. 6.3. Materiales y Resultados Hemos realizado ensayos de vibraión on muestras almaenadas ba jo humedades relativas de 30 % y 60 % de los materiales b olas de vidrio 5 - 50 , 70 - 110 y 90 - 150 µ m, así omo Pmma, azúar y sémola. Al presentar los resultados tendremos en uenta las fraiones sólidas iniial y nal, φo y φf , del material durante la vibraión, e intro duiremos un parámetro imp ortante para denir la severidad de la vibraión, Γ = α/g , donde g= 9,81 m/s2 y α la aeleraión máxima en el vibrador. En la gura 6.8 se inluyen el parámetro de aeleraión Γ derivado de la señal del aelerómetro y la fraión sólida media alulada on el análisis de imágenes para un ensayo on b olas de vidrio. En torno a los 7 segundos desde el omienzo de la grabaión el vibrador alanza un valor de aeleraión estaionario de 1,4 vees g . La fraión sólida en el material es ∼0,52 al iniio de la medida, y a ausa de la vibraión aumenta progresivamente hasta que las partíulas terminan alo jándose en onguraiones estables y el material no ompata más. En la urva de φ hay puntos disp ersos desplazados resp eto a la mayoría de valores. Corresp onden a fotogramas en los que el b orde no fue detetado orretamente durante el análisis de imágenes, y la altura promediada se ve afetada en onseuenia. Estas desviaiones no enturbian sin embargo la tendenia de la urva, que p ermite asignar al ensayo un valor de φf denido. Al reoger los resultados para ada material (Fig.6.9) hemos tomado φo y φf de ada ensayo y los hemos dividido p or el Γ orresp ondiente. Se hae así para tener en uenta la severidad de la vibraión apliada al p olvo, ya que en prinipio el valor de φf aumenta on el tiemp o de vibraión hasta un valor límite, p ero en nuestros ensayos no tenemos la erteza de alanzar ese límite, luego φf será funión de Γ . Para ada material se omparan las relaiones φ/Γ entre las medidas on y sin arga y de muestras almaenadas ba jo una u otra humedad. El azúar es la exep ión p orque los datos del aelerómetro no se registraron adeuadamente en algunas medidas, on lo que se presentan diretamente los valores de φ y no de φ/Γ . Las barras de error están aluladas para el azúar omo ∆φ (e. 6.3), y omo ∆φ/Γ para el resto de materiales. Aunque a simple vista en los gráos de la gura 6.9 pueda pareer que 130 Capítulo 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida t (seg) 0 5 10 15 20 25 30 35 φ 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 Γ 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 φo φf Figura 6.8: Evoluión de la fraión sólida y la aeleraión en el material de bolas de vidrio 90 - 150 µ m argadas on qmr =−30 nC/g almaenadas al 30 % HR. en las muestras on arga elétria la diferenia φf/Γ−φo/Γ (en el azúar, φf−φo ) es mayor que en sus equivalentes sin argar, p o demos armar sin equivo aión que ualquier diferenia entre los resultados para materiales on y sin arga elétria se ve enmasarada p or las barras de error, uya magnitud es tal que hae que los puntos aigan dentro de la zona de inertidumbre de los datos. Claramente la sensibilidad de la ténia para detetar ambios en φ provo ados p or las fuerzas elétrias entre partíulas es insuiente, se requerirían méto dos de medida de h más preisos que el promediado de una fraión de la sup erie del material. 6.4. Resumen En este apítulo se han presentado medidas de la fraión sólida antes de y durante la vibraión vertial de materiales granulares on y sin arga elétria, almaenados en diferentes ondiiones de humedad relativa, on el prop ósito de observar diferenias en las muestras argadas resp eto a las no argadas. Estas diferenias darán informaión sobre la inuenia de las fuerzas elétrias en el grado de empaquetamiento de las partíulas, ya que el resto de fatores que lo afetan se mantienen invariables durante las pruebas. Por limitaiones de sensibilidad en la ténia no se ha deduido sin embargo ninguna inuenia de la arga elétria en el empaquetamiento. Por una estimaión del número adimensional Bog on resultados exp erimentales sab emos que azúar y sémola son los materiales en los que no es esp erable diferenia en la fraión sólida de muestras argadas y no argadas, pues los niveles 6.4. Resumen 131 de eletriaión onseguidos no rean fuerzas elétrias omparables a las fuerzas ineriales de las partíulas (tabla 6.1). Para el resto de materiales φ sí deb ería verse afetada, aunque en la prátia la ténia de medida no tiene la sensibilidad neesaria. Esto se deb e prinipalmente a que la fraión sólida se 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ Γ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sin Carga -13 nC/g -22 nC/g φo Γ φf Γ Vidrio 5-50 µm 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ Γ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sin Carga -30 nC/g -24 nC/g Vidrio 70-110 µm 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ Γ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sin Carga -30 nC/g -30 nC/g Vidrio 90-150 µm 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ Γ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Sin Carga -10 nC/g -15 nC/g Pmma 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ Γ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sin Carga -24 nC/g -23 nC/g Sémola 30% HR 60% HR 30% HR 60% HR φ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sin Carga -34 nC/g -30 nC/g Azúcar Figura 6.9: Resultados de medida de fraión sólida en materiales vibrados on arga y sin arga elétria, almaenados en diferentes ondiiones de humedad relativa. Salvo en el azúar, el eje vertial son los oientes entre φo , φf y Γ en ada ensayo de vibraión. 132 Capítulo 6. Efeto de la arga elétria en la fraión sólida deriva de una fraión del p erímetro de la sup erie del p olvo, mientras que determinar de manera rigurosa el valor medio de φ requeriría p o der medir la altura del p olvo en to da la sup erie sup erior, pues ésta presenta inlinaión e inhomogeneidades ausadas tanto p or la dep osiión aleatoria del p olvo en la elda omo p or el propio exp erimento de tapping. Conlusiones Con el mo do KFM es p osible observar el efeto de la arga elétria en el p otenial de ontato entre sup eries, aunque en las muestras de partíulas analizadas no se pudo disernir si las variaiones en di- ho p otenial eran debidas a la top ografía o al ambio en el p otenial de ontato ( Vcpd ) entre sup eries. Pienso que esta diultad se p odría salvar si el barrido se entra en regiones más homogéneas de las partíulas, on un ba jo número de asp erezas y ba ja rugosidad. La primera ondiión sería fáilmente alanzable on partíulas grandes, p ero partíulas grandes son difíiles para obtener imágenes p orque el rango de movimiento en la direión vertial del aparato uando se toman imágenes es de 5µ m. En el mo do EFM se puede visualizar el efeto de un amp o elétri- o en la fuerza de interaión entre punta y sustrato. Esto p ermitiría omplementar las medidas en KFM midiendo la fuerza de interaión en zonas de la sup erie uyos valores de Vcpd hayan sido previamente araterizados. Con una partíula o aglomerado resistente y bien jado a la punta, las medidas de resistividad sup erial en partíulas aisladas se vuelven un pro eso rápido y direto para obtener datos que omparar on los resultados de ondutividad elétria en medios granulares. Con la ténia Partile Traking Velo imetry para análisis de partíulas disp ersadas se detetan las p oblaiones de aglomerados y partíulas de mayor tamaño de un material granular que presente una fraión de nos relevante, salvo que el material sea no ohesivo, en uyo aso las p oblaiones detetadas tienen una distribuión de diámetros equivalente a la obtenida p or méto dos de medida estándar. El límite de deteión de la ténia viene determinado p or la resoluión de la óptia ( ∼7,4µ m). Como en PTV el tamaño alulado es una magnitud derivada a partir de las velo idades de aída en el gas, uando se identi- an partíulas menores que diho límite esto se deb e a la presenia de una omp onente de velo idad horizontal de deriva que hae disminuir el valor de la omp onente vertial de la velo idad, y p or tanto del diá-