PFA配管を流れる液体と帯電について

質問

PFA配管内を流れる液体と帯電についてご教示ください。

・PFA配管内部をある液体が流れています。
・配管の外側を静電気測定器にて測定すると、マイナス100Vと表示されました。

この時、PFA配管の内側はプラス、マイナスのどちらに帯電しているのでしょうか？
また、液体自体はどちらに帯電しているのでしょうか？

PFA自体の帯電列はPTFE同様、最もマイナス側に位置するので、液体との接触・摩擦に
よって液体はプラス側に帯電、配管内部はマイナスに帯電すると思うのですが、配管の
外側がマイナスに帯電という事は、配管内部と外部の両方とも同じという事になるので
しょうか？？

回答No.5

veryyoung · ベストアンサー

No.4 にいただいたコメントに関してです。

＞・液体は導電性である為、場所によって電位が異なるとは考えられない。

バルクの電位としては、その通りです。チューブとの間の効果が加わることになりますが、これが百ボルトを超える事はないように思います（実践経験に基づく値ではなく、勘定違いかもしれません）。ところで、液体は導電性とお聞きしましたが、気泡などの混入による液体分断の有無の確認は怠りました。No.4は液体が分断されていない事が前提です。気泡が大量に含まれれば、話は全く異なります。

＞・また、導電性である故、温度によって電位が異なるとは考えにくい。

チューブの部分の帯電に限定した話です。静電気を遡れば仕事関数起源で、これは数電子ボルトのオーダ、一方ボルツマン定数と温度の積は、数十ミリ電子ボルトのオーダだから、という単純な考えが一つ。液体の導電率の温度依存上昇は大きく、液体流動場の電気二重層電位差の減少には結びつくものの、ご質問文中に見られる値に比べれば、かなり小さかろうというのが、二つ目です。

＞・配管経路の上下流にある部品の構成によって、全体の電位が決まる。チューブと液体の
　摩擦他の現象のみで電位が決定される訳ではない。

ポンプ、混合ノズル、攪拌翼、加熱器、・・・、フッ素樹脂により液体バルク全体が高い抵抗で大地から絶縁されているとなると、帯電要因は多数かと思います。

＞流速0部分の配管が-100Vで、そこに流れができた時は+200から～＋770Vになっていました。

これは、その部分単独で取り出せた現象なのでしょうか。他の箇所にも同時変化している事象が存在するのではありませんか。液体バルクの電位変化が主だと言う事はありませんか。導電性を持たせたPFA、PTFE等あるようです。どこか一箇所で良いですから、そういったもので、アースを取らなければ、混沌から抜け出せないような気がします（もっとも測定の目的を伺っておりませんが）。液体バルクとアース間の抵抗は MΩオーダあっても良いと思います。

現状の温度依存性は、上記のような理由で分析できませんが、参考として、液体から樹脂を通して、あるいは樹脂表面経由で構造支持物（アース）にリークする電流は、温度上昇と共に顕著に増加します（ 10℃あたり２倍近く変化する事があります）。これが一要因の可能性はあります。

以上「気泡などの混入よるチューブ内での液体の分断は顕著で無い」前提で記述しております。

お礼

色々とご教示いただきまして、ありがとうございました。
最終的なノズル出口付近の液体帯電量が主問題である為、再度測定して
みることになりました（危険ですが）。

回答No.4

veryyoung

No.3 にいただいたコメントに関してです。

＞静電気測定器にて測定した結果は「PFAチューブの電荷」＋「液体の電荷」＝総電荷で
あり、結果がマイナスになっている。

おっしゃる通り、その筈です。ただし高導電性流体を扱うのでしたら、測定電位は「液体バルク域の電位」＋「電気二重層電位差」と捉えた方が実用面で便利かと思います。

＞帯電列より、内部液体はプラスに帯電している。ただし、チューブ側がそれを上回る
　マイナス側帯電の為、総和ではマイナス表示される。

内部液体とチューブの相対関係として、前者がよりプラス、後者がよりマイナスとは言えますが、個別に、プラス、マイナスを決め付けるのは早計かもしれません。観測された電位が、チューブと液体の間の現象によるものか、不安になりました。ご提示の溶液の導電性は高そうですので、上流から下流まで、液体バルクは一体として同電位になっていると推測します。上流や下流にどのような装置があり、静電気測定器のアースとの間にどのような連絡経路があるのかも電位決定要因になります。温度による電位の変化は、チューブと液体の間の現象だけでは説明困難かと思います。流速零における電位は果たして零なのでしょうか。

電気二重層の液体側電荷の一部が流動により持ち去られる帯電モデルにおいて、液体バルク内の電位傾斜は必然でしょう。しかし導電性となれば、液体内にそのような電位差が生じる事はできません。帯電電圧は小さい筈です（定量的にご提示できませんが）。

補足

色々ご教示ありがとうございます。

・液体は導電性である為、場所によって電位が異なるとは考えられない。
・また、導電性である故、温度によって電位が異なるとは考えにくい。
・配管経路の上下流にある部品の構成によって、全体の電位が決まる。チューブと液体の
　摩擦他の現象のみで電位が決定される訳ではない。

という解釈で間違いないでしょうか？

採取データを再確認すると、すみません流速0部分の配管が-100Vで、そこに流れができた
時は+200から～＋770Vになっていました。　
また、以前にも書きましたが、液温90℃と30℃では30℃の時の方が、配管ライン全体が
プラス方向に振れる傾向が見て取れます。

ご教示いただいた内容は素人なりに理解できましたので、調査方法に何か問題があったと
しか考えれられないですが。。。

回答No.3

veryyoung

No.2 ですが、誤った記述をしてしまいました。次の部分です。
「恒常的にマイナスというなら、マイナス電荷が上流液体から供給されている事になります。また前記リークにより、下流液体はプラス方向に推移する筈で、配管上流マイナス、下流に向けてプラスの電位傾斜が管の外から観測されると予想されます」
上記部分、すべて撤回させてください。申し訳ありませんでした。

配管の外からマイナスの電位が観測される理由ですが「電気二重層の液体側を構成するプラス電荷の一部が、押し流されて行く結果、総電荷マイナスの状態が出現している」と、記述すべきでした。総電荷とは以前の説明のごとく、測定近傍区間における、配管電荷と流体電荷の総和です。

確認しておきたいのですが「ある流体」とは非導電性でしょうか。

補足

ご回答いただいた上、訂正まで追記いただきましてありがとうございます。
当方、電気的な内容含め全く素人で、説明が至らず逆に申し訳ありません。

●ご教示いただいた内容を素人言葉で話しますと、
静電気測定器にて測定した結果は「PFAチューブの電荷」＋「液体の電荷」＝総電荷で
あり、結果がマイナスになっている。

●帯電列より、内部液体はプラスに帯電している。ただし、チューブ側がそれを上回る
　マイナス側帯電の為、総和ではマイナス表示される。

という解釈で合っていますか？

なお、液体はH2SO4とH2O2を混ぜたケミカル液ですので導電性になります。

静電気測定結果がマイナス側というのはこの液が90℃の時で、30℃では逆にプラス側

に振れる傾向が見られます。電気抵抗率なども考えていたら、訳がわからなくなりました。

回答No.2

veryyoung

当該帯電列想定に従えば、液体と管の界面に、PFA内面マイナス、液体側プラスの「電気二重層」が生じると思います。管の外面の帯電電荷は僅かでしょう。

ところで「配管の外側を静電気測定器にて測定して」とありますが、電位は管の外面の電荷（だけ）で決まるのでは無いことに注意が必要です。ガウスの法則、および軸対象性の仮定によれば、測定点の電位は「配管および液体の総電荷（単位長あたり）」で単純に決まっているのです。バームクーヘン状の細部の帯電構造には左右されません。ご提示の方法で管の帯電と液体の帯電を分離して捉える事はできません。

さて、測定結果は、その付近で配管と液体の総電荷がマイナスである事を示してますが、この電荷は大気にリークする筈です。恒常的にマイナスというなら、マイナス電荷が上流液体から供給されている事になります。また前記リークにより、下流液体はプラス方向に推移する筈で、配管上流マイナス、下流に向けてプラスの電位傾斜が管の外から観測されると予想されますが、いかがでしょうか。

参考：電気二重層
http://www.celles.co.jp/archives/category/course　：静電気発生の機構に電気二重層の形成という画があります。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E4%BA%8C%E9%87%8D%E5%B1%A4

回答No.1

trytobe

配管の外面と内面で、絶縁されているので、配管の外面がマイナスに帯電すれば、配管の内面がプラスに帯電しているだけです。液体は、帯電せずにそのまま流れていきます。

なお、静電気測定器は、ちゃんと地面やコンセントのアース線などにアースして測定しないと、どこの電位を基準に－１００V なのかが得られませんので、アース先の電位の確定のためにも、アース先には充分注意して、ゼロ点調整してから測定してください。

補足

早速のご回答ありがとうございます。

内容的には「PFA配管内外での帯電」という事で、液体は帯電しないとの事ですが、
液体とPFAとの摩擦で帯電するのでは？と考えており、その結果がPFA配管外部に
影響していると思っていました。
「PFA配管外部が何らかの要因でマイナスに帯電し、内部はそれによりプラスに帯電。　
　液体は関係ない」という解釈で間違いないでしょうか？

なお、静電気測定器自体はアドバイスいただきました様に、地絡させていますので、
測定自体は正しくできていると考えております。