Materiale antistatice - DES - Definiție și beneficii

Descărcarea electrostatică poate reprezenta o problemă în mediul de producție: pericolele variază de la deteriorare la componente sensibile la pericole de incendiu și de explozie. Există o varietate de opțiuni pentru minimizarea apariției acestora. Materialele antistatice sau DES reprezintă unul dintre ele. Următorul articol acoperă cauzele sarcinii electrostatice, prezintă materiale antistatice (materiale DES) și descrie principiile generale pentru evitarea descărcării electrostatice.

Cum se dezvoltă o sarcină electrostatică?

Sarcina electrică este un parametru de conservare fizică. Pentru a-l înțelege pe acesta din urmă, trebuie să luăm în considerare la nivel atomic. Fiecare atom individual constă dintr-o carcasă atomică și un nucleu atomic. În timp ce masa principală a nucleului atomic constă din particule încărcate pozitiv (protoni) și particule elementare neutre (neutri), există particule încărcate negativ (electroni) în învelișul atomic. Acuzațiile egale se resping, iar cele opuse se atrag reciproc. Dacă protonii și electronii sunt prezenți în aceeași cantitate, efectele externe ale sarcinilor individuale prezente, dar separate, din atom se anulează reciproc în suma încărcării. Atomul este neutru din punct de vedere electric. Totuși, de exemplu, dacă sunt prezenți mai mulți protoni decât electroni, acest lucru se numește sarcină pozitivă.

Sarcina electrostatică este strâns legată de sarcina electrică. Dacă două materiale se freacă între ele, electronii sunt transferați dintr-un material în altul. Deși materialele conductoare împământate compensează simultan transferul de electroni cu electroni liberi, acest lucru nu este posibil în cazul materialelor izolate sau izolatoare. În aceste cazuri, materialul care poate ține electronii mai puțin bine în învelișul atomic pierde acești electroni în favoarea partenerului de frecare. Partenerul de frecare care eliberează electroni are o sarcină pozitivă din cauza deficienței de electroni, iar partenerul către care sunt transferați electronii are o sarcină negativă din cauza electronilor în exces. Există o diferență de sarcină între cei doi parteneri de frecare. Descărcarea electrostatică are loc atunci când două obiecte cu sarcini electrice diferite intră în contact unul cu celălalt. Electronii sunt schimbați la contact și pot apărea defecțiuni electrice. Descărcarea componentelor încărcate static.

La descărcarea unei sarcini electrostatice acumulate, pot circula curenți electrici mari, ceea ce poate cauza chiar arderea sau explozia substanțelor inflamabile.

Modul în care se manifestă sarcina electrostatică depinde de intervalul de tensiune:

• >3.000 V: Descărcarea electrostatică este vizibilă, de exemplu la atingerea unei lame metalice.
• >5.000 V: Se aude descărcarea electrostatică, de ex., pocnituri, la scoaterea îmbrăcămintei.
• >10.000 V: Descărcarea electrostatică este vizibilă, de ex., sub forma unei scântei.

Fulgerele și scânteile apar, de exemplu, atunci când se creează o intensitate mare a câmpului între obiecte care au o sarcină diferită. Dacă tensiunea este suficient de mare, are loc o egalizare bruscă a sarcinii și curentul electric circulă scurt (scânteie).

Diferența mare dintre materialele izolatoare și cele conductoare este cauzată de stabilitatea sau de rezistența electronilor încorporați în învelișul atomic. În timp ce toți electronii dintr-un izolator sunt legați de atomul lor, electronii din metale se pot deplasa liber și în stare de descărcare și pot sări de la un înveliș atomic la învelișul atomic al unui alt atom.

Protecție împotriva sarcinii electrostatice

Protecția împotriva sarcinilor electrostatice este un aspect important al siguranței ocupaționale, așa cum se explică și în articolul nostru privind Standarde de siguranță în ingineria mecanică. Dar de ce este atât de importantă protecția? Cu siguranță toată lumea a suferit un șoc electric atunci când a intrat în contact cu obiecte metalice. Cu toate acestea, cu cât sarcina electrică este mai mare, cu atât aceste descărcări sunt mai periculoase.

În mediile industriale, pot apărea cu ușurință tensiuni de până la 10.000 V, care pot duce la deteriorare sau distrugere, în special la componentele electronice. Materialele plastice standard prezintă riscul de a fi încărcate electrostatic, deoarece au o rezistență mare la suprafață. Problemele pot apărea rapid dacă în ele sunt transportate componente electronice. Miniaturizarea continuă, în special în sectorul electric și al semiconductorilor, a crescut susceptibilitatea la descărcările electrostatice. Încărcarea statică a materialelor plastice este, prin urmare, deosebit de importantă. Componentele deosebit de sensibile la descărcările electrostatice sunt marcate cu simbolul DESS pentru „Dispozitiv sensibil electrostatic”:

Există, de asemenea, un risc de incendiu și de explozie în producția de pelicule, semiconductoare sau hârtie. Prin urmare, protecția este esențială.

Definiție: Materiale DES și materiale antistatice

Practic, materialele antistatice și DES diferă în ceea ce privește maniera de manipulare a încărcării electrostatice. În cazul materialelor antistatice, focalizarea este de a preveni ca încărcarea electrostatică să afecteze proprietățile electrostatice ale materialului. Pentru materialele DES, conductivitatea electrică se află în prim-plan, astfel încât sarcinile electrostatice să poată fi descărcate deosebit de rapid. Acest lucru se realizează prin adăugarea de carbon. Totuși, acest lucru nu înseamnă că materialele antistatice nu pot descărca sarcini electrostatice în același timp; conductivitatea acestora este doar mai mică decât cea a materialelor DES.

Există standarde diferite pentru ambele grupuri de materiale. Materialele antistatice sunt utilizate în general în protecția personală, în standarde precum EN 1149 pentru îmbrăcăminte antistatică sau EN ISO 20345 pentru încălțăminte antistatică de protecție. Rezistența electrică trebuie să fie atât de scăzută încât să nu poată avea loc nicio încărcare și, de exemplu, pot fi prevenite și scânteile. Pentru materialele DES, accentul se pune pe protejarea componentelor. EN 61340-4-1 specifică cerințele pentru conductivitatea suprafețelor și materialelor. Cu toate acestea, există materiale DES care sunt utilizate pentru protecție personală, de ex., încălțăminte DES. Pentru încălțămintea cu DES, se aplică specificații mai stricte cu privire la rezistența electrică aprobată: Au o rezistență electrică între 0,1 megaohmi și 100 megaohmi, în timp ce gama de materiale antistatice este între 0,1 și 1000 megaohmi. DES și materialele antistatice sunt, de asemenea, utilizate în straturile de acoperire conductoare pentru pardoseală, în materialele de ambalare și în acoperirile speciale, de exemplu.

În funcție de rezistența de contact, materialele pot fi împărțite în diferite categorii, care, la rândul lor, sunt esențiale și în tehnologia antistatică și DES:

Principii de funcționare

Funcționalitatea diferitelor categorii de materiale diferă în funcție de următoarele principii:

• Disipare: Materialele DES ghidează sarcina creată într-o manieră controlată prin material și îl distribuie pentru a evita diferențele periculoase de tensiune.
• Izolație: Materialele izolatoare împiedică deplasarea sarcinilor, care pot fi utile în anumite zone pentru a proteja componentele sensibile împotriva descărcării necontrolate.
• Respingere: Prin intermediul structurilor speciale de suprafață și al aditivilor, materialele antistatice împiedică acumularea de sarcini pe suprafață.
• Împământare: Materialele conductoare sunt conectate la potențialul de împământare cu puncte de împământare definite pentru a elimina sarcinile excesive într-o manieră controlată.

Metode de testare

Comportamentul izolației electrice a unui material poate fi determinat cel mai bine prin determinarea rezistenței suprafeței și a rezistenței de contact. Rezistența de contact, denumită și rezistență electrică, este rezistența la fluxul de curent printr-un material și este specificată în ohmi. Rezistența la contact furnizează informații despre cât de bine sau de slab poate descărca un material sarcinile în direcția unei împământări. Măsurătorile sunt efectuate prin atașarea fiecărui electrod la partea superioară și inferioară a suprafeței și trecerea unui curent de măsurare prin acestea. Rezistența suprafeței, la rândul său, descrie rezistența electrică pe suprafața materialului. Rezistența electrică este determinată prin aplicarea unei tensiuni electrice prin intermediul a doi electrozi paraleli pe suprafață și prin trecerea curentului prin ambii electrozi.

Abordări bazate pe design pentru prevenirea încărcărilor statice

Încărcarea statică poate fi deja minimizată sau prevenită în mod eficient prin măsuri de proiectare intenționate asupra sistemelor, componentelor și zonelor de lucru critice. Parametrii de control relevanți includ:

• Alegerea materialului
• Împământare
• Controlul umidității
• Ionizatoare
• Evitarea frecării

Alegerea materialului

În general, alegerea dintre materialele antistatice sau DES depinde de aplicație. Materialele DES sunt recomandate dacă un produs sensibil electrostatic urmează să fie transportat, montat sau procesat. Dacă sarcinile statice trebuie prevenite de la bun început, de exemplu, pentru a proteja personalul împotriva scânteilor, materialele antistatice sunt mai potrivite, deoarece reduc la minimum acumularea acestora. MISUMI are diverse materiale antistatice. Materialele plastice speciale cu proprietăți specifice pot fi, de asemenea, materiale adecvate. Aflați mai multe în articolul nostru Materiale plastice speciale.

Împământare electrostatică

Dacă sunt împământate corect, sarcinile electrice în exces pot fi descărcate direct pe potențial de împământare. Acest lucru poate fi realizat, de exemplu, prin covorașe de stație de lucru conductive electric speciale, curele de împământare sau puncte de împământare speciale pe mașini. Toate componentele conductoare trebuie să aibă o conexiune permanentă la împământare.

Controlul umidității

Cu cât umiditatea este mai mare, cu atât conductivitatea aerului și sarcinile în exces mai mari pot fi eliberate și distribuite moleculelor de apă din aer. Dacă mediul de producție permite acest lucru, se poate utiliza și monitoriza o umiditate mai ridicată. Se recomandă o umiditate relativă de 50-60%.

Ionizatoare

Dacă împământarea singură este insuficientă, pot fi utilizați ionizatori pentru descărcare electrostatică. Acestea generează perechi de ioni încărcate pozitiv și negativ care se leagă de și compensează pentru sarcinile statice existente în intervalul efectiv al ionizatorului. Ionizatoarele sunt adesea utilizate atunci când piesele de lucru fabricate din material izolator sunt prelucrate pentru a elimina sarcinile statice nedorite.

Evitarea frecării

Frecarea dintre izolații sau materialele de suprafață cu impedanță ridicată este una dintre principalele cauze ale sarcinii statice. Frecarea poate fi evitată folosind ajutoare, cum ar fi lubrifianții antistatici sau aditivii de glisare. O înțelegere mai profundă a proprietăților de frecare ale unui material poate ajuta, de asemenea, la clasificarea mai bună a proceselor operaționale. Pentru mai multe informații, consultați Determinarea frecării și a coeficientului de frecare a valorilor de frecare ale materialelor.

O altă opțiune este un tratament special pentru suprafețe, care asigură producerea unei structuri mai fine. Acest lucru poate fi obținut, de exemplu, prin suprafețe lustruite sau, de asemenea, prin materiale speciale, cum ar fi siliconul antistatic sau PTFE (Teflon) cu materiale de umplere conductive.