Elektryczność statyczna - przyczyny i przeciwdziałanie

Elektryczność statyczną często określa się jako niewidzialnego wroga produkcji. Dzisiejsze procesy wytwórcze o dużej szybkości, często obejmujące stosowanie materiałów syntetycznych, są bardziej podatne na skutki elektrostatyki niż to miało miejsce w przeszłości; przykładem tego jest etykietowanie. Etykiety są teraz częściej drukowane na tworzywie sztucznym i nakładane przy dużych prędkościach. Powoduje to wzrost elektryczności statycznej skutkujący błędnym nakładaniem, stratami produkcyjnymi, marnotrawstwem i ostatecznie stratą zysków. Czym jest elektryczność statyczna? Gdy materiał zawiera ładunek elektryczny netto, dodatni lub ujemny, mówi się, że posiada ładunek elektrostatyczny. Termin elektrostatyka jest względny, ponieważ w wielu przypadkach ładunki elektrostatyczne będą powoli malały w miarę upływu czasu. Niezbędny na to czas zależy od rezystancji materiału. Ze względów praktycznych, jako dwa skrajne przypadki można przyjąć tworzywa sztuczne i metal. Tworzywa sztuczne generalnie charakteryzują się bardzo wysokim oporem właściwym, co pozwala na długotrwałe utrzymywanie ładunków elektrostatycznych; z drugiej strony metale posiadają niską rezystancję i uziemiony przedmiot metalowy zachowuje swój ładunek przez bardzo krótki czas. Elektryczność statyczną zwykle mierzy się w woltach. Podczas gdy napięcie sieciowe wynoszące 220 wolt prądu zmiennego uznaje się za niebezpieczne, to ładunki elektrostatyczne na poziomie 100 kV są powszechne. Jak powstaje elektrostatyka? Istnieją trzy główne źródła elektryczności statycznej: tarcie, rozdzielanie i indukcja. Jeśli chodzi o to pierwsze, czyli tarcie, to przy pocieraniu o siebie dwóch materiałów elektrony związane z atomami powierzchniowymi na każdym z tych materiałów bardzo zbliżają się do siebie. Takie elektrony powierzchniowe mogą przechodzić z jednego materiału na drugi. Kierunek, w którym poruszają się elektrony, zależy od szeregu tryboelektrycznego. Materiały po stronie dodatniej szeregu będą wykazywały tendencję do oddawania swoich elektronów powierzchniowych i naładują się dodatnio, podczas gdy materiały po stronie ujemnej będą dążyły do pozyskiwania elektronów, a więc do uzyskania ładunku ujemnego. Im mocniej obydwa materiały będą dociskane do siebie, tym większa będzie wymiana elektronów, a tym samym wytwarzany ładunek będzie większy. Prędkość ruchu tarcia również wywiera wpływ – im szybsze tarcie, tym wyższy poziom naładowania. Wynika to z pobierania przez elektrony powierzchniowe energii cieplnej wytwarzanej przez tarcie. Drugi wspominany sposób to rozdzielanie. Metoda ładowania elektrostatycznego przez rozdzielanie jest podobna do tarcia. Kiedy dwa materiały stykają się, elektrony powierzchniowe znajdują się bardzo blisko siebie i przy rozdzielaniu wykazują tendencję do przywierania do jednego lub drugiego materiału, w zależności od swoich względnych pozycji w szeregu tryboelektrycznym. Ostatnie źródło elektryczności statycznej to indukcja. Chociaż jest interesująca technicznie, indukcja ma mniejsze znaczenie w procesach przemysłowych i nie będzie tutaj omawiana. Jakie czynniki wpływają na elektryczność statyczną? Rodzaj materiału: Niektóre materiały łatwiej ulegają naładowaniu niż inne. Na przykład materiał z włókna octanowego będzie gromadził ładunek znacznie szybciej niż szkło. Wilgotność: Mówiąc ogólnie, im bardziej suche środowisko tym wyższy poziom ładunku elektro-statycznego i odwrotnie, im wyższa wilgotność, tym mniejszy ładunek elektrostatyczny. W kategoriach względnych woda jest znacznie lepszym przewodnikiem prądu elektrycznego niż większość tworzyw sztucznych. Powtarzanie: Działania powtarzane, takie jak tarcie czy rozdzielanie, będą zwiększały poziom ładunku występującego na materiale. Efekt baterii: Połączenie wielu naładowanych elementów może prowadzić do generowania skrajnie wysokich ładunków. Na przykład, pojedyncze arkusze tworzywa sztucznego o względnie niskim ładunku powierzchniowym mogą wytwarzać ekstremalnie wysokie napięcia w przypadku, gdy są składowane razem. Zmiana temperatury: Materiał w miarę chłodzenia wykazuje tendencję do wytwarzania ładunków elektrycznych. Proces chłodzenia ma na celu rozprowadzenie ładunku netto w całej objętości materiału. Metody usuwania ładunków Podstawowa zasada neutralizacji ładunków elektrostatycznych jest taka sama bez względu na zastosowaną technikę. W przypadkach gdzie materiał posiada dodatni ładunek powierzchniowy, konieczne jest doprowadzenie elektronów na powierzchnię w celu przywrócenia równowagi ładunku. Tam, gdzie ładunek powierzchniowy jest ujemny, nadmiar elektronów należy usunąć z powierzchni, aby go zneutralizować. Tryby pracy belek jonizujących Belki pasywne: Naładowany obiekt będzie generował pole elektryczne między sobą a dowolnym uziemionym przedmiotem w jego otoczeniu. W przypadku belki pasywnej Meech 974, pole powstaje między powierzchnią a końcówkami włosków uziemionej szczotki z włókna węglowego. Ostre zakończenia poszczególnych włosków powodują wysoką koncentrację pola elektrycznego w tych punktach. Kiedy natężenie pola elektrycznego osiągnie wystarczającą wartość, pojawia się zjawisko jonizacji cząsteczek powietrza otaczających końcówki. Belki pasywne są użyteczne przy redukowaniu wysokich ładunków elektrostatycznych sięgających dziesiątek kV do poziomu kilku kV. Jakkolwiek, ze względu na swoją naturę nie są one w stanie całkowicie zneutralizować ładunku powierzchniowego. Belki na prąd zmienny (AC): Belki na prąd zmienny pracują przy częstotliwości zasilania. Napięcie sieciowe, 110 lub 240V, jest w znaczny sposób zwiększane przy pomocy transformatora ferrorezonansowego w celu wytworzenia napięć o wartościach z przedziału 4,5 do 7 kV. Tak uzyskane wysokie napięcie jest podawane na bolce jonizujące, podczas gdy osłona belki jest podłączona do uziemienia. Jeżeli popatrzymy na dodatni cykl wejściowego kształtu fali, zobaczymy, że bolec elektrody będzie miał napięcie dodatnie względem osłony. Powoduje to powstanie między oboma elementami silnego pola elektrycznego o wysokim stopniu koncentracji na ostrym końcu bolca elektrody. W rezultacie na końcu bolca powstają jony dodatnie, które następnie są odpychane od bolca ze względu na taki sam ładunek. Odwrotne zjawisko zachodzi dla ujemnej połowy cyklu. W tym przypadku wokół bolca jonizującego tworzy się obłok jonów dodatnich i ujemnych. Przy braku wpływów zewnętrznych, jony dodatnie i ujemne przyciągają się wzajemnie lub są przyciągane do pobliskiego uziemienia. Jakkolwiek, w przypadku obecności bliskiego ładunku elektrostatycznego jon będzie przyciągany przez przeciwny ładunek na powierzchni materiału. Na powierzchni materiału dojdzie do wymiany elektronów i powierzchnia zostanie zneutralizowana. Ponieważ jonizacja przy belce nie zależy od ładunku powierzchniowego i jony są wytwarzane niezależnie od bliskości takiego ładunku, można uzyskać pełną neutralizację powierzchni. Jest to istotna zaleta w porównaniu do belek pasywnych. Belki impulsowe na prąd stały (DC): Belki impulsowe na prąd stały, podobnie jak ich odpowiedniki typu AC, wytwarzają zjonizowane powietrze przy pomocy wysokiego napięcia. Urządzenia impulsowe typu DC pracują przy niższych częstotliwościach, w przypadku modelu Meech 977v3 między 0,5 a 20 Hz. Belka jonizująca zawiera szereg emiterów przyłączonych naprzemiennie do ujemnych i dodatnich wyjść urządzenia 977v3. Osłona belki jest wykonana z tworzywa sztucznego, tak więc nie ma uziemienia zbliżeniowego. Wyjście ze źródła zasilania jest w rzeczywistości falą prostokątną przechodzącą od wartości ujemnej do dodatniej przy wybranej częstotliwości. W pobliżu belki jonizującej obiekt naładowany statycznie będzie przyciągał lub odpychał jony, w zależności od ich względnych biegunowości. Kiedy jony osiągną powierzchnię naładowaną statycznie, wówczas zachodzi proces neutralizacji zgodnie z opisem w części dotyczącej belek na prąd zmienny (AC). Niska częstotliwość pracy sprawia, że urządzenia impulsowe na prąd stały (DC) są idealne dla potrzeb neutralizacji dalekiego zasięgu. Przy dużych odległościach od belki mniejsza ilość jonów może zostać doprowadzona do naładowanej statycznie powierzchni i stąd szybkość neutralizacji jest ograniczona. Tak więc, w przypadku używania urządzeń impulsowych na prąd stały do zastosowań dynamicznych, takich jak procesy etykietowania, należy zwrócić uwagę na odległość od powierzchni docelowej, w jakiej belka zostanie zainstalowana. Dodatkową właściwością systemu impulsowego DC jest to, że wyjściowy kształt fali można zmienić, zaś czas trwania ujemnej i dodatniej części kształtu fali można zwiększyć lub zmniejszyć. Na przykład jeżeli wiadomo, że ładunek, który ma być zneutralizowany jest dodatni, wtedy czas trwania ujemnej części wyjścia można zwiększyć i odwrotnie, dodatnią część kształtu fali można zmniejszyć. Pozwoli to zwiększyć produkcję jonów ujemnych i zmniejszyć produkcję jonów dodatnich, dzięki czemu system będzie efektywniej neutralizował ładunek dodatni. Rozwiązywanie powszechnie spotykanych problemów elektrostatycznych Istnieją cztery główne obszary, w których niekontrolowany ładunek elektrostatyczny może powodować utrudnienia w procesach przemysłowych. Przyciąganie elektrostatyczne (ESA): Unoszące się w powietrzu cząsteczki są przyciągane do naładowanych powierzchni lub naładowane cząsteczki unoszące się w powietrzu są przyciągane przez powierzchnię, która mogłaby być całkowicie wolna od wszelkich ładunków. Taka sytuacja wywiera wpływ na produkcję w większości branż związanych z przetwarzaniem tworzyw sztucznych, niszcząc wykończenia pomalowanych produktów i powodując straty ze względu na słabą jakość produktów w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i medycznym. W przemyśle poligraficznym przyciąganie kurzu niszczy wykończenia drukarskie, a nawet klisze drukarskie. Niewłaściwe zachowanie się materiału: Jest to inna postać przyciągania elektrostatycznego. W tym przypadku zamiast zanieczyszczenia produktów problem objawia się w tym, że produkty - zwykle tkaniny, włókna lub folie, przyczepiają się do siebie lub do urządzeń, zmieniają kierunek ruchu lub odpychają się. Szczególnie podatne na tą kwestię są procesy zautomatyzowane. Porażenie operatorów / pracowników: Ta kwestia staje się coraz bardziej istotna, gdyż przedsiębiorstwa dążą do poprawy standardów bezpieczeństwa. Wyładowania elektrostatyczne (ESD): Problem ten dotyczy montażu, instalacji oraz obsługi na miejscu elementów elektronicznych, jak również produkcji elektroniki, gdzie nawet tak niskie napięcia statyczne jak 5V mogą spowodować katastrofalną awarię. Autorem artykułu jest Trevor Pimm, Dyrektor ds Sprzedaży Regionalnej firmy Meech International