静电与静电防护措施探究

静电与静电防护措施探究静电与静电防护措施探究 探究背景 我司在涂布生产中 被加工的基布或转移膜及涂布机各类 导辊会产生大量静电 而生产工艺中又必须使用低沸点 易挥 发的易燃易爆的有机溶剂 如乙酸乙酯 甲苯等 稳定生产中 涂布头和烘道内会产生大量易燃易爆溶剂气体 若消除静电措 施不当 随着静电荷不断积累 将导致局部电场强度极高 介 质击穿 正负电荷中和 产生电火花 引燃或引爆有机溶剂气 体 造成严重的人身设备安全事故 鉴于我司近几年来已发生 两起静电起火事故 为防患于未然 稳定安全生产 现对设备 静电防护做以下探究分析 1 静电的概念 静电 顾名思义 就是指的静止的 不流动的电荷 我们 知道物质都是由原子构成的 原子分为原子核和核外电子 电 子环绕原子核做高速圆周运动 原子核带正电 核外电子带负 电 在一般情况下 原子核的正电荷数量与核外电子的负电荷 数量相等 所以对外不显电性 但在受到外力作用时 这种平 衡有可能被打破 此时电子脱离原子核束缚而显负电性 而原 子因为失去电子显正电性 当这种只带一个极性的电荷积聚在 某个物体上时就形成静电 电荷有正 负两种电荷 那么静电 现象也就分为正静电和负静电 随着静电的增加 静电在其周 围形成静电场 当静电场的能量增加到一定范围后 就能击穿 其介质而对外放电 比如冬天空气干燥的夜晚当人脱下化纤一 类衣服时 能看到火花和响声 这是化纤与人体摩擦人体带上 正静电的原因 2 静电的产生 静电主要是由于以下几种方式产生 1 摩擦 因不同材料的物体接触后再分离 由于不同 原子核对电子的束缚能力不同 当两种不同材料物质接触或者 摩擦时 外围电子将转移到束缚能力大的一方 导致一材料带 正电 另一材料带负电 2 传导 因为在导体而言 电子能在他的表面自由移 动 当与带电体接触时 电子会从发生电荷转移 导致两者电 荷平衡 从而形成静电现象 3 感应 这里的感应是指邻近电场的感应 对于导体 电子在导电材料表面自由移动 若将该导体放置在另一个静电 场中 由于同性电荷相互排斥 异性电荷相互吸引 正 负离 子就会发生转移 该导体因静电场感应导致正 负电荷不平衡 而形成带电 一般情况下 电导率越小的非导体越容易产生静电 此时 产生的静电荷不容易排出 其泄露时间能达到秒 时 日数量 级 而对于导体 即使产生静电也能由导体对外排出电荷 若 导体外壳与大地等绝缘 此时导体上也能静止带电 另外 湿 度对静电产生的作用也很大 湿度为 10 20 时产生的静电比 湿度为 70 90 时要强 8 40 倍 3 涂布生产工艺中静电的产生 我司涂布生产被加工物为绝缘性的基布及塑料类物料 如 pe pet 等 生产时快速穿越涂布机的众多金属及橡胶导辊的 过程中 因不断地 反复地被加压接触 分离 摩擦 产生大 量静电 尤其是橡胶压辊产生静电的强度远胜于金属导辊 根 据静电系列 基布和 pet 带负电荷 导辊面则产生等量异号静 电荷 当用静电测试测定时 测定的静电压达数千伏 4 我司的除静电措施分析 我司在生产时采用了不同方式的除静电措施 如导电绳 机体等简单接地除静电措施 这些措施有不同的消除静电作用 但都不能确保安全生产 1 悬挂静电绳 这类措施只适于消除被加工物表面已 积累电荷 不能消除穿过后续导辊后 再产生的静电 尤其是 生产线附近空间导辊众多 均悬挂导电绳不便于操作 而且生 产操作中由于车速过快 机器震动等原因 易导致导电绳接触 面减小 转移的电荷不充分 并且随着使用的时间的增加 珠 子 灰尘 细小铝层不断的包裹 静电绳用过一段时间后就失 去了效果 从成本来说静电绳的持续消耗较大 2 采用简单的接地电阻较高的机体 机壳式消除静电 措施 在理论上局限于欧姆定律 u ir 的观念 欧姆定律是反 映载电体为导体 电荷均匀有序分布于导体表面的条件下 电 压 u 电流 i 载体电阻 r 三者间的关系 而涂布生产中静电荷 的载体为绝缘性的基布 塑料 橡胶 其上面的静电荷无序散 布于绝缘体表面 因此用欧姆定律的理论是不能解决静电积累 问题的 5 理论分析 基于前述及涂布生产实践 探索消除静电火花措施 必须 以库伦定律 式 及电场强度 式 等静电学相关理论为 依据 即 介电常数 在均匀介质中为常数 1 电火花的产生条件 在生产中要十分注意橡胶压辊产生静电火花对安全的严重 危害 生产中 橡胶压辊面与基布或 pet 分别产生等量异号的 静电荷 压辊面带正电荷 pet 面带负电荷 橡胶压辊与基布 或防粘膜重复接触 分离 电荷量逐渐积累 pet 与橡胶压辊 一次接触分离所产生的静电荷无序分布于整个卷材 随着生产 的进行和废膜的收卷 橡胶压辊和废膜收卷处的静电荷逐渐增 加 由 式可知 电场强度逐渐增加 由于橡胶压辊的内部 是直径为 100 150mm 的铁质管状 外部由厚 30 40mm 橡胶包覆在电场作用下 铁质管状体轴承通 过机体和接地线路与大地相连 在接地电阻很小的某一瞬间 从大地经接地线路传递异号感应电荷 使铁质管状体带上异号 静电荷 因铁质管状体是电导体 其上的感应电荷同性相斥 想管状体两端靠近 随着橡胶压辊面静电荷的积累 感应电荷 量也等量逐渐增加 排斥力加强 最终集于铁管的两端 形成 很强的电场 电场方向与原生静电荷电场方向相同 在正负电 荷间的空间 电场强度叠加 由库伦定律 式 在 d 电 荷距离 值十分有限的情况下 正负电荷间的巨大吸引力 克 服介质 空气 的阻碍产生正负电荷中和 介质 空气 击穿 释放相当量热能 电火花产生 所释放的热能足以引燃 引爆溶 剂气体 造成人身 设备安全事故 橡胶压辊及废膜收卷金属导辊两端轴承内的绝缘性润滑剂 使其接地电阻十分不稳定 在一般情况下 轴承内润滑剂完整 涂覆于所有轴承表面 使其起着完好的绝缘作用 不能产生感 应电荷 但在长期运行中 总会出现某些瞬间轴承内某处的润 滑剂膜破裂的现象 轴承金属面与接地的机体直接接触 电阻 大幅下降 在电场作用下大地向铁管芯传递异号感应电荷 此 时 若静电荷量很高 将产生电火花 造成安全事故 这表明 由于润滑剂的影响 接地电阻极不稳定的情况下 压辊铁管芯 带有异号感应电荷的现象 既具有偶然性 又具有必然性 偶 然性是难以预测某个瞬间润滑剂膜破裂 必然性是在轴承快速 选择的情况下 润滑剂膜瞬间破裂的现象总有发生的时候 也 就决定了涂布生产中若除静电措施不当 产生静电火花 既具 有偶然性 又具有必然性 2 电火花产生的决定因素 按照涂布生产各瞬间状况 分别做如下分析 若处于涂布的某瞬间 pet 膜某处有少量静电荷 距某 处金属导辊的距离 d1 还较远 假设为 0 4m 此时导辊处的电 场强度 e1 还很低 导辊通过接地线与大地形成的电学等效体受 到电场作用还有限 不能克服接地电阻传递感应电荷 导辊表 面尚无感应电荷 也就不会有电火花产生 当下一瞬间 这个少量电荷 距导辊的距离 d2 很小 如 0 04m 由式 可知 电场强度 e2 急剧增强 由于距离大幅减 小 d1 d2 100 即 e2 100e1 此时由于电场的显著作用 经 接地电阻从大地传递等量的异号感应电荷到导辊面 但静电荷 较低 正负电荷间的吸引力还有限 不能产生正负电荷中和现 象 仍无电火花产生 可见 涂布生产中 pet 膜带有静电荷时 由三方面因素决 定电火花是否产生 一是静电荷量要很高 这是决定因素 二是静电荷距导辊的距离 也就是正负电荷之间的距离 即电场强度中的 d 值 三是在涂布生产中 pet 快速穿越众多导辊 每个瞬间都 有最小的 d 值出现 此时 该导辊的润滑剂是否破裂 若润滑 剂膜完整 电阻较高 不能形成有效的接地等效体 无感应电 荷存在 即便 pet 膜有大量静电荷 也不会产生电火花 只有 在润滑剂膜破裂时 有感应电荷产生才有电火花产生 当然 如果静电荷量很高 在很强的电场作用下击穿润滑剂膜的阻抗 也将会有极强的电火花产生 6 消除静电荷积累的方式及条件 类似 中所述 当带有少量静电荷的 pet 膜运行到与 导辊接触时 间距很小 距离 d 近乎为 0 此时辊面有等量感 应电荷 由库伦定律 当 d 0 时 1 d 趋于无限大 正负电荷 间的吸引足以产生正负电荷中和现象 静电被消除 释放的能 量呈分散状态 远达不到引燃引爆可燃气体的最低能量 这是 安全的中和方式 从微观看 呈分散状态的少量静电荷的中和是负电荷 电 子 回到带正电荷的分子 阳离子 轨道上 使带点物料质点 分子 呈电中性状态 这种中和所产生的能量 在用于电子 回到原子轨道上所消耗的能量后 剩余的释放能量极小 且呈 分散状态 因此 这种正负电荷的中和过程是安全的 消除静电荷的积累条件是 静电荷量很低 其载体 基布 pet 膜或压辊橡胶层 与感应电荷载体 导辊或除静电绳 间 紧密接触 即 d 0 的条件下 感应电荷载体在少量静电荷 电 场强度很低 的电场作用下 能产生感应电荷 这就要求有极 低且极稳定的接地电阻 消除静电积累 一般情况下 pet 类薄膜在制造过程中未加入防静电剂的 话 涂布生产中产生静电是不可避免的 而我司接地措施 仅 仅是通过铁质支架接触水泥地 形成简单的接地等效体 在冬 季教空气和地表湿度较低的情况下 接地中和效果不好 极易 造成载体和导辊电荷量的积累 从而导致电火花的产生 因此 要确保安全 须及时以最小量的正负电荷中和方式 消除静电 为此 须有良好的接地设施 使其与机体各部能形 成有效的电学等效体 只要有极微量的静电 都能立即从大地 传递感应电荷 在正负电荷载体密切接触条件下 即 d 值趋于 零的情况下 发生安全的正负电荷中和现象 这样可达阻止静 电积累 从而杜绝电火花产生 基于上述探究 提出以下简单 易行 有效的措施 1 根据对涂布生产中静电火花产生过程的分析和结合 相关文献映证 可采用 强电解质浸润铜质接地电极 的专用接 地线 其接地电阻甚低 接地状况十分稳定 可以有效的传递 感应电荷 阻止静电积累 2 各导辊面 尤其是涂布头区域 烘箱内 复合处的 导辊面须以专