布料粘和工艺中静电的产生与消除剖析

1、论文题目：布料粘合工艺中静电的产生、消除与测量单位名称：南京地铁运营分公司作 者：张国嵩2012年8月10日论文题目：布料粘合工艺中静电的产生、消除与测量作者：张 国 嵩职业技能等级： 电 工二级单 位名称：南京地铁运营分公司单位地址：雨花台区尤家凹 2号指导老师：陈皓2010年8月10日目录摘要：1前言：2第一章静电的简介1.1 静电的基本概念：31.2 静电的产生机理：41.3 静电的消除方法：5第二章 静电在布料在粘合过程中的消除2.1 产品生产设备和工艺过程简介： 72.2 静电在布料粘合过程中的产生机理： 72.3 静电消除的两种方法： 8第三章 静电消除效果的评估3.1 静电测量装

2、置简介：113.2 静电场场强测量方法：12第四章结论：14致谢参考文献内容摘要静电是自然界中极为常见的现象，它存在于人类生产生活中的各 个角落。静电(static electricity ),是一种处于静止状态的电荷。 虽然现代科技已经能够利用静电的特性制造出了很多设备，在某些方面改变了人们的生活生产方式，如静电复印、高压静电除尘和分选、 静电喷涂等。但静电在大多数情况下还是一种有危害的自然现象。尤其是在易燃易爆场所和对静电敏感度比较高的环境，如油库、火工产 品生产车间、集成电路生产线、电子设备维修间等，对静电的要求就 比较高。如果处理不当，轻则使产品报废，造成经济损失。重则发生 爆炸和火灾

3、，危及生命和财产安全。本文就静电在某布料粘合工艺中 造成放电从而频繁引起火灾的现象进行分析研究，从静电消除、工作环境的改变等方面提出一整套的解决方案。同时介绍一套自制简易的测量装置，用来对静电消除效果进行定性的评估。关键词：静电场剥离起电静电消除静电测量、人 刖 百在摘要中提及的布料，使用于某型作训鞋中。由于该型产品是由 某部队研究所研发定型，制定标准并下发各军工生产企业。因此生产 单位不能对产品进行任何改动，只能依靠现有设备条件进行生产。 此 类产品由两层不同性质的布料粘合而成， 粘合材料采用指定粘合剂并 用93#汽油作为溶解剂。当汽油挥发完之后粘合剂把两种布料粘合 在一起。正是因为这种原因

4、，生产车间内在生产过程中会存在一定量 的气态的汽油。不过由于汽油在空气中的浓度远低于爆炸浓度， 因此， 从未发生过爆炸事故。在此之前生产的该类产品由于所用布料与现在 使用的不同，因此在实际生产过程中虽然也发生过由于静电放电而导 致的小规模火灾，但只是属于偶发现象，因此未影响过生产的正常进 行。然而现在生产的产品，虽然在结构上与老型号产品相同，但布料 和粘合剂的型号已经完全不同，在生产过程中因为静电引发的火灾已 经十分频繁。而且一旦发生火灾，造成的损失非常严重，以致于影响 到了正常的生产过程。虽然也采用了一些常规的如加湿， 静电接地等 措施，尽管有效果，但由于加湿导致生产出来的产品含有的水份太多

5、， 严重影响产品质量。而且在生产出来之后需要进行晒干处理，使生产 无法连续进行。因此，消除静电影响成为了必须解决的问题。第一章静电简介1.1 静电的基本概念物质都是由分子或原子构成，而分子亦是由原子构成。原子由带 负电荷的电子和带正电荷的原子核构成。 在正常状况下，一个原子的 原子核所带正电量与原子的电子所带负电量相同，正负平衡。所以对外表现出不带电的现象，呈中性。然而由于电子属于非常具有活性的 粒子，因此，原子很容易在外力作用下失去或得到电子，从而使其呈 现出带正电或带负电。当电子在相对较长的时间内不再从这个原子跑 到那个原子，即静止不动时，就产生了静电现象。1.2 静电的产生机理1.2.1

6、 静电的微观产生机理。如果从微观角度来观察静电的产生过程可以分为两种方法，它们是：任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。因为 不同的材质其本质上是分子或原子结构不相同。它们对电子的吸引能力不相同。因此，当两个不同的物体相互接触时由于就会使得一个物 体失去一些电荷，而另一个物体得到那些电荷。即这个物体失去的电 荷一定会被别的物体得到。表现出来的现象就是某一物体的电子转移 到另一个物体从而带正电，而另一个物体得到一些额外的电子而带负 电。若在分离的过程中正负电荷难以中和，电荷就会积累使物体带 上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的

7、“接触分离”起电。固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。这是因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接触 分离”而起电。在中学物理课上介绍过“摩擦起电” ，实质上 摩擦起电是一种接触后分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各类物体都可能由于移动或摩擦而产 生静电。另一种常见的起电是感应起电。当某一带电物体接近不 带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出与带电物体 极性相反的负电或正电。其原理与磁性材料“同性相斥，异性 相吸“相似，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。1.2.2 静电的宏观产生机

8、理。从宏观角度来观察静电的产生过程可以分为七种起电方式。这七种方式为： 摩擦起电：在日常生活中，任何两个不同材质的物体经摩擦 后即可产生静电。这是产生静电的最常见方法。而静电量的产生和材 料的性质有直接关系。不同材料在相同条件下产生的静电量会有十分 巨大的差别。同时，环境也对静电量的产生有较大的影响。如湿度， 温度等。 感应起电：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流 动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负电荷就会 转移。当带电体移走后，正负电荷中和，静电场就消失。此种静电场是比较容易控制的静电场。 传导起电：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流 动，如与带电物体接触，

9、导电材料两端的电子将会发生移动，使原本 不带电的导电材料不与带电体接触的一端产生与带电体电极性相反 的极性。 剥离起电：这是一种非常常见的起电方式。所谓剥离，指当 两种材料紧密相贴合时（如两层塑料薄膜相粘、皮带和皮带轮之间的 紧密接触、透明塑料包装薄膜包裹在被包装物体表面），当两种材料 逐渐被从头至尾被剥开时（就如同把创可贴撕下），在两种材料接触 表面就会产生静电。此种方式产生的静电量在相同实验条件下比较 大。因此，是一种主要的静电产生方式。 离子溅射：当带电粒子束被发射至某一物体表面，带电粒子 与物体表面原子或分子相碰撞，使原子或分子周围的电子得到动能而 飞离物体表面，从而使物体表面产生静电

10、。热电效应：当某物体表面温度从相同变化为一侧温度低而一 侧温度高时，由于两侧电子所具有的动能不同， 使电子从温度高侧向 温度低侧转移，从而导致物体两侧带电量不同，最终导致静电的产生。 此种方式产生的静电量一般来说不会很大。 其他：断裂起电（分裂起电，破碎起电），即物体断裂时会 在断裂面产生静电；压电效应，指某些材料在压力作用下，在受压两 侧面产生静电。典型应用就是压电陶瓷；电解带电；溅泼起电。1.3 静电的消除方法静电存在于自然界中的各个角落。静电的完全防止产生是无法做 到的，只能是在一定程度上降低静电的产生。因此，静电产生之后还 要把它给消除掉。消除的方法大致可分为三类： 中和法。即当物体表

11、面或空气中带有负电时，就用正电荷与 负电荷相中和，使物体表面不再带电。此种方法一般是采用离子发生 器来产生所需要的带电粒子，然后用空气流或其它方法把带电粒子吹 到静电带电体表面或空气中，使正负电荷相接触，从而产生消除静电 的效果。泄放法。把物体表面或空气中所带有的电荷通过一些特殊的 装置收集起来，再通过接地线与大地做良好接触，把带电粒子引入大 地，起到消作静电的效果。 添加除静电剂法。即在生产工艺过程中人为加入一些可以提 高导电率的材料，使带电粒子能自由的活动，最终使正负电荷能相互 抵消，起到消除静电效果。第二章 静电在布料粘合过程中的消除2.1 产品生产设备和工艺过程简介产品生产设备原理如图

12、2-1所示：两种布料分别从容料箱1、2被传送至压合辐轮处。容料箱 2里 的布料在被传至压合辑轮之前还要先经过粘合剂梢。粘合剂被均匀的 涂抹在布料表面，然后才经过加热辐轮被送至压合辐轮处进行压合。 加热辐轮和压和辐轮内送入低压蒸汽加热辐轮。 压合完成后送至容料 箱3内存放。加热辐轮的作用是促进汽油的挥发和粘合剂的固化。图2-12.2 静电在布料粘合过程中的产生机理从布料粘合机的工作流程来看，该种工艺具有静电产生方式中所 述的七种方式中的两种方式： 摩擦起电。由于布料是被拖拽着从各个辐轮处通过。虽然辐而且在轮是可以滚动的，但是辐轮与布料之间不可能没有一点摩擦 工艺上适当的摩擦是必须的。 剥离起电。

13、正如前面所述，和皮带轮传动情况相似，布料与 辑轮之间存在着从紧密接触到逐渐分离的过程，也即存在剥离过程。 这样的剥离过程，对静电的产生起了很大的作用。因此，此种起电方 式是该设备静电产生的主要方式。 然而由于设备的工作原理，这种静 电起电方式是无法通过进行设备改良来消除的。需要指出的是，在加热辐轮处对粘合后布料的加热，对静电的产 生起到了比较大的促进作用。因为，如果两层布料之间要是有某种导 电物质存在，那么正负电子在经过一段时间后， 便能通过导电物质逐 渐的中和，静电电场强度也就会逐渐的降低。然而，刚刚粘合起来的 布料经过加热后，两层布料之间的可以导电的水份及汽油便被迅速的 蒸发掉，使原本有机

14、会逐渐消散掉的静电场被固化在了布料里。此时的静电场场强是非常强的。人站在旁边能很明显的感受到静电场作用 在人体上。此时布料上下两层之间，布料上层与金属支架之间只要有 一点点的放电现象，便会引燃布料里和空气中的汽油， 导致火灾和爆 燃。2.3 静电消除的两种方法根据上述对产品生产过程中静电产生的机理和设备特点，经过反复实验论证，最终采用两种方法来对静电进行消除。 利用尖端放电现象对静电进行消除。所谓尖端放电，即是在 强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象，它属于一种电晕放电。其原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度 大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。通常情况下，空气是 不导

15、电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向 相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。 由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电 了。空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去电子的电荷带正电，叫做正离子。这里的尖端放电原理就是利用尖锐物体以非常近的距 离靠近带电体表面但不接触带电体表面，使尖锐处附近产生极强的静电场，使空气被电离，为带电体表面所带有的带电粒子提供一个 流向大地的通路。当带电粒子流到大地后，静电场场强随之降低， 静电便被消除。之所以尖锐物体不能与带电体表面接触是因为一旦 接触，尖锐物体便不能产生能使空气电离的电场场强，从而无法实现消除静电

16、。由于布料表面所带有的静电场能量很小，虽然电场场强很高，但静电能量没有积累到能产生可以引燃汽油的可见电火 花。因此，这种方法是可行而且有效的。图2-2为使用的静电电荷收集器。图2-2该静电收集器由中间带有尖锐尖角的厚度为0.5m横铜片与两片把黄铜片夹在中间的厚度为1cm的绝缘板组成。绝缘板起到支撑作用，把黄铜片以与布料非常近的距离固定在设备金属框架上。黄铜片通过左右两端各一根1.5cm2的软铜线与静电接地线可靠联接。带电 粒子通过该静电收集器流向大地。利用高温蒸汽直接喷射在布料表面达到增加布料湿度的作用，为带电粒子的流动提供通路。在此处，采用 2KG压力的蒸汽通过 0 25MM的蒸汽软管、4球

17、阀和喷头向布料表面喷射。球阀调节喷出 的蒸汽量大小。喷头距离布料表面 40CM之所以采用蒸汽，是因为单靠静电泄放，不能保证静电消除到完全不发生静电打火的程度。汽温度高，布料吸收了水份后会很快蒸发掉,布料里的含水量不会增加很多，不会影响布料的质量。以上两种装置在设备上的安装位置如图2-3所示:第三章 静电消除效果的评估3.1静电测量装置简介对于静电消除效能的评估，需要一种设备来进行衡量。然而，由 于静电电场的特殊性，使用普通设备无法进行测量。而且，市场上所 出售的静电场场强测量仪售价也非常昂贵。同时，我们也并不需要专业设备来获得准确数据。因此，利用现有条件自制了 一种静电测量装 置，用于定性的对

18、静电消除效果进行评估。 此装置称为静电场场强比 较仪。其原理图如图3-1所示：该仪表的核心元件为一个NT0-220。主要参数如下：I o Drain to currentI DM Drain to currentVgsGate-to-Source沟道绝缘栅场效应管 MOSFE T型号为6 A24 V24 VPd Total Power Dissipation 40 W HOGN60F(T0-220FP)MOSFE的特点是输入端输入电阻极大，可达数十 MQ。而静电测 量的要求就是测量头输入阻抗要极大才能有效的测量出静电场场强。 而普通的三极管或其它元件不论采用何种电路结构都无法实现这一 要求。然

19、而，MOSFET勺缺点也正是输入阻抗极大，但击穿电压不是 很高，输入端很容易被静电击穿。因此，在管子的输入端并入两个电 阻。仪表的工作原理为：R1,R2电阻给MOSFET0极G极提供静态 偏压。R3电阻作为分压电阻。这三个电阻和 MOSFET合起来组成最 基本的放大电路。经计算后得动态放大倍数约为A=15探测头为一5cm*5cm*0.5cm的黄铜，然后用0.75cm2的导线与门极G相连。探测 头固定在长50cm的直径为25cm的PVCf端。比较仪使用时，手持测 量头，把开关K闭合，调整R1, R2,使OUT所接电压表指针指在 中间位置，即12V左右。开关打开后，移动探测头。当探测头感应 到静电

20、场后，电压表的指针会随着电场强度和方向的不同而向左或向 右偏转。3.2静电场场强测量方法此装置的拨动开关K总应处于闭合状态，以保证MOSFE的安全。 通入电源时，电压表显示电压为 12V。当测量时，打开开关 K,在无 静电场时电压表显示电压依旧为 12V。把测量头靠近被测物体，当被 测物体带有静电时，静电场会改变 MOSFE的静态工作点，使电压表 显示电压向正或负方向偏转。当电压表显示电压为4V或20V时，保持探头位置，关闭开关K,测量出物体与测量头之间的长度。最终用 这个长度来间接的测量出静电场场强的大小，并可判断出静电场的极性。静电场场强的计算公式为：E= （1/4兀e ） *q/r2。其中，E为电 场场强，1/4兀&为一常数，q为电荷量，r2为距离的平方。运用静 电场场强的叠加原理和 MOSFE放大电路的原理即可算出所测静电场 场强的大小和方向。不过，虽然从公式上看通过比较仪就能够直接得 出静电电场强，但是，这种测量方法实际上只能判断出静电场场强是 否变化。因为，MOSFETf的输入阻抗并没有大到满足测量要求的数 量极，而且，采用的电路结构也不能够保证测量精度和测量准确性。 同时，也没有标准源来对比较仪进行校对。因此，这里的测量结果只 能用于参考，用于定性的比较。然而，在只需要用来