Materiały antystatyczne – ESD – definicja i zalety

Wyładowania elektrostatyczne mogą stanowić problem w środowisku produkcyjnym: zagrożenia wahają się od uszkodzeń wrażliwych komponentów po zagrożenia pożarowe i wybuchowe. Jest wiele opcji minimalizowania ich występowania. Materiały antystatyczne lub ESD są jednym z nich. W poniższym artykule omówiono przyczyny ładunków elektrostatycznych, przedstawiono materiały antystatyczne (materiały ESD) i opisano ogólne zasady unikania wyładowań elektrostatycznych.

Jak powstaje ładunek elektrostatyczny?

Ładunek elektryczny jest fizycznym parametrem zachowania. Aby to zrozumieć, należy rozważyć materię na poziomie atomowym. Każdy pojedynczy atom składa się z powłoki atomu i jądra atomu. Podczas gdy główna masa jądra atomowego składa się z dodatnio naładowanych cząstek (protonów) i neutralnych cząstek elementarnych (neutronów), w powłoce atomowej znajdują się ujemnie naładowane cząstki (elektrony). Te same ładunki odpychają się nawzajem, a ładunki przeciwstawne przyciągają się nawzajem. Jeśli protony i elektrony są obecne w tej samej ilości, zewnętrzne efekty poszczególnych ładunków obecnych, ale oddzielonych, w atomie znoszą się nawzajem w sumowaniu ładunku. Atom jest elektrycznie neutralny. Jednakże, na przykład, jeśli obecnych jest więcej protonów niż elektronów, nazywa się to ładunkiem dodatnim.

Ładunek elektrostatyczny jest ściśle powiązany z ładunkiem elektrycznym. Jeśli dwa materiały ocierają się o siebie, elektrony są przenoszone z jednego materiału na drugi. Chociaż materiały przewodzące jednocześnie kompensują transfer elektronów wolnymi elektronami, nie jest to możliwe w przypadku materiałów izolowanych lub izolacyjnych. W takich przypadkach materiał, który może gorzej utrzymać elektrony w powłoce atomowej, traci te elektrony na rzecz partnera tarcia. Partner tarcia uwalniający elektrony ma dodatni ładunek sumaryczny z powodu niedoboru elektronów, a partner, do którego elektrony są przenoszone, ma ujemny ładunek sumaryczny z powodu nadmiaru elektronów. Zachodzi różnica w ładunkach między dwoma partnerami tarcia. Wyładowanie elektrostatyczne występuje, gdy dwa obiekty o różnych ładunkach elektrycznych stykają się ze sobą. Elektrony są wymieniane przy kontakcie i mogą wystąpić przebicia elektryczne. Naładowane statycznie elementy są rozładowywane.

Podczas rozładowywania nagromadzonego ładunku elektrostatycznego mogą przepływać wysokie prądy elektryczne, które mogą nawet spowodować zapalenie się lub eksplozję substancji łatwopalnych.

Sposób, w jaki ładunek elektrostatyczny manifestuje się, zależy od zakresu napięcia:

• > 3000 V: Wyładowanie elektrostatyczne jest zauważalne, np. podczas dotykania metalowego ostrza.
• > 5000 V: Wyładowanie elektrostatyczne jest słyszalne, np. jako trzaski podczas zdejmowania odzieży.
• > 10 000 V: Wyładowanie elektrostatyczne jest widoczne, np. w postaci iskry lub błysku.

Błyskawice i iskry powstają na przykład, gdy między obiektami, które niosą różne ładunki, powstaje silne pole. Jeśli napięcie jest wystarczająco duże, następuje nagłe wyrównanie ładunku i przez krótką chwilę płynie prąd elektryczny (błysk).

Duża różnica między materiałami izolacyjnymi i przewodzącymi jest spowodowana stabilnością lub wytrzymałością elektronów osadzonych w powłoce atomowej. Podczas gdy wszystkie elektrony w izolatorze są związane z ich atomem, elektrony w metalach mogą również swobodnie przemieszczać się w stanie pozbawionym energii i przeskakiwać z jednej powłoki atomowej do powłoki atomowej innego atomu.

Ochrona przed ładunkiem elektrostatycznym

Ochrona przed ładunkiem elektrostatycznym jest ważnym aspektem bezpieczeństwa pracy, jak wyjaśniono również w naszym artykule na temat Normy bezpieczeństwa w inżynierii mechanicznej Dlaczego ochrona jest tak ważna? Każdy z pewnością doznał porażenia prądem elektrycznym podczas kontaktu z metalowymi przedmiotami. Jednak im wyższy ładunek elektryczny, tym bardziej niebezpieczne są te wyładowania.

W środowiskach przemysłowych napięcie do 10 000 V może łatwo wystąpić, co może prowadzić do uszkodzenia lub zniszczenia, szczególnie w przypadku komponentów elektronicznych. Standardowe tworzywa sztuczne mogą być ładowane elektrostatycznie, ponieważ mają wysoką rezystancję powierzchniową. Problemy mogą pojawić się szybko, jeśli elementy elektroniczne są w nich transportowane. Postępująca miniaturyzacja, szczególnie w sektorze elektrycznym i półprzewodnikowym, zwiększyła podatność na wyładowania elektrostatyczne. Dlatego szczególnie ważne jest statyczne ładowanie tworzyw sztucznych. Komponenty, które są szczególnie wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, są oznaczone symbolem ESDS czyli „Urządzenie wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne”:

Zachodzi również ryzyko pożaru i wybuchu przy produkcji folii, półprzewodników lub papieru. Dlatego ochrona jest niezbędna.

Definicja: Materiały ESD i materiały antystatyczne

Zasadniczo materiały antystatyczne i ESD różnią się sposobem przenoszenia ładowania elektrostatycznego. W przypadku materiału antystatycznego nacisk kładziony jest na zapobieganie wpływowi ładunku elektrostatycznego na właściwości elektrostatyczne materiału. W przypadku materiałów ESD przewodnictwo elektryczne jest na pierwszym planie, dzięki czemu ładunki elektrostatyczne mogą być rozładowywane szczególnie szybko. Osiąga się to poprzez dodanie węgla. Nie oznacza to jednak, że materiały antystatyczne nie mogą jednocześnie rozładowywać ładunków elektrostatycznych; ich przewodność jest tylko niższa niż w przypadku materiałów ESD.

Są różne standardy dla obu grup materiałowych. Materiały antystatyczne są zwykle stosowane w ochronie osobistej, w normach takich jak EN 1149 dla odzieży antystatycznej lub EN ISO 20345 dla antystatycznych butów ochronnych. Rezystancja elektryczna musi być tak niska, że nie może dojść do ładowania, a na przykład można również zapobiec iskrzeniu. W przypadku materiałów ESD nacisk kładziony jest na ochronę komponentów. Norma EN 61340-4-1 określa wymagania dotyczące przewodności powierzchni i materiałów. Są jednak materiały ESD, które są wykorzystywane do ochrony osobistej, np. obuwie ESD. W przypadku obuwia ESD obowiązują bardziej rygorystyczne specyfikacje dotyczące zatwierdzonego rezystancji elektrycznej: Mają rezystancję elektryczną pomiędzy 0,1 megaoma i 100 megaomów, podczas gdy zakres dla materiałów antystatycznych wynosi od 0,1 do 1000 megaomów. Materiały ESD i antystatyczne są również stosowane na przykład w przewodzących wykładzinach podłogowych i materiałach opakowaniowych oraz specjalnych powłokach.

W zależności od rezystancji stykowej, materiały można podzielić na różne kategorie, co z kolei ma również kluczowe znaczenie w technologii antystatycznej i ESD:

Zasady działania

Funkcjonalność różnych kategorii materiałów różni się w zależności od następujących zasad:

• Rozpraszanie: Materiały ESD prowadzą tworzony ładunek w kontrolowany sposób przez materiał i rozprowadzają go, aby uniknąć niebezpiecznych różnic napięcia.
• Izolacja: Materiały izolacyjne uniemożliwiają przemieszczanie ładunków, co może być przydatne w niektórych obszarach w celu ochrony wrażliwych komponentów przed niekontrolowanym rozładowaniem.
• Odrzucenie: Za pomocą specjalnych struktur powierzchniowych i dodatków, materiały antystatyczne zapobiegają gromadzeniu się ładunków na powierzchni.
• Uziemienie: Materiały przewodzące są połączone z potencjałem ziemi w określonych punktach uziemienia w celu rozładowania nadwyżek ładunku w kontrolowany sposób.

Metody badań

Zachowanie izolacji elektrycznej materiału można najlepiej określić, określając rezystancję powierzchniową i rezystancję stykowa. Rezystancja stykowa, zwana również rezystancją elektryczną, jest rezystancją na przepływ prądu przez materiał i jest określona w omach. Rezystancja stykowa dostarcza informacji o tym, jak dobrze lub słabo materiał może rozładować ładunki do ziemi. Wyniki odczytuje się poprzez przymocowanie jednej elektrody do góry i dołu powierzchni i przepuszczenie przez nie prądu pomiarowego. Rezystancja powierzchniowa z kolei opisuje rezystancję elektryczną na powierzchni materiału. Rezystancję elektryczną określa się przez przyłożenie napięcia elektrycznego za pomocą dwóch równoległych elektrod na powierzchni i przez prąd przepływający przez obie elektrody.

Oparte na konstrukcji metody zapobiegania ładunkom statycznym

Ładowanie statyczne można skutecznie zminimalizować lub zapobiec mu już dzięki celowym rozwiązaniom konstrukcyjnym dotyczącym systemów, komponentów i krytycznych obszarów roboczych. Odpowiednie parametry kontrolne obejmują:

• Wybór materiału
• Uziemienie
• Kontrola wilgotności
• Jonizatory
• Unikanie tarcia

Wybór materiału

Ogólnie rzecz biorąc, wybór między materiałami antystatycznymi lub ESD zależy od zastosowania. Materiały ESD są zalecane, jeśli produkt wrażliwy elektrostatycznie ma być transportowany, montowany lub przetwarzany. Jeśli od samego początku trzeba zapobiegać ładunkom statycznym, na przykład w celu ochrony personelu przed iskrami, materiały antystatyczne są lepiej się do tego nadają, ponieważ minimalizują gromadzenie się ładunku. MISUMI ma różne materiały antystatyczne. Odpowiednimi materiałami mogą być również specjalistyczne tworzywa sztuczne o określonych właściwościach. Dowiedz się więcej w naszym artykule Specjalistyczne tworzywa sztuczne dla praktyków.

Uziemienie elektrostatyczne

Jeśli uziemienie jest prawidłowe, nadmiar ładunków elektrycznych może zostać rozładowany bezpośrednio do potencjału ziemi. Można to osiągnąć na przykład poprzez specjalne maty do stacji roboczych przewodzące prąd elektryczny, paski uziemiające lub specjalne punkty uziemienia na maszynach. Wszystkie elementy przewodzące powinny mieć stałe połączenie z masą.

Kontrola wilgotności

Im wyższa wilgotność, tym wyższa przewodność powietrza i tym lepiej nadmiarowe ładunki mogą być uwalniane i rozprowadzane do cząsteczek wody w powietrzu. Jeśli zezwala na to środowisko produkcyjne, można stosować i monitorować wyższą wilgotność. Zalecana jest wilgotność względna 50-60%.

Jonizatory

Jeśli samo uziemienie jest niewystarczające, do wyładowania elektrostatycznego można użyć jonizatorów. Generują dodatnio i ujemnie naładowane pary jonów, które wiążą się i kompensują istniejące ładunki statyczne w efektywnym zakresie jonizatora. Jonizatory są często używane w celu wyeliminowania niepożądanych ładunków statycznych, gdy obrabiane są części robocze wykonane z materiału izolacyjnego.

Unikanie tarcia

Tarcie między izolatorami lub materiałami o wysokiej impedancji powierzchniowej jest jedną z głównych przyczyn ładowania statycznego. Można uniknąć tarcia za pomocą środków pomocniczych, takich jak smary antystatyczne lub dodatki ślizgowe. Głębsze zrozumienie właściwości tarcia materiału może również pomóc w lepszej klasyfikacji procesów operacyjnych. Aby uzyskać więcej informacji, patrz Tarcie i określanie współczynników tarcia materiałów

Inną opcją jest specjalna obróbka powierzchni, która zapewnia, że wytwarza się gładszą strukturę. Można to osiągnąć na przykład przez polerowane powierzchnie lub specjalne materiały, takie jak silikon antystatyczny lub PTFE (teflon) z przewodzącymi wypełniaczami.