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塑料薄膜生產(chǎn)中關(guān)于靜電的幾個問題

更新時間:2009-06-08      點擊次數(shù):3449

 

在薄膜生產(chǎn)和應(yīng)用中,靜電一直是我們比較頭痛的問題之一,摩擦、撞擊甚至張力變化都有可能引起靜電,不但影響印刷和制袋質(zhì)量還可能引起安全問題。筆者在多年生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)中,對下面幾個問題深有感觸,在此與大家交流探討。
摩擦是怎么產(chǎn)生靜電的。
薄膜在生產(chǎn)中與金屬輥的摩擦很小,那為什么也產(chǎn)生靜電呢?電學原理告訴我們,嚴格說摩擦起電只是一種接觸帶電的一種表現(xiàn)形式而已。產(chǎn)生靜電一個主要原因就是因為兩種材料接觸時,部分電子云重疊。在迅速分開時,其中一種材料具有較大的吸附電子(或其他帶電粒子,下同)的能力就有可能使電子轉(zhuǎn)移到該材料,獲得電子而呈現(xiàn)負電,而另一種材料則呈現(xiàn)正電。另外,自然界中還有對物體施加作用力時產(chǎn)生的壓電(皮埃佐電)和對物體加熱時產(chǎn)生的熱電,摩擦起電是這些作用的綜合結(jié)果。
摩擦靜電只在不同材料之間發(fā)生嗎?
一個令人震驚的事實是,兩個同樣形狀冰塊相互摩擦也會產(chǎn)生靜電。筆者在北京地區(qū)1月份曾按以下圖示左右摩擦,用A冰棒的C點左右摩擦B冰棒全部區(qū)域3分鐘。用ELD-1靜電壓表測試得知,在A棒的C點出現(xiàn)電壓很高的負電荷,而在B棒的整個摩擦區(qū)域,則出現(xiàn)了電壓比較低的正電荷。
                             A

C點
B棒

附圖1、冰棒非對稱摩擦示意圖
上述摩擦在物理學被稱為“非對稱摩擦”。分析靜電產(chǎn)生原因,雖然摩擦時對兩塊冰做的功一樣,但是對B棒來說,因為摩擦面積大,由摩擦熱引起的溫度上升不明顯,而對于A棒,因為做功相對集中,C點溫度相對升高。溫度的升高帶來分子的活躍和電離――帶正電的氫離子和帶負電的氫氧根離子,其中氫離子比較活躍,容易從溫度高的A棒C點游離到溫度低的B棒廣大區(qū)域上,從而使B棒顯示正電,相反,A棒C點則顯示負電。
用兩個聚丙烯棒進行以上試驗,同樣產(chǎn)生靜電,只不過電性與冰塊相反。
日本京都大學研究資料顯示,用兩塊同樣形狀的聚乙烯薄膜相互對稱摩擦后,測試可以發(fā)現(xiàn),在上面出現(xiàn)了許多很微小的帶正電的點及大片帶負電的區(qū)域,原因是聚乙烯表面微觀的凹凸不平造成的局部不對稱摩擦,致使各部分摩擦熱和溫度的不同,從而導致活躍的帶電荷基團不均勻分布。
所以說,同樣材料的相互摩擦也會導致靜電。
關(guān)鍵的靜電測試。
靜電測試包括測定靜電基本參數(shù),如靜電電壓、電量、電容和測定材料性能,如表面電阻率、體積電阻率。對于塑料薄膜生產(chǎn)使用者,除部分電器包裝需要測定表面電阻率、體積電阻率(用兆歐表)外,一般用戶測試薄膜表面的靜電壓即可。
對塑料薄膜這樣的非導體的表面靜電壓測試(包括測試靜電的極性和電位數(shù)據(jù)),因為探頭不能接觸薄膜,稱為非接觸測試。根據(jù)測試原理的不同,可分為靜電感應(yīng)和空氣電離兩種方法。靜電感應(yīng)是將測試探頭靠近薄膜,利用探頭與薄膜間產(chǎn)生的畸變電場測試,實質(zhì)上是對薄膜表面電場的測試??諝怆婋x是利用放射性同位素電離空氣,在薄膜與儀表輸入端、輸入端與接地端之間分別產(chǎn)生電阻分壓,測試薄膜的對地電壓。
表1 兩種方式靜電電壓表的特點比較

項目
ELD-1靜電電壓表(感應(yīng))
ESD2000型靜電電位計(電離)
體積
精度
影響精度因素
1、 電場感應(yīng)測定探頭所對應(yīng)薄膜面積平均電場,如果其上同時存在正負電荷則只能測定電場抵消后的電位。
2、 探頭面積與被測薄膜面積的差別、與薄膜距離形成電容差,導致結(jié)果變大或儀器靈敏度差。
1、 需要電離空氣,如果有風或被測物移動會有影響。
2、 電離后的離子會與被測物異性電荷中和,使結(jié)果偏小。
3、 鉛制金屬屏蔽筒受靜電感應(yīng)形成的電場對結(jié)果有影響。
適應(yīng)場合
適合運動薄膜(生產(chǎn)在線)
適合相對測試(如考察靜電降低程度)
適合靜止薄膜,實驗室用
適合測試即靜電電位

可以看出,在車間使用感應(yīng)式靜電電壓表時,其與薄膜的位置、薄膜面積相對固定才能降低誤差,即所謂相對測試;而空氣電離式電位計應(yīng)該在靜止場合使用,并進行數(shù)據(jù)補償。
附圖2:方便攜帶的ELD-1靜電電壓表
 
常用靜電消除器的比較。
靜電消除器分無源式和有源式兩類,后者又分為高壓電源式、離子風式、放射源式等幾種,因為都需要另加電源,加大能耗,高壓電或放射源的安全因素,很少在塑料加工中使用。
塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用廠家,過去一般使用無源式靜電消除器中的硬毛靜電刷(防靜電毛刷),現(xiàn)在,許多要求高的廠家紛紛選擇一些新的靜電消除器,如軟毛靜電刷等。
以硬毛靜電刷為例,消電機理主要因為導體的靜電感應(yīng),在靠近薄膜處產(chǎn)生與薄膜負電極性相反的正電荷,通過空氣電離,形成電暈電流,在電暈區(qū)產(chǎn)生大量的正、負離子。如圖3所示,在電場的作用下,帶負電的粒子向放電毛針B方向運動;帶正電的粒子向帶負電的薄膜C方向運動,中和薄膜帶的負電荷。由于針尖B附近的電場依賴于薄膜C本身的電位及針尖到薄膜的距離,所以,薄膜C的電壓越高,針尖B到薄膜C的距離越近,針尖B上感應(yīng)出的電荷密度越大,附近形成的電場越強,電離的帶電離子數(shù)目越多,消除靜電效果越好(但太近時易產(chǎn)生電弧)??梢韵胂竺恳桓⒚拖裆煜蚩罩械谋芾揍樢粯?,要尖而細,才能更好的形成感應(yīng)電荷集中,早一步放電達到消除靜電的目的。考察這種除靜電毛刷性能主要有兩個指標:臨界電壓和電暈電流。前者是能夠使放電針產(chǎn)生電暈放電的zui低電壓,當然是越低越好;后者越大,表明單位時間內(nèi)被消除的電荷越多。實際應(yīng)用中,用萬用表測試靜電刷的電阻即可,一般質(zhì)量好的靜電刷電阻小于1Ω/米,也可以用ELD-1靜電壓表測試靜電刷安裝前后的電位來判斷。決定除靜電毛刷的性能有多種因素,放電毛針針尖越細長、材料導電性越好制成的除靜電毛刷性能越好。
 
                                               
 
 
 
 
 
 
附圖3,硬毛靜電刷的消電原理
如上圖可以看出,由于硬毛靜電刷消電效果取決于薄膜靜電壓的感應(yīng)電壓,消電效果不*,所以人們做了改進,把接地的A處加上與薄膜靜電電荷性能相反的直流高壓電源,如正電荷,使消電效果大大提高,這就是直流消電器的原理。
如果把上圖中B處硬毛換成對薄膜無損傷的軟毛,則可以直接接觸薄膜C;因為軟毛的“柔”,產(chǎn)生靜電感應(yīng)后因為電荷的吸引力毛尖部分可以緊緊吸附在薄膜上,負電荷可以通過軟毛靜電刷直接導入大地,消電效果也大幅度提高。據(jù)測算,TR-01接觸式軟毛靜電刷的臨界電壓比普通硬毛靜電刷低80%左右,電暈電流則大30%以上。
表2 薄膜常用消電器的特點比較

項目
普通硬毛靜電刷
直流消電器
TR-01軟毛靜電刷
消電效果
消電效果取決于薄膜電壓,在薄膜電壓低于一定數(shù)值時無作用
消電效果由直流電源決定,可以*消除靜電
消電時直接接觸薄膜,可以基本消除薄膜靜電。
是否消耗電能
否,直接接地
是,需要直流電源
否,直接接地
是否易產(chǎn)生電弧、火花
距離薄膜較近時,電暈電流容易轉(zhuǎn)化為電弧電流。
距離薄膜較近時,電暈電流容易轉(zhuǎn)化為電弧電流。
不易
直接接觸薄膜,基本無電暈電流
經(jīng)濟性
好,100-300元/米
差,2500-4000元/套
好,200-400元/米

 
A;TR-01軟毛靜電刷                             B:常用的硬毛靜電刷
附圖4 典型的軟毛和硬毛靜電刷
不可忽略的問題,消電器的安裝
以硬毛靜電刷為例,它的安裝和性能一樣重要,安裝不妥,不僅會降低消電效果,有時還會使靜電加劇,甚至造成更大的危害。一般來說,安裝如圖5所示,應(yīng)避開圖中A、B、C、D幾個位置。在需要消除靜電部位的前面,如盡量靠近印刷和制袋前的部位或靜電電位zui強的部位。安裝角度垂直于薄膜運動方向,毛刷應(yīng)有牢固的支撐并可靠接地。TR-01軟毛靜電刷安裝要在薄膜的正反面都要安裝,否則前面消除后面又感應(yīng),事倍功半。
5:靜電消除器的安裝
說明:黑色三角處表示可以安裝,白色三角位置不能安裝,因為:A處有摩擦的靜電產(chǎn)生源,前面消除后面產(chǎn)生,使消除工作事倍功半。B處背面有接地體,C處臨近接地體,D處有其他消電裝置,均可以干擾電場感應(yīng),使其達不到應(yīng)有的消除效果。
試驗結(jié)果表明,使用正確的安裝方法,軟毛靜電刷zui多時可以消除95%以上的靜電。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

附圖6 蘭德梅克推薦的TR-01軟毛靜電刷安裝圖
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