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摩擦和静电的产生

更新时间:2018-05-04      点击次数:3691

在薄膜生产和应用中,静电一直是我们比较头痛的问题之一,摩擦、撞击甚至张力变化都有可能引起静电,不但影响印刷和制袋质量还可能引起安全问题。笔者在多年生产和技术服务中,对下面几个问题深有感触,在此与大家交流探讨。

摩擦是怎么产生静电的。

薄膜在生产中与金属辊的摩擦很小,那为什么也产生静电呢?电学原理告诉我们,严格说摩擦起电只是一种接触带电的一种表现形式而已。产生静电一个主要原因就是因为两种材料接触时,部分电子云重叠。在迅速分开时,其中一种材料具有较大的吸附电子(或其他带电粒子,下同)的能力就有可能使电子转移到该材料,获得电子而呈现负电,而另一种材料则呈现正电。另外,自然界中还有对物体施加作用力时产生的压电(皮埃佐电)和对物体加热时产生的热电,摩擦起电是这些作用的综合结果。

摩擦静电只在不同材料之间发生吗?

一个令人震惊的事实是,两个同样形状冰块相互摩擦也会产生静电。笔者在北京地区1月份曾左右摩擦,用A冰棒的C点左右摩擦B冰棒全部区域3分钟。用ELD-1静电压表测试得知,在A棒的C点出现电压很高的负电荷,而在B棒的整个摩擦区域,则出现了电压比较低的正电荷。

上述摩擦在物理学被称为非对称摩擦。分析静电产生原因,虽然摩擦时对两块冰做的功一样,但是对B棒来说,因为摩擦面积大,由摩擦热引起的温度上升不明显,而对于A棒,因为做功相对集中,C点温度相对升高。温度的升高带来分子的活跃和电离――带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子,其中氢离子比较活跃,容易从温度高的AC点游离到温度低的B棒广大区域上,从而使B棒显示正电,相反,AC点则显示负电。

用两个聚丙烯棒进行以上试验,同样产生静电,只不过电性与冰块相反。

日本京都大学研究资料显示,用两块同样形状的聚乙烯薄膜相互对称摩擦后,测试可以发现,在上面出现了许多很微小的带正电的点及大片带负电的区域,原因是聚乙烯表面微观的凹凸不平造成的局部不对称摩擦,致使各部分摩擦热和温度的不同,从而导致活跃的带电荷基团不均匀分布。

所以说,同样材料的相互摩擦也会导致静电。

关键的静电测试

静电测试包括测定静电基本参数,如静电电压、电量、电容和测定材料性能,如表面电阻率、体积电阻率。对于塑料薄膜生产使用者,除部分电器包装需要测定表面电阻率、体积电阻率(用兆欧表)外,一般用户测试薄膜表面的静电压即可。

对塑料薄膜这样的非导体的表面静电压测试(包括测试静电的极性和电位数据),因为探头不能接触薄膜,称为非接触测试。根据测试原理的不同,可分为静电感应和空气电离两种方法。静电感应是将测试探头靠近薄膜,利用探头与薄膜间产生的畸变电场测试,实质上是对薄膜表面电场的测试。空气电离是利用放射性同位素电离空气,在薄膜与仪表输入端、输入端与接地端之间分别产生电阻分压,测试薄膜的对地电压。

两种方式静电电压表的特点比较

 

项目

ELD-1静电电压表(感应)

ESD2000型静电电位计(电离)

体积

精度

影响精度因素

1 电场感应测定探头所对应薄膜面积平均电场,如果其上同时存在正负电荷则只能测定电场抵消后的电位。

2 探头面积与被测薄膜面积的差别、与薄膜距离形成电容差,导致结果变大或仪器灵敏度差。

1 需要电离空气,如果有风或被测物移动会有影响。

2 电离后的离子会与被测物异性电荷中和,使结果偏小。

3 铅制金属屏蔽筒受静电感应形成的电场对结果有影响。

适应场合

适合运动薄膜(生产在线)

适合相对测试(如考察静电降低程度)

适合静止薄膜,实验室用

适合测试即静电电位

可以看出,在车间使用感应式静电电压表时,其与薄膜的位置、薄膜面积相对固定才能降低误差,即所谓相对测试;而空气电离式电位计应该在静止场合使用,并进行数据补偿。

方便携带的ELD-1静电电压表                                         

硬毛静电刷的消电原理

由于硬毛静电刷消电效果取决于薄膜静电压的感应电压,消电效果不*,所以人们做了改进,把接地的A处加上与薄膜静电电荷性能相反的直流高压电源,如正电荷,使消电效果大大提高,这就是直流消电器的原理。

如果把硬毛换成对薄膜无损伤的软毛,则可以直接接触薄膜,因为软毛的,产生静电感应后因为电荷的吸引力毛尖部分可以紧紧吸附在薄膜上,负电荷可以通过软毛静电刷直接导入大地,消电效果也大幅度提高。据测算,TR-01接触式软毛静电刷的临界电压比普通硬毛静电刷低80%左右,电晕电流则大30%以上。

薄膜常用消电器的特点比较

项目

普通硬毛静电刷

直流消电器

TR-01软毛静电刷

消电效果

消电效果取决于薄膜电压,在薄膜电压低于一定数值时无作用

消电效果由直流电源决定,可以*消除静电

消电时直接接触薄膜,可以基本消除薄膜静电。

是否消耗电能

否,直接接地

是,需要直流电源

否,直接接地

是否易产生电弧、火花

距离薄膜较近时,电晕电流容易转化为电弧电流。

距离薄膜较近时,电晕电流容易转化为电弧电流。

不易

直接接触薄膜,基本无电晕电流

经济性

好,100300/

差,25004000/

好,200400/

A;TR-01软毛静电刷                             B:常用的硬毛静电刷

典型的软毛和硬毛静电刷

不可忽略的问题,消电器的安装

以硬毛静电刷为例,它的安装和性能一样重要,安装不妥,不仅会降低消电效果,有时还会使静电加剧,甚至造成更大的危害。一般来说,安装如图5所示,应避开图中ABCD几个位置。要在需要消除静电部位的前面,如尽量靠近印刷和制袋前的部位或静电电位zui强的部位。安装角度垂直于薄膜运动方向,毛刷应有牢固的支撑并可靠接地。TR-01软毛静电刷安装要在薄膜的正反面都要安装,否则前面消除后面又感应,事倍功半。

静电消除器的安装

说明:黑色三角处表示可以安装,白色三角位置不能安装,因为:A处有摩擦的静电产生源,前面消除后面产生,使消除工作事倍功半。B处背面有接地体,C处临近接地体,D处有其他消电装置,均可以干扰电场感应,使其达不到应有的消除效果。

试验结果表明,使用正确的安装方法,软毛静电刷zui多时可以消除95%以上的静电。

兰德梅克推荐的TR-01软毛静电刷

在薄膜生产和应用中,静电一直是我们比较头痛的问题之一,摩擦、撞击甚至张力变化都有可能引起静电,不但影响印刷和制袋质量还可能引起安全问题。笔者在多年生产和技术服务中,对下面几个问题深有感触,在此与大家交流探讨。

摩擦是怎么产生静电的。

薄膜在生产中与金属辊的摩擦很小,那为什么也产生静电呢?电学原理告诉我们,严格说摩擦起电只是一种接触带电的一种表现形式而已。产生静电一个主要原因就是因为两种材料接触时,部分电子云重叠。在迅速分开时,其中一种材料具有较大的吸附电子(或其他带电粒子,下同)的能力就有可能使电子转移到该材料,获得电子而呈现负电,而另一种材料则呈现正电。另外,自然界中还有对物体施加作用力时产生的压电(皮埃佐电)和对物体加热时产生的热电,摩擦起电是这些作用的综合结果。

摩擦静电只在不同材料之间发生吗?

一个令人震惊的事实是,两个同样形状冰块相互摩擦也会产生静电。笔者在北京地区1月份曾按以下图示左右摩擦,用A冰棒的C点左右摩擦B冰棒全部区域3分钟。用ELD-1静电压表测试得知,在A棒的C点出现电压很高的负电荷,而在B棒的整个摩擦区域,则出现了电压比较低的正电荷。

                             A

 

C

 

B

附图1、冰棒非对称摩擦示意图

上述摩擦在物理学被称为非对称摩擦。分析静电产生原因,虽然摩擦时对两块冰做的功一样,但是对B棒来说,因为摩擦面积大,由摩擦热引起的温度上升不明显,而对于A棒,因为做功相对集中,C点温度相对升高。温度的升高带来分子的活跃和电离――带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子,其中氢离子比较活跃,容易从温度高的AC点游离到温度低的B棒广大区域上,从而使B棒显示正电,相反,AC点则显示负电。

用两个聚丙烯棒进行以上试验,同样产生静电,只不过电性与冰块相反。

日本京都大学研究资料显示,用两块同样形状的聚乙烯薄膜相互对称摩擦后,测试可以发现,在上面出现了许多很微小的带正电的点及大片带负电的区域,原因是聚乙烯表面微观的凹凸不平造成的局部不对称摩擦,致使各部分摩擦热和温度的不同,从而导致活跃的带电荷基团不均匀分布。

所以说,同样材料的相互摩擦也会导致静电。

关键的静电测试

静电测试包括测定静电基本参数,如静电电压、电量、电容和测定材料性能,如表面电阻率、体积电阻率。对于塑料薄膜生产使用者,除部分电器包装需要测定表面电阻率、体积电阻率(用兆欧表)外,一般用户测试薄膜表面的静电压即可。

对塑料薄膜这样的非导体的表面静电压测试(包括测试静电的极性和电位数据),因为探头不能接触薄膜,称为非接触测试。根据测试原理的不同,可分为静电感应和空气电离两种方法。静电感应是将测试探头靠近薄膜,利用探头与薄膜间产生的畸变电场测试,实质上是对薄膜表面电场的测试。空气电离是利用放射性同位素电离空气,在薄膜与仪表输入端、输入端与接地端之间分别产生电阻分压,测试薄膜的对地电压。

两种方式静电电压表的特点比较

 

项目

ELD-1静电电压表(感应)

ESD2000型静电电位计(电离)

体积

精度

影响精度因素

1、 电场感应测定探头所对应薄膜面积平均电场,如果其上同时存在正负电荷则只能测定电场抵消后的电位。

2、 探头面积与被测薄膜面积的差别、与薄膜距离形成电容差,导致结果变大或仪器灵敏度差。

1、 需要电离空气,如果有风或被测物移动会有影响。

2、 电离后的离子会与被测物异性电荷中和,使结果偏小。

3、 铅制金属屏蔽筒受静电感应形成的电场对结果有影响。

适应场合

适合运动薄膜(生产在线)

适合相对测试(如考察静电降低程度)

适合静止薄膜,实验室用

适合测试即静电电位

可以看出,在车间使用感应式静电电压表时,其与薄膜的位置、薄膜面积相对固定才能降低误差,即所谓相对测试;而空气电离式电位计应该在静止场合使用,并进行数据补偿。

附图2:方便携带的ELD-1静电电压表

 

常用静电消除器的比较。

静电消除器分无源式和有源式两类,后者又分为高压电源式、离子风式、放射源式等几种,因为都需要另加电源,加大能耗,高压电或放射源的安全因素,很少在塑料加工中使用。

塑料薄膜生产应用厂家,过去一般使用无源式静电消除器中的硬毛静电刷(防静电毛刷),现在,许多要求高的厂家纷纷选择一些新的静电消除器,如软毛静电刷等。

以硬毛静电刷为例,消电机理主要因为导体的静电感应,在靠近薄膜处产生与薄膜负电极性相反的正电荷,通过空气电离,形成电晕电流,在电晕区产生大量的正、负离子。如图3所示,在电场的作用下,带负电的粒子向放电毛针B方向运动;带正电的粒子向带负电的薄膜C方向运动,中和薄膜带的负电荷。由于针尖B附近的电场依赖于薄膜C本身的电位及针尖到薄膜的距离,所以,薄膜C的电压越高,针尖B到薄膜C的距离越近,针尖B上感应出的电荷密度越大,附近形成的电场越强,电离的带电离子数目越多,消除静电效果越好(但太近时易产生电弧)。可以想象每一根刷毛就像伸向空中的避雷针一样,要尖而细,才能更好的形成感应电荷集中,早一步放电达到消除静电的目的。考察这种除静电毛刷性能主要有两个指标:临界电压和电晕电流。前者是能够使放电针产生电晕放电的zui低电压,当然是越低越好;后者越大,表明单位时间内被消除的电荷越多。实际应用中,用万用表测试静电刷的电阻即可,一般质量好的静电刷电阻小于1Ω/米,也可以用ELD-1静电压表测试静电刷安装前后的电位来判断。决定除静电毛刷的性能有多种因素,放电毛针针尖越细长、材料导电性越好制成的除静电毛刷性能越好。

 

                                               

 

 

 

 

 

 

附图3,硬毛静电刷的消电原理

如上图可以看出,由于硬毛静电刷消电效果取决于薄膜静电压的感应电压,消电效果不*,所以人们做了改进,把接地的A处加上与薄膜静电电荷性能相反的直流高压电源,如正电荷,使消电效果大大提高,这就是直流消电器的原理。

如果把上图中B处硬毛换成对薄膜无损伤的软毛,则可以直接接触薄膜C;因为软毛的,产生静电感应后因为电荷的吸引力毛尖部分可以紧紧吸附在薄膜上,负电荷可以通过软毛静电刷直接导入大地,消电效果也大幅度提高。据测算,TR-01接触式软毛静电刷的临界电压比普通硬毛静电刷低80%左右,电晕电流则大30%以上。

薄膜常用消电器的特点比较

 

项目

普通硬毛静电刷

直流消电器

TR-01软毛静电刷

消电效果

消电效果取决于薄膜电压,在薄膜电压低于一定数值时无作用

消电效果由直流电源决定,可以*消除静电

消电时直接接触薄膜,可以基本消除薄膜静电。

是否消耗电能

否,直接接地

是,需要直流电源

否,直接接地

是否易产生电弧、火花

距离薄膜较近时,电晕电流容易转化为电弧电流。

距离薄膜较近时,电晕电流容易转化为电弧电流。

不易

直接接触薄膜,基本无电晕电流

经济性

好,100-300元/米

差,2500-4000元/套

好,200-400元/米

 

A;TR-01软毛静电刷                             B:常用的硬毛静电刷

附图4 典型的软毛和硬毛静电刷

不可忽略的问题,消电器的安装

以硬毛静电刷为例,它的安装和性能一样重要,安装不妥,不仅会降低消电效果,有时还会使静电加剧,甚至造成更大的危害。一般来说,安装如图5所示,应避开图中ABCD几个位置。要在需要消除静电部位的前面,如尽量靠近印刷和制袋前的部位或静电电位zui强的部位。安装角度垂直于薄膜运动方向,毛刷应有牢固的支撑并可靠接地。TR-01软毛静电刷安装要在薄膜的正反面都要安装,否则前面消除后面又感应,事倍功半。

5:静电消除器的安装

说明:黑色三角处表示可以安装,白色三角位置不能安装,因为:A处有摩擦的静电产生源,前面消除后面产生,使消除工作事倍功半。B处背面有接地体,C处临近接地体,D处有其他消电装置,均可以干扰电场感应,使其达不到应有的消除效果。

试验结果表明,使用正确的安装方法,软毛静电刷zui多时可以消除95%以上的静电。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附图兰德梅克推荐的TR-01软毛静电刷安装图

 

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