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摩擦和靜電的產(chǎn)生

來源:北京蘭德梅克科技開發(fā)有限公司   2018年05月04日 08:58  

在薄膜生產(chǎn)和應用中,,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量還可能引起安全問題。筆者在多年生產(chǎn)和技術服務中,,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,。

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AC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,,AC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,,可分為靜電感應和空氣電離兩種方法。靜電感應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,。

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)

ESD2000型靜電電位計(電離)

體積

精度

影響精度因素

1 電場感應測定探頭所對應薄膜面積平均電場,,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,,使結果偏小,。

3 鉛制金屬屏蔽筒受靜電感應形成的電場對結果有影響,。

適應場合

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該在靜止場合使用,,并進行數(shù)據(jù)補償。

方便攜帶的ELD-1靜電電壓表                                         

硬毛靜電刷的消電原理

由于硬毛靜電刷消電效果取決于薄膜靜電壓的感應電壓,,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,。

如果把硬毛換成對薄膜無損傷的軟毛,,則可以直接接觸薄膜,因為軟毛的,,產(chǎn)生靜電感應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,。

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,,電暈電流容易轉化為電弧電流,。

距離薄膜較近時,電暈電流容易轉化為電弧電流,。

不易

直接接觸薄膜,,基本無電暈電流

經(jīng)濟性

好,,100300/

差,25004000/

好,,200400/

A;TR-01軟毛靜電刷                             B:常用的硬毛靜電刷

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,,應避開圖中AB,、C,、D幾個位置。要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,事倍功半,。

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,,使其達不到應有的消除效果,。

試驗結果表明,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,。

蘭德梅克推薦的TR-01軟毛靜電刷

在薄膜生產(chǎn)和應用中,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量還可能引起安全問題。筆者在多年生產(chǎn)和技術服務中,,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

 

B

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AC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,,AC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,,可分為靜電感應和空氣電離兩種方法,。靜電感應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,,實質上是對薄膜表面電場的測試,。空氣電離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。

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)

ESD2000型靜電電位計(電離)

體積

精度

影響精度因素

1,、 電場感應測定探頭所對應薄膜面積平均電場,,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,使結果偏小,。

3,、 鉛制金屬屏蔽筒受靜電感應形成的電場對結果有影響。

適應場合

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,,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?。???梢韵胂竺恳桓⒚拖裆煜蚩罩械谋芾揍樢粯樱舛?,才能更好的形成感應電荷集中,,早一步放電達到消除靜電的目的??疾爝@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。實際應用中,,用萬用表測試靜電刷的電阻即可,,一般質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,產(chǎn)生靜電感應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。

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,電暈電流容易轉化為電弧電流,。

距離薄膜較近時,,電暈電流容易轉化為電弧電流。

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,應避開圖中A,、B,、CD幾個位置,。要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,,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,,使其達不到應有的消除效果。

試驗結果表明,,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,。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附圖蘭德梅克推薦的TR-01軟毛靜電刷安裝圖

 

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